水力压裂原理1
第1章-水力压裂
作用: Ø传递压力； Ø起裂和延伸裂缝； Ø携砂。
前置液
起缝、延伸裂缝、冷却
按
作
携砂液
延伸裂缝、悬砂
用
分
顶替液
顶替砂浆
对压裂液的要求: Ø与地层配伍； Ø有效悬浮和输送支撑剂； Ø滤失少； Ø摩阻低； Ø低残渣； Ø易返排； Ø热稳定性； Ø抗剪切稳定性。
一、压裂液类型
各种压裂液所占的比例
增能气 体, 25%
第一章 水力压裂
内容提要
Ø水力压裂造缝机理 Ø压裂液 Ø支撑剂 Ø水力压裂延伸模拟 Ø支撑剂输送 Ø水力压裂评价与设计 Ø压裂工艺技术
压裂:
hydraulic
分类: fracturing
水力压裂:利用地面高压泵组，以超过地层吸收能力 的排量将高粘压裂泵入井内而在井底产生高压，当 压力克服井壁附近地应力并达到岩石抗张强度时， 就在地层产生裂缝。继续泵注带有支撑剂的压裂液， 使裂缝继续延伸并在其中充填支撑剂。停泵后，由 于支撑剂对裂缝的支撑作用，在地层中形成足够长 的、有一定导流能力的填砂裂缝，从而实现油气井 增产和水井增注。
' w
0.5m A
修正：
cw
cw'
p f pa
1 2
用途:静态滤失系数 用于筛选评价压裂液
用途:动态滤 失系数为压裂 设计提供参数
2.受压裂液粘度控制的滤失系数
假设条件: Ø侵入符合达西定律； Ø活塞驱动
压裂液的实际滤失速度：
va
dL0.058Kp
dt
f L
积分求L，回代达西定律
12
v0.05K 8 f Lp0.17K ftp
牛顿型：
圆管稠度系数：
Kp
压裂工艺原理文档
压裂施工工艺培训资料一、水力压裂的基本原理油层水力压裂一般是指利用液体传压的原理，在地面用高压大排量的泵，将具有一定粘度的液体以大于油层所能吸收的能力向油层注入，使井筒压力逐渐增高，当压力增高到大于油层破裂所需要的压力时，油层就会形成一条或几条水平的或是垂直的裂缝。
当裂缝形成以后，随着液体的不断注入，裂缝还会不断地延伸和扩展，直到液体注入的速度与油层所能吸收的速度相等时为止，此时若取消外力裂缝还会重新闭合。
为了保持裂缝处于张开的状态，随压裂液注入的同时混入一定比例的具有较高强度的固体颗粒做支撑剂来支撑裂缝。
由于支撑是经过严格筛选的，它具有良好的粒度和强度，沉淀在裂缝中，使改变了井筒附近地层的导流能力，从而降低了液体由地层流入井筒的阻力。
二、水力压裂目的和作用油层水力压裂的目的在于改造油层的物理结构，人为地在油层中形成一条或几条高渗透能力的通道，以降低近井地带的流动阻力，增大渗流能力，使油井获得增产效果。
对油层进行水力压裂有以下作用：①解除钻井或修井过程中由于压井液造成的油层污染和堵塞。
②改善厚油层上下渗透性不均匀的层内矛盾。
③提高低渗透油层的渗透能力，调整油井的层间和平面矛盾，改善开发效果；④扩展和沟通油层原有的裂缝和通道，提高油井的产油能力和注水井的吸水能力三、水力压裂效果评价水力压裂效果评价可以从三个方面进行评价：裂缝状况（几何尺寸、导流能力等参数）压后产量变化，经济效益。
水力压裂效果评价的意义：1.小型压裂：获取地层参数、用来指导以后的压裂设计。
2.压裂施工结束后：确定几何裂缝的尺寸，3.产量评价：计算经济指标、优化压裂规模。
评价的结果可以验证或修正水力压裂中使用的规模、选择压裂液、确定加砂量、加砂程序、采用的工艺以及开发方案等，进而降低压裂成本和提高油气采收率，达到开采油气的目的。
根据所选的模型压裂效果评价参数如下：裂缝的长宽高、裂缝的导流能力、压裂液的滤失系数、产量、计算压裂收益。
四、泵注期间压力分析4.1施工压力和时间的关系4.1.1裂缝宽度方程2.52.5缝宽剖面 (cm)330033253350255075100125裂缝中支撑剂浓度 (kg/m2)00.60 1.2 1.8 2.4 3.0 3.6 4.2 4.8 5.4 6.0支撑剂浓度 (kg/m2)4.1.2裂缝内压力方程裂缝内压力梯度取决于压裂液的流变性、流速、缝宽。
水力压裂原理
3、求取
• 实验室岩心试验
使用压裂目的层和裂缝在垂向上可以穿透或起遮挡作用岩 层的岩心，在就地条件下（就地围岩压力、孔隙压力、地 层温度与含水饱和度），进行单轴或三轴试验，测定岩石 的静态或动态的泊松比和弹性模量。
单轴和三轴试验
静态和动态试验
一般，用动态试验测取的泊松比与弹性模量值大于静态值。 岩石中天然裂隙或天然裂缝愈多，两者的差异愈大。
⑵岩石的弹性模量
岩石受拉应力或压应力时，当 负荷增加到一定程度后，应力 与应变曲线变成线性关系，比 例常数即为弹性模量。计算单 位以MPa表示。
2 1
E
2、作用 • 泊松比是使用测井方法确定地层水平主应力值及其垂向 分布的重要参数 • 弹性模量在应用线弹性压力—应变理论推导的压裂模型 中关系到裂缝的几何尺寸 • 缝宽与弹性模量成反比 • 控制缝高
2、作用
1）反映油气藏驱动能量的大小。
2）目前地层压力或静止压力是压裂选井选层的主要依据。
3）选择压裂液类型的依据之一。
3）检验压前生产状况，预测压后产量与评价压裂效果。
4）诸多参数是地层压力的函数，包括，有效渗透率、原 油黏度、杨氏模量、地层破裂压力
闭合压力:随油气井的投产开采，地层压力产生变化， 将使裂缝闭合压力，储层与上、下遮挡层的地应力差，有 效渗透与孔隙度，杨氏模量，泊松比与岩石抗张强度，地 下原油粘度，体积系统与压缩系统等储层特征参数随之变 化。
⑵地层流体粘度
• 又称为粘滞系数。是指在地层条件下油气内部摩擦引起 的阻力。计算单位以mPa·s表示。
• 地层原油粘度除受其他层温度和地层压力影响外，还受 到构成油的组分和天然气在原油中溶解度的影响。
⑶地层流体压缩系数
• 原油压缩系数定义为，在地层条件下每变化1MPa压力， 单位体积原油的体积变化率。它是油藏弹性能量的一个量 度。计量单位以MPa-1表示。
第6章 水力压裂技术(20130325)
（2）破裂压力计算方法
裂缝方位： 水力裂缝总是沿着垂直于最小主应力方向延伸。 （1）σz=min(σx ,σy ,σz) 水平缝 垂直缝
（2）σx(σy)=min(σx ,σy ,σz) 方向：取决于最小主应力方向
4.破裂压力梯度
破裂压力梯度用下式表示：
地层破裂压力 油层中部深度
浅层：水平缝
2）粒径及其分布 3）支撑剂类型与铺砂浓度 4）其它因素 如支撑剂的质量、密度以及颗粒园球度等
返回
第四节
压裂设计的任务：
压裂设计
优选出经济可行的增产方案
压裂设计的原则：
最大限度发挥油层潜能和裂缝的作用 使压裂后油气井和注入井达到最佳状态
压裂井的有效期和稳产期长
压裂设计的方法：
根据油层特性和设备能力，以获取最大产量或经济效 益为目标，在优选裂缝几何参数基础上，设计合适的加砂 方案。
FRCD＝Wf˙Kf＝（KW）f
裂缝参数：Lf，FRCD，是最关键的因素； 最大缝宽： Wmax， Wf
4 Wmax
动态缝宽：施工过程中的裂缝宽度；～10mm 支撑缝宽：裂缝闭合后的宽度 W支；3～5mm。
一、支撑剂的要求 1.粒径均匀；
2.强度大，破碎率小； 3.圆度和球度高；
4.密度小； 5.杂质少。
(2)受地层流体压缩性控制CⅡ ：
当压裂液粘度接近油藏流体粘度时，控制压 裂液滤失的是储层岩石和流体的压缩性，这是因 为储层岩石和流体受到压缩，让出一部分空间压 裂液才得以滤失进去。
C
kCf 4.3 10 P r
3
1/ 2
s 式中： μr－地层流体粘度，mPa· ；
1 C
水力压裂工艺介绍课件
压裂液的选择与使用
01
选择原则
压裂液的选择需要考虑地层岩性、温度、压力等多种因素。一般来说，
压裂液应具有低摩阻、低滤失、良好的携砂能力等特点。
02 03
使用方法
在使用压裂液时，首先需要将压裂液注入井内，然后通过高压泵将压裂 液加压，使其在地层中产生裂缝。在裂缝扩展过程中，还需要不断向井 内注入砂子等支撑剂，以防止裂缝闭合。
02
水力裂工技与
水力压裂的基本技术
技术原理
水力压裂是利用高压水流对岩层 进行破裂的一种技术。其基本原 理是通过向井内注入高压水，使 岩层产生裂缝，从而增加油气储
层的渗透性于非常规 油气藏的开采，如页岩气、致密 油等。通过水力压裂，可以有效
地提高油气井的产量。
技术优势
在施工过程中，如遇砂堵现象，立即停止注液，进行砂堵处理， 防止设备损坏和施工事故。
详细记录施工过程中的各种数据，包括施工压力、排量、砂比、 施工时间等，为后续评估和总结提供依据。
施工后评估与总结
效果评估
问题总结
在施工结束后，对压裂效果 进行评估，包括裂缝长度、 宽度、导流能力等，判断施
工是否达到预期目标。
02 03
效果2
降低成本。传统的油气开采方法往往需要大量的钻井和完 井工作，而水力压裂工艺可以通过较少的井眼实现较大的 产能，从而降低了开采成本。此外，水力压裂工艺还可以 减少钻井过程中的事故风险，提高了作业的安全性。
效果3
促进非常规资源开发。水力压裂工艺不仅适用于常规油气 储层，还广泛应用于页岩气、煤层气等非常规资源的开发。 这些资源在过去由于技术限制难以经济有效地开采，而水 力压裂技术的应用为这些资源的开发提供了可行的解决方 案。
水力压裂原理ppt课件
1 9 70
1 9 73
1 9 76
Foam F lu ids
1979
1982
1985
1988
19 9 1
19 9 4
3 000
2 500
2 000
1 500
1 000
5 00
0
Av erage Injectio n Rate and HHp
HH p
Rate
Year
H y dr a u li c H or se po w e r
1 949 1 953 1 95 7 1 96 1 1 96 5 196 9 1 97 3 1 97 7 1 981 1 98 5 1 98 9 1 99 3 199 7
In je c t io n R at e (b b l/m in )
60
50
40
30
20
10
0
F lu id V o lu m e ( 1 ,0 0 0 g a llo n s ) T o ta l P r op p a n t ( 1 , 0 0 0 lb s )
当α< 0.015～0.018 MPa/m, 形成垂直裂缝; 当α> 0.022～0.025 MPa/m, 形成水平裂缝.
降低破裂压力措施 • 酸化预处理 • 高效射孔 • 密集射孔
水力压裂商业性应用开始于 1949年
1949早期, 哈里伯顿油井固井公司获得唯一的 “水力压裂”许可证
当年进行了332口井的压裂
75% 成功
1949.3在美国俄 克拉荷马州的维 尔玛进行了第一 次商业性的压裂 施工
从第一次压裂到现在 ...
早期施工使用几百磅的手筛河砂和凝胶油 现在使用成百上千吨的砂或人造支撑剂和冻胶或泡 沫压裂液 注入排量为第一次压裂施工排量的5到50倍
水力压裂技术 分类
水力压裂技术分类水力压裂技术，又称水力压裂法或液压压裂法，是一种用于增强油气井产能的技术。
它通过注入高压液体，使岩石裂缝扩大并连接，从而增加油气井的渗透性和产能。
本文将从水力压裂技术的原理、应用领域、优缺点以及环境影响等方面进行详细介绍。
一、水力压裂技术的原理水力压裂技术利用高压水将岩石裂缝扩大并连接起来，以增加油气井的渗透性和产能。
具体的操作步骤包括：首先，通过钻井将管道和注水设备安装到油气井中；然后，注入高压液体（通常为水和一些化学添加剂）到井中；随着注水压力的升高，岩石裂缝开始扩大，形成通道；最后，注入的液体通过这些通道进入油气层，将其中的油气释放出来。
二、水力压裂技术的应用领域水力压裂技术主要应用于以下几个领域：1. 油气开采：水力压裂技术可以提高油气井的产能，增加油气的开采量。
特别是对于低渗透性油气层，水力压裂技术可以显著改善渗透性，提高开采效率。
2. 地热能开发：水力压裂技术也可以应用于地热能开发领域。
通过在地下注入高压水，可以扩大裂缝，提高地热井的渗透性，增加地热能的采集量。
3. 存储库容增加：水力压裂技术还可以应用于水库、储气库等储存设施的建设中。
通过扩大岩石裂缝，可以增加储存设施的库容，提高储存效率。
三、水力压裂技术的优缺点水力压裂技术具有以下优点：1. 提高产能：水力压裂技术可以显著增加油气井的产能，提高油气的开采效率。
2. 适用性广泛：水力压裂技术适用于各种类型的油气层，包括低渗透性油气层和页岩气层等。
3. 可控性强：水力压裂过程中的注入压力和液体组成可以根据实际情况进行调整，以达到最佳效果。
然而，水力压裂技术也存在一些缺点：1. 环境影响：水力压裂过程中会产生大量的废水和废液，其中可能含有有害物质。
如果处理不当，可能对地下水和环境造成污染。
2. 能源消耗：水力压裂需要消耗大量的水和能源，特别是在水资源短缺的地区，会对水资源和能源供应造成压力。
3. 地震风险：一些研究表明，水力压裂过程中产生的地下应力改变可能会导致地震活动的增加，增加地震风险。
水力压裂增产机理
水力压裂增产机理
水力压裂增产机理是指通过注入高压水来创造和扩大裂缝，从而增加油气储层的流动性和渗透性，进而提高油气产能。
水力压裂增产主要有以下几个机理：
1. 裂缝形成机理：在注入高压水的作用下，岩石受到应力作用而发生破裂，产生裂缝。
高压水会沿着裂缝扩展并迅速膨胀，推动裂缝进一步扩展和延伸，形成有利于油气流动的通道。
2. 高渗透性通道形成机理：水力压裂过程中，高压水会沿着裂缝进入岩层孔隙内，破坏岩层颗粒，排挤孔隙中的天然气或石油，同时降低颗粒之间的接触面积，增加岩层的渗透性。
这样，油气可以更容易地从储层中流出。
3. 水力压裂液引起的岩石吸附力降低机理：水力压裂液中添加的一些化学物质能够降低岩石表面的吸附力，使得岩石颗粒上的油气分子能够更容易地从岩石表面脱附，增加油气产能。
总之，水力压裂增产通过形成和扩大裂缝，增加储层的渗透性和流动性，以及降低岩石吸附力等机理，有效提高油气产能，实现更高的产油效益。
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1949 1953
HHp
1957 1961 1965 1969
Rate
Average Injection Rate and HHp
Year
1973 1977 1981 1985 1989 1993 1997
10 0
Injection Rate (bbl/min)
20
30
40
50
60
Fluid Volume (1,0 00 gallons ) Tota l Pr oppant (1,000 lbs ) 0 1 949 1 952 1 955 1 958 1 961 1 964 1 967 1 970 1 973 1 976 1 979 1 982 1 985 1 988 1 991 1 994 1 997 20 40 60 80 10 0 12 0 14 0
x
x
y
y
实际可能出现下列情况的裂缝
液体分流
裂缝上
下窜
上窜裂倾斜多裂缝
射孔方位
1.射孔方位与最大水平主应力方位平行，最有利
；
2.射孔方位与最小水平主应力方位平行，最不利
；
3.射孔方位与最大水平主应力方位成一定角度平
行，有一定影响。
二、地应力测量、解释方法
压裂设计
1.油气井必须有足够的剩余储量以及地层能量。 2.前次压裂由于施工原因造成施工失败，在对失败原因进一步 分析的基础上加以改进，有望获得成功。
3.前次压裂成功，但产量下降快，如果是因为改造规模不够或 者支撑剂破碎严重，有望获得成功。
4.前次压裂后生产情况较好，但未能处理整个气层或者处理规 模不够，采取重复压裂有可能成功。
前置液 ISIP
裂缝净压力增加
降排量试验
排量
支撑剂浓度
时
间
一.地应力及岩石力学参数
裂缝形态及方位
裂缝方向总是垂直于最小主应力
当z最小时，形成水平裂缝。
z
x y
当z>x>y，形成垂直裂缝，裂缝面垂直于y方向；
当z>y>x，形成垂直裂缝，裂缝面垂直于x方向；
z
z
1949.3在美国俄
克拉荷马州的维 尔玛进行了第一 次商业性的压裂 施工
从第一次压裂到现在 ...
早期施工使用几百磅的手筛河砂和凝胶油 现在使用成百上千吨的砂或人造支撑剂和冻胶或泡 沫压裂液 注入排量为第一次压裂施工排量的5到50倍
% of Total Jobs
0 1949 1952 1955 1958 1961 1964 1967 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Water Base
Oil Base
Historical Frac Fluid Trends
Year
1970 1973 1976 1979 1982 1985 1988 1991 1994
Foam Fluids
Hydraulic Horsepower
1000 1500 2000 2500 3000 500 0
中等的裂缝导流能力
差的裂缝导流能力
有效支撑缝长
增产与裂缝长度
中等渗透地层
增产因数
好的裂缝导流能力
中等的裂缝 导流能力 差的裂缝 导流能力
有效支撑缝长
增产与裂缝长度
高渗透地层
增产因数
好的裂缝导流能力 中等的裂缝导流能力
差的裂缝导流能力
有效支撑缝长
增产与裂缝长度
高渗透地层
(Skin Factor = 20.) 增产因数
好的裂缝导流能力
中等的裂缝导流能力
差的裂缝导流能力
有效支撑缝长
增产与裂缝长度
(产层全部被支撑)
Tinsley’s* 增产因数
10
低渗透 中渗透
5 高渗透 0 500 有效支撑裂缝半长（英尺） 1000
1
Tinsley’s* 增产因数
10
(只有产层厚度的 20% 被支撑)
5
1 0
有效支撑裂缝半长（英尺）
压裂作用及增产机理
沟通油气储集区，扩大供油面积。 砂岩储层中的透镜体、裂缝性油藏的裂 缝和溶洞 改变井筒周围渗流特征，降低渗流阻力， 节约地层能量。
克服井底附近污染
在油气勘探开发中的作用
(1) 勘探阶段
增加可采储量；美国可采储量的20~30%通过压裂 获得。
(2) 开发阶段
增加油气井产量和注水井的注水量;
WELL1 压裂裂缝与注采井连线间成30°角
WELL2
WELL1 压裂裂缝与注采井连线间成45°角
WELL2
生产井裂缝长度对日产量的影响
25 20
日产量（方/天）
15 10 5 0 0 500 1000 1500 2000 时间（天） 2500 3000
都不压裂 0.1,0 0.3,0 0.3,0.1 0.3,0.3 0.3,0.5
水力压裂的历史
1947-1948 : 水力压裂的发展
7 – 美国开始第一口井的压裂施工，用交联 的煤油/汽油混合油。 1948 - 获得专利， 在商业应用前压裂了 23 口井
1947.
水力压裂商业性应用开始于 1949年
1949早期, 哈里伯顿油井固井公司获得唯一的 “水力压裂”许可证
当年进行了332口井的压裂 75% 成功
1.地应力方位测量； 2.地应力大小测量。
三、地层岩石破裂机理和破裂压力
地层岩石破裂，井底压力大于地层有效
应力及岩石的抗张强度。
破裂压力梯度
1.定义
2.理论计算
2v z ps ps pF 1 v
pF 1 2v v 1 3v ps H 1 v H 1 v H
基本概念
利用地面高压泵组，以超过地层吸收能 力的排量将高粘液体（压裂液）泵入井内，而 在井底憋起高压，当该压力克服井壁附近地应 力达到岩石抗张强度后，就在井底产生裂缝。 继续将带有支撑剂的携砂液注入压裂液，裂缝 继续延伸并在裂缝中充填支撑剂。停泵后，由 于支撑剂对裂缝的支撑作用，可在地层中形成 足够长、有一定导流能力的填砂裂缝。
水力压裂
Hydraulic Fracture Stimulation
“水力压裂” 是什么 ?
利用液体传递压力在地层岩石中形成人工裂缝。
液体连续注入使得人工裂缝变得更大。
液体将高强度的固体颗粒（支撑剂）带入并充填裂缝。
施工结束，液体返排，支撑剂留在裂缝中，形成高流通 能力的油气通道，并扩大油气的渗流面积。
45000 40000
累积产油量（方）
35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 0 500 1000 1500 2000 时间（天） 2500 3000 3500 4000
都不压裂 0.3,0 0.3,0.3
0.1,0 0.3,0.1 0.3,0.5
生产井裂缝长度对含水率的影响
二、油藏模拟
1、区块整体压裂油藏模拟 在实际井网和油层条件下，以油藏作为一个工作单 元，进行开发井网与水力裂缝的优化组合设计，并预 测其一、二次采油期产量、扫油效率、以及采出程度 等动态变化结果，以提高采油速度及油藏采收率。
油藏模拟： 考虑人工压裂裂缝对流体渗流的作用，模拟有、无 压裂井时的油藏生产动态，模拟任意方位、任意倾向 人工裂缝及不同缝长不同裂缝导流能力对油气井和油 气藏动态的影响。以区块整体产量、效益或扫油效率 为目标，选择与油藏相匹配的裂缝参数（裂缝半长、 裂缝导流能力)。
1
都不压裂
0.8
0.1,0 0.3,0.1 0.3,0.5
0.3,0 0.3,0.3
含水率（％）
0.6 0.4 0.2 0 0 500 1000 1500 2000 时间（天） 2500 3000 3500 4000
裂缝的导流能力对累积产量的影响
45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0
调整油田开发矛盾，改善吸水、出油剖面;
提高采油速度，提高油田采收率;
(3) 其它方面 控制井喷;煤矿开采，工业排污，废核处理等。
油气井水力压裂
为什么要压裂
…
增加油气井的生产能力
低渗透储层通过压裂达到经济开采产量 中等渗透储层的伤害要消除或需要更优的回报 高渗透储层的伤害要消除或防砂
2、单井压裂油藏模拟
在地层实际物性参数条件下，计算不同支撑缝长、不 同裂缝导流能力下井的产量。 支撑裂缝对井生产能力的影响
最重要的参数:
有效支撑缝长
裂缝导流能力 支撑的产层厚度
增产与裂缝长度
低渗透储层
增产因数
中等渗透储层
高渗透储层
有效支撑缝长
增产与裂缝长度
低渗透地层
增产因数
好的裂缝导流能力
3500
4000
生产井裂缝长度对采出程度的油影响
45 40 35
采出程度（％）
30 25 20 15 10 5 0 0 500 1000 1500 2000 时间（天）
都不压裂 0.3,0 0.3,0.3
2500 3000
0.1,0 0.3,0.1 0.3,0.5
3500 4000
生产井裂缝长度对累产油量影响
0 500 1000 1500 2000 时间（天）
累积产油量（方）
都不压裂 frcd=15 frcd=45
2500 3000
frcd=5 frcd=30 frcd=60
3500 4000