水力压裂原理1

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
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）
四、裂缝设计模型
2-D
模型 3-D模型
简化
有限元
3-D模型
裂缝模型

2D 模型

PKN CGD（KGD) 径向

3D 模型

拟三维 集成三维 全三维 非平面三维
商业化压裂软件
2-D

模型 (PKN, KGD, Daneshy, Radial) 众多 3-D Fracpro or Fracpro PT M-Frac StimPlan or E-StimPlan 3-D TerraFrac GOHFER
根据油气井生产历史、地质评价结果以及油田开
发动态综合分析，找出油气井低产的原因，进行 选井选层决策。
类别 决策要考虑的参数
目的层跨距、有效厚度、孔隙度、有效渗透率、含油气 饱和度、原始地层压力、目前地层压力、上下地应力差 候选井单井地质状况 、原始可采储量、剩余可采储量、表皮系数、隔层条件 等 前次压裂以及裂缝目 压裂加砂量、含砂比、油气井的静压、井底流压、支撑 前状况诊断 裂缝半长、裂缝导流能力等 邻井或本井压裂生产 施工前产量、施工后产量、日增油气量、增产有效期等 动态数据
简化

有限元


五、水力压裂增产机理
降低渗流阻力，增大渗流面积。
无裂缝的油气径向流动
黑箭头表示油 气流动路径
井筒
含油气的多孔储层岩石
有裂缝后油气流动变成“线性” 流动
水力裂缝
含油气的多孔储层岩石
流动变化
初期，地层线性流
早期，双线性流
后期，拟径向流
第二节
一、选井选层 基本原则：
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
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
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
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
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

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。

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
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
WELL4
WELL3
注采井连线
WELL4
WELL3
注采井连线
压裂裂缝
压裂裂缝
WELL5
WELL5
WELL1 压裂裂缝与注采井连线间成0°角
WELL2
WELL1 压裂裂缝与注采井连线间成15°角
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
WELL2
WELL4
WELL3
注采井连线
WELL4
WELL3
注采井连线
压裂裂缝
压裂裂缝
WELL5
WELL5
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
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
上窜裂缝
T型裂缝 理想裂缝
弯曲裂缝
水平裂缝
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
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
2、单井压裂油藏模拟
储层渗透率范围:
渗透率范围 很低 低 中 高 气井 <0.1 md < 1 md 2-20 md >50 md 油井 <1 md <5 md 10-100 md >200 md
3.统计值 油田使用的破裂压力梯度通常是根据大量的压裂 实践统计出来的。一般范围在0.015~0.025 MPa/m之间. 根据破裂压力梯度可以大致估算压裂裂缝形态: 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
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
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。
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;
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
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
进入 2000年……?
理解
/ 控制多裂缝 新方法新技术用在大斜度井或水平井的裸眼段压裂中 3-D 实时裂缝几何尺寸测绘(微地震波监测,井下测斜)
第一节 压裂机理
1 2 3 4 5 6 7
水力裂缝生长过程
1
2 3
4 5 6
7
压裂泵注的阶段
小型压裂 闭合 & 滤失
实际井底压力
最终 ISIP
Proppant
Average Frac Treatment
Y e ar Year
Fluid
第一次百万磅（454吨）支撑剂的压裂 1974年5月
1988年大型压裂， 91MPa下加入817吨20/40 陶粒
在90年代......
1995-98: 平均每月压裂2000口井
1997: 一口井7层压裂施工加入支撑剂 >14,000,000 磅（6356吨）. (~2,000 m 水平井, 北海)
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
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。