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水力压裂设计 Hydraulic Fracturing,背景,垂直井单相油流 产量公式,对具体井，地层条件(ko,h)、流体性质(o,Bo)和井特性(re,rw)已经确定。提高产量的措施:,注水保持地层压力;人工举升降低井底流动压力;对于低渗透储层：水力压裂,第一节 水力压裂概述,水力压裂示意图,压裂材料：压裂液和支撑剂施工参数：排量和压力压裂设备：泵车(组)、液罐、砂车、仪表车,力学观点：裂缝形成与延伸是力学行为。生产角度：裂缝方位与形态影响压裂改造效果,问题：储层应力环境地应力场(2)水力裂缝方位(3)破裂压裂计算与预测基本思路：,地应力 存在于地壳内部的应力，是由于地壳内部的垂直运动和水平运动及其它因素综合作用引起介质内部单位面积上的作用力。,地下岩石应力状态：为三向不等压压缩状态.,主应力:x，y，z;应变:x，y，z,第二节、地应力分析与破裂压力1 地应力场,原地应力：重力应力 构造应力 孔隙流体压力 热应力,地应力构成：原地应力+扰动应力。,其中：r(h)为上覆岩层密度，由密度测井曲线获得。,(1)重力应力（上覆压力）,为Boit孔隙弹性常数。,有效垂向应力为,由广义虎克定律计算总应变,研究对象：地层中任意单元体。,由于泊松效应，垂向应力产生的侧向压力,(2)构造应力,定义：地壳的构造运动引起的岩体之间的相互作用力。是地应力的一个分量。,来源：各种构造运动，包括：区域构造巨大构造单元间的相互作用力；局部构造产生于局部地区岩体之间。如断层、岩层弯曲等。,特点构造应力属于水平的平面应力状态挤压构造力引起挤压构造应力张性构造力引起拉张构造应力构造运动的边界影响使其在传播过程中逐渐衰减。,断层和裂缝发育区 正断层，水平应力x可能只有垂向应力z的1/3。,右旋走向滑动断层,正断层,逆断层,逆断层或褶皱带的水平应力可大到 z的3倍。,(3)热应力,原因：地层温度变化引起的内应力增量。计算方法,特点：与温度变化、岩石力学性质有关产生环境：火烧油层、注蒸汽开采、注水,2 人工裂缝方位,原理：裂缝面垂直于最小主应力方向,当z最小时，形成水平裂缝；当Y或xz，形成垂直裂缝。,显裂缝地层很难出现人工裂缝。微裂缝地层 垂直于最小主应力方向；基本上沿微裂缝方向发展，把微裂缝串成显裂缝,y,二、水力压裂造缝机理1 井壁最终应力分布,(4)井壁上的总周向应力(应力迭加原理)地应力+井筒内压+渗滤引起的周向应力,2 水力压裂造缝条件,(1)形成垂直缝岩石破坏条件,压为正，拉为负最大有效周向应力大于水平方向抗拉强度,有液体渗滤,当破裂时，Pi=PF,无液体渗滤,当破裂时，Pi=PF,(2)形成水平缝,岩石破坏条件,最大有效周向应力大于垂直方向抗拉强度,有液体渗滤,有效总垂向应力为：,当破裂时，Pi=PF,1.94,无液体渗滤,有效总垂向应力为：,当破裂时，Pi=PF,0.94,3 破裂压力梯度,定义,理论计算(垂直裂缝形态),矿场统计,当F 0.0220.025 MPa/m,形成水平裂缝,三、地应力的测量及计算,（1）矿场测量 水力压裂法 井眼椭圆法（井壁崩落法）,（2）岩心分析（实验室）滞弹性应变恢复（ASR）微差应变分析（DSCA）,（4）有限元计算,（3）测井解释,第三节 压裂液,压裂液及其性能要求 压裂液添加剂 压裂液的流动性 压裂液的滤失性 压裂液对储层的伤害 压裂液选择,压裂液的组成,前置液携砂液顶替液（完整的压裂泵注程序中还可以有清孔液、前垫液、预前置液）,对压裂液的性能要求,(1)与地层岩石和地下流体的配伍性；(2)有效地悬浮和输送支撑剂到裂缝深部；(3)滤失少；(4)低摩阻；(5)低残渣、易返排；(6)热稳定性和抗剪切稳定性。,压裂液对储层的伤害,压裂液在地层中滞留产生液堵地层粘土矿物水化膨胀和分散运移产生的伤害压裂液与原油乳化造成的地层伤害润湿性发生反转造成的伤害压裂液残渣对地层造成的损害压裂液对地层的冷却效应造成地层伤害压裂液滤饼和浓缩对地层的伤害,压裂液液体污染,(1)粘土水化与微粒运移(2)压裂液在孔隙中的滞留（3）润湿性,压裂液固相堵塞,来源基液或成胶物质的不溶物降滤剂或支撑剂中的微粒压裂液对地层岩石浸泡而脱落下来的微粒化学反应沉淀物等固相颗粒。作用形成滤饼后阻止滤液侵入地层更远处，提高了压裂液效率，减少了对地层的伤害；它又要堵塞地层及裂缝内孔隙和喉道，增强了乳化液的界面膜厚度而难破胶。,压裂液浓缩,压裂液的不断滤失和裂缝闭合，导致交联聚合物在支撑裂缝内的浓度提高（即浓缩）。支撑剂铺置浓度对压裂液浓缩因子有较大影响，随着铺砂浓度降低，压裂液浓缩因子提高，此时不可能用常规破胶剂用量实现高浓缩压裂液的彻底破胶，形成大量残胶而严重影响支撑裂缝导流能力。,第四节 水力压裂设计模型,裂缝延伸二维模型 卡特模型 Carter，1957年 GDK 模型 Christianovich、Geertsma、Deklerk PKN 模型 Perkins和Kern 提出,Norgren完善裂缝延伸三维模型,一、卡特模型1 几何模型,2 主要假设,(1)裂缝等宽。(2)压裂液从缝壁垂直而又线性地渗入地层;(3)地层中某点的滤失速度取决于此点暴露于液体中的时间,即:,(4)地层中各点速度函数相同。(5)裂缝中各点压力相同,均等于井底的延伸压力。,3 计算公式,忽略压缩性，由物质平衡：Q(t)=QL(t)+QF(t)用拉氏变换,最终得裂缝面积公式:,二、GDK 模型,1 几何模型Khristianovich、Geertsma、Deklerk Daneshy,2 假设条件,(1)岩石为均质各向同性。(2)岩石变形服从线弹性应力应变关系。(3)流体在缝内作一维层流流动,缝高方向裂缝呈矩形。(4)缝中X方向压降由摩阻产生,不考虑动能和势能影响。(5)裂缝高度和施工排量恒定。,3 理论基础,运用了体积平衡方程;压降与宽度关系由泊稷叶理论导出;用England和Green公式求缝宽时,还运用了裂缝平衡延伸理论。此模型是现在最常用的两个二维延伸模型之一。,4 计算公式,式中,三、PKN 模型,1 几何模型 Perkins&Kern Norgren,2 假设条件,(1)裂缝为垂直裂缝,其高度恒定。(2)裂缝高度方向上为椭圆面,其横截面最大宽度满足Sneddon方程:W(x,t)=2(1-2)(p-)H/E(3)施工排量恒定(4)长度方向的变化采用物质平衡原理求得(5)裂缝前端液体压力等于地层最小水平主应力。,3 计算公式,压降方程,最终得长度方程,宽度方程,四、GDK 和PKN模型的比较,第五节 支撑剂输送,支撑剂的沉降特性 沉降布砂设计 悬浮布砂设计,受力分析 固体颗粒的重力 流体对固体颗粒的浮力 颗粒的运动阻力,一、支撑剂的沉降特性 1 单颗粒自由沉降速度,概念 自由沉降 干扰沉降,重力,浮力,阻力,F=Fg-Fb当FFd时,CD与雷诺数有关，雷诺数与UP有关,Novotny公式 当NRe2时 UH/UP=5.5 当 2Nre 500时 UH/UP=3.5 当 NRe 500时 UH/UP=2,2 干扰沉降,Brown 公式,3 壁面影响,当 NRe1,当 NRe100,当 1Nre100 用内插法求FW,4 颗粒形状对沉降速度的影响,支撑剂颗粒是不规则的颗粒，而不是规则的球体（有些接近于球形）颗粒的形状是不规则的，比同体积的球体表面积大；颗粒的表面是粗糙的；颗粒的形状是不对称的不规则颗粒的沉降速度小于球形颗粒的沉降速度,支撑剂在幂律液体中的沉降,用视粘度a代替,思路支撑剂在裂缝高度上的分布平衡流速、平衡高度的计算砂堤的堆起速度平衡时间,二、沉降型布砂设计,1 支撑剂在裂缝高度上的分布,概念：平衡状态 平衡流速 平衡高度,颗粒浓度分布(垂向)区域I：砂堤区域II：砂堤上的滚流区区域III：悬浮区区域IV：无砂区,分析,2 平衡流速与阻力流速,平衡流速,平衡高度,问题 1 阻力速度的定义2 区别牛顿流体和非牛顿流体的计算公式3 复习湿周与过流面积的关系4 区别层流和紊流下阻力速度与平衡流速的关系5 砂堤堆起速度与流速和平衡流速的关系6 砂堤堆起高度与时间的经验关系7 平衡时间的计算方法,例6-3 牛顿型压裂液粘度f=30mPa.s，密度f=1000kg/m3；石英砂支撑剂颗粒密度s=2650kg/m3，平均粒径dp=1.14310-3m，砂比S=10%；裂缝高度Hf=10m，裂缝宽度w=4.7610-3m；试计算双翼裂缝中排量Q为0.8和2.0m3/min时的平衡高度和平衡时间。,解(1)计算支撑剂沉降速度 假设支撑剂沉降处于层流状态，按表6-8中公式计算自由沉降速度，vp=0.039m/s。校核流态：颗粒雷诺数NRep=1.49 2，与假设流态相符，故 vp=0.0687m/s 浓度校正系数：按Novotny 公式，fc=0.97 裂缝壁面校正系数：按Novotny 公式，fw=0.84 忽略剪切速度影响，支撑剂在裂缝中的沉降速度为vt=0.032 m/s,(2)计算阻力速度 按牛顿液计算阻力速度 vwEQ=0.316m/s(3)计算平衡流速 a.携砂液混合物密度 se=1100kg/m3 b.按紊流公式计算平衡流速 vEQ=3.88m/s c.校核流态：雷诺数NRe=35000 3000,故平衡流速为vEQ=3.88m/s,三、全悬浮布砂设计,技术背景研究目的1.计算缝内砂比沿缝长变化基础上，找出满足设计要求的导流能力的加砂步骤2.避免在缝中出现砂比过高的砂卡现象,1 假设条件,2 计算单元划分 设携砂液单元体积为P，则泵入时间为 t=P/Q,3 滤失计算 滤失百分数（t时间后）i=滤失Fi/F Fi 滤失体积 F 单元体积滤失后的剩余体积,滤失体积,滤失百分数 i=滤失Fi/F Fi 滤失体积 F 单元体积滤失后的剩余体积,4 裂缝体积计算,注入单元体积P=剩余体积F+滤失体积Fi,利用计算复利的方法，n次滤失后的剩余体积,因此，已知缝内砂浓度，可确定相应的地面砂浓度,分析：S越小，滤失次数越多，要求地面加入的砂浓度越小,用ST-S代替n,考虑滤失速度随注入液量而变化,5 支撑裂缝几何尺寸,停泵时的裂缝体积(即剩余体积),支撑裂缝长度,支撑裂缝宽度,说明：全悬浮式砂子分布应用,悬浮压裂液适合于低渗透储层，因为这里并不需要很高的裂缝导流能力就能获得较好的增产效果。优点：支撑面积大缺点：导流能力不及沉降式砂子分布具体分析，择优采用,改善支撑剂在裂缝中分布的方法,第六节 水力压裂效果分析,工艺效果：评价所实施压裂工艺技术的适应性和有效性开发效果：评价水力压裂在油田改造中的作用经济效益分析：寻求压裂提高技术水平和改善其经营管理的基本途径,一、工艺效果分析,增产有效期：某井从压裂施工后增产见效开始至压裂前后产量递减到相同的日产水平所经历的时间。增产倍比：指相同生产条件下压裂后与压裂前的日产水平之比。图版法 近似解析法 数值模拟法,1 McGuire&Sikora图版,纵坐标为增产倍比,横坐标为：,a.对低渗透储层（k110-3m2）,很容易得到较高的裂缝导流能力比值（大于0.4），欲提高压裂效果，应以增加裂缝长度为主。b.高渗透地层，不容易获得较高的裂缝导流能力比值，提高裂缝导流能力是提高压裂效果的主要途径，不能片面追求压裂规模而增加缝长。c.对一定缝长，存在一个最佳裂缝导流能力，超过该值而增加导流能力的效果甚微，例如对Lf/Le=0.5，当导流能力比值为0.5时，增加裂缝导流力基本上不能增加增产比Jf/J0。d.无伤害油井最大增产比为13.6倍。,2 Raymond&Binder 公式法,3 数值模拟计算法,二、水力压裂经济评价,压裂经济分析准则(1)压裂施工现值(2)压裂施工净现值(3)贴现偿还时间(4)压裂效益指数,1 产量递减模式,(1)定值百分数递减(2)调和型递减(3)双曲线型递减,3 压裂经济敏感性评价,1）井网密度与最佳裂缝长度的关系2）储层渗透率和裂缝长度3）裂缝导流能力的影响4）有效厚度的影响5）裂缝高度的影响6）压裂液滤失性与防滤失添加剂7）铺砂浓度和支撑带渗透率的保持程度8）压裂液粘度9）泵注排量与施工规模10)油气价格和贴现率,2 成本构成,第七节 压裂设计,水力压裂设计是在满足地质、工程和设备条件下作出经济有效的最优方案。(1)正设计(2)反设计 优化压裂设计任务（1）在给定的储层与井网条件下，根据不同缝长和导流能力预测压后生产动态;（2）根据储层条件选择压裂液、支撑剂和加砂浓度，并确定合理用量；（3）根据井下管柱与井口装置的压力极限选择合理的泵注排量与泵注方式、地面泵压和压裂车数；（4）确定压裂泵注程序；（5）进行压裂经济评价，使压裂作业最优化。,一、选井选层,考虑因素 储层地质特征、岩石力学性质、孔渗饱特性、油层油水接触关系、岩层间界面性质与致密性、井筒技术要求。油气井低产原因（1）由于钻井、完井、修井等作业过程对地层伤害使近井地带造成严重的堵塞；（2）油气层渗透率很低，常规完井方法难以经济开采；（3）“土豆状”透镜体地层，单井控油面积有限，难以获得高产；（4）油气藏压力已经枯竭 前三种情况可以采取适当的压裂措施。,1 储层物性评估,储层地质特征粘土矿物分析岩石力学性质 岩心分析试井分析,2 井筒技术要求,压裂设计符合套管强度要求；固井质量合格；井底无落物。,3 储层条件,地质条件 储量和能量。压裂侯选井 1)低渗透地层：渗透率越低，越要优先压裂，越要加大压裂规模。2)足够的地层系数：一般要求kh0.510-3m2.m。3)含油饱和度：含油饱和度一般应大于35%。4)孔隙度：一般孔隙度为615%才值得压裂；若储层厚度大，最低孔隙度为67%。5)高污染井：压裂作业只能改善受污染的表皮效应。,二、确定入井材料,1优选压裂液体系(1)筛选基本添加剂（增稠剂、交联剂、破胶剂），配制适合本井的冻胶交联体系。(2)筛选与目的层配伍性好的粘土稳定剂、润湿剂、破乳剂、防蜡剂等添加剂系列。(3)筛选适合现场施工的耐温剂、防腐剂、消泡剂、降阻剂、降滤剂、助排剂、pH值调节剂、发泡剂和转向剂等。(4)对选择的压裂液，在室内模拟井下温度、剪切速率、剪切历程、阶段携砂液浓度来测定其流变性及摩阻系数，并按石油行业标准进行全面评定。2选择支撑剂 依据目的层闭合压力选择支撑剂类型，并按石油行业标准对其性能进行全面评定，通过选择支撑剂粒径，铺砂浓度和加砂方式满足闭合压力下无因次导流能力要求。,三、水力压裂设计计算,1.施工排量必须大于地层的吸液能力Q吸考虑所需压裂液量考虑摩阻压力考虑设备能力这个约束条件支撑剂输送2.井口施工压力,3 压裂设计,单井压裂设计包括：选井选层确定施工参数方案设计计算经济技术分析和评价,4 压裂施工模拟设计,根据压裂施工规模预测增产倍数 a.确定前置液量、混砂液量以及砂量；b.选择适当的施工排量、计算施工时间；c.计算动态裂缝几何尺寸；d.支撑剂在裂缝中运移分布，确定支撑裂缝几何尺寸；e.预测增产倍比。,前置液量确定,根据增产要求确定裂缝长度和导流能力；Nolte提出了基于压裂液效率确定前置液量的近似解析法。,支撑剂用量确定,施工泵压及水功率,施工水功率 式中:井口施工水功率,；施工泵压，；施工排量，,压裂车台数 按功率计算 按排量计算,例6-4 已知油藏开发井网井距400400m，压裂井深度H=2500m，岩石弹性模量E=25000MPa，泊松比=0.15，破裂压力梯度=0.018MPa/m；油层有效厚度Hf=10m，渗透率k=2.010-3m2，孔隙度=20%，地层温度80 oC，地层流体压力pS=25.0MPa，地层流体粘度r=2mPa.s，流体压缩系数cf=610-3/MPa；射孔孔眼密度10孔/m，孔径10，生产流压pWf=15MPa，套管直径127，油管直径62，；兰州石英砂粒径dP=0.4-0.8mm，颗粒密度r=2650kg/m3。牛顿型压裂液粘度=0.03Pa.s，密度f=1000 kg/m3，初滤失系数SP=0，造壁性滤失系数c=8.6210-4。施工排量Q=2.0m3/min。假设采用油管注液工艺，压裂液在油管中的为摩阻0.6MPa/100m。试进行水力压裂设计。,解（1）井口破裂压力 pbreak=pF-pH+pf pbreak=0.0182500-10-610009.82500+0.62500/100=35.5MPa(2)闭合应力 选择支撑剂时，为保险起见，通常按地层破裂压力与井底流压之差计算，即 pc=pF-pwf=0.0182500-15=30MPa(3)要求的裂缝长度 要求最低铺砂浓度为5kg/m2，查表6-4，所用支撑剂在闭合应力为30MPa下的导流能力为FRCD=0.15m2-m，按MicGuire&Sikora 图版，其横坐标为,要求裂缝长度:Lf=40%200=80 m(4）确定填砂面积 为保证80 m的有效缝长，取Lf=90 m；而且实际裂缝高度比油层厚度大5m。因此，填砂面积为 A=2HfLf=215 90=2700m2(5）确定用液量按PKN模型计算裂缝宽度 w=0.0038m平均缝宽 wAVG=0.785w=0.003m 铺砂浓度为5kg/m2时要求的裂缝宽度为 0.0028m比较计算平均缝宽和要求缝宽，二者相近；否则重新计算。压裂液滤失系数 由于造壁性滤失系数较小，近似取为 c=8.6210-4,石英砂从裂缝顶部沉到底部的时间为 ts=15/0.28=53.5 min 可见，施工结束时尚有部分支撑剂呈悬浮状态。加砂程序 前置液 10 m3 携砂液 100/140目石英砂1.5m3，砂比15%，携砂量 10 m3 20/40目石英砂5.5 m3，砂比25%，携砂量 20 m3 顶替液 10 m3,第八节 压裂施工压力分析,检测确定压裂裂缝高度是检验压裂设计、评价压裂施工有效性和压后效果的关键。直接测试法（裸眼井）井下电视法、地层微扫描仪和噪声测井等，还有适用于裸眼井和套管井的间接测试方法（裸眼井和套管井）微地震法、井温测井、伽玛测井和声波测井等。Nolte(1979)压裂压力降落分析 创造性地提出了利用压裂压力降落曲线确定裂缝和压裂参数的方法，开辟了解释地下裂缝参数的新途径。,施工压力曲线类型,（1）正斜率很小的线段I(2)斜率为1的线段III(3)负斜率线段IV(4)压力不变的线段II,lgt,典型的施工压力曲线,第九节 压裂工艺技术,多层压裂技术暂堵剂分层压裂工艺孔眼堵塞球法压裂工艺限流法分层压裂技术填砂法压裂技术氮气压裂技术控缝高压裂技术端部脱砂压裂技术,一、分层及选择性压裂,1封隔器分层压裂封(1)单封隔器分层压裂(2)双封隔器分层压裂(3)桥塞封隔器分层压裂(4)滑套封隔器分层压裂(a)单封隔器分层压裂(b)双封隔器分层压裂(c)桥塞封隔器分层压裂,2限流法分层压裂,3 蜡球选择性压裂,堵塞球选择压裂影响堵球效果的主要因素(1)堵球在孔眼口上座封(2)保持堵塞不脱落(3)压裂投产后，堵球从孔眼脱落。,二、控缝高压裂,技术背景：裂缝高度穿层的危害技术途径：影响压裂裂缝高度的因素分析技术方法（1）：常规控缝高压裂技术,技术方法2：人工隔层控缝高压裂技术 原理 导向剂的性能要求 适用范围 导向剂用量,