水力压裂技术概述ppt课件.ppt

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1、,水力压裂工程,Hydraulic Fracture Engineering,1.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，就在井底产生一条或几条水平或垂直裂缝。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，可在地层中形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝。,一、水力压裂及发展历程,“水力压裂”是什么?,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

2、力的油气通道，并扩大油气的渗流面积。,利用液体传递压力在地层岩石中形成人工裂缝。,从油藏工程的观点出发,单井压裂,整体压裂,以研究单井渗流方式与渗流阻力的变化实现单井产能提高为目的。,它以建立的油藏注水开发井网与水力裂缝优化组合的渗流系统实现单井产能与扫油效率的提高为其主要内容。,2.水力压裂的发展历程,我国从五十年代起已开始进行水力压裂技术的研究，1952年在延长油矿开始的。,50、60年代,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。,压裂主要作为单井的增产、增注措施，以追求单井增产增注效果为目标，没有考虑实施压裂措施后，对油田开采动态和开发效果的影响。,2.水力压

3、裂的发展历程,水力压裂技术发展迅速，在压裂材料、工艺技术和设计方法等方面都取得了新的进展。力压裂已不再仅仅被孤立地作为单井的增产、增注措施来考虑，而是与油藏工程紧密结合起来，用于调整层间矛盾、改善驱油效率，成为提高动用储量、原油采收率和油田开发效益的有力技术措施。,70年代,进入低渗透油田的勘探开发领域，由于压裂技术的应用，大大增加了油气的可采储量，使本来没有工业开采价值的低渗透油气藏，成为具有相当工业储量和开发规模的大油气田。,80年代,2.水力压裂的发展历程,90年代,水力压裂逐渐成为决定低渗透油田开发方案的主导因素。在研究制定低渗透油田开发方案时，按水力裂缝处于有利方位确定井排方位，通过

4、确定井网类型、布井密度和压裂施工规模，使水力压裂与油藏工程结合的更加紧密，使低渗透油田的高效开发成为可能。,近年来,国内外在开发极低渗（以微达西计）的油气田中，水力压裂起到了关键性的作用。本来没有开采价值的油气田，经大型压裂后成为有相当储量及开发规模很大的油气田。,水力压裂造缝及增产机理,二、水力压裂的主要研究内容,压前评估（压裂选井选层）,压裂材料的优化选择,水力压裂设计,水力裂缝诊断,压后评估,压裂是中、低渗透油气田勘探、开发过程中的重要环节,三、水力压裂在勘探开发中的作用,压裂是非均质、多油层油田调整层间矛盾、平面矛盾，实现分层开采的重要措施。,压裂是低渗透油水井实现增产、增注技术的重要

5、措施。,压裂是对油层伤害解堵的有效方法。,勘探阶段,开发阶段,压裂是实现低渗透、低孔隙度、低丰度油田经济开发的有效手段。,三、水力压裂在勘探开发中的作用,压裂是出砂油井进行防砂的有效方法,压裂是煤层气开采或煤层采掘过程中排气的一种安全技术措施。,开发阶段,其他方面,第一章 岩石力学基础,第一节岩石力学参数,一、弹性模量,定义,岩石弹性模量是指岩石受拉应力或压应力时岩石将产生变形，当负荷增加到一定程度后，应力与应变即呈线性关系，应力与应变的比值称为岩石的弹性模量。,一、弹性模量,作用,岩石弹性模量的大小反映了储集层岩石的致密程度，它与压开缝宽成反比，与施工泵压成正比。,在裂缝高度假设为恒定的二维

6、模型中,对牛顿流体，裂缝宽度与弹性模量的四分之一成反比.,对牛顿流体，裂缝宽度与弹性模量的关系是：,水力裂缝模型,PKN模型：宽度剖面及水平剖面均为一椭圆，垂直剖面为矩形，裂缝高度恒定,水力裂缝模型,GDK模型：宽度剖面为矩形，水平剖面为椭圆形,二、弹性模量,定义,岩石泊松比是指岩石受岩应力时，在弹性范围 内岩石的侧向应变与轴向应变的比值。,二、弹性模量,作用,岩石泊松比则关系到压开的裂缝高度在纵向上的延伸程度与地应力剖面的解释。,弹性模量值和泊松比值的大小反映了岩石的软硬程度。对砂岩而言，当岩石由软变硬时，弹性模量值由小至大，而泊松比恰恰相反。,现场测试方法,利用长源距声波测井（LSDS）取

7、得纵波速度和横波速度，利用密度测井求得岩石密度，可获得岩石力学参数的动态值。,三、孔隙弹性系数,定义,它是反映孔隙压力对岩石变形影响系数,作用,它是求取水平地应力的一个重要参数.,第二节 压裂压力,一、岩石的断裂韧性,应力强度因子定义,应力强度因子是指裂缝端部附近的应力大小。,根据弹性理论，应力场是以原点位于裂缝端部的坐标系坐标系表示的。,一、岩石的断裂韧性,对于任意一个三维均匀体来说，裂缝加载有张开型、滑开型和撕开型3种基本模式。,应力模型I称为张开型，裂缝前方有一法向张力。,模型II称为滑开型，伴随有一个纵向剪力。,模型III称为撕开型，伴随有一横向剪力。,水力压裂产生的裂缝只适用于模型I

8、。,一、岩石的断裂韧性,岩石断裂韧性定义,为了扩展裂缝，净压力为正，在裂缝端部之前诱发一个张开的张应力为。该应力在端部趋向无限大，离开端部逐渐降低，在无限远处为零。当裂缝端部的应力值达到最大，即张开型应力强度因子 达到临界值，岩石应力强度因子的临界值称为岩石的断裂韧性，它决定了裂缝在延伸过程中所需要的力。记作,一、岩石的断裂韧性,作用,压裂岩石的断裂韧性是阻止裂缝向前扩展的一个量度。裂缝在扩展过程中，受周围岩石的断裂韧性 的控制。根据能量条件，内压（或通常所说的破裂载荷）会在裂缝边缘某一点上诱发一个应力强度因子 当它大于岩石的断裂韧性时，裂缝向前扩展。即：,岩石断裂韧性的大小与施工泵压（即破裂

9、压力和裂缝延伸压力）的高低呈正比，与水力裂缝缝长的长短呈反比。,在一定条件下，岩石断裂韧性的大小可使水力裂缝方位不再沿水平最大主应力方位延伸而发生转向。,第二节 压裂压力,二、地层破裂压力,地层破裂压力定义,应地层破裂压力定义为使地层产生水力裂缝时的井底流体压力。,地层破裂压力的高低与岩石弹性性质、孔隙压力、天然裂缝的发育情况以及该地区的地应力等因素有关。,地层破裂压力与地层中部深度的比值称为破裂压力梯度。,二、地层破裂压力,作用,地层破裂压力是确定井下管柱、井下工具、井口装置与泵注设备压力极限的依据。,根据破裂压力确定压裂施工时的地面最高泵压、泵注排量以及需用设备功率。,根据破裂压力梯度可以

10、大致推断水力裂缝的形态。一般认为，在压力系数为1.0的正常油藏中。,地如果破裂压力梯度小于0.0150.018 时，多为水平裂缝；,如果破裂压力梯度大于0.023 时，多为垂直裂缝。,二、地层破裂压力,采集方法,理论计算方法Eaton法,该理论认为，地下岩层处于均匀水平地应力状态，其中充满着层理、微裂隙和（张开或隐形的）天然裂缝，流体在压力作用下将沿这些薄弱面侵入，使其张开并向岩层延伸，且张开裂缝的流体压力只需克服垂直裂缝面的地应力。,二、地层破裂压力,采集方法,测井分析法,利用测井资料得出泊松比后，按下式计算地层破裂压力：,对于多数沉积岩，可取=1，于是,二、地层破裂压力,采集方法,利用现场

11、施工参数计算,施工泵注前置液使的最高井底压裂压力（此时，可认为是 压开地层时的井底破裂压力）；泵注前置液时最高地面泵注压力；井筒的静液柱压力；井筒管柱的沿程摩阻；射孔孔眼的孔眼摩阻；瞬时停泵压力；地层破裂压力梯度；,三、裂缝延伸压力和裂缝净压力,定义,裂缝延伸压力是指一旦产生水力裂缝，该缝欲在长、宽、高三方位扩展所需的初始流体压力。,一般，裂缝延伸压力小于地层破裂压力而大于裂缝的闭合压力。该值的高低与储集层岩石断裂韧性、压开的裂缝体积，即与施工规模的大小有关。,裂由图可见，地层破裂后，裂缝在较破裂压力低的压力下向地层深处延伸。在这一过程中，由于流体在缝中流动阻力的增加，使裂缝延伸压力随之稍有增

12、大。,作用,施工中，裂缝延伸压力与裂缝净压力随时间的变化，是判断裂缝延伸状态的重要依据，用来进行压裂设计和指导现场压裂施工。,三、裂缝延伸压力和裂缝净压力,裂缝延伸压力采集,进行现场阶梯式泵注试验是确认裂缝延伸压力最可靠的方法。如果井底未下压力计，应将地面上测定的裂缝延伸压力换算到井底条件：,井底裂缝延伸压力；地面测量的裂缝延伸压力。,试验中或试验结束后，如取得地面瞬时关井压力，则井底的裂缝延伸压力为：,瞬时停泵延伸压力；地面瞬时关井压力。,四、裂缝闭合压力,定义,裂缝闭合压力有两种不同的定义，但其实质一样。（1）开始张开一条已存在的水力裂缝所必须的流体压力。（2）使裂缝恰好保持不至于闭合所需

13、要的流体压力。,这一流体压力与地层中垂直于裂缝面上的最小主应力大小相等，方向相反。闭合压力小于开始形成水力裂缝所需要的破裂压力，并始终小于裂缝的延伸压力，即使产层存在天然裂缝也是如此。,四、裂缝闭合压力,作用,（1）裂缝闭合压力是所有压裂压力分析的参考，或作为基准压力。该压力相当于油藏渗流分析中的原始地层压力。因此，它是压裂设计与压裂效果评价的重要参数。（2）裂缝闭合压力是选择支撑剂类型、粒径尺寸、铺置浓度和确定导流能力的主要依据。,四、裂缝闭合压力,采集方法,现场进行微型压裂、注入返排试验或注入关井试验可直接求取裂缝闭合压力，计算式如下：,试在微型压裂中有：,试最大水平主应力估算为：,在小型

14、测试压裂注入返排试验中：,由于：,所以,微型压裂中再次开泵后重新张开裂缝的压力；微型压裂中第一次瞬时关井压力（井底）。,第三节 就地应力场,课程内容,就地应力场,影响就地应力场的因素,就地应力场在水力压裂中的作用,第三节 就地应力场,就地应力场,作用在地壳任一深度下某一岩石质点（单元体）上实时的三维地应力及其方位（走向）称之为就地应力场。,就地应力场,（1）它是控制水力裂缝几何形态、方位与扩展的主要因素。,（2）在注水开发的油藏中压裂，这一参数决定了水里裂缝的缝长及其施工规模，以便与给定的注采井网相匹配,（3）它而对尚待压裂开发的油藏而言，它又是部署注采井网和制定压裂措施的根本依据。,第三节

15、就地应力场,就地应力场,地应力,存在于地壳中的内应力称之为地应力。它是地壳岩石受垂向上的重力、水平方向上的各种构造动力和其他动力作用，在岩石内部某一深处质点（单元体）上引起相应变形的一个岩石力学参数。,油气储集层岩石的地应力主要由重力应力、构造应力、孔隙压力和热应力耦合而成。地应力随储集层所在构造、埋藏深度、岩石性质和孔隙压力的不同而变化，是以变量。,第三节 就地应力场,就地应力场,地应力分布,地应力呈三维分布，即在x、y和z轴上各有一个地应力存在，统称为主应力。其中一个基本上是垂直的，称之为垂向主应力（或），另两个主应力 和 则呈水平状，相互垂直地分布在360平面的任一区间上，它们均称为水平

16、主应力。这三个主应力相互垂直，又不相等，有 的关系。,第三节 就地应力场,就地应力场,地应力大小,（1）三个主应力值大小不等。垂向主应力（或）来自上覆岩石的重力；两个水平主应力 和 则由构造应力构成。在两个水平主应力中，量值大的称为最大水平主应力，记作（或），小的叫做最小水平主应力（或）。,（2）垂向主应力值是其上覆岩石密度与其埋藏深度的函数。对给定的油气储集层，该值可视为常数。两个水平主应力除受储集层构造、埋深、岩性等因素的影响之外，更受制于储集层孔隙压力因注水、采油所带来的变化，并与之共增减。,第三节 就地应力场,就地应力场,地应力大小,如以垂向主应力为参照，则在储集层岩石的某一质点上三个

17、主应力的大小可分为以下三种类型：I类，垂向应力为最小主应力，即；II类，垂向应力为最大主应力，即；III类，垂向主应力为中间应力，即；,第三节 就地应力场,就地应力场,地应力大小,（3）有效地应力。作用在油气储集层上的地应力，一部分由储集层孔隙中的流体所支持，即由储集层孔隙压力所承担，另一部分则直接作用在岩石颗粒的骨架上，称为有效地应力，也称为岩石骨架应力。,（4）垂向主应力与水平主应力的相对大小决定了水力裂缝的产状（形态）。,第三节 就地应力场,就地应力场,地应力方位,地应力具有方位（走向）性。在原始状态下垂向主应力与两个水平主应力呈平衡状，而一旦受（挖掘、钻井或压裂等）外力作用，破坏了这一

18、平衡，根据最小主应力原理，储集层岩石的破裂总是产生于强度最弱、阻力最小处的方位，即在垂直于最小主应力的方位上破裂。或者说，岩石总是沿最大主应力的方位破裂。,第三节 就地应力场,就地应力场,相关术语,构造应力是指由构造运动引起的岩体引起的岩体中的地应力增量。这一增量导致了构造运动、产生构造变形和形成各种构造形迹。它以矢量形式叠加在地层重力应力场中，使两个水平应力既相互垂直，又不相等。,构造应力,第三节 就地应力场,就地应力场,相关术语,根据测井资料和地应力剖面，按地质分层给出每层地应力值的做法叫做分层地应力。层与层之间的地应力差值叫做地应力差。地应力差是压裂设计的关键参数，也是制定工艺措施的主要

19、依据,分层应力或地应力差,第三节 就地应力场,就地应力场,相关术语,根据地应力剖面，仅按地应力的数值大小进行分层的做法称为地应力分层。相邻的不同地质层因其力学性质相近而被归为同一地应力层；或在同一地质层内因各种原因使地应力突变成为两个、甚至多个不同的地应力层。,地应力分层,第三节 就地应力场,就地应力场,相关术语,地层温度变化使其内部引起的应力增量称为热应力。热应力与该地层温度变化的幅度及该层岩石的热力学性质有关。例如火烧油层、注热水或注热蒸汽都会改变油藏局部乃至整个油层的地应力大小和方位。,热应力,第三节 就地应力场,影响就地应力场的因素,影响就地应力场最主要的是油气储集层的地质构造、埋藏深

20、度、岩性及其力学性质和油气藏的开采活动（孔隙压力和储集层温度的变化）。,第三节 就地应力场,影响就地应力场的因素,地质构造,局部应力场与区域应力场,第三节 就地应力场,影响就地应力场的因素,地质构造,断层,断层是地层在地应力作用下发生破裂和滑动的结果，在一定的应力场下所形成的断层类型基本固定,第三节 就地应力场,影响就地应力场的因素,地质构造,断层,正断层上盘沿断层面相对下降，下盘相对上升的断层称为正断层。在正断层中垂向应力（或）是最大主应力，断层走向为中等应力（最大水平主应力）的方向，且在这一以正断层为标志的地壳松弛区，水平主应力（或）约为垂向主应力 的13。,第三节 就地应力场,影响就地应

21、力场的因素,地质构造,断层,逆断层上盘沿断层面相对上升，下盘相对下降的断层称为逆断层。若弱断层面倾角小于45则称为逆掩断层。在逆断层中垂向应力（或）是最小主应力，断层走向为中等主应力（最小水平主应力）的方向，且在这种地壳压缩区内，水平主应力 则是垂向主应力 的3倍。即：,第三节 就地应力场,影响就地应力场的因素,地质构造,断层,滑移断层断层两盘沿断层面走向相对移动的断层称为滑移断层。在这种断层中，垂向主应力（或）是中等主应力，断层走向与最大水平主应力（）的方向的交角小于45。,第三节 就地应力场,影响就地应力场的因素,埋藏深度,地应力的大小随埋藏深度而增加。在沉积岩中，垂向应力近似等于其上覆岩

22、石的重力。,以上覆岩石的重力来确认垂向应力值。即：,随埋藏深度的增加，构造应力也不断增大，致使增大了两个水平应力的差值，且使应力方向趋于一致。,当油气井深超过一定深度后，垂向应力（或）会成为三向主应力中的中间应力，三者的相对大小为。说明该地区的断层活动以走向滑移断层为主，压裂油气储集层将产生垂直裂缝。,第三节 就地应力场,影响就地应力场的因素,岩石类型和岩性,沉积岩、岩浆岩和变质岩被成为世界上三大类岩石类型。地应力在期间的分布各有异同。,在沉积岩中，两个水平主应力与深度有良好的线性关系，且最大与最小水平应力之差在三类岩石中是最小的；岩浆岩中水平应力高，且水平应力差大；变质岩中两个水平应力均随埋

23、深而增大，但它们的离散型较强。,第三节 就地应力场,影响就地应力场的因素,岩石类型和岩性,同类岩石不同岩性地层的最小水平主应力。,最小水平主应力值随地层岩石泊松比的增加而增大。该值自小而大的排序是：砂岩粉砂岩煤层泥岩。相邻岩层间的最小水平主应力值会有较大差异，有时这一差值可达14MPa。,如两个相邻岩层的最小水平主应力差大于4 或7 后，便会对水力压裂产生垂直裂缝的垂向延伸起到遏制（阻挡）作用。所以，就压裂设计而言，采集、建立压裂井层的地应力剖面是非常重要的，也是科学有效地进行压裂设计所必须的。,第三节 就地应力场,影响就地应力场的因素,岩石类型和岩性,同不同硬度岩石中的水平应力。,国外学者依

24、据岩石的软硬程度给出在硬岩石、中硬岩石和软岩石中的水平应力表达式，并指出在硬岩石中两个水平主应力差值大。,弹性模量为511的硬岩石（如辉长岩、闪长岩、花岗闪长岩、杂白云石英、石英斑岩等）：弹性模量为25MPa的中硬岩石（如大理石、石灰岩、角砾岩等）：弹性模量为12MPa的软岩石中（如高岭石、页岩、炭质泥岩、蛇纹岩、砂岩等）：,第三节 就地应力场,影响就地应力场的因素,油藏开发活动,油气田（藏）的开发活动，如油气开采、注水、注气（或主蒸汽）、热力开采等活动都会改变原始地应力场的状态。其中，影响最大的是油气储集层的孔隙压力和储集层温度的变化。,总的地应力由储集层流体的孔隙压力和岩石颗粒的骨架压力（

25、有效地应力）集合而成。在这一总地应力中，孔隙压力要占到50%70%，显然，储集层开采活动带来的孔隙压力衰减会使总地应力产生变化，其中，最小水平主应力将随孔隙压力的下降而减小：,储集层孔隙压力的衰减,第三节 就地应力场,影响就地应力场的因素,油藏开发活动,油气田（藏）的开发活动，如油气开采、注水、注气（或主蒸汽）、热力开采等活动都会改变原始地应力场的状态。其中，影响最大的是油气储集层的孔隙压力和储集层温度的变化。,储集层温度的变化会使岩石体积变形，但受围压的限制又使这一变形受到约束，从而产生了附加的热应力，总的地应力则随之改变。假定储集层岩石各向同性，能够很快传递和消耗掉由温度变化引起的垂向应力

26、的改变，而使垂向主应力仍保持与上覆岩层重力的平衡。,储集层温度变化,第三节 就地应力场,就地应力场在水力压裂中的作用,1.就地应力场决定了水力裂缝的产状及其延伸方位,（1）水力裂缝的产状取决于三个方向主应力值的相对大小。如果垂向主应力值最大，储集层将被压出垂直裂缝；反之，如果垂向主应力最小，则会产生水平缝。（2）一旦出现水力裂缝，那么，该裂缝将在垂直于最小主应力方位延伸。或言之，水力裂缝总是沿最大主应力方位延伸。,第三节 就地应力场,就地应力场在水力压裂中的作用,1.就地应力场决定了水力裂缝的产状及其延伸方位,断层、褶皱和天然裂缝发育的构造会影响该构造的地应力场，有可能产生斜向裂缝（高角度的垂

27、直裂缝）或复合裂缝（垂直和水平共存的裂缝，或称T形缝）。所以，掌握油气田（藏）的就地应力场状态，确认水力裂缝的产状及其延伸方位是科学有效地进行压裂工作的首要前提。,注意,第三节 就地应力场,就地应力场在水力压裂中的作用,2.最小水平主应力值是确认某些施工参数的依据,（1）确认破裂压力,（2）确认选用支撑剂的类型和粒径尺寸,储集层的破裂压力随该层最小主应力的增加而增大,作用在缝中支撑剂上的压力是压裂目的层最小水平主应力 和井底流动压力 之差，如下式：,第三节 就地应力场,就地应力场在水力压裂中的作用,3.地应力剖面和地应力差的作用,就地应力剖面和就地应力差控制着压裂施工状态（净压力）、水力裂缝高

28、度、压后效果的判断和分压方式的选择。,如果没有特殊说明,地应力剖面是指按地应力数值大小并以地应力分层形式给出的实时最小水平主应力剖面；地应力差则是以地质层系按分层地应力形式来表述储集层与其上下隔层的实时最小水平主应力之差。,第三节 就地应力场,就地应力场在水力压裂中的作用,3.地应力剖面和地应力差的作用,（1）地应力差与压裂施工状态,压裂施工中裂缝的净压力随地应力差的增加而增大，且增量效应显著。这里的净压力是指施工中的压裂井井底压力与裂缝闭合压力（即最小水平主应力）之差。反映到现场施工中则会出现高泵压，以致不能完成任务。,第三节 就地应力场,就地应力场在水力压裂中的作用,3.地应力剖面和地应力

29、差的作用,（2）地应力差与裂缝高度的关系,理想的裂缝高度是压裂目的层的厚度。实际上，裂缝高度完全取决于压裂目的层（或层段）与其上下隔层的最小水平主应力差。一般认为，如果该压差大于4MPa或7MPa，会对裂缝的垂向延伸起遏制（遮挡）作用，但也难有如此理想的天然条件。通常采取降低泵注排量、压裂液粘度、施工规模或使用漂浮球、重力球等措施来减缓其效果，但关键在它们之间最小水平主应力的差值。,第三节 就地应力场,就地应力场在水力压裂中的作用,3.地应力剖面和地应力差的作用,（2）地应力差与裂缝高度的关系,也由于压裂目的层（或层段）有可能位于不同的最小水平主应力区，那么，产生的裂缝高度亦不相同。图110至

30、图113给出了压裂目的层（或层段）位于低应力区、较高应力区、高应力区和高低应力区交界处四种情况下的裂缝高度。,第三节 就地应力场,就地应力场在水力压裂中的作用,3.地应力剖面和地应力差的作用,（3）地应力剖面是判断压裂目的层中的支撑剖面、估算压裂效果及其对应措施的依据,由于压裂目的层（或层段）有可能位于上述四种应力区中的某一位置上，因此，即使施工规模相同，而落实到目的层（或层段）中的支撑剖面、支撑缝长和缝中支撑剂的铺置浓度（计量单位kg）或导流能力会有极大差别，因此，获得的压裂效果悬殊。,第三节 就地应力场,就地应力场在水力压裂中的作用,3.地应力剖面和地应力差的作用,（3）地应力剖面是判断压

31、裂目的层中的支撑剖面、估算压裂效果及其对应措施的依据,在设计之初即应根据地应力剖面确认裂缝高度、压裂目的层（或层段）的相对位置和产生的支撑剖面来估算压裂效果，对不理想的支撑剖面制定补救措施，如压后采取裂缝自然闭合或强制闭合技术，或自然加强制闭合技术使目的层（或层段）尽量有一个最佳支撑剖面来减缓压裂效果的损失；对那些得不偿失甚至劳而无功的地应力剖面（裂缝高度或支撑剖面）与压裂目的层（或层段）组合，则应重新审视压裂的选井选层是否妥当。图114和图115给出了绝大多数压裂目的层（或层段）在低应力区和较高应力区时的支撑剖面。,第三节 就地应力场,就地应力场在水力压裂中的作用,3.地应力剖面和地应力差的

32、作用,（4）地应力剖面是确定分压层段和分压方式的可靠依据,多层系多油层的井应该进行分层压裂。分压层段须根据地应力剖面数据来划分，使各分压层段在垂向上不串通，实现一井多缝以获得最大开发效益。分压层段确定后，仍要以地应力剖面为依据，进一步考察分压层段中各小层、隔层的最小水平主应力值，以确认该层段的分压方式。,第三节 就地应力场,就地应力场在水力压裂中的作用,3.地应力剖面和地应力差的作用,（4）地应力剖面是确定分压层段和分压方式的可靠依据,最小水平主应力值相近且尚未射孔的新井，或是尚待射开的老井的某一层段，可选择限流法进行分层压裂。最小水平主应力值相差悬殊，可考虑封堵球法的分压方式。一般，在层系或

33、小层之间如有较厚的泥岩隔层，可使用桥塞封隔器法进行分压改造。如有可能也可以把桥塞封隔器法与限流量法或封堵球法相结合对分压层段进行压裂。,第三节 就地应力场,就地应力场在水力压裂中的作用,4.在给定的注采井网中，最小水平主应力方位控制着裂缝的支撑半长和压裂开发效果,（1）有利裂缝方位和不利裂缝方位,水力裂缝方位总是垂直于最小水平主应力方位，而沿最大水平主应力方位延伸。就给定的注采井网而言，水力裂缝的延伸相对于注采井则有“有利”和“不利”之分。如图116所示，如果水力裂缝的延伸方位与注水井排或采油井排的连线平行，该裂缝称为有利裂缝方位；反之，如与注采井的连线（注入水的主流线）相平行则称之为不利的裂

34、缝方位。若压裂井在给定的注采井网中处于不利裂缝方位，则裂缝支撑半长必受约束，压裂效果亦差强人意。,第三节 就地应力场,就地应力场在水力压裂中的作用,4.在给定的注采井网中，最小水平主应力方位控制着裂缝的支撑半长和压裂开发效果,（2）水力裂缝支撑半长的优化必须以该裂缝在给定注采井网中位置和井距为依据,在一次采油期，如裂缝方位有利，裂缝的支撑半长的下限可达0.5倍井距；如裂缝方位不利，或处于有利和不利之间，最稳妥的办法是支撑半长的上限为井距的0.25倍。如果压裂井层由二次或加密井采油，则无论裂缝方位有利与否，裂缝支撑半长的上限完全取决于注水前沿的位置。,第三节 就地应力场,就地应力场在水力压裂中的

35、作用,4.在给定的注采井网中，最小水平主应力方位控制着裂缝的支撑半长和压裂开发效果,（3）在给定的注采井网中裂缝方位决定了开发效果,如图117和图118比较了有利和不利的裂缝方位及其缝长对扫油效率和累积产量的影响,第一节 水力压裂造缝机理,水力压裂过程中，裂缝的形成条件、裂缝的形态、裂缝的方位，影响裂缝在增产增注中的作用。,裂缝的形成条件、形态及方位,井底附近的地应力及分布,影响,岩石的力学性质,压裂液的渗滤性质及注入方式,第一节 水力压裂造缝机理,一、油井应力状况,一般情况下，地层中的岩石处于压应力状态，作用在地下岩石某单元体上的应力为垂向主应力和两个水平主应力。,1.地应力,（一）.地应力

36、,第一节 水力压裂造缝机理,2.水力压裂法测量地应力的方法与原理,水力压裂法测量地应力的基本假设：（1）测量段岩石是均质、各向同性的线弹性体，有很低的渗透性；（2）水力压裂的模型可简化为一个无限大岩石平板中有一个圆孔，圆孔孔轴与垂向应力平行，在平板内作用着两个水平主应力。（3）水力压裂的初裂缝面是直立平行于孔轴的；（4）有相当长的一段裂缝面和最小水平主应力方向垂直。,第一节 水力压裂造缝机理,2.水力压裂法测量地应力的方法与原理,第一节 水力压裂造缝机理,2.根据弹性理论，岩石平板上的应力分布为：,第一节 水力压裂造缝机理,在井壁上，当r=a，公式可以改写为：,第一节 水力压裂造缝机理,岩石的

37、拉伸破裂强度准则公式：,岩石产生拉伸破坏时井内液柱压力（地层破裂压力）为：,在地层破裂后，瞬时停泵，裂缝不再向前扩展，但仍保持张开，此时的压力（瞬时停泵压力）应与垂直裂缝的最小地应力相平衡，即,第一节 水力压裂造缝机理,瞬时停泵后重新启泵，使闭合的裂缝重新张开。由于张开闭合裂缝所需要的压力 与地层破裂压力 相比，不需要克服岩石的抗拉伸强度，所以，近似认为破裂层位的拉伸强度等于这两个压力的差值。利用压裂压力曲线中的破裂压力、瞬时停泵压力和裂缝重新张开时的压力可以计算地层地应力：,第一节 水力压裂造缝机理,在地层上钻井后，井壁上及其周围地层中的应力分布受到井筒的影响，可简化为：无限大平板中钻一个孔

38、的受力情况，钻孔后板内原来均匀应力重新分布，造成圆孔附近应力集中。,1.井筒对地应力及其分布的影响,（二）井壁上的应力,第一节 水力压裂造缝机理,1.井筒对地应力及其分布的影响,（二）井壁上的应力,适合压裂的井层,需经压裂投产才具备开发价值的低渗、特低渗油气井层。孔隙度高、含油（气）饱和度高和有效厚度大的油气层。有效渗透率高、有效厚度大、油气的地下粘度低的油气层。反映油气层驱油能力的压力水平或压力系数的下限应在65%70%或0.650.70以上的储集层。已证明油气层内储有大量油气，由于近井地带受到污染，使本井层低产，而周围同层邻井高产。油气层平面上连通性好。压前产量递减曲线平缓，说明供油面积大

39、。油气层压裂井段集中，跨度越小越好，且井段上下有较好的遮挡层。油气层井段的固井质量好；压裂管柱、工具设备能完成压裂施工任务，井场和环保条件符合施工要求及国家法规。,不适合压裂的井层,油气层储能系数（R值）太低。油气层经长期生产可采储量接近枯竭。油气层压力水平（压力系数）衰落到65%（0.65）以下。由岩心测定的空气渗透率，油层小于0.1、产能系数（值）小于0.15；气层渗透率如小于0.1，若没有足够有效厚度支持，压后难见成效。已确认压开的垂直裂缝将延伸到目的层上下的产气层或出水层。压裂井的井况极差。不具备压裂现场施工场地，或环保措施不达标的压裂井层。,注水开发油藏在不同含水期的压裂选层,选压主

40、力层中的低产储集层。判断方法：压裂目的层地层压力高，生产压差大，采油指数小；在同一开采层系中，压裂目的层的产量明显低于邻井同层；分层测试结果说明，压裂目的层的动、静态资料不匹配；经试井或压降曲线分析证实，目的层确有污染；有资料证明目的层在钻井、完井或历次井下作业过程中受到伤害。选压非主力层中注采关系明确、注水层吸水好而对应生产层低产的储集层。对前次压裂施工质量差、压后效果差强人意，经诊断确有把握的储集层进行重复压裂。,1.低含水期（综合含水率小于20%）,注水开发油藏在不同含水期的压裂选层,经分层测试，选压或重复压裂尚有（剩余可采储量与地层压力）增产潜力的储集层。选压主力或非主力层中的低含水层

41、。选压久未动用的非主力层。,2.中含水期（综合含水率20%60%）,3.高含水期（综合含水率达60%以上）,选压主力或非主力层中的薄油层或差油层。选压加密调整井中不含水或中低含水层。压裂新层系开发井中的储集层。压裂储量标准以外的含油气砂层。,压裂时机的把握,在原始地层压力附近进行压裂肯定能够获得最大的压裂效果。低渗、特低渗油气藏的开发必须进行压裂投产，且应压出高导流能力的长缝，努力扩大井层泄油（气）面积。对仅依靠溶解气驱或弹性驱的油气藏，更要依靠高导流能力的长缝来充分利用天然驱动能量，用压裂开发这类难以动用的储量。对低渗注水开发的油藏（田），压裂已是投产开发必不可少的程序，也是制定开发方案不可

42、或缺的措施。,压裂时机的把握,对低渗注水开发的油藏（田），压裂已是投产开发必不可少的程序，也是制定开发方案不可或缺的措施。生产了一段时间后再进行压裂以弥补产量递减。对应注水层全力强化注水，但压裂目的层受地质或工程条件所限，地层压力难以恢复。注水强劲有力，衰竭的地层压力得以恢复有的甚至超过原始地层压力。此时有一最佳的压裂区间，任一井层在这一区间内压裂均会增产。对未能进入“压裂最佳区”的目的井层，应先对注水层加强注水，以进行“注水培养”，然后进行有效的压裂作业。压后仍需对该层进行“注水支持”，使其保持长期的增产、稳产。对注水开发的低渗油田（藏），压裂井层压前要进行注水培养，然后应选好压裂时机，压后

43、要继续获得注水的支持和保护。,第四章 压裂液,压裂液在施工过程中的任务：一是压开储集层，形成人工水力裂缝；二是携带支撑剂进入裂缝使之成为导流能力的（有效）支撑裂缝。,第一节压裂液类型及添加剂,一、压裂液的类型按施工中不同的泵注阶段，压裂液可以分为：,前置液作用：压开地层，延伸拓展裂缝，形成具有一定几何尺寸的裂缝；冷却地层。,携砂液作用：进一步扩展裂缝，在缝中输送和铺置支撑剂，形成具有一定导流能力和几何形状的支撑剂填充裂缝；冷却地层。,顶替液作用：将井筒中的携砂液全部替入储集层裂缝，以免井底沉砂或砂卡井下工具。,水基压裂液 油基压裂液 泡沫压裂液 乳化压裂液 清洁胶束压裂液 醇基压裂液 酸基压裂

44、液,一、压裂液的类型根据配置材料和液体性状不同，压裂液可分为：,（1）水基压冻胶裂液 主要由水、稠化剂、交联剂和破胶剂配制而成。特点：粘度高，可调性好，易于控制，造缝性能好，携砂能力强；摩阻低，滤失量小，耐温耐剪切能力好，能在指定的时间内破胶排液，配制材料货源广。适用范围：除少数低压、油润湿，强水敏地层外，适用于大多数油气层和不同规模的压裂改造，特别可以完成高温、高压、深井、超深井、高砂比、大砂量等高难度压裂作业。,1.水基压裂液水基压裂液是以水作为分散介质（溶剂），再添加多种添加剂配制而成的一种压裂液。按稠化方式和稠化程度不同可分为水基冻胶压裂液、线性胶压裂液和活性水压裂液。,（2）线性胶压

45、裂液（稠化水压裂液）以稠化剂和表面活性剂配置而成的粘稠性水溶液。特点：粘度较低，携砂性能差，降滤失性能略好，有一定造缝能力。适用范围：主要用于压裂防砂、砾石充填、低温（小于60）、浅（小于1000）井的压裂改造；或用于低砂量、低砂比的煤层气或不携砂注水井压裂。（3）活性水压裂液 加有表面活性剂的低粘水溶液。特点：粘度几乎为零，滤失量大，依靠大排量可以携带较少支撑剂。适用范围：适用于浅井低砂量、低砂比的小型解堵压裂和煤层气井压裂。,稠化剂：磷酸酯 交联剂：铝酸盐 特点：粘度较高、耐温性能较好、携砂能力较强、对储集层伤害较小。缺点：价格昂贵、施工困难和易燃。,2.油基压裂液以就地原油或柴油作为分散

46、介质与各种添加剂配制而成的压裂液称为油基压裂液。,按分散相类型不同，泡沫压裂液体系可以分为泡沫压裂液、泡沫压裂液、和泡沫压裂液和空气泡沫压裂液。优点：粘度高，携砂和悬砂性能好，摩阻损失小、滤失量小，液体效率高、在相同液量下裂缝穿透深度大；含水量小，密度低，且气体膨胀能力强，易于压后返排，对油层污染小缺点：温度稳定性差，使用范围受到限制，由于井筒气液柱的压降低，需要的施工泵压高，对于深度大于2000以上的油气层施工难度大，设备特殊，成本较高。适用范围：泡沫压裂液一般用于低压、水敏和含气储集层的压裂改造。,3.泡沫压裂液泡沫压裂液是指在水力压裂过程中，以水、线性胶、水基冻胶、酸液、醇或油作为分散介

47、质，以、或空气作为作为分散相（不连续相），与各种添加剂配制而成的压裂液。,水包油乳化压裂液是以油相（柴油或原油）作为分散相分散在作为分散介质的液体。油包水乳化液则有水相作为分散相分散在作为分散介质的油相（柴油或原油）中的压裂液体系。优点：具有良好的耐温耐剪切能力、滤失量低、液体效率高、低伤害。缺点：摩阻偏高、破乳困难。,4.乳化压裂液乳化压裂液是以油水乳化液作为分散介质，与各种添加剂配制而成的压裂液。包括水包油和油包水两种乳化压裂液。,二、压裂液添加剂在确定压裂液类型后，根据储集层特征和工艺设计要求选择用于改善压裂液性能的化学剂称为压裂液添加剂。,1.水基压裂液添加剂最常用的水基压裂液添加剂有

48、稠化剂、交联剂、破胶剂、助排剂、粘土稳定剂、pH调节剂、杀菌剂、破乳剂、降滤失剂 等。1）稠化剂稠化剂（也称为增稠剂）是水基压裂液的主剂，用以提高压裂液的粘度，降低压裂液滤失、悬浮、携带和输送支撑剂。常用的稠化剂：植物胶及其衍生物、纤维素衍生物、生物聚多糖、合成聚合物。,2）交联剂交联剂是通过交联离子（基团）将溶解于水中的聚合物线型大分子链上的活性基团用化学键连接起来而形成三维网状结构的化学剂。常用的交联剂有硼砂、有机锆、有机钛和有机硼等。,3）交联剂交联剂是通过交联离子（基团）将溶解于水中的聚合物线型大分子链上的活性基团用化学键连接起来而形成三维网状结构的化学剂。常用的交联剂有硼砂、有机锆、

49、有机钛和有机硼等。,4）破胶剂破胶剂是压裂液组成中的一种重要添加剂，其主要作用是在压裂结束后，通过破坏交联条件而降解聚合物大分子，使冻胶压裂液达到破胶降粘的效果。常用破胶剂有过氧化物破胶剂、胶囊破胶剂、酶破胶剂。,5）粘土稳定剂粘土稳定剂的作用是利用粘土表面化学离子交换的特点，改变粘土表面的结合离子，从而改变粘土的物化性质，或破坏其离子交换能力，或破坏双电层离子间的斥力，达到防止粘土水合膨胀或分散运移的效果。常用粘土稳定剂有无机盐、表面活性剂、无机聚合物、有机聚合物。,6）助排剂助排剂可以降低压裂液破胶液的表面张力，增加返排能量，减少压裂液对储集层的污染。常用助排剂有增能气和表面活性剂。,7）

50、杀菌剂杀菌剂是保证压裂配制后、施工时不腐败变质的添加剂。常选用甲醛、乙二醛等醛类溶液或季铵盐类作为杀菌剂。,2.油基压裂液添加剂使用的添加剂主要为稠化剂、交联剂。1）稠化剂常用稠化剂是由具有不同分子质量的有机脂肪醇与无机非金属氧化物五氧化二磷生成的磷酸酯。2）交联剂一般油基压裂液选用弱有机酸盐作交联剂，如（醋酸钠）、乙酸钾（醋酸钾）、水杨酸钠、聚丁二烯或聚异戊二烯等。3.泡沫压裂液添加剂泡沫压裂液除了要使用水基压裂液中的主要添加剂之外，还要添加气体（液、液）、起泡剂和稳泡剂。,第二节压裂液性能要求及性能评价,一、压裂液的性能要求,1.储集层地质特征对压裂液性能的要求 2.压裂工艺对压裂液性能的