压裂优化设计理论及案例.ppt

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1、1,尊敬的各位领导、专家：上午好！,2,压裂优化设计理论及案例,主 讲：曾凡辉 电话：,3,目 录,一、压裂优化设计理论二、压裂设计基础参数三、压裂裂缝参数优化四、压裂施工参数优化五、压裂优化设计软件六、水力压裂评估技术七、压裂优化设计实例,4,封闭边界无限大地层中心一口垂直单相油流井稳定生产产量公式：,对具体井层，地层条件(ko,h)、流体性质(o,Bo)和井特性(re,rw)已经确定。提高产量的措施有: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：水力压裂产生负表皮系数。,5,水力压裂是利用地面高压泵组将高粘液体以超过地层吸收能力的排量注入到井中，在井底附近憋起高压超过井壁附

2、近地应力及岩石抗张强度的压力后，在地层中形成裂缝。继续注入带有支撑剂的液体，裂缝在长、宽、高方向上延伸。施工结束后形成具有一定长度的高导流能力填砂裂缝。填砂裂缝具有很高的渗流能力，它能降低油气流入到井底阻力，使油井获得增产。,1、水力压裂的概念,6,地层参数：厚度、地应力差、地层压力.压裂材料：压裂液、支撑剂.施工参数：排量、砂量、压力.压裂工艺：限流压裂、分层压裂.压裂设备：泵车(组)、砂车、仪表车.现场实施、质量监控、压后评估.,1、水力压裂的概念,7,(2)油气井增产、水井增注,(1)提高勘探含油气评价，增加可采储量Wattenberg气田安塞特低渗油田 H=1000-1300m，h=1

3、2.2m，,2、水力压裂的作用,8,(5)其它方面（工业排污、废核处理）,(3)调整层间矛盾，改善产油、吸水剖面,(4)提高采收率 电模拟和数模表明；大庆小井距试验证实。,2、水力压裂的作用,9,3、水力压裂增产机理,(1)沟通油气储集区，增加单井控制储量（连通透镜体和裂缝带）、扩大渗流面积,(2)变径向流动为线性流动,(3)解除污染,10,4、压裂优化设计概念,压裂优化设计是在给定的油层地质、开发与工程条件下，借助油气藏模型、水力裂缝模型与经济模型计算软件，反复模拟评价不同支撑缝长与导流能力的裂缝所长生的经济效益，从中选出能实现少投入、多产出的压裂设计即为优化的压裂设计。,11,5、压裂优化

4、设计研究对象,12,既定储层和注采井网下，预测单井不同缝长和导流能力的压后生产动态；根据储层条件选择压裂材料类型和用量；确定泵注方式、施工排量、设备功率等参数；确定施工泵注程序；评价施工方案的经济性，实现少投入、多产出；设计方案检验（开发与增产的要求、现有压裂材料与设备能力、施工安全的要求）。,6、压裂优化设计的任务,13,压裂优化设计理论,7、压裂优化设计的内容,14,目 录,一、压裂优化设计理论二、压裂设计基础参数三、压裂裂缝参数优化四、压裂施工参数优化五、压裂优化设计软件六、水力压裂评估技术七、压裂优化设计实例,15,一个优化的压裂设计，强调深化对压裂目的层的认识，采取准确可靠的设计参数

5、。不可控制参数：指无法进行调整的储层特征参数。包括：岩矿组成、孔隙度、渗透率；储层流体特性及其饱和度；厚度；应力状态；邻近遮挡层的厚度及其延伸范围和应力状态；储层压力和温度。可控制参数：可以加以调整来进行优化压裂设计的完井特征参数。包括：井筒套管、油管及井口状况；井下设备；射孔位置和射孔数；压裂液和支撑剂；压裂参数、经济参数、压裂装备等。,一）、压裂设计参数分类,16,在实际压裂过程中，压裂参数可以归纳为油气井参数、油气层参数、压裂参数和经济参数4类。油气井参数决定了压裂井的施工条件。包括：压裂井井别、注采井网类型、布井方位、井距与压裂目的井在其中的位置；井径、井下管柱（套管、油管）与井口装置

6、的规范、尺寸与压力定额；储层段及其上下固井质量;射孔井段的位置、长度、射孔方式、弹型、相位角、孔眼尺寸；井下工具的名称、规范、尺寸、承压与承温定额及其下入位置。,1、油气井参数,17,油气层参数决定了井在压裂前后的生产反映。包括：储集层有效渗透率、孔隙度、含油气饱和度与有效厚度等在垂向及平面上的展布；储层目前地层压力与静态地层温度；储集层流体性质，包括油、气、水密度、粘度、压缩系数与矿化度等；储集层岩石力学性质，如弹性模量、泊松比、抗压强度与孔隙弹性常数等；储集层（上下遮挡层）岩性、厚度、就地应力的垂向分布（就地应力剖面）及最大、最小水平主应力方位；压裂井与周围邻井及对应注水井的试油，开发生产

7、与生产测试等动态资料等。,2、油层参数,18,压裂参数决定了产生裂缝的几何尺寸、导流能力与泵注参数等。包括：裂缝破裂压力、延伸压力、停泵压力、闭合压力与净压力等；压裂液类型及其在储层就地条件下的流变性、粘温粘时特性以及滤失、伤害等特征；支撑剂类型、粒径、颗粒密度以及就地条件下的抗压强度、导流能力与裂缝渗透率等指标；施工排量、平均砂比以及泵注程序等；压裂设备及压力-排量极限；过去本井与周围邻井的压裂实践及其压裂前后的生产反映作为本次设计的借鉴。,3、压裂参数,19,压裂经济参数决定了投入与产出的的关系。包括：压裂施工材料（压裂液、支撑剂）用量及费用；压裂设备及其它辅助作业支出费用；增产的油气量及

8、同时（或每一段时间）油气价格，它们是压裂的收入；计算净收益的时间（最短投入回收期）与净贴现值（最大的投资纯利润）。这些参数在压裂优化设计中均有重要作用，它们是制定压裂优化设计的基础。,4、压裂经济参数,20,1、储集能力参数有效孔隙度、含油（气）饱和度与有效厚度；2、储集层生产能力参数有效渗透率、有效厚度、与储层流体性质、地层压力；3、水力裂缝几何形态参数岩石弹性模量、泊松比与就地应力场、岩石断裂韧性；4、压裂设计参数地层破裂压力（梯度）、延伸压力、净压力、闭合压力；5、施工条件参数射孔、油（套）管抗压强度；6、压裂材料参数温度、压裂液、支撑剂,二）、压裂设计主要参数作用及采集方法：,21,2

9、1,定义：储集层岩样中自身连通的孔隙体积与岩样体积的比值，记作e。作用：衡量储集层岩石孔隙空间储集油、气流体能力的一个重要量度；检验油气层压裂前后生产动态、评价压裂效果的关键；,（1）孔隙度,22,22,采集方法：以岩心测试为基础，借助测井资料予以确认。两者差值应小于1.0%1.5%。,国内外对油藏孔隙度的定性评价,（2）孔隙度,23,23,含油（气）饱和度：在原始状态下，油、气在储集层岩石有效孔隙中的充满程度，记作So或Sg。衡量储集层储存能力的主要参数；检验、评价井在压裂前后产量的重要依据；,采集方法：选取具有代表性的岩心，采用还原法实验模拟地层环境确定。精心设计、仔细标定的测井解释能够获

10、得具有代表性的含油（气）饱和度值。,（2）含油气饱和度,24,油（气）层有效厚度：在目前经济技术条件下、达到储量起算标准的含油（气）层系中具有工业产油气能力储层厚度。具备三个条件：可动油（气）；在现有工艺技术条件下可提供开发；产量达到工业油（气）流标准。有效厚度大小及其在平面上展布是影响射孔位置、压裂规模、施工排量的重要参数；压裂选井选层的主要依据。,（3）有效厚度,储层有效厚度与有效孔隙度及含油饱和度的乘积（hS）定义为油气藏的储能系数。物理意义是储集层中的纯油厚度，代表了储油能力和含油丰度，其值大小可以作为油气藏的综合评价标准。,25,获取方法：以岩心分析为基础，单层试油结果为依据，结合测

11、井解释资料予以确定；利用有效厚度等值图估算压裂层的有效厚度。,（3）有效厚度,26,1、储集能力参数有效孔隙度、含油（气）饱和度与有效厚度；2、储集层生产能力参数有效渗透率、储层流体性质、地层压力；3、水力裂缝几何形态参数岩石弹性模量、泊松比与就地应力场、岩石断裂韧性；4、压裂设计参数地层破裂压力（梯度）、延伸压力、净压力、闭合压力；5、施工条件参数射孔、油（套）管抗压强度；6、压裂材料参数温度、压裂液、支撑剂,二）、压裂设计主要参数作用及采集方法：,27,（1）渗透率,绝对渗透率：在一定压差下，岩石允许流体通过的能力。它是岩石自身性质的一种量度，为一常数；有效渗透率：当多相流体共存和流动时，

12、岩石允许各相流体的通过能力；相对渗透率：多相流体共存和流动时，单相流体有效渗透率与基准渗透率（绝对渗透率、气测渗透率）的比值。,28,储层定性评价的指标，划分增产措施类别的依据；影响压裂液滤失量的重要因素；选择支撑剂类型、尺寸与施工砂比的依据。,（1）渗透率,29,利用斜率 m 计算渗透率 K,（1）渗透率,压力恢复试井；产能试井；岩心测试确定；测井曲线求取；,获取方法,30,地层水：主要是矿化度、离子成分、水型及pH值；影响无机沉淀、有机沉淀及水敏损害程度；原油：含蜡量，粘度，胶质、沥青质和硫含量，析蜡点，凝固点：影响有机沉淀的堵塞情况引起酸渣堵塞损害及高粘乳状液堵塞损害；天然气：主要是H2

13、S和CO2的含量；粘度：为原油内部某一部分相对于另一部分流动时摩擦阻力的度量。,（2）地层流体物性参数,31,地层流体粘度是确定压力恢复试验取得流动系数（Kh/）和流动度（K/）必不可少参数，其大小会影响有效渗透率的准确性；粘度和压缩系数影响压裂液滤失系数，影响裂缝几何尺寸；预测压后产量及评价压裂效果的重要参数；获取方法：PVT实验获取 相关经验式计算(Standing等)；,（2）地层流体物性参数,32,地层压力：岩层孔隙空间内的流体压力，又称孔隙流体压力。原始地层压力：油气层在未开采前从探井中测得的油气层中部压力；目前地层压力：油气藏投入开发后，在某一时期内测得的油气层中部压力；静止压力：

14、它是指油气井在关井后，待压力恢复到稳定状态时所测得的油气层中部压力。,（3）地层压力,33,衡量储集层驱油（气）入井能力的量度，也是选井选层与优选压裂液类型的主要依据之一；压裂液返排的关键参数；采集方法 压力恢复试井确定（Horner法、MDH法等）借用邻井、井组、区块或油气藏的目前地层压力值得出的压力梯度，推算压裂井、层的目前地层压力。,（3）地层压力,34,1、储集能力参数有效孔隙度、含油（气）饱和度与有效厚度；2、储集层生产能力参数有效渗透率、与储层流体性质、地层压力；3、水力裂缝几何形态参数岩石弹性模量、泊松比与就地应力场、岩石断裂韧性、盖底层性质、储层展布；4、压裂设计参数地层破裂压

15、力（梯度）、延伸压力、净压力、闭合压力；5、施工条件参数射孔、油（套）管抗压强度；6、压裂材料参数温度、压裂液、支撑剂,二）、压裂设计主要参数作用及采集方法：,35,泊松比：当岩石受压应力时，在弹性范围内，岩石的侧向应变与轴向应变的比值；弹性模量：岩石压应力时，负荷增加到一定程度后（在弹性范围内），应力与应变曲线的比值。,（1）岩石力学参数(泊松比、弹性模量),36,弹性模量越大，表明岩石越致密、压开缝宽窄，且需要的泵压高；,（1）岩石力学参数(泊松比、弹性模量),37,泊松比大小则关系到裂缝高度在纵向上的扩展程度与就地应力剖面的解释；,不同岩石的静态弹性性质,（1）岩石力学参数(泊松比、弹性

16、模量),38,获取方法 实验室岩心试验：单轴或三轴试验取得的岩石弹性性质参数（泊松比、弹性模量等）；使用长源距数字声波测井（LSDS）的全声波形计算，动态值；使用经验公式计算，准静态值。,（1）岩石力学参数(泊松比、弹性模量),39,地应力是由于上覆岩层重力、地壳内部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。地下岩石应力状态通常是三个相互垂直互不相等的主应力。,（2）储层三向地应力大小和方向,=,+,x,z,y,y,x,z,地层岩石处于三维应力状态,+,压应力为正，拉张应力为负,40,垂向应力的大小决定裂缝形态和方位；,（2）储层三向地应力大小和方向,z最小，水平裂缝

17、；x z、y z，垂直裂缝。,41,压裂施工中裂缝净压力随着地应力的增加而增大，反映到现场施工过程中出现高泵压，以致不能完成施工任务。,影响压裂施工的难易及有效率。,42,裂缝高度完全取决于取决于压裂层与其上下隔层的最小应力差。如果该值大于4MPa或者7MPa，会对裂缝的垂向延伸起控制作用，但难有如此理想条件。通常采用降低泵注排量、压裂液粘度、施工规模或使用漂浮球、重力球等减缓其效果。,垂向上最小水平主应力的大小显著裂缝高度；,43,给定注采井网下，水力裂缝的延伸相对于注采井网有“有利”与“不利”之分。有利裂缝：水力裂缝与注水井排或采油井排的连线平行；反之则为不利裂缝。如果注水井压裂的裂缝方位

18、位于不利方位，压裂缝越长，扫油效率降低。,人工裂缝与井网的关系会显著影响开采效果；,44,大小获取方法（1）微型压裂,（2）储层三向地应力大小和方向,45,大小获取方法,（2）长源距数字声波测井,（2）储层三向地应力大小和方向,46,方向获取方法,（2）储层三向地应力大小和方向,井壁崩落法确定地应力,典型“井壁崩落”照片,钻井过程中，井壁出现的应力崩落和应力培塌都是由于井壁附近应力集中产生剪切破坏的结果，应力崩落和应力垮塌的方向与区域最小水平主应力方向一致。,崩落方向与地应力关系,47,方向获取方法,井径测井,（2）储层三向地应力大小和方向,井径测井曲线与井眼几何形态,48,一系列微震源点代表

19、裂缝的空间展布,微地震压裂监测示意图,方向获取方法,微地震监测,（2）储层三向地应力大小和方向,49,49,岩石断裂韧性：裂缝端部附近应力大小，取决于裂缝尺寸所加载荷，MPam1/2。判断裂缝是否会发生扩展的重要参数；采集方法：三轴岩石力学实验、巴西劈裂实验获取；通过地应力测试和测井资料获取目的层围压和抗拉强度值，再推断导出岩石的断裂韧性值；,（3）岩石断裂韧性,50,盖、底层性质是指产层上盖层、下底层的岩性、厚度分布及最小水平主应力的大小。盖、底层具有一定厚度且地应力值远大于油气层：裂缝高度将限制在储层之内；盖、底层较薄，地应力与储层相近：裂缝将穿透盖、底层，直至遇到有效遮挡层为止。,(4)

20、盖、底层性质,51,盖、底层性质不但影响到裂缝几何尺寸、施工规模，而且直接关系到压裂作业的成败。,(4)盖、底层性质,获取方法：岩石三轴力学参数测试；测井资料计算。,52,(5)储层展布特征,53,1、储集能力参数有效孔隙度、含油（气）饱和度与有效厚度；2、储集层生产能力参数有效渗透率、与储层流体性质、地层压力；3、水力裂缝几何形态参数岩石弹性模量、泊松比与就地应力场、岩石断裂韧性；4、压裂设计参数地层破裂压力（梯度）、延伸压力、净压力、闭合压力；5、施工条件参数射孔、油（套）管抗压强度；6、压裂材料参数温度、压裂液、支撑剂,二）、压裂设计主要参数作用及采集方法：,54,破裂压力：使地层产生水

21、力裂缝时的井底流体压力，MPa；破裂压力梯度：地层破裂压力与地层中部深度的比值，MPa/100m；选择井下管柱、井下工具、井口装置与泵注设备压力极限的依据；确定施工时地面最高泵压、排量以及设备功率；推断水力裂缝形态。,（1）地层破裂压力和破裂压力梯度,当GDF为时，水平缝；当GDF为时，垂直缝。,55,采集方法：现场施工参数计算；统计分析；理论公式计算（Eaton法、Stephen法）；,（1）地层破裂压力和破裂压力梯度,56,裂缝延伸压力：水力裂缝在长、宽、高三个方向扩展所需要的缝内流体压力。净压力：裂缝延伸压力与闭合压力之差。是判断裂缝延伸模式的依据。,（2）裂缝延伸压力（净压力）,线段1

22、压力斜率在之间，裂缝向地层深处延伸。线段II压力斜率不变。注入量等于滤失量；裂缝在长度上已停止延伸。缝内即将出现堵塞（III）；裂缝高度即将失控(IV)。线段III压力斜率为1。缝内发生堵塞，注入液体只能增加缝宽。线段IV压力斜率为负。说明裂缝在高度上已失去控制或遇到了规模较大的天然微裂隙。,57,裂缝闭合压力：开始张开一条已存在的裂缝所必须的流体压力。压裂压力分析的基础参数；选择支撑剂类型和粒径大小的主要依据。获取方法 注入返排实验；注入关井实验,（3）裂缝闭合压力,58,1、储集能力参数有效孔隙度、含油（气）饱和度与有效厚度；2、储集层生产能力参数有效渗透率、与储层流体性质、地层压力；3、

23、水力裂缝几何形态参数岩石弹性模量、泊松比与就地应力场、岩石断裂韧性；4、压裂设计参数地层破裂压力（梯度）、延伸压力、净压力、闭合压力；5、施工条件参数射孔、油（套）管抗压强度；6、压裂材料参数温度、压裂液、支撑剂,二）、压裂设计主要参数作用及采集方法：,59,(1)射孔参数,射孔孔眼是沟通井筒与地层的通道。压裂施工时压裂流体需经孔眼进入地层，压后油气流经孔眼进入井筒。射孔参数主要有射孔位置、尺寸以及相位等。射孔位置：一般射开砂体最纯、物性最好；,60,(1)射孔参数,孔眼尺寸：较低支撑剂浓度时，孔眼直径应是支撑剂颗粒直径的2-3 倍,在浓度大于917kg/m3后,孔眼直径至少应为支撑剂颗粒直径

24、的6倍。孔眼太小，孔眼处高速剪切，高粘压裂液降解，发生砂堵。,61,61,射孔相位：一般按照多相位（60）射孔。多相位射孔增加了与裂缝延伸方向一致的可能性，可降低压裂中的破裂压力并减少早期脱砂的可能。,(1)射孔参数,夹角(度),射孔与最大主应力夹角与破裂压力的关系,沿80射孔时裂缝扩展路径,62,62,(2)压裂液注入方式选择,油管注入：优点是有利于保护套管,能保持较高的流速,减少或避免在井筒内脱砂,以及便于压后井下作业。缺点：高沿程摩阻增加了地面泵压,使泵注排量受到限制且要消耗大部分设备功率,以致降低压裂的净收益。,套管、油套环空注入：优点是沿程摩阻小、地面泵压低、泵注排量大，可节约设备功

25、率,降低施工成本。缺点是套管每一部分都需要承受最高施工压力。最终泵注参数的确定主要受到油、套管尺寸、抗拉、抗内压、抗外挤等性能参数，以及压裂泵注排量、井口装置以及安全作业等因素的控制。,63,1、储集能力参数有效孔隙度、含油（气）饱和度与有效厚度；2、储集层生产能力参数有效渗透率、与储层流体性质、地层压力；3、水力裂缝几何形态参数岩石弹性模量、泊松比与就地应力场、岩石断裂韧性；4、压裂设计参数地层破裂压力（梯度）、延伸压力、净压力、闭合压力；5、施工条件参数射孔、油（套）管抗压强度；6、压裂材料参数温度、压裂液、支撑剂,二）、压裂设计主要参数作用及采集方法：,64,64,地层温度：地层静止无干

26、扰条件下所的温度，。优选压裂液的首要依据；压裂后关井时间和破胶剂选择及加量的关键参数；选用井下工具的依据；,(1)地层温度,超高温压裂液体系180粘度-时间曲线,低温压裂液体系180粘度-时间曲线,65,压裂液起着传递压力、形成地层裂缝和携带支撑剂进入裂缝的作用。选择压裂液应考虑施工工艺要求；岩石、储层及所含流体的物理和化学性质。,(2)压裂液,与地层岩石和地下流体的配伍性；热稳定性和抗剪切稳定性、有效地悬浮和输送支撑剂；滤失少；低摩阻；低残渣、易返排；,66,66,强度高；杂质少、粒径均匀，圆球度好；密度低；高温盐水中呈化学惰性；货源充足，价格便宜。,（3）支撑剂,支撑剂作用在于分隔并有效支

27、撑裂缝两个壁面，使压裂施工结束后裂缝始终能得到有效支撑，从而消除地层中大部分径向流，使地层流体以线性流方式进入裂缝。,67,目 录,一、压裂优化设计理论二、压裂设计基础参数三、压裂裂缝参数优化四、压裂施工参数优化五、压裂优化设计软件六、水力压裂评估技术七、压裂优化设计实例,68,油藏驱动方式是指油藏开采过程中，主要依靠哪一种能量来驱油，是全部油层工作条件的综合。一）弹性开采裂缝参数优化 弹性驱动是指依靠油层岩石和流体的弹性膨胀能量驱油的油藏。特点是该驱动方式下油藏无边水（底水或注入水），或有边水而不活跃，油藏压力始终高于饱和压力。生产过程中，随着压力降低，地层将不断释放弹性能量，将油趋向井底。

28、二）整体压裂开发裂缝参数优化 油藏流体流动主要靠边水或注入水推动，流动的弹性能不起作用或作用很少，驱动能量主要是边水（或底水、注入水）。,69,压裂相当于将井径扩大到裂缝半径，此时利用径向流动公式：,（1）比尔登(Bearder)方法 认为压出的是对称水平裂缝，则可用下述两种方法预测产量。,1、水平裂缝井产量预测方法,70,相当于在地层中存在不连续的径向渗透率。如果在裂缝半径内的压降为，供油半径至裂缝半径处的压降为，则从供油半径到井底的总压降为，平均渗透率 为：,增产倍数可近似表示为：,1、水平裂缝井产量预测方法,71,增产倍数是压裂前后油气井采油指数的比值，它与油层和裂缝参数有关。,（2.1

29、）麦克奎尔图版,2、垂直裂缝井产量预测方法,72,普拉兹认为如果裂缝导流能力及填砂裂缝长度有限，压裂裂缝相当于增加了井的有效半径。如果井半径较小，填砂裂缝又具有较高的导流能力，井有效半径可按缝长的1/4计算。压裂井增产倍数：,（2.2）Prats方法,73,以实现储层供给流体和裂缝输送流体能力相匹配获得油井最大产量为手段优化裂缝参数。优点：（1）考虑了裂缝与砂体规模的匹配；（2）强调裂缝长度与导流能力的匹配；（3）计算结果形成的图表使用简单、方便，便于大规模使用。,（2.3）支撑剂指数方法（NP）,74,采油指数JD,裂缝导流能力CfD,裂缝穿透比Ix,支撑剂指数Np,对于已知渗透率和规模的油

30、藏，储层中支撑剂体积对应唯一的支撑剂指数；该支撑剂指数下对应的最优裂缝导流能力就能获得最大采油指数，相应的就能确定唯一的最优裂缝参数。,75,Np0.1时：CfD=1.6 时，获得最大无因次采油指数。,对于相对高渗透储层，Np0.1。,76,对于相对低渗透储层，Np 0.1。,Np 0.1时：支撑剂指数不同，最优的无因次裂缝导流能力不同。,77,（1）准确获取储层渗透率和就地裂缝渗透率,测井渗透率主要反映岩石物理性质，不能直接用于裂缝参数优化。而岩心分析渗透率则综合反映了岩石性质和流体的流动特征。裂缝参数优化时取测井渗透率的1/10。,岩心分析和测井解释渗透率结果对比,不同闭合压力下裂缝渗透率

31、,裂缝渗透率主要取决于储层埋藏深度、支撑剂类型以及压裂液残渣大小等。按照行业标准测试了不同闭合压力下过破胶液后的支撑裂缝渗透率。,优化设计步骤,78,以某区块为例：埋藏深度1643-2136m、300m300m井网；石英砂支撑剂、kf=150Dc，k测=1020 mD,kd=kf/k,最大无因次采油指数与裂缝穿透比关系,最优裂缝宽度与最优裂缝穿透比关系,（2）结合开发井网和储层、裂缝渗透率优化裂缝参数,支撑剂指数增加，支撑缝长和缝宽变大，压裂后产量越高。支撑缝长主要考虑井网、井距限制，推荐穿透比85%；支撑缝宽主要考虑满足生产需求以及支撑剂粒径、类型，压裂液性能，施工设备和水平等因素，推荐延长

32、油田支撑缝宽3mmw10mm。,优化设计步骤,79,（1）当储层渗透率相对较低时（kd较大），定缝长（穿透比85%）优化支撑缝宽：w 3mm时，按照缝宽3mm取值；3mm w 10 mm，按照优化的实际缝宽取值。（2）当储层渗透率相对较高时（kd较小），定裂缝宽度（10mm）优化裂缝长度。,（3）结合支撑剂指数法优化裂缝参数原则，确定裂缝参数,某采油厂裂缝参数优化结果,优化设计步骤,根据层位、井网、支撑剂类型和储层渗透率，查表就能获得优化的裂缝参数。,80,油藏驱动方式是指油藏开采过程中，主要依靠哪一种能量来驱油，是全部油层工作条件的综合。一）弹性开采裂缝参数优化 弹性驱动是指依靠油层岩石和流

33、体的弹性膨胀能量驱油的油藏。特点是该驱动方式下油藏无边水（底水或注入水），或有边水而不活跃，油藏压力始终高于饱和压力。生产过程中，随着压力降低，地层将不断释放弹性能量，将油趋向井底。二）整体压裂开发裂缝参数优化 油藏流体流动主要靠边水或注入水推动，流动的弹性能不起作用或作用很少，驱动能量主要是边水（或底水、注入水）。,81,81,1、整体压裂改造数值模拟研究-垂直裂缝,根据低渗透油藏的生产特点和人工裂缝渗流特征，建立油藏与裂缝的物理模型和数学模型；由于人工裂缝与油藏的接触满足压力相等和流量相等，建立裂缝和油藏的内边界条件；通过五点井网和反九点井网单元的简化，由对称性得到油藏计算单元和外边界条件

34、。,（1）研究思路,82,82,裂缝与注采井的关系,当裂缝方向上的采油井水淹后，一般是将其改变为注水井，发展为沿裂缝方向注水，向裂缝两侧驱油的开采方式。因此，主要匹配关系可概括为图示的三种情形。,（2）裂缝与注采井的关系,1、整体压裂改造数值模拟研究-垂直裂缝,83,2.1 油藏渗流模型 裂缝性油藏整体压裂后,流体在基质和天然裂缝中的渗流速度与压力梯度之间仍为线形关系,满足达西定律。因此将达西单相流公式加以推广可以描述基质、天然裂缝中三相流运动方程。,2、整体压裂改造数值模拟研究-垂直裂缝,84,2.2 裂缝流体流动模型 压裂裂缝的导流能力很高，裂缝较长，压裂裂缝的存在克服了近井地带的较大流动

35、阻力，流体在裂缝中流速加快。特别是气体在压裂裂缝中自身渗流速度快，粘度低，此时流动偏离达西定律，变为高速非达西流动。将Forchheimer二项式方程推广到三相渗流就可以描述压裂裂缝中流体的运动情况。,3、整体压裂改造数值模拟研究-垂直裂缝,85,2.3 整体裂缝渗流方程 整体压裂裂缝性油藏中流体渗流方程包括基岩系统、天然裂缝系统和人工裂缝系统渗流方程。假定任何一种组分i在油、气、水三相中的质量分量是Xio，Xig，Xiw，由物质守恒原理可导出压裂裂缝中组分i的连续性方程：,4、整体压裂井产量预测,86,2.4 定解条件 整体压裂油藏数值模拟中的边界条件分为两大类：一是外边界条件。系指油藏外边

36、界所处的状态；二是内边界条件，系指压裂生产井（或注入井）所处的状态。(1)外边界条件,(2)内边界条件 定井底压力,定井产量,4、整体压裂井产量预测,87,目 录,一、压裂优化设计理论二、压裂设计基础参数三、压裂裂缝参数优化四、压裂施工参数优化五、压裂优化设计软件六、水力压裂评估技术七、压裂优化设计实例,88,目前使用的设计模型有二维(PKN、KGD)，拟三维(P3D)和真三维模型，其主要差别是裂缝扩展和裂缝内的流体流动方式不同。二维模型假设裂缝高度是常数，即流体仅沿缝长方向流动；拟三维模型假设裂缝内流体仍是一维流动；真三维模型假定在缝长、缝高方向均有流动。,（1）概述,1、水力压裂裂缝扩展模

37、型,89,发展概况 假设：地层均质和各向同性；裂缝高度是恒定；二维岩石变形；一维流体流动。计算裂缝几何尺寸最简单方法，可满足施工规模小、地层条件较为简单（具有高就地应力或很厚隔层的油藏）。,（2）二维裂缝扩展模型,1、水力压裂裂缝扩展模型,90,发展概况 20世纪50年代-70年代开发;从形态分为三种：平行板；PKN型（在纵向和水平方向都是椭圆形）；GDK型(纵向是矩形，水平方向是椭圆型)。,（2）二维裂缝扩展模型,PKN模型,GDK模型,1、水力压裂裂缝扩展模型,91,基本方程 裂缝扩展的宽度方程：岩石变形的平衡方程 二维模型把裂缝看成是一无限大的平板上有一狭长裂缝，缝内受有均匀压力Pc,裂

38、缝宽度可看作是椭圆缝的张开位移。流体压降方程 Poiseuille给出的幂律型流体在压裂裂缝中的压降梯度公式。,（2）二维裂缝扩展模型,1、水力压裂裂缝扩展模型,92,流体连续性方程 注入压裂液总量等于裂缝体积和滤失体积之和。裂缝延伸准则 裂缝在扩展过程中，受周围岩层的断裂韧性KIC的控制。只有当裂缝边缘某一点上的强度因子KI大于岩石断裂韧性KIC，裂缝才会扩展。,1、水力压裂裂缝扩展模型,93,选择二维模型的一般原则 根据井底压力的变化趋势：压裂层埋藏深度：浅层选用GDK，深层选用PKN；压裂层与上下岩层的地应力差：上下岩层的地应力大于压裂层且差值大于13.8MPa,PKN和GDK都适用。上

39、下岩层的地应力小于压裂层且差值小于13.8MPa,薄层选PKN；块状厚层或射孔段长的井选GDK。,1、水力压裂裂缝扩展模型,94,裂缝延伸模拟基础参数,不同裂缝延伸模型模拟结果,1、水力压裂裂缝扩展模型,95,（3）三维裂缝扩展模型 致密低渗透油气层大型压裂的兴起，开发了拟三维、全三维模型，主要代表者是Nolte&Smith、Sttari&Cleary以及Palmer模型。拟三维是将两个二维压裂模型组合在一起计算裂缝长度和裂缝高度：一般是以二维PKN模型求解裂缝在长度上的延伸；另一个二维GDK模型求解裂缝在高度上的增长。,1、水力压裂裂缝扩展模型,96,（3）三维裂缝扩展模型 全三维压裂模型起

40、始于70年代末，至80年代有了很大的发展，这种模型以弹性的三维模型与二维流体在缝内的流动的组合推导出来的。主要代表人物是Abou 和 Sayed（1984年）、Cleary(1983年)、Lam与Touboul（1986年）以及Vandamme和Jeffrey（1986年）等。全三维压裂模型可描述具有变弹性性质和滤失特性的多层井段以及由地应力剖面决定的复杂裂缝形态。,1、水力压裂裂缝扩展模型,97,（3）三维裂缝扩展模型 全三维压裂模型可以解决：确定给定就地条件和注入条件的裂缝几何形态；根据裂缝在三维方向上的扩展，估算支撑剂粒径、前置液用量和施工总用液量；有利于研究射孔部位的影响；通过小型压裂

41、压力与模拟压力的比较来诊断就地闭合应力。,1、水力压裂裂缝扩展模型,98,（3）三维裂缝扩展模型 集总的三维模型 1986年Cleary与Crokett等在全三维压裂模型基础上提出了称之为“集总的综合水力压裂模型”具有的特点：与全三维压裂模型缺乏计算效率相反，这种模型的计算速度快，达到大于现场实时。可进行实时模拟与实时分析，使室内的优化压裂设计真正转化为现场的优化压裂施工。,1、水力压裂裂缝扩展模型,99,（3）三维裂缝扩展模型 集总的三维模型 模型由四部分组成:在管内压裂流体与含有支撑剂流体的流动；水力裂缝的形成与延伸；支撑剂的输送、沉降与裂缝闭合；在裂缝与地层之间的热量与流体的交换。现场实

42、践证明，集总的综合模型不仅可以实时地模拟压裂全过程，而且可以用于压前设计与压后分析评价，使全三维模型真正成为一种实用性强的工程手段，为证实模型符合实际程度建立了研究方法。,1、水力压裂裂缝扩展模型,100,2、支撑剂运移分布模型,1)全悬浮型支撑剂设计模型是指压裂液粘度足以把支撑剂完全悬浮起来，在整个施工过程中没有支撑剂的沉降，停泵后支撑剂充满整个裂缝内，因而携砂液到达的位置就是支撑裂缝的位置。这种压裂液称为全悬浮压裂液。悬浮压裂液适合于低渗透储层，因为并不需要很高的裂缝导流能力就能获得较好的增产效果。,101,2、支撑剂运移分布模型,2)沉降型支撑剂分布设计模型由于剪切和温度等降解作用，压裂

43、液在裂缝内的携砂性能并不能达到全悬浮，在裂缝延伸过程中，部分支撑剂随携砂液一起向缝端运动，另一部分则可能沉降下来。支撑剂沉降速度、砂堤堆起高度等都与裂缝参数(长、宽、高)有关。,102,3、压裂施工参数优化,优化压裂设计就是综合分析压裂目的层供给能力（存储能力：hs；产出能力kh或kh/；驱油能力：压前目前地层压力）、水力裂缝特征（形态、方位及其几何尺寸）与工程条件（优化的泵注施工参数组合、压裂材料与支撑剂在缝中的铺置及地面、地下的承压极限）等因素，并在数学上把它们结合起来，完成总的经济评价（或扫油效率评价），最终得到一个预期能够实现最经济有效的压裂设计。,103,1）储层评价,考虑因素 储层

44、地质、岩石力学、孔渗饱、油层油水接触关系、岩层间界面性质与与井筒技术要求。油气井低产原因（1）油气层孔隙度较低，或储能系数低，可采能量低，储集层没有足够的物质基础；（2）油气层低渗、特低渗，或有效厚度薄，地层系数低；或地下原油粘度高，储集层没有足够的产出能力；（3）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；（4）“土豆状”透镜体地层，单井控油面积有限，难以获得高产；,3、压裂施工参数优化,104,1）储层评价,成功压裂作业的必备地质条件：储量和能量，适合压裂的油气层：(1)须经压裂才能投产的低渗、特低渗油气层：渗透率越低，越要优先压裂，越要加大压裂规模。(2)有效孔隙度

45、大、含油饱和度高和有效厚度大的油气层，一般要求So35%、kh0.510-3m2.m。,3、压裂施工参数优化设计,105,1）储层评价,(3)已证明油气层内储有大量油气，由于近井污染、本井低产，而周围邻井高产。(4)油气层井段的固井质量好：套管、压裂管柱、井下工具与井口承压能力以及压裂设备满足完成压裂施工任务；场地平整、地面和环保条件符合施工要求及国家法规。,3、压裂施工参数优化设计,106,2)压裂液体系优选 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。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。筛选适合现场施工的耐温剂、防腐剂、消泡剂、降

46、阻剂、降滤剂、助排剂、pH值调节剂、发泡剂和转向剂等。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。,3、压裂施工参数优化设计,107,3)压裂支撑剂优选,储层闭合压力 中国石英砂的使用极限为20MPa，如果储集层闭合压力大于该值，应该选用陶粒。,3、压裂施工参数优化设计,108,3)压裂支撑剂优选,储集层岩石的软硬程度 岩石杨氏模量小于1.3104MPa的软砂岩储层，应该选用粒径大于0.9mm以上的支撑剂，并用多层排列的方式减缓支撑剂的嵌入；如果岩石岩石模量大于2.8104MPa的硬砂岩，应选用的人造陶粒，以多层

47、铺置防止支撑剂的嵌入。,3、压裂施工参数优化设计,109,储层有效渗透率 储层渗透率越高，应选用能产生高导流能力的陶粒支撑剂，并通过高砂比压裂工艺或者端部脱砂压裂工艺来实现；压裂液的携砂能力 压裂液的携砂能力强，则尽可能选择高密度、大粒径陶粒施工；否则照相反的处理；压裂设备的泵注能力 压裂设备在高泵压下（大于60MPa）如能提高设计的排量需求，仍应该选用高密度、大粒径的陶粒；经济上的考虑 支撑剂作为压裂材料在经济评价时作为一项支出，应针对储集层条件对选用支撑剂进入投入/产出分析。,4)压裂支撑剂优选,3、压裂施工参数优化设计,110,5）确定压裂施工的泵注参数,3、压裂施工参数优化设计,为了确

48、定最优泵注参数，首先需要确定施工过程中的最高井口泵压值。地质条件限制：前者是指由井口泵压产生的井底压力应低于储集层的临界压力，以免缝高失控；工程条件限制：指井口泵压不能大于井下管柱、井下工具、井口装置和压裂设备的极限。由于泵压与泵注排量和压裂液粘度成正比，因此，调节这两个可控参数，即可使井口泵压满足井的地质和工程条件要求来获得最大施工效率。,111,（1）操作上的限制：压裂井段的长度或预计的裂缝高度；施工管柱（油套管）的钢级、壁厚、尺寸、抗内压与抗外挤强度；射孔孔径与孔数；井口装置与井下工具的压力极限；设备功率与压力极限。优化的施工参数即是在上述限制条件下使它们达到某一平衡。,5）确定压裂施工

49、的泵注参数,3、压裂施工参数优化设计,112,（2）泵注参数设计计算：井底压力可写成 PKN裂缝扩展模型，压裂压力随时间或缝长而增大，牛顿型的裂缝净压力由下式给出 上式中，泵注排量与压裂液粘度是两个可控参数。改变这两个参数就可以控制裂缝的净压力pN，进而控制井底压力和泵压。,5）确定压裂施工的泵注参数,3、压裂施工参数优化设计,113,最佳泵注参数组合有4种选择：（1)小排量与低粘度的组合：将产生最低的压裂效果，一般不予考虑；（2）大排量与高粘度的组合：如果压裂规模较小，且不涉及到承压界限，这一组合可以得到较高的施工效率；（3）小排量与高粘度的组合：在压裂规模较大时它能够获得较高的施工效率；（

50、4）大排量与低粘度的组合：这是一组最佳匹配，适用于各种压裂规模的施工，并可获得最大的压裂效果。,5）确定压裂施工的泵注参数,3、压裂施工参数优化设计,114,（1)根据地应力剖面建立裂缝高度与地层临界压力之间的关系，避免逢高失控；（2）根据压裂设备、井口与井下管柱的压力极限、泵注方式、压裂液的剪切降解与泵注的沿程摩阻，确定最大泵注排量与最高井口泵压的关系；（3）确定泵注排量与压裂液粘度之间的关系，满足裂缝扩展的净压力；（4）反复计算上述过程，在泵压-排量-粘度之间达到一最佳平衡。这组参数组合可使施工泵压与排量在极限（约束）条件下获得最大施工效率，并能有效遏制住裂缝高度失控。,5）确定压裂施工的