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1、压裂基础培训,刘 进 军,第一节压裂设计参数及裂缝几何形状第二节 压裂工艺,压裂基础培训,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,概 述,最小地应力岩石抗张强度断裂韧性,水力压裂示意图,概 述,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,油气井参数如：井筒套管、井下工具、射孔位置、射孔数、固井质量等。油气层参数如：储层岩石力学性质，如泊松比、杨氏模量、抗压强度；储层地应力的垂向分布及最小水平主应力的方位;遮挡层的岩性、厚度与地应力值等。压裂参数裂缝延伸压力和裂缝闭合压力;压裂液视粘度、流态指数和稠度系数;压裂液初滤失和综合滤失系数;压裂液流经井下管柱与射孔孔眼的摩阻损失等。,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,一、压
2、裂设计参数及裂缝几何形状,(1)岩石的泊松比 当岩石受抗压应力时，在弹性范围内，岩石的侧向应变与轴向应变的比值，称为岩石的泊松比。即,力学参数,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,一般，泊松比是一个0 v0.5的值，大多数情况下约等于o.25(只有在最疏松的岩石中才有可能达到0.5)。,泊松比是确定地层水平主应力值及其垂向分布的重要参数。由于地应力值与地层破裂压力、裂缝延伸压力、裂缝闭合压力以及裂缝高度有关，所以，泊松比在压裂设计中起着重要作用。,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,(2)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(从A至B)。比例常数E
3、称为岩石的弹性模量。即,弹性模量主要影响裂缝的宽度和高度,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,砂岩的静态弹性性质(取自Howard和Fast著，油层 水力压裂，石油工业出版社，1984),结论：弹性模量值越大，泊松比越小，说明储层岩石越致密坚硬，造缝宽度变窄，而施工的净压力将有所提高。,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,力学参数,目前国内外对碳酸岩层压裂尚未有成功典范，准东采油厂先后对火南6、北32、B402等碳酸岩层进行压裂，均造成砂堵，在火南6还在加砂前，采用了段塞加砂技术，两次压裂均造成砂堵，其主要原因是裂缝的宽度W和弹性模量E成反比，而碳酸岩弹性模量是砂岩弹性模量的好几倍，所以造成碳酸岩储层
4、裂缝的宽度非常小，所以加砂必然会造成砂堵。因此碳酸岩储层应进行酸压。,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,杨氏弹性模量与裂缝高度关系曲线,力学参数,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,力学参数,（3）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,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,人工裂缝方位,原理：裂缝面垂直于最小主应力方向,当x Y z 形成水平裂缝；z x Y形成垂直裂缝。,力学参数,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,垂向主应力：作用在岩石单元体上的垂向
5、主应力来自上覆岩层重力。一般，该值可估计为:,力学参数,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,力学参数,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,微型水力压裂压力记录,力学参数,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,(4)地层破裂压力和破裂压力梯度,定义:为使地层产生水力裂缝或张开原有裂缝时的井底流体压力。地层破裂压力与深度的比值称之为破裂压力梯度。,现场施工参数计算,当F 0.0220.025 MPa/m,形成水平裂缝,力学参数,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,力学参数,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,(5)裂缝延伸压力定义:水力裂缝在长、宽、高三个方向扩展所需要的缝内流体压力。一般，它比闭合压力大，且与裂缝大小
6、及压裂施工有关。,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,1、缝高控制，长度延伸。2、垂向增长慢，长度继续延伸，可能预示着注人量等于滤失量。3、反映了缝内发生堵塞，裂缝在长度上已停止延伸，注入的液体只能增加裂缝的宽度，容易脱砂造成砂堵。4、说明裂缝在高度上已失去控制，延伸到非压裂目的层段，或又压开了新的裂缝，或裂缝在延伸过程中遇到了规模较大的天然微裂隙体系。,力学参数,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,(6)裂缝闭合压力1)开始张开一条已存在的裂缝所必须的流体压力;2)使裂缝恰好保持不致于闭合所需要的流体压力。,作用：裂缝闭合压力是选择支撑剂类型、粒径、铺置浓度和确定导流能力的主要依据。,力学参数,一、
7、压裂设计参数及裂缝几何形状,作用在支撑剂上的力,以0.450.90mm的兰州砂进行的长期（支撑剂至少承压30d为一检验周期或至120d）导流能力试验结果说明：1）支撑剂产生的导流能力是支撑剂承压时间的函数，且呈双对数的直线关系下降；2）承压后的第1d与短期试验比较导流能力递减最快，可达20左右，第7和第15d各再有快速递减拐点，至承压30d导流能力已递到62；3）此后递减急于平缓；,力学参数,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,力学参数,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,储层岩石弹性模量、闭合压力和储层有效渗透率这些反映储层特征的参数是优选支撑剂的地质依据。1）储层岩石弹性模量如大于28000MPa
8、，裂中支撑剂以破碎为主。反之则为嵌入；2）由于我国石英砂的使用上限仅为20MPa。当储层埋藏埋深且闭合压力大时，显然应以陶粒支撑剂予以替代。,力学参数,一、压裂设计参数及裂缝几何形状,力学参数,二、压裂工艺,高砂比技术二次加砂技术线性加砂技术端部脱砂技术,高导流能力的短而宽裂缝,压裂优化设计,压裂施工工艺,变组份施工工艺快速排液工艺,达到保护油层的目的,压裂工艺技术,多层压裂技术转向压裂技术控高压裂技术控水压裂技术,实现封堵出水层,达到有针对性压裂,高含水井,二、压裂工艺,1、二次加砂压裂技术,二次加砂压裂是在压裂中利用多段塞、中途停泵等措施，分二次或者二次以上的加砂程序，提高单井加砂量，可大
9、幅度提高缝内铺砂浓度和裂缝导流能力。与常规压裂相比，二次加砂压裂具有以下优点：1、对于距离注水前缘较近的储层压裂，在有效控制裂缝长度的条件下，可大幅度提高缝内铺砂浓度和裂缝导流能力。2、对于薄层和隔层较差的层压裂，可在有效控制裂缝高度增长的前提下，提高有效铺砂浓度，提高施工成功率和延长了有效期。3、对于合层压裂，特别对于层间地应力有一定差异的油水井合层压裂时，利用二次加砂压裂技术，可使每个小层均得到有效改造，改善小层流动条件,克服一次加砂压裂小层改造不均的问题。4、二次加砂避免了一次加砂中过高追求高砂比而带来的施工危险。,二、压裂工艺,二次加砂施工,二、压裂工艺,在水力压裂的过程中有意识地使支
10、撑剂在裂缝的端部脱砂，形成砂堵，阻止裂缝进一步向前延伸。继续注入高浓度的砂浆后使裂缝内的净压力增加，迫使裂缝膨胀变宽，裂缝内填砂浓度变大，从而造出一条具有较宽和较高导流能力的裂缝。端部脱砂压裂成功的关键是裂缝的周边脱砂，裂缝的前端及上下边的任何部分不脱砂都不能完全达到预期的目的。,2、端部脱砂技术,二、压裂工艺,二、压裂工艺,台28井裂缝形态剖面,二、压裂工艺,二、压裂工艺,二、压裂工艺,通常压裂采用的是梯型加砂技术，砂比均匀递增，砂比呈台阶式逐步提高，这种加砂技术优点是裂缝延伸状况容易判断，施工平稳，但加砂速度慢，铺砂浓度较低，不能实现高导流能力宽短裂缝要求。线性加砂工艺技术是指加砂过程中，
11、提高了加砂速度，砂比呈斜线上升，使支撑剖面更趋合理。,3、线性加砂工艺技术,二、压裂工艺,二、压裂工艺,这种加砂技术优点是：1、压裂缝填充更多的支撑剂，能够实现高导流能力宽短裂缝要求；2、支撑剂压碎率小，对由细粒造成导流能力下降的抵抗力强，裂缝初期及稳态导流能力更高；3、可形成桥塞而抑制裂缝向上、向下延伸，达到控制缝高的目；加砂技术难点是：1、由于低渗特征、井斜及射孔孔眼与裂缝方位不一致，近井裂缝可能发生弯曲，增加摩阻，易造成早期砂堵，施工风险大。设计时应采用低砂比段塞技术，以消除近井裂缝弯曲摩阻。2、要满足高砂比能进入地层，必须提高施工排量或提高压裂液粘度造宽缝，由于砂比提升速度快，施工压力
12、变化快，裂缝延伸状况判断难度大，易发生砂堵,施工难度大。3、压裂液携砂性能应满足高砂比施工要求，提高压裂液粘度，可能造成压后快速破胶困难。,3、线性加砂工艺技术,二、压裂工艺,现场应用,二、压裂工艺,4、分层压裂工艺技术,油田开发进入中后期以后，层间矛盾加剧，水窜严重，有针对性的分层压裂技术是挖潜的重要手段。,二、压裂工艺,A、树脂防砂机理,覆膜砂是在筛选好的石英砂表面，涂敷一层能够耐高温的树脂粘合剂，制成常温下呈分散粒状的树脂覆膜砂，施工时在泵入石英砂后期将树脂覆膜砂尾追泵入油层，在油层温度和压力下，树脂粘合剂交联固化，在井底附近形成一个渗透率较好且具有一定强度的挡砂屏障以达到防止地层出砂的
13、目的。,5、压裂防砂技术,二、压裂工艺,树脂砂提高导流能力的机理主要体现在两方面：1、树脂砂外层的树脂薄膜可以防止破碎砂粒的运动。2、树脂砂达到一定温度后，将会胶结，使裂缝内的支撑,剂固结，这样可以进一步防止碎屑运移。,压前图片,压后图片,二、压裂工艺,不同温度下树脂砂固结情况(实验介质：水),二、压裂工艺,B、石英砂、树脂砂组合室内研究,树脂砂占的比例越大，导流能力相对要大，而且下降的速度要慢，表明要获得较高的导流能力，可以在经济范围内适当增加树脂砂的比例。,二、压裂工艺,石英砂尾随树脂砂导流能力评价结果,石英砂尾随树脂砂组合，不能用在较大的闭合压力下，在40MPa闭合压力下，应该使用石英砂
14、尾随树脂砂组合（80：20%）组合，这样可以获得较为理想的导流能力。,二、压裂工艺,5、压裂防砂技术,二、压裂工艺,6、转 向 压 裂技术,二、压裂工艺,1.1、转向压裂的技术原理,暂堵剂为粘弹性的固体小颗粒，遵循流体向阻力最小方向流动的原则，转向剂颗粒进入原有裂缝或高渗透层连通的井筒的炮眼，部分进入地层中的裂缝端部或高渗透层，在炮眼处和高渗透带产生滤饼桥堵，使后续工作液不能向裂缝和高渗透带进入，造成地层水平诱变应力的变化，当原来的最小主应力有由于诱变应力的变化而变得比原来的最大主应力还大时，在一定的水平两向应力差条件下，就会产生二次破裂进而改变裂缝起裂方位以产生新缝。,二、压裂工艺,1.2、
15、转向压裂的分类,层内转向,层间转向,二、压裂工艺,1.3、转向压裂的造新缝条件,当xmin+x诱导ymax+y诱导，可以形成新裂缝,二、压裂工艺,裂缝方向不能改向，裂缝沿原裂缝方向延伸，说明转向重复压裂所产生诱导应力对总水平应力影响较小。转向裂缝不回到原方向，说明转向重复压裂所产生诱导应力对总水平应力影响很大，新裂缝到150m后才能回到原裂缝方向。,二、压裂工艺,裂缝改向，但很快回到原来方向，说明转向重复压裂所产生诱导应力对总水平应力在井口有一定影响，在椭圆型压降区内由于孔隙压力下降较少，所以总水平应力较初期变化不大。转向裂缝与原裂缝距离较大，说明转向重复压裂所产生诱导应力对总水平应力影响较大
16、，新裂缝到30m后才能回到原裂缝方向。,二、压裂工艺,1.4、转向压裂产生新缝模拟实验,2号、3号岩样最大水平应力与最小水平应力分别相差3.25 Mpa和6.55 Mpa,重复压裂后压开仍为老缝,第二次的破裂压力较第一次低。,二、压裂工艺,对4、5、6、号岩样进行了重复压裂。从实验数据中可以看出4号、5号、6号岩样最大水平应力与最小水平应力分别相差0Mpa、3.25 Mpa和6.55 Mpa,重复压裂后压开仍为老缝,只是第二次的破裂压力较第一次高,二、压裂工艺,当最小水平总应力大于最大水平总应力6.7Mpa可产生新缝。,二、压裂工艺,1.5、现场产生新缝判断准则,火烧山H3层诱导应力大于5Mp
17、a可产生新缝。,二、压裂工艺,经验公式:式中：Q转向剂用量，kg;n封堵炮眼个数;K每孔用量系数，0.5kg/孔;R附加量，kg;为油层跨度的十分之一。,2.1.暂堵剂合理的设计用量,二、压裂工艺,准东油田暂堵剂合理设计用量表,二、压裂工艺,层间转向：诱导应力较小，但套压压差大 裂缝监测显示裂缝转向不明显 说明层与层之间构造应力相差不大，造成转向不明显,现场应用,H1285,二、压裂工艺,二、压裂工艺,H1285压裂裂缝方向监测图,第一条裂缝形态,第二条裂缝形态,现场应用,二、压裂工艺,老缝：诱导应力和套压压差较小 说明压开的裂缝 延原有裂缝延伸，没有发生转向,现场应用,B1052,二、压裂工
18、艺,层内转向：诱导应力和套压压差较大 说明裂缝在层内发生了明显转向。,现场应用,B1032,二、压裂工艺,B1032压裂裂缝方向监测图,第一条裂缝形态,第二条裂缝形态,现场应用,二、压裂工艺,转向压裂效果,现场应用,二、压裂工艺,均一配方的弊病1、由于温度场变化，使前置液维持粘度困难而携砂液破胶降粘困难；2、由于裂缝内聚合物高度浓缩，使常规破胶剂浓度远不能满足破胶要求；3、由于前置液滤失大于携砂液，使降滤失剂在前置液中用量不足而在携砂液中用量过多；4、由于前置液和携砂液剪切过程明显不同，均一配方无法实现有区别的评价条件和技术指标；5、以前置液代替整个压裂液配方进行筛选评价，既造成聚合物超量使用又增加储层伤害；6、如遇施工终止，造成多余液体的浪费。,2、变组分压裂施工技术,
