水力压裂设计的原则与内容

一. 水力压裂造缝及增产机理
裂缝方向总是垂直于最小主应力
A 当 z 最小时，形成水平裂缝；
B 当 z
x y ，形成垂直裂缝，裂缝面垂直于 y 方向；
C 当z
y x ，形成垂直裂缝，裂缝面垂直于 x 方向；
A
B
C
一. 水力压裂造缝及增产机理
理想形态水平裂缝示意图
低分子压裂液（可重复使用）
含砂液流变性
缔合压裂液
压裂液伤害机理
VDA（清洁自转向酸）
应力敏感性
改变相渗特性的压裂液
超低密度支撑剂
清洁泡沫压裂液
绪 论
（一）国外水力压裂技术现状（总体：成熟、系统配套）
三、现场应用研究
目前的领先技术
裂缝诊断
开发压裂技术
支撑剂回流控制技术
加砂量较小，主要是解除近井地带污染。
第二代压裂(1970’-1980’)：中型压裂（Medium Fracturing）
加砂量增加，压裂规模增大，提高低渗透油层导流能力。
第三代压裂(1980’-1990’)：端部脱砂压裂（Tip Screen Out-TSO）
应用到中、高渗储层，主要是大幅度提高储层导流能力。
嵌
试
验
二. 水力压裂入井材料
2.1 压裂液
1、压裂液(Fracturing Fluid)的定义
——是压裂施工的工作液，其主要功能是传递能量，使油层张开裂缝，并
沿裂缝输送支撑剂，从而在油层中条形成一高导流能力通道，以利油、气
由地层远处流向井底，达到增产目的。
2、压裂液的功能
（1）前置液(Pad Fluid)：造缝、降温
（3）复杂岩性储层改造技术；

地层应力关系

第一节 造缝机理
原始地层应力：垂向应力σz、最大水平主应力σx (σhmax )
最小水平主应力σy (σhmin )

原始地层应力经过简单计算便可得到，作为其它应力计 算的基础数据 钻井后柱坐标下各应力与原始地层主应力的关系原始地

柱坐标:垂向 径向、切向
v f (r , , x , y , z ) 层应力 r g (r , , x , y , z ) h( r , , x , y , z )
压裂过程中井壁应力
A 井眼内压Pi引起的切向应力
第一节 造缝机理
Pr Pi r r P r Pr 1 2 2 r r r re r
2 r e 2 e 2 i w 2 w

2 2 e w 2 w

当re=∞、Pr=0及r=rw时，井眼内压引起的 井壁上的周向应力为：
原始地层主应力计算
1 垂向主应力σz
垂向应力由上覆岩层重力引起 随深度和岩石密度发生变化

第一节 造缝机理
密度测井资料
A. 密度取平均值或常数 B. 密度为深度(z)的函数 C. 密度分段取平均值
Z S gH Z S ( z ) gdz
0 H
有效垂向主应力

Z ri gH i
垂直裂缝 形成条件
3 y x th Pwf Pr 1 2 2 1

二、垂直裂缝形成条件
被压
第一节 造缝机理
P
施加P， 压力减小
P继续增加，拉力突破抗张强 度后，破裂
P增加，压力继续减小
P继续增加，由受压变为受拉

（2）破裂压力计算方法
裂缝方位： 水力裂缝总是沿着垂直于最小主应力方向延伸。 （1）σz=min(σx ,σy ,σz) 水平缝 垂直缝
（2）σx(σy)=min(σx ,σy ,σz) 方向：取决于最小主应力方向
4.破裂压力梯度
破裂压力梯度用下式表示：

地层破裂压力 油层中部深度
浅层：水平缝
2）粒径及其分布 3）支撑剂类型与铺砂浓度 4）其它因素 如支撑剂的质量、密度以及颗粒园球度等
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第四节
压裂设计的任务：
压裂设计
优选出经济可行的增产方案
压裂设计的原则：
最大限度发挥油层潜能和裂缝的作用 使压裂后油气井和注入井达到最佳状态
压裂井的有效期和稳产期长
压裂设计的方法：
根据油层特性和设备能力，以获取最大产量或经济效 益为目标，在优选裂缝几何参数基础上，设计合适的加砂 方案。
FRCD＝Wf˙Kf＝（KW）f
裂缝参数：Lf，FRCD，是最关键的因素； 最大缝宽： Wmax， Wf
4 Wmax
动态缝宽：施工过程中的裂缝宽度；～10mm 支撑缝宽：裂缝闭合后的宽度 W支；3～5mm。
一、支撑剂的要求 1.粒径均匀；
2.强度大，破碎率小； 3.圆度和球度高；
4.密度小； 5.杂质少。
(2)受地层流体压缩性控制CⅡ ：
当压裂液粘度接近油藏流体粘度时，控制压 裂液滤失的是储层岩石和流体的压缩性，这是因 为储层岩石和流体受到压缩，让出一部分空间压 裂液才得以滤失进去。
C
kCf 4.3 10 P r
3
1/ 2
s 式中： μr－地层流体粘度，mPa· ；
1 C

地层三维应力问题转化为二维方法处理
(2) 当 r ，a 时 x， y
r (时1 ，)(周m3i当n向) 随应r2着，力，0ax,1迅80。的2速3x增降y说y加低2y，。Hx H
明 圆max孔 壁 上90各,270。点 的3 周x y
说向明应最力小相周等向，应且力与发值生在
无限大平板中钻一圆孔的应力分布
圆孔周向应力（弹性力学）：
无方关向。上，而最大周向应 力却y 在 的方向上。
x
y
2
1
a2 r2
x
y
2
1
3a4 r4
cos2
x
11
一、油井应力状况
2.井眼内压所引起的井壁应力
压裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内压力很快升 高。井筒内压必然导致井壁上产生周向应力。根据弹性力学中 的拉梅公式(拉应力取负号)：
6
第一节 造缝机理
造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层的地应 力及其分布、岩石的力学性质、压裂液的渗滤性质及注入方式 有密切关系。
破裂压力 延伸压力
地层压力
压裂过程井底压力变化曲线
a—致密岩石 b—微缝高渗岩石
7
一、油井应力状况
(一)地应力
垂向应力：上覆层的岩石重量。
H
Z 0 S gdz
Pi
Ps
1 2 1
1 Cr
Cb
4.井壁上的最小总周向应力
在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力应为地应力、 井筒内压及液体渗滤所引起的周向应力之和：
3 y x
Pi
Pi
Ps
1 2 1
13
二、造缝条件
（一）形成垂直裂缝的条件
当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的水平方向的抗 拉强度时，岩石将在垂直于水平应力的方向上产生脆性破裂， 即在与周向应力相垂直的方向上产生垂直裂缝。造缝条件为：

当破裂时,Pi=PF
P F3yxthP s
<2> 形成水平缝
岩石破坏条件
tv
最大有效周向应力大于垂直方向抗拉强度
有液体渗滤
zz(Pi Ps)11 2
有效总垂向应力为：
z z－Pi
z
Pi
( Pi
Ps
)
1 2 1
z
(Pi
Ps
)
1 2 1
tv
当破裂时,Pi=PF
PF
z 1
tv 1 2
Ps
1
应变
压力 行为
PKN模型与GDK模型特征比较
PKN模型
GDK模型
垂直剖面为椭园形
垂直剖面为矩形
水平剖面为(2n+2)次抛物线形
水平剖面为椭园形
裂缝长而窄
裂缝短而宽
平面应变发生于垂直剖面，层间无滑动 平面应变主要发生于水平剖面，层间有滑动
裂缝张开在垂直剖面求解
裂缝张开在水平剖面求解
井底压力随时间增加而升高，随缝长增加 井底压力随施工时间逐渐降低，随缝长增加而
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
逆断层
<3> 热应力
✓原因：地层温度变化引起的内应力增量. ✓计算方法

据处理
当P试验P真实时
2 压裂液粘度影响的滤失系数Cv
假设 压裂液为牛顿型液体且作线性层流流动； 压裂液呈活塞式侵入，即侵入段地层流体被顶替； 压裂液和地层岩石均不可压缩； 压差ΔＰv为常数。
理论基础：达西定律计算实际滤失速度
最终得到:
m2
MPa
mPa.S
3 地层流体压缩性影响的滤失系数Cc
本构方程
宾汉型液体
在一定的剪切应力作用下才能流动，最后接近牛顿液体，剪切应力与剪切速率成线性关系。
本构方程
典型压裂液:泡沫压裂液
粘弹性液体
流体特征： 当除掉剪切力时，这种流体会恢复或部分恢复原来受到剪切作用期间所具有的形变。这种具有部分弹性恢复效应，也具有非牛顿性和与时间有关的全部粘性性质的流体称为粘弹性流体。 目前使用的水基冻胶压裂液大部分都表现出具有部分或全部粘弹特征。
类型：水外相型 油外相型
特点:破乳快、污染小； 热稳定性差、成本高
4 泡沫压裂液
组成：液相 + 气相 + 添加剂泡沫液 液相: 稠化水、盐水、水冻胶、原油 或成品油、酸液 气相： 氮气、二氧化碳、空气、天然气等
适用范围 K<1mD， 粘土含量高的砂岩气藏 低压、低渗浅油气层压裂
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
（2）实验室分析 —滞弹性应变恢复 （ASR） —微差应变分析 （DSCA）
（3） 有限元计算
第二节 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
2 油基压裂液
适应性: 水敏性地层、有些气层 发展: 矿场原油 稠化油 冻胶油 基液: 原油、汽油、柴油、煤油、凝析油 稠化剂: 脂肪酸皂(脂肪酸铝皂、磷酸脂铝盐等) 特点: 污染小、遇地层水自动破乳； 易燃、成本高、热稳定性较差。

(2) 油基压裂液
a.矿场原油或炼厂粘性成品油
b.稠化油 ，稠化油 =油（原油、汽 油、柴油、煤油、凝析油 ）+稠 化剂（脂肪酸铝皂、磷酸酯铝盐 ）
(3) 多相压裂液
1）泡沫压裂液
外相： 水、水基溶胶或水基冻胶 内相：气体 优点：对地层伤害小、携砂能力和造缝能力强、易于 反排、摩阻低等特点。 缺点：所需注入压力高。
对称的两条缝的原因。实际上多数情况是不对称的。
(2) 形成水平裂缝
条件：当注入压力达到或超过井壁附近地层的最小 垂向应力及岩石的垂向抗张强度时，在垂直于垂向应 力的方向上产生水平裂缝，其条件为：
ze T
Z z ( piwf
v
1 2 p p ) 1
1）存在滤失时：
增产原理：油气向井的径向流 从裂缝
裂缝
井底
由径向流变为两个单相流，节约了能耗。
作用 连通地层深处
解除近井地带污染
一、
在压裂中，了解裂缝的形成条件，裂缝形态及 方向对有效地发挥压裂在增产，增注中的作用是极 为重要的。但由于地下条件的复杂性，虽然进行了 大量的研究，但仍未得到较好的解决。
地层中造缝的影响因素 井底附近的地应力及其分布
K p
a
a
KCl p p ( ) a K a Cl
1 2
C2 则v t
(3) 具有造壁性压裂液的滤失系数C3 有的压裂液具有很好的造壁性，其中添加有防 滤失剂(硅粉或沥青粉等)，能在壁面上形成滤饼， 有效地降低滤失速度，其滤失系数由实验方法确 定。 (4)综合滤失系数 C
2）携砂液：作用是将支撑剂带入裂缝中并将砂子放 到预定位置上去。在压裂液的总量中，这部分占的比重 较大。有造缝及冷却地层的作用。 3 ）顶替液：作用是打完携砂液后，用于将井筒中全 部携砂液替入裂缝中。中间顶替液用来将携砂液送到预 定位置，并有预防砂卡的作用。

σ 此时有： 代入（ 并换为有效应力( 此时有： θ = -σth，代入（5—8）式，并换为有效应力 ）
σ x = σ x − ps,
σ y = σ y − ps ,σ θ = σ θ − pi ) , 则可得到垂直裂缝时的破裂压力，当产生 则可得到垂直裂缝时的破裂压力，
垂直裂缝时，井筒内注入流体的压力Pi即为地层的破裂压力Pf，所以形 垂直裂缝时，井筒内注入流体的压力 即为地层的破裂压力 成垂直裂缝的条件： 成垂直裂缝的条件：
σH ——最大水平主应力，Pa； ——最大水平主应力 Pa； 最大水平主应力，
ξ1，ξ2——水平应力构造系数，可由室内测试试验结果推算，无 ——水平应力构造系数 可由室内测试试验结果推算， 水平应力构造系数，
式中 因次； 因次；
ν
α
E
——泊松比，无因次； ——泊松比，无因次； 泊松比 ——岩石弹性模量 Pa； 岩石弹性模量， ——岩石弹性模量，Pa； ——毕奥特(Biot)常数 无因次。 毕奥特(Biot)常数， ——毕奥特(Biot)常数，无因次。
构造对应力的影响 a—逆断层区域 H=3σz 逆断层区域σ 逆断层区域 b—正断层区域 z=3σH 正断层区域σ 正断层区域
人工裂缝方向示意图
（三）井壁上的应力
1．井筒对地应力及其分布的影响 ．
钻井后， 钻井后，井壁及其周围地 应力分布受到井筒的影响， 应力分布受到井筒的影响， 很复杂。简化起见， 很复杂。简化起见，将地 层中三维应力用二维方法 来处理。 来处理。用无限大平板中 钻有一个圆孔的受力情况 来分析。如图5—2所示。 所示。 来分析。如图 所示 在无限大平板上钻了圆孔 之后， 之后，使板内原来平衡的 应力重新分布， 应力重新分布，造成圆孔 附近的应力集中。 附近的应力集中。

σ H min =
Cr α = 1− Cb
基质岩石骨架压缩系数； Cr－基质岩石骨架压缩系数；
Cb－岩石体积压缩系数； 岩石体积压缩系数；
ξ－水平应力构造系数，由实验测定。 水平应力构造系数，由实验测定。
(二)井壁上的应力 1.井筒对地应力及其分布的影响 1.井筒对地应力及其分布的影响
圆孔周向应力： 圆孔周向应力：
爆炸压裂技术特点 爆炸压裂技术特点 爆炸造成的压缩应力波 使井周岩石发生塑性变形 爆炸造成的 压缩应力波使井周岩石发生塑性变形 ， 压缩应力波 使井周岩石发生塑性变形， 形成的残余应力场使得爆炸初期形成的大量裂缝重 形成的残余应力场使得爆炸初期形成的大量裂缝 重 新闭合，或被爆炸残余物堵塞。 新闭合，或被爆炸残余物堵塞。 井内爆炸易损坏井筒； 井内爆炸易损坏井筒； 损坏井筒 所用硝化甘油类药剂过于敏感是爆炸压裂失败的原因 所用硝化甘油类药剂过于敏感是爆炸压裂失败的原因 硝化甘油类 之一。 之一。
水力压裂特点 技术成熟度高，是低渗透油气藏开发的主要技术。 技术成熟度高，是低渗透油气藏开发的主要技术。 形成单一裂缝，裂缝方向受地应力控制。 形成单一裂缝，裂缝方向受地应力控制。对特低渗 油藏，远离裂缝处的油气难以流向裂缝。 油藏，远离裂缝处的油气难以流向裂缝。 技术还在不断完善，以适应油气田开发的需要， 技术还在不断完善，以适应油气田开发的需要，如超 深井压裂、重复压裂以及与其他技术的组合应用。 深井压裂、重复压裂以及与其他技术的组合应用。
爆炸压裂
用炸药，它的增压速度极快(微秒级)，气体生成量 炸药，它的增压速度极快(微秒级) 较少，地层裂隙来不及扩张和延伸， 较少，地层裂隙来不及扩张和延伸，大部分能量消耗在 井壁岩石的破碎上，产生无数细小裂缝， 井壁岩石的破碎上，产生无数细小裂缝，井眼内残留的 应力场具有压实效应，可能完全闭塞所产生的裂缝。 应力场具有压实效应，可能完全闭塞所产生的裂缝。 炸药在井筒内的爆轰和爆燃使井筒附近产生多条裂缝。 炸药在井筒内的爆轰和爆燃使井筒附近产生多条裂缝。 爆轰 使井筒附近产生多条裂缝 常用炸药有黑索金、奥克托金等。 常用炸药有黑索金、奥克托金等。