2.水力压裂压裂裂缝的开启和形成过程模拟

水力压裂什么是水力压裂？水力压裂（Hydraulic Fracturing，简称水压）是一种在地下岩石层中注入高压水和添加剂以制造裂缝的技术。

它被广泛用于油田和天然气开采中，旨在增加地下储层的渗透率和产量。

水力压裂是目前广泛使用的一种增产方法，可应用于各种类型的地质结构和岩石组合。

水力压裂的原理和过程压裂液的组成水力压裂过程中使用的压裂液是由水、砂和添加剂组成的混合物。

水的主要作用是传递压力，并在裂缝形成后将砂颗粒带入其中以保持裂缝的开放性。

砂颗粒的大小和形状可以根据具体的地质条件进行调整。

添加剂通常包括粘度剂、消泡剂、防菌剂和界面活性剂等，用于改善压裂效果以及保护设备。

压裂过程水力压裂通常是在千米以下的深井中进行的。

整个过程分为多个步骤：1.预处理：地下岩石的特性和地质结构分析后，会进行预处理来确定最佳注水点和压裂压力。

这一步骤通常包括孔隙度测量、浸泡实验和岩心分析等。

2.井筒注水：在进行水力压裂前，需要先在井筒中注入压裂液。

压裂液通过井筒进入地下岩石层，加压注入。

3.裂缝扩张：高压的压裂液在地下岩石层中流动，对岩石施加巨大的压力。

这个过程会导致岩石层裂缝扩张，增加油气的渗透区域。

4.砂颗粒进入：压裂液中的砂颗粒会随着液体一起进入岩石裂缝中。

这些砂颗粒的作用是防止裂缝在裂缝压力释放后重新闭合。

5.压力释放：压力释放后，压裂液从井筒中排出，油气开始从裂缝中渗出到井筒中。

水力压裂的优势和挑战优势1.提高产量：水力压裂可以显著增加地下储层的渗透率，从而提高油田和天然气田的产量。

2.提高可采储量：通过裂缝扩张和增加储层渗透性，水压可以开发以前无法利用的油气资源。

3.可针对不同地质条件：水力压裂可以适应不同类型的地质结构和岩石组合，具有一定的灵活性。

挑战1.环境影响：水力压裂过程中使用的大量水和化学添加剂可能对地下水资源和环境造成污染。

2.地震风险：水力压裂过程中产生的岩石应力释放可能导致地震活动，尤其是在地下注水压力较大的地区。

水力压裂裂缝启裂扩展数值模拟何泽轩【摘要】水力压裂过程中对裂缝的启裂和扩展的研究有重大的理论意义.本论文利用Franc2D/L软件,它一方面克服了其他有限元软件需要不断手动划分网格的缺点,另一方面也保证了裂缝尖端参数的精度.本文所要做的第一步是要建立模型,再对水力压裂过程中,裂缝的启裂和扩展进行数值模拟.通过数值模拟,得到了压裂过程中人工裂缝周围地应力的分布,为更好地进行体积压裂裂缝受力分析奠定了基础.【期刊名称】《石油化工应用》【年(卷),期】2017(036)008【总页数】4页(P58-61)【关键词】水力压裂;数值模拟;Franc2D/L;裂缝启裂扩展【作者】何泽轩【作者单位】西安石油大学,陕西西安 710065【正文语种】中文【中图分类】TE357.14在全球油气勘探程度持续增长的条件下，传统常规石油天然气被发现的数量在减少，而且规模同样亦在缩减[1]。

依据我国的资源开采现状，对石油天然气的常规勘探基本上已经趋于稳定，若想要增大开采量，还是有些难度的，除此之外，我国非常规的汽油资源还是挺丰富的，但是还有待于大规模开发[2]。

参考以往的研究成果，纵观国内外，水力压裂对非常规油气田的开发明显是一个非常有效的手段[3，4]。

因此针对非常规储层水力压裂后裂缝的启裂情况、裂缝的形成和裂缝进一步扩展方面进行数值模拟研究，了解在压裂前后裂缝周围的应力状况，以便对水力压裂裂缝的整个形成过程有一个更好的理解。

将地层看成无限大，各项均质的理想线弹性岩体，在建立模型时，作出以下几个假设：（1）水力裂缝在地层中的延伸情况可以归结为平面应变问题；（2）根据地层中的地应力状态，可以忽略垂向应力的作用；（3）忽略井筒造成周围附近的地应力场变化，以及压裂液在地层中的渗透和滤失作用造成的压力损失。

通过以上的假设条件，本文建立二维平面模型，模型大小设置为200 m×200 m，最小水平主应力（Ph）方向为坐标轴中的x方向，最大水平主应力（PH）方向为坐标轴中的y方向，通过Franc2D/L自带的CASCA软件建立好有限元模型后，导入Franc2D/L软件。

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第六章水力压裂水力压裂(hydraulic fracturing)是利用地面高压泵组，以超过地层吸液能力的排量将高粘压裂液泵入井内而在井底产生高压，当该压力超过井壁附近地应力并达到岩石抗张强度，使地层产生裂缝。

继续注入压裂液使水力裂缝逐渐延伸；随后注入带有支撑剂的混砂液，使水力裂缝继续延伸并在缝中充填支撑剂。

停泵后，由于支撑剂对裂缝壁面的支撑作用，在地层中形成足够长的、足够宽的填砂裂缝，从而实现油气井增产和注水井增注。

图6-1为水力压裂作业示意图。

水力压裂的增产增注机理主要体现在：(1) 沟通非均质性构造油气储集区，扩大供油面积；(2) 将原来的径向流改变为线性流和拟径向流，从而改善近井地带的油气渗流条件；(3) 解除近井地带污染。

水力压裂主要用于砂岩油气藏，在部分碳酸岩油气藏也得到成功应用。

图6-1 水力压裂作业示意图1—混砂车；2—砂车(罐)；3—液罐（组）；4—压裂泵车(组)；5—井口；6—压裂管柱；7—动态裂缝；8—支撑裂缝；9—压裂液；10—储层本章从水力压裂系统工程角度全面阐述压裂造缝机理、压裂液材料性能与评价方法、裂缝延伸模拟、支撑剂在裂缝中运移分布、水力压裂设计和水力裂缝诊断评估方法，并扼要介绍水力压裂技术新发展。

第一节水力压裂造缝机理水力压裂裂缝的形成和延伸是一力学行为，水力裂缝的形态与方位对于有效发挥压裂对储层的改造作用密切相关，必须掌握水力压裂的裂缝起裂与延伸过程的力学机制。

本节从地应力场分析及获取方法入手介绍水力裂缝的形成机理、造缝条件、裂缝形态与方位、破裂压力预测方法。

图6-2为水力压裂施工泵压变化的典型示意曲线。

F点对应于地层破裂压力（使地层破裂所需要的井底流体压力），E点为瞬时停泵压力（即压裂施工结束或其它时间停泵时的压力），反映裂缝延伸压力（使裂缝延伸所需要的压力），C点对应于闭合压力（即裂缝刚好能够张开或恰好没有闭合时的压力），S点为地层压力。

压裂过程中的泵压是地应力场、压裂液在裂缝中流动摩阻和井筒压力的综合作用结果。

水力压裂模拟实验步骤介绍水力压裂技术是一种通过注入高压液体将裂缝延伸至岩石深处的技术，常用于增强油气井的产能。

水力压裂模拟实验是一种通过实验模拟真实地下岩层环境的方法，来研究水力压裂过程的实验。

实验所需材料和设备•岩心样品•水力压裂装置•液压泵•压力传感器•测压仪•数据记录设备实验步骤1. 预备工作在开始实验前，需要做好一些预备工作： 1. 准备岩心样品：选择适合实验的岩心样品，并进行样品充填和封装。

2. 准备水力压裂装置：将水力压裂装置安装在实验台上，并连接好液压泵、压力传感器和测压仪。

3. 检查设备：检查每个设备的工作状态，确保没有故障或泄漏。

2. 准备实验条件设置合适的实验条件是进行水力压裂模拟实验的关键，包括： 1. 注入液体：选择适当的压裂液体，并根据实验需要调整粘度和浓度。

2. 压裂参数：根据实验需求设定压力、注液速度和注液量等参数。

3. 温度控制：控制实验室环境的温度，以模拟实际地下条件。

3.进行压裂实验以下是水力压裂模拟实验的具体步骤： 1. 安装岩心样品：将岩心样品安装在水力压裂装置中，确保样品处于合适的位置。

2. 注入压裂液体：启动液压泵，将预设压力和流量的压裂液体注入岩心样品中。

同时记录实验开始时的压力和流量数据。

3. 监测压力变化：通过压力传感器实时监测岩心内压力的变化，并记录数据。

4. 观察裂缝生成：观察岩心样品表面的裂缝生成情况，并记录下裂缝长度和宽度等信息。

5. 压裂过程控制：根据实验需求，调整注入压力和流量，以及压裂液体的性质，控制岩石的裂缝延伸情况。

6. 压裂结束：当实验达到预设目标或无法继续压裂时，停止注液并关闭液压泵。

7. 数据分析：将实验中收集到的数据进行整理和分析，包括裂缝延伸长度、压力变化曲线等。

4. 结果分析根据实验数据的分析，可以得出一些结论： 1. 压裂效果评估：根据裂缝延伸情况和岩石的压裂程度，评估水力压裂的效果。

2. 影响因素分析：分析不同压力、流量和液体性质对压裂效果的影响。

水力压裂模拟实验步骤
水力压裂是一种常见的油气开采技术，通过高压水将岩石裂开，使油气能够顺利流出。

为了更好地理解水力压裂的原理和过程，我们可以进行一些模拟实验。

我们需要准备一些实验器材，包括高压水泵、压力计、压力容器、岩石模型等。

将岩石模型放入压力容器中，然后加入一定量的水。

接下来，使用高压水泵将水压力逐渐升高，直到达到一定的压力值。

在这个过程中，我们可以使用压力计来测量水的压力值。

当水的压力达到一定值时，岩石模型就会开始裂开。

这时，我们可以使用显微镜等工具来观察岩石模型的裂纹情况，以及裂纹的形态和分布。

通过这个实验，我们可以更好地理解水力压裂的原理和过程。

水力压裂的关键在于高压水的作用，它能够将岩石裂开，使油气能够顺利流出。

同时，我们也可以通过观察岩石模型的裂纹情况，来了解不同的压力值对岩石的影响，以及如何更好地控制水力压裂的过程。

水力压裂模拟实验是一种非常有用的实验方法，它可以帮助我们更好地理解水力压裂的原理和过程，为油气开采提供更好的技术支持。

水力压裂增加原油产量的机理概述 水力压裂是一项有广泛应用前景的油气井增产措施，水力压裂法是目前开采天然气的主要形式，要求用大量掺入化学物质的水灌入页岩层进行液压碎裂以释放天然气。

这项技术在10年中在美国被大范围推广，但美国人正在担忧这项技术将污染水源,从而威胁当地生态环境和居民身体健康。

并认为这种技术给环境带来了极大的伤害，包括使自来水自燃，引发小幅地震等。

但目前它仍是使用较为广泛的一种增产措施。

水力压裂是利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层产生裂缝。

继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，使井达到增产增注目的工艺措施。

该项技术不仅广泛用于低渗透油气藏，而且在中、高渗油气藏的增产改造中也取得了很好的效果。

水力压裂增产增注的原理主要是降低了井底附近地层中流体的渗流阻力和改变流体的渗流状态，使原来的径向流动改变为油层与裂缝近似性的单向流动和裂缝与井筒间的单向流动，消除了径向节流损失，大大降低了能量消耗，因而油气井产量或注水井注入量就会大幅度提高。

如果水力裂缝能连通油气层深处的产层(如透镜体)和天然裂缝，则增产的效果会更明显。

另外，水力压裂对井底附近受损害的油气层有解除堵塞作用。

一、水力压裂造缝机理（一）应力分析在水力压裂中，了解造缝的形成条件、裂缝的形态(垂直或水平)、方位等，对有效地发挥压裂在增产、增注中的作用都是很重要的。

在区块整体压裂改造和单井压裂设计中，了解裂缝的方位对确定合理的井网方向和裂缝几何参数尤为重要，这是因为有利的裂缝方位和几何参数不仅可以提高开采速度，而且还可以提高最终采收率，相反，则可能会出现生产井过早水窜，降低最终采收率。

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水平主应力。

水力压裂概念与基本过程水力压裂是油气并增产、水井增注的一项重要技术措施。

利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，随即在井底附近造成高压。

此压力超过井壁附近地应力及岩石的抗张强度后，在地层中形成裂缝。

继续将带有支撑剂的压裂液注入缝中，此缝向前延伸，井在缝中填以支撑剂。

这样，停泵后即可在地层中形成足够长度、一定宽度及高度的填砂裂缝。

它具有很高的渗流能力，可大大地改善油气层的渗透性，使油气畅流入并，起到增产、增注的作用。

水力压裂的基本过程如下：(1)选井选层：根据油层特性、油井开采情况选择压裂的井层。

(2)压裂设计：根据油层的基本情况进行压裂参数设计，并结合并和地面设备等情况作出施工设计书。

(3)施工前推备：主要包括油井测试、井场的平整、压裂液的配制、井口设备的更换与安全保护等。

(4)压裂施工：包括将压裂施工设备按设计要求在井场摆放，试压，打前置液、携砂液、顶替液，关井等施工，不同井有不同的设计要求。

(5)返排：返排是压裂的一项重要步骤，其主要目的是减少压裂液对油层的伤害。

水力压裂施工工程项目大，需要投入资金多，应用设备多，其主要设备包括：(1)储罐：用来制备和储存压裂液。

(2)压裂泵车：其作用是将压裂液升压并送人井中(3)混砂车：其作用是将压裂液与支撑剂混合。

(4)运砂车：其作用是将压裂施工所需的支撑剂运到井场。

(5)管汇车：用于压裂作业时多台联机作业车辆之间的高压、低压管线连接，并可吊装运输各种配套的高压、低压管汇及连接管线，车上装有液压吊臂，吊装简单方便。

(6)仪表车(压裂指挥车)：它是压裂机组的指挥中心和数据采集、分析中心，可以同时操纵6—8台压裂车联机作业。

该车数据采集、显示、记录、分析功能齐全，配有工控微机及专业压裂数据采集分析软件，接口与压裂车、混砂车等匹配，操作安全可靠，自动化程度高。

(7)其他车辆：为了防止施工中出现意外，通常需要消防车、救护车；为了保证深井压裂的成功实施而不损坏油井，在采用油管压裂时井下装有封隔器，通常需要水泥车平衡油套环空的压力。