水力压裂力学-1讲解
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水力压裂设计PPT课件
H
Khristianovich、
Geertsma、Deklerk
L(t)
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。
清孔液、前垫液、预前置液）
对压裂液的性能要求
(1) 与地层岩石和地下流体的配伍性； (2) 有效地悬浮和输送支撑剂到裂缝深部； (3) 滤失少 ； (4) 低摩阻 ； (5) 低残渣、易返排 ； (6) 热稳定性和抗剪切稳定性 。
压裂液对储层的伤害
✓压裂液在地层中滞留产生液堵 ✓地层粘土矿物水化膨胀和分散运移产生
浮 力阻 颗粒 力 重力
概念
— 自由沉降 — 干扰沉降
受力分析
— 固体颗粒的重力 — 流体对固体颗粒的浮力 — 颗粒的运动阻力
浮 力阻 颗粒 力 重力
重力 浮力 阻力
Fg
6
d
3 P
P
g
Fb
6
d
3 P
f
g
Fd
CD
1 2
f
U
2 P
A
CD
8
f
d
P2U
2 P
F=Fg-Fb 当F＝Fd时
UP
[ 4d p (P f 3CD f
— 颗粒的表面是粗糙的； — 颗粒的形状是不对称的 不规则颗粒的沉降速度小于球形颗粒的沉降速度
支撑剂在幂律液体中的沉降
用视粘度a代替
a KD n1
UP
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2 P
(
P
Khristianovich、
Geertsma、Deklerk
L(t)
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。
清孔液、前垫液、预前置液）
对压裂液的性能要求
(1) 与地层岩石和地下流体的配伍性； (2) 有效地悬浮和输送支撑剂到裂缝深部； (3) 滤失少 ； (4) 低摩阻 ； (5) 低残渣、易返排 ； (6) 热稳定性和抗剪切稳定性 。
压裂液对储层的伤害
✓压裂液在地层中滞留产生液堵 ✓地层粘土矿物水化膨胀和分散运移产生
浮 力阻 颗粒 力 重力
概念
— 自由沉降 — 干扰沉降
受力分析
— 固体颗粒的重力 — 流体对固体颗粒的浮力 — 颗粒的运动阻力
浮 力阻 颗粒 力 重力
重力 浮力 阻力
Fg
6
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3 P
P
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f
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1 2
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8
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2 P
F=Fg-Fb 当F＝Fd时
UP
[ 4d p (P f 3CD f
— 颗粒的表面是粗糙的； — 颗粒的形状是不对称的 不规则颗粒的沉降速度小于球形颗粒的沉降速度
支撑剂在幂律液体中的沉降
用视粘度a代替
a KD n1
UP
d
2 P
(
P
第五章水力压裂技术
第五章水力压裂技术§ 5— 1水力压裂力学地层中形成水力裂缝的过程与液体流动特性及岩石的力学性质有关。
水力造缝的本 质是岩石在液体压力作用下的破裂与变形问题，因此造缝特性与岩石的受力及力学性 质有关。
一. 地应力场1. 地应力场概念：地应力是由于岩石变形引起的介质内部单位面积上的作用力。
地应力场：是指地应力大小和方向在地层空间位置的分布。
2. 地应力剖面概念地应力剖面是指研究地应力大小在纵向上的变化 。
二. 地应力的类型原地应力： 扰动应力： 构造应力： 残余应力： 重力应力： (6) 热应力：由于地层温度发生变化在其内部引起的内应力增量。
(7) 分层地应力：按地层分层给出不同的地应力。
(8) 古地应力和现今地应力：某地质时期或重要地质事件前的地应力称古地应力。
目前存在或正在活动的称现今地应力。
石油工程关心的是现今地应力。
3. 地应力测试1)长源距声波与密度测井方法P) P式中: 到。
C v —上覆层压力, 通过密度测井得 P —地层压力；—孔隙弹性系数, 通过实验测的。
2)测试压裂方法(现场常用) 测试压裂：是将不含砂的压裂液注入地层, 造缝后停泵侧压力降落曲线，待曲线上出现拐 点后测试结束，出现拐点时相应的压力即裂缝 图4— 1水力压裂测试典型压力曲线开发之前地应力原始大小。
开发引起的地应力改变。
由构造运动在岩体中引起的应力。
除去外力后尚残存在岩石中的应力。
由上覆岩层的质量引起的地应力。
(1) (2) (3)(4)(5) 该方法通过测井取得剖面上变化的岩石的纵波速度 P和横波速度S ,然后求出岩石泊松比的纵向变化，利用下式求出最小水平主应力C h ,而取得地应力剖面。
闭合压力，其大小与岩层中垂直于裂缝面的应力值相等，也即就是地层最小主应力如图4—1所示。
上图中，产生人工裂缝后停泵，裂缝停止扩展处于临界闭合状态，闭合压力为P S o结论：可以认为，裂缝临界闭合时，裂缝内的流体压力等于裂缝闭合的最小地应力。
第6章 水力压裂技术(20130325)
（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
水力压裂原理ppt课件
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 9 70
1 9 73
1 9 76
Foam F lu ids
1979
1982
1985
1988
19 9 1
19 9 4
3 000
2 500
2 000
1 500
1 000
5 00
0
Av erage Injectio n Rate and HHp
HH p
Rate
Year
H y dr a u li c H or se po w e r
1 949 1 953 1 95 7 1 96 1 1 96 5 196 9 1 97 3 1 97 7 1 981 1 98 5 1 98 9 1 99 3 199 7
In je c t io n R at e (b b l/m in )
60
50
40
30
20
10
0
F lu id V o lu m e ( 1 ,0 0 0 g a llo n s ) T o ta l P r op p a n t ( 1 , 0 0 0 lb s )
当α< 0.015～0.018 MPa/m, 形成垂直裂缝; 当α> 0.022～0.025 MPa/m, 形成水平裂缝.
降低破裂压力措施 • 酸化预处理 • 高效射孔 • 密集射孔
水力压裂商业性应用开始于 1949年
1949早期, 哈里伯顿油井固井公司获得唯一的 “水力压裂”许可证
当年进行了332口井的压裂
75% 成功
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
从第一次压裂到现在 ...
早期施工使用几百磅的手筛河砂和凝胶油 现在使用成百上千吨的砂或人造支撑剂和冻胶或泡 沫压裂液 注入排量为第一次压裂施工排量的5到50倍
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Foam F lu ids
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当α< 0.015～0.018 MPa/m, 形成垂直裂缝; 当α> 0.022～0.025 MPa/m, 形成水平裂缝.
降低破裂压力措施 • 酸化预处理 • 高效射孔 • 密集射孔
水力压裂商业性应用开始于 1949年
1949早期, 哈里伯顿油井固井公司获得唯一的 “水力压裂”许可证
当年进行了332口井的压裂
75% 成功
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
从第一次压裂到现在 ...
早期施工使用几百磅的手筛河砂和凝胶油 现在使用成百上千吨的砂或人造支撑剂和冻胶或泡 沫压裂液 注入排量为第一次压裂施工排量的5到50倍
水力压裂技术PPT学习教案
第7页/共64页
2．无液体渗滤时
地层渗滤应力等于零，井壁上岩石的空隙压力仍然为Ps， 故, ps ，将其他应力一同代入（5—8）式，则：
PF Ps (3 y x th )
由于最小总周向应力发生在θ=0º，180º的对称点上，垂直裂缝也产生在与 井筒相对应的两个点上。这就是为什么假定垂直裂缝以井轴为对称的两条 缝的原因。实际上由于地层的非均质性和局部应力场的影响，产生的裂缝 往往是不对称的。
模式，提高了近井地带的渗透能力。
3．水力压裂增产、增注的基本原理
利用地面高压泵注设备将高粘度的流体以大大超过地层吸收能力的量注 入井筒，憋起高压，在地层中形成裂缝并向前延伸。利用携砂液将支撑 剂带入裂缝中，形成高导流能力的支撑裂缝；由于改变了井底附近流体 的渗流状态，提高了油层的渗流能力，从而达到增产、增注的目的。
此时有： = -σth，代入（5—8）式，并换为有效应力( x x ps,
y y ps , pi ) , 则可得到垂直裂缝时的破裂压力，当产生
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 成垂直裂缝的条件：
pF
Ps
3 y x th 2 1 2
1
（MPa/m）
即：破裂压力梯度β是指地层破裂压力与地层深度的比值。
三．地面泵压的确定
(1) 地层产生垂直裂缝时地面泵压的确定：（产生垂直裂缝的油藏）
式中： PB—井口施工泵压，MPa；
pB pF pm pf
PF—地层破裂压力，MPa； Pm—井筒液柱压力，MPa；
Pf —管线及管柱产生的压力损失，
8.3 1.7 2.2 2.6 3.9 2.0 20.7 8.3 1.0 2.2 3.0 4.3 1.6 1.4 21.8 42.5
水力压裂介绍
.
23
其它压裂工艺技术
一、滑套式分层压裂工艺技术
滑套式分层压裂管柱由投球器、井口球阀、工作 筒和堵塞器、水力压差式封隔器、滑套喷砂器组 成。其原理是利用不压井、不放喷井口装置、井 下工作筒和堵塞器，可使压裂管柱实现不压井、 不放喷起下作业。利用井下滑套喷砂器多级开关， 自下而上实现多层压裂。当每压完一层时，从井 口投入不同直径的钢球，将滑套憋到已压开层的 喷吵器上将其水眼堵死，同时打开上一层喷砂器 的水眼，开始对上一层进行压裂，从而实现不动 管柱一次连续压多层。
更加紧密，使低渗透油田的高效开发成为可能
.
4
我国在五十年代起已开始进行水力压裂技术的研究，迄 今为止已取得了很好的技术成就与较高的经济效益
大庆油田1973年开始采用水力压裂作为油田增产增注的 一项重要技术措施，至今已有30年的历史。随着油田的 开发进程，针对不同时期不同对象及其对于改造技术的 不同要求，压裂工艺技术不断发展、完善和提高
取短期导流能力值的1/3作为实际应用值,支撑缝内的
导流能力可达到40.1DC.cm。
.
41
最终优化该层加 砂规模为42m3
设计施工排量 3.0m3/min
支撑裂缝长度为 320m
平均铺砂浓度 5.68Kg/m3
.
42
应力剖面
1408
1416
FracproPT 图形
平均支撑裂缝宽度4.8mm， 裂缝高度为27m
.
35
水力压裂的优化设计计算
.
36
早 期 压 裂 优 化 设 计
.
37
主要分为两大步骤：
1、裂缝参数优化
该步骤应用油藏模拟水力压裂平台优化出单层不同裂
缝长度以及不同导流能力参数下的产能，从而确定出合
水力压裂力学PPT课件
w(r) 8 pR(1 2 ) 1 (r R)2 E
▪ 椭圆裂缝的体积为：
பைடு நூலகம்
（6.1）
V
1（6 1 2）R3
3E
pnet
▪ 半径为R的裂缝扩展的压力：
（6.2）
pnet
F E 2 1 2 R
第3页/共94页
（6.3）
▪ 对于缝高hf不变和无限大（即平面应变）裂 缝其最大宽度为：
w 2 pnethf 1 2 E
▪ KGD模型假设缝高远大于缝长，包括了缝端动态过程
控制裂缝延伸的假设
第19页/共94页
6.3 三维和拟三维模型
前面简单模型的局限性： 需要给定缝高或假设产生的是径向缝
原因： 不能断定裂缝是否被限制在某一特定的地层中 由井筒（压力最高处）至缝端的过程中缝高是 变化的
解决办法： 利用平面三维3D和拟三维（P3D）模型来弥补
▪ 在缝长远大于缝高的条件下成立 ▪ 没有考虑断裂力学和缝端的影响，而主要考虑了缝内
流体的流动以及相应的压力梯度的影响
第6页/共94页
KGD模型
▪ 假设每一水平截面独立作用，即假设裂缝面任一点处裂
缝宽度沿垂向变化远比水平方向的变化慢。
▪ 在缝高远大于缝长或者储积层边界产生完全滑移的条件
下成立
▪ 缝端区域起着很重要的作用，而缝内压力可以估算
（6.35） （6.36） （6.37） （6.38）
6F 水力压裂中的动量守恒
方程（6.34）实矢量方程，其分量形式可以写为：
dui dt
p xi
xi
x
yi
y
zi
z
gi
（6F.1）
上式的左边为物质导数，它可与偏导数建立关系：
12水力压裂
Fracturing） （Hydraulic Fracturing） 8.支撑剂及裂缝导流能力 8.支撑剂及裂缝导流能力
1）支撑剂的类型 压裂后能否在地层中造出一条高裂缝导流 能力、足够长度的填砂裂缝， 能力、足够长度的填砂裂缝，直接关系到压 裂后的增产效果合压裂施工的成败。 裂后的增产效果合压裂施工的成败。 脆性支撑剂（石英砂、玻璃珠、陶粒） 脆性支撑剂（石英砂、玻璃珠、陶粒） 韧性支撑剂（核桃壳、铝球） 韧性支撑剂（核桃壳、铝球）
水力压裂 第六章——水力压裂
Fracturing） （Hydraulic Fracturing） 5.增产增注原理 5.增产增注原理 3）开辟了“新”的产油区 开辟了“
通过压裂，沟通了井底与微裂缝、 通过压裂，沟通了井底与微裂缝、透镜 体的联系，而死油区成了“ 的产油区。 体的联系，而死油区成了“新”的产油区。
水力压裂 第六章——水力压裂
Fracturing） （Hydraulic Fracturing） 6.压裂发展趋势 6.压裂发展趋势
大型压裂（ 大型压裂（Massive Hydraulic Fracturing)
超大型压裂（Super ---) 大型压裂（ ---) 高能气体压裂（ 高能气体压裂（High Energy Gas Fracturing ） 泡沫压裂 振动压裂、爆炸压裂、超声波压裂 振动压裂、爆炸压裂、
（1）增产增注 （2）封堵大厚层底水 （3）提高油气田工业开采价值（勘探阶 提高油气田工业开采价值（ 段）
水力压裂 第六章——水力压裂
Fracturing） （Hydraulic Fracturing） 5.增产增注原理 5.增产增注原理 1）改变了地层中流体渗流方式
压前： 压前：径向流 压后：流体→裂缝→井底（直线流） 压后：流体→裂缝→井底（直线流） 径向流（压前） 直线流（压后），使压 径向流（压前）→直线流（压后），使压 ）， 力损失减少10 10倍 力损失减少10倍。
1）支撑剂的类型 压裂后能否在地层中造出一条高裂缝导流 能力、足够长度的填砂裂缝， 能力、足够长度的填砂裂缝，直接关系到压 裂后的增产效果合压裂施工的成败。 裂后的增产效果合压裂施工的成败。 脆性支撑剂（石英砂、玻璃珠、陶粒） 脆性支撑剂（石英砂、玻璃珠、陶粒） 韧性支撑剂（核桃壳、铝球） 韧性支撑剂（核桃壳、铝球）
水力压裂 第六章——水力压裂
Fracturing） （Hydraulic Fracturing） 5.增产增注原理 5.增产增注原理 3）开辟了“新”的产油区 开辟了“
通过压裂，沟通了井底与微裂缝、 通过压裂，沟通了井底与微裂缝、透镜 体的联系，而死油区成了“ 的产油区。 体的联系，而死油区成了“新”的产油区。
水力压裂 第六章——水力压裂
Fracturing） （Hydraulic Fracturing） 6.压裂发展趋势 6.压裂发展趋势
大型压裂（ 大型压裂（Massive Hydraulic Fracturing)
超大型压裂（Super ---) 大型压裂（ ---) 高能气体压裂（ 高能气体压裂（High Energy Gas Fracturing ） 泡沫压裂 振动压裂、爆炸压裂、超声波压裂 振动压裂、爆炸压裂、
（1）增产增注 （2）封堵大厚层底水 （3）提高油气田工业开采价值（勘探阶 提高油气田工业开采价值（ 段）
水力压裂 第六章——水力压裂
Fracturing） （Hydraulic Fracturing） 5.增产增注原理 5.增产增注原理 1）改变了地层中流体渗流方式
压前： 压前：径向流 压后：流体→裂缝→井底（直线流） 压后：流体→裂缝→井底（直线流） 径向流（压前） 直线流（压后），使压 径向流（压前）→直线流（压后），使压 ）， 力损失减少10 10倍 力损失减少10倍。
水力压裂
该理论认为，地下岩层处于均匀水平地应力状态， 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， 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， 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。 开裂缝的流体压力只需克服垂直裂缝面的地应力。
现场测试方法
利用长源距声波测井（LSDS）取得纵波速度和 利用长源距声波测井（LSDS） 横波速度，利用密度测井求得岩石密度， 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。 得岩石力学参数的动态值。
E d = ρ bυ s2
2 3υ p − 4υ s2 2 υ p − υ s2
地如果破裂压力梯度小于0.0150.018 ①地如果破裂压力梯度小于0.0150.018 MPa／m 时， 多为水平裂缝； 多为水平裂缝； 如果破裂压力梯度大于0.023 ②如果破裂压力梯度大于0.023 MPa／ m 时，多为垂 直裂缝。 直裂缝。
二、地层破裂压力
采集方法 理论计算方法— 理论计算方法 Eaton法 法
IC
I
K I≥ K
IC
岩石断裂韧性的大小与施工泵压（ 岩石断裂韧性的大小与施工泵压（即破裂压力和裂缝延伸压力 的高低呈正比， ）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， 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。 水平最大主应力方位延伸而发生转向。
水力压裂造缝及增产机理 压前评估（压裂选井选层） 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
现场测试方法
利用长源距声波测井（LSDS）取得纵波速度和 利用长源距声波测井（LSDS） 横波速度，利用密度测井求得岩石密度， 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。 得岩石力学参数的动态值。
E d = ρ bυ s2
2 3υ p − 4υ s2 2 υ p − υ s2
地如果破裂压力梯度小于0.0150.018 ①地如果破裂压力梯度小于0.0150.018 MPa／m 时， 多为水平裂缝； 多为水平裂缝； 如果破裂压力梯度大于0.023 ②如果破裂压力梯度大于0.023 MPa／ m 时，多为垂 直裂缝。 直裂缝。
二、地层破裂压力
采集方法 理论计算方法— 理论计算方法 Eaton法 法
IC
I
K I≥ K
IC
岩石断裂韧性的大小与施工泵压（ 岩石断裂韧性的大小与施工泵压（即破裂压力和裂缝延伸压力 的高低呈正比， ）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， 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。 水平最大主应力方位延伸而发生转向。
水力压裂造缝及增产机理 压前评估（压裂选井选层） 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
水力压裂原理1
1949 1953
HHp
1957 1961 1965 1969
Rate
Average Injection Rate and HHp
Year
1973 1977 1981 1985 1989 1993 1997
10 0
Injection Rate (bbl/min)
20
30
40
50
60
Fluid Volume (1,0 00 gallons ) Tota l Pr oppant (1,000 lbs ) 0 1 949 1 952 1 955 1 958 1 961 1 964 1 967 1 970 1 973 1 976 1 979 1 982 1 985 1 988 1 991 1 994 1 997 20 40 60 80 10 0 12 0 14 0
x
x
y
y
实际可能出现下列情况的裂缝
液体分流
裂缝上
下窜
上窜裂倾斜多裂缝
射孔方位
1.射孔方位与最大水平主应力方位平行，最有利
；
2.射孔方位与最小水平主应力方位平行，最不利
；
3.射孔方位与最大水平主应力方位成一定角度平
行，有一定影响。
二、地应力测量、解释方法
压裂设计
1.油气井必须有足够的剩余储量以及地层能量。 2.前次压裂由于施工原因造成施工失败，在对失败原因进一步 分析的基础上加以改进，有望获得成功。
3.前次压裂成功，但产量下降快，如果是因为改造规模不够或 者支撑剂破碎严重，有望获得成功。
4.前次压裂后生产情况较好，但未能处理整个气层或者处理规 模不够，采取重复压裂有可能成功。
前置液 ISIP
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2.地层压力（孔隙压力）
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
一般地层岩石含 有孔隙，孔隙中 含有流体，流体 承受的压力称为 孔隙压力。（石 油工程中称为地 层压力） 在油气藏开发过 程中，孔隙压力 是变化的。
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
3.有效应力
' Pp
pb
3 2
1 2p T 2(1 )
(1 2 ) 2(1 )
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
σ2：水平最小主应力 σ1：水平最大主应力 Pp ：地层压力 γ：泊松比 T：岩石抗张强度
13
二、岩石力学
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
③ 有效应力：作用在岩石骨架（颗粒）上的力。 ④ 地层破裂压力 ⑤ 裂缝闭合压力（闭合应力）：开始张开一条已存在的 裂缝所需流体压力。 ⑥ 裂缝延伸压力
⑦ 瞬时停泵压力 ⑧ 净压力 ⑨ 摩擦力：井筒摩阻，孔眼摩阻，裂缝内摩阻。
14
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
σ’ ：有效应力，作用在岩石骨架（颗粒）上的力 σ ：地应力（总应力） Pp :孔隙压力（地层压力）
' Pp
α:孔隙弹性系数，表征油勘探开发研究院廊坊分院
4.地层破裂压力 使地层产生张性裂缝的压力 如果不考虑液体滤失
Pb 32 1 P T
如果考虑液体滤失
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
❖1 基本概念
① 应力：作用在单位面积上的力，当面积无限趋于 零时的极限，成为作用在某点的应力，应力单位是 N/㎡，简称为Pa（帕）。
z
y x
σzz
σyy σxx
11
二、岩石力学
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
② 应变：如果l是两点之间的原长，变形后 新的长度为l+Δl，则应变定义为：
1.06
1 0.56 0.55
0.72
0 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
年原油新增探明储量变化情况
7000 6000 5000 4000
5720
4922
5122 5008
4
467 3703
4804
5169
4303
4616 4168
9
8
地质储量 低渗 特低渗
8.29 7.44 7.34
7 6.15
6
5.62
5.21
5
4.24 4.57 4.28 4.39
4 3.73
6.28 4.15
3
2.66 2.95 2.94
2.73
2
2.00 0.78
1.26 1.24
1.15 1.38
2.29 1.47
1.02
1.02
1 .12.84 6
亚裂施工现场
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
一、绪论
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
❖3 水力压裂发展：有60多年的发展历史，大致分 为三个阶段
① 20世纪40年代末到60年代中期
水力压裂作为油井增产技术逐步得到发展，研究压裂工艺和改进压裂 材料的质量及开发化学剂。
② 20世纪70年代到80年代末
发展了大型水力压裂技术，开发了压裂酸化设计的各种数学模型，提 出了压裂力学的概念，压裂力学分析技术得到了进一步发展，压裂 设备的发展。
3000 2000 1000
0
2475
1603 1898 1085 1170 1240
2309
1394
年天然气新增探明储量变化情况
水力压裂力学
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
1 绪论 2 岩石力学 3 流体力学与流变学 4 水力压裂模拟 5 压裂液与支撑剂 6 水力压裂设计 7 水力裂缝测试技术
二、岩石力学
= l
l
③ 线弹性：对线弹性的材料，应力与应变关 系是线性的：
E
E成为弹性模量。
12
二、岩石力学
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
❖2 与压裂力学有关的几个力学概念
① 地应力：地壳或岩石圈中存在的应力，包括由 上覆岩体重力引起的应力和构造运动引起的应力 两部分。它决定了外力压裂裂缝的基本形态：水 平裂缝或垂直裂缝。 ② 地层压力（孔隙压力）：地层岩石孔隙所含流 体承受的压力，在油气藏开发过程中孔隙压力是 变化的。
➢ 固体力学描述由于流体压力变化引起的岩石变形或开裂； ➢ 断裂力学描述水力裂缝端部附近发生的破坏及裂缝延伸； ➢ 热力学描述压裂流体与地层间的热交换。
7
一、绪论
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
❖5 压裂工程与油藏工程的关系
油藏研究是水力压裂改造能否取得经济效果的重要基础。 主要包括：
➢ 储层的构造和建筑格架（储集体的构造条件）； ➢ 储层物性的空间分布； ➢ 储层内流体分布及其性质。 水力压裂是改造低渗、特低渗油气藏的重要手段 根据储层特点进行有针对性的压裂酸化设计与实施。
① 泵注具有一定粘性的压裂液，在井筒附近的储层内形成 高压，劈开地层形成裂缝并使之延伸；
② 继续注入混有支撑剂的携砂液，支撑剂运移到裂缝前端 ；
③ 施工结束后，压裂液化学破胶，成低粘状态，返排到地 面；
④ 地层中留下了一条由支撑剂的高导流能力的裂缝通道。
3
水力压裂过程
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
8
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
截至2009年底，中石油累计探明石油地质储量中低渗透储量占40.6%， 探明天然气地质储量中低渗透储量占78.3%
近年新增石油储量中73%、新增天然气储量83%为低渗透
储量（亿吨）
1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
水力压裂力学
单文文个（教人授简级高历级工程师）
2011.8
水力压裂力学
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
1 绪论 2 岩石力学 3 流体力学与流变学 4 水力压裂模拟 5 压裂液与支撑剂 6 水力压裂设计 7 水力裂缝测试技术
一、绪论
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
❖1 水力压裂是一项永远的增产技术 ❖2 水力压裂过程：
③ 20世纪90年代至21世纪初
水力压裂方案优化设计，材料研制，实时监测设备，计算机控制得到 了进一步完善和发展。
6
一、绪论
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
❖4 水力压裂力学是对压裂工程中涉及到的一系 列力学行为的描述。
水力压裂力学涉及流体力学（包括渗流力学）、固体 力学、断裂力学和热力学。
➢ 流体力学描述单相、两相或三相流体在裂缝中的流动（包括 在多孔介质中的渗流力学）；
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
一般地层岩石含 有孔隙，孔隙中 含有流体，流体 承受的压力称为 孔隙压力。（石 油工程中称为地 层压力） 在油气藏开发过 程中，孔隙压力 是变化的。
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
3.有效应力
' Pp
pb
3 2
1 2p T 2(1 )
(1 2 ) 2(1 )
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
σ2：水平最小主应力 σ1：水平最大主应力 Pp ：地层压力 γ：泊松比 T：岩石抗张强度
13
二、岩石力学
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
③ 有效应力：作用在岩石骨架（颗粒）上的力。 ④ 地层破裂压力 ⑤ 裂缝闭合压力（闭合应力）：开始张开一条已存在的 裂缝所需流体压力。 ⑥ 裂缝延伸压力
⑦ 瞬时停泵压力 ⑧ 净压力 ⑨ 摩擦力：井筒摩阻，孔眼摩阻，裂缝内摩阻。
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中国石油勘探开发研究院廊坊分院
σ’ ：有效应力，作用在岩石骨架（颗粒）上的力 σ ：地应力（总应力） Pp :孔隙压力（地层压力）
' Pp
α:孔隙弹性系数，表征油勘探开发研究院廊坊分院
4.地层破裂压力 使地层产生张性裂缝的压力 如果不考虑液体滤失
Pb 32 1 P T
如果考虑液体滤失
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
❖1 基本概念
① 应力：作用在单位面积上的力，当面积无限趋于 零时的极限，成为作用在某点的应力，应力单位是 N/㎡，简称为Pa（帕）。
z
y x
σzz
σyy σxx
11
二、岩石力学
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
② 应变：如果l是两点之间的原长，变形后 新的长度为l+Δl，则应变定义为：
1.06
1 0.56 0.55
0.72
0 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
年原油新增探明储量变化情况
7000 6000 5000 4000
5720
4922
5122 5008
4
467 3703
4804
5169
4303
4616 4168
9
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地质储量 低渗 特低渗
8.29 7.44 7.34
7 6.15
6
5.62
5.21
5
4.24 4.57 4.28 4.39
4 3.73
6.28 4.15
3
2.66 2.95 2.94
2.73
2
2.00 0.78
1.26 1.24
1.15 1.38
2.29 1.47
1.02
1.02
1 .12.84 6
亚裂施工现场
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
一、绪论
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
❖3 水力压裂发展：有60多年的发展历史，大致分 为三个阶段
① 20世纪40年代末到60年代中期
水力压裂作为油井增产技术逐步得到发展，研究压裂工艺和改进压裂 材料的质量及开发化学剂。
② 20世纪70年代到80年代末
发展了大型水力压裂技术，开发了压裂酸化设计的各种数学模型，提 出了压裂力学的概念，压裂力学分析技术得到了进一步发展，压裂 设备的发展。
3000 2000 1000
0
2475
1603 1898 1085 1170 1240
2309
1394
年天然气新增探明储量变化情况
水力压裂力学
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
1 绪论 2 岩石力学 3 流体力学与流变学 4 水力压裂模拟 5 压裂液与支撑剂 6 水力压裂设计 7 水力裂缝测试技术
二、岩石力学
= l
l
③ 线弹性：对线弹性的材料，应力与应变关 系是线性的：
E
E成为弹性模量。
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二、岩石力学
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
❖2 与压裂力学有关的几个力学概念
① 地应力：地壳或岩石圈中存在的应力，包括由 上覆岩体重力引起的应力和构造运动引起的应力 两部分。它决定了外力压裂裂缝的基本形态：水 平裂缝或垂直裂缝。 ② 地层压力（孔隙压力）：地层岩石孔隙所含流 体承受的压力，在油气藏开发过程中孔隙压力是 变化的。
➢ 固体力学描述由于流体压力变化引起的岩石变形或开裂； ➢ 断裂力学描述水力裂缝端部附近发生的破坏及裂缝延伸； ➢ 热力学描述压裂流体与地层间的热交换。
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一、绪论
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
❖5 压裂工程与油藏工程的关系
油藏研究是水力压裂改造能否取得经济效果的重要基础。 主要包括：
➢ 储层的构造和建筑格架（储集体的构造条件）； ➢ 储层物性的空间分布； ➢ 储层内流体分布及其性质。 水力压裂是改造低渗、特低渗油气藏的重要手段 根据储层特点进行有针对性的压裂酸化设计与实施。
① 泵注具有一定粘性的压裂液，在井筒附近的储层内形成 高压，劈开地层形成裂缝并使之延伸；
② 继续注入混有支撑剂的携砂液，支撑剂运移到裂缝前端 ；
③ 施工结束后，压裂液化学破胶，成低粘状态，返排到地 面；
④ 地层中留下了一条由支撑剂的高导流能力的裂缝通道。
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水力压裂过程
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
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中国石油勘探开发研究院廊坊分院
截至2009年底，中石油累计探明石油地质储量中低渗透储量占40.6%， 探明天然气地质储量中低渗透储量占78.3%
近年新增石油储量中73%、新增天然气储量83%为低渗透
储量（亿吨）
1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
水力压裂力学
单文文个（教人授简级高历级工程师）
2011.8
水力压裂力学
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
1 绪论 2 岩石力学 3 流体力学与流变学 4 水力压裂模拟 5 压裂液与支撑剂 6 水力压裂设计 7 水力裂缝测试技术
一、绪论
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
❖1 水力压裂是一项永远的增产技术 ❖2 水力压裂过程：
③ 20世纪90年代至21世纪初
水力压裂方案优化设计，材料研制，实时监测设备，计算机控制得到 了进一步完善和发展。
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一、绪论
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
❖4 水力压裂力学是对压裂工程中涉及到的一系 列力学行为的描述。
水力压裂力学涉及流体力学（包括渗流力学）、固体 力学、断裂力学和热力学。
➢ 流体力学描述单相、两相或三相流体在裂缝中的流动（包括 在多孔介质中的渗流力学）；