水力压裂原理课件

水水 力力 压 裂裂Hydraulic Fracture Stimulation 水 力 压 裂“水力水力压裂裂”是什么是什么?F液体液体连续注入使得人工裂注入使得人工裂缝变得更大。得更大。F液体将高液体将高强度的固体度的固体颗粒（支撑粒（支撑剂）带入并充填裂入并充填裂缝。F施工施工结束，液体返排，支撑束，液体返排，支撑剂留在裂留在裂缝中，形成高流通能中，形成高流通能力的油气通道，并力的油气通道，并扩大油气的渗流面大油气的渗流面积。F利用液体利用液体传递压力在地力在地层岩石中形成人工裂岩石中形成人工裂缝。“水力压裂”是什么?液体连续注入使得人工裂缝变得更大。利基本概念基本概念 利用利用地面高地面高压泵组，以超，以超过地地层吸收能力吸收能力的排量将高粘液体（的排量将高粘液体（压裂液裂液）泵入井内，而在入井内，而在井底憋起高井底憋起高压，当，当该压力克服井壁附近地力克服井壁附近地应力力达到岩石抗达到岩石抗张强度后，就在井底度后，就在井底产生裂生裂缝。继续将将带有有支撑支撑剂的携砂液注入的携砂液注入压裂液，裂裂液，裂缝继续延伸并在裂延伸并在裂缝中充填支撑中充填支撑剂。停。停泵后，由于后，由于支撑支撑剂对裂裂缝的支撑作用，可在地的支撑作用，可在地层中形成足中形成足够长、有一定、有一定导流能力的填砂裂流能力的填砂裂缝。基本概念水力压裂原理课件压裂作用及增裂作用及增产机理机理 沟通油气沟通油气储集区，集区，扩大供油面大供油面积。砂岩砂岩储层中的透中的透镜体、裂体、裂缝性油藏的裂性油藏的裂缝和溶洞和溶洞 改改变井筒周井筒周围渗流特征，降低渗流阻力，渗流特征，降低渗流阻力，节约地地层能量。能量。克服井底附近克服井底附近污染染压裂作用及增产机理在油气勘探开在油气勘探开发中的作用中的作用 (1)1)勘探勘探阶段段 增加可采增加可采储量；美国可采量；美国可采储量的量的2030%通通过压裂裂获得。得。(2)开开发阶段段 增加油气井增加油气井产量和注水井的注水量量和注水井的注水量;调整油田开整油田开发矛盾，改善吸水、出油剖面矛盾，改善吸水、出油剖面;提高采油速度，提高油田采收率提高采油速度，提高油田采收率;(3)其它方面其它方面 控制井控制井喷;煤煤矿开采，工开采，工业排排污，废核核处理等。理等。在油气勘探开发中的作用F为什么要什么要压裂裂 l增加油气井的生增加油气井的生产能力能力油气井水力油气井水力压裂裂u低渗透低渗透储层通通过压裂达到裂达到经济开采开采产量量u中等渗透中等渗透储层的的伤害要消除或需要更害要消除或需要更优的回的回报u高渗透高渗透储层的的伤害要消除或防砂害要消除或防砂为什么要压裂 油气井水力压裂低渗透储层通过压裂达到经济开采 1947-1948:水力水力压裂的裂的发展展 F1947.7 美国开始第一口井的美国开始第一口井的压裂施工，用交裂施工，用交联的煤油的煤油/汽油混合油。汽油混合油。F1948-获得得专利，利，在商在商业应用前用前压裂了裂了 23 口井口井水力水力压裂的裂的历史史水力水力压裂商裂商业性性应用开始于用开始于 1949年年F1949早期早期,哈里伯哈里伯顿油井固井公司油井固井公司获得唯一的得唯一的“水力水力压裂裂”许可可证F 当年当年进行了行了332口井的口井的压裂裂F75%成功成功 1947-1948:水力压裂的发展 1947.71949.3在在美国俄美国俄克拉荷克拉荷马州的州的维尔玛进行了行了第一第一次商次商业性的性的压裂裂施工施工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F早期施工使用几百磅的手早期施工使用几百磅的手筛河砂和凝胶油河砂和凝胶油F现在使用成百上千吨的砂或人造支撑在使用成百上千吨的砂或人造支撑剂和和冻胶或泡胶或泡沫沫压裂液裂液F注入排量注入排量为第一次第一次压裂施工排量的裂施工排量的5到到50倍倍从第一次从第一次压裂到裂到现在在.早期施工使用几百磅的手筛河砂和凝胶油从第一次压裂到现在.水力压裂原理课件水力压裂原理课件水力压裂原理课件第一次百万磅（第一次百万磅（454吨）支撑吨）支撑剂的的压裂裂 1974年年5月月第一次百万磅（454吨）支撑剂的压裂 1974年5月1988年大型年大型压裂，裂，91MPa下加入下加入817吨吨20/40 陶粒陶粒1988年大型压裂，在在90年代年代.1997:一口井一口井7层压裂施工加入支撑裂施工加入支撑剂14,000,000 磅（磅（6356吨）吨）.(2,000 m 水平井水平井,北海北海)1995-98:平均每月平均每月压裂裂2000口井口井进入入 2000年年?F理解理解/控制多裂控制多裂缝F新方法新技新方法新技术用在大斜度井或水平井的裸眼段用在大斜度井或水平井的裸眼段压裂中裂中F3-D 实时裂裂缝几何尺寸几何尺寸测绘(微地震波微地震波监测,井下井下测斜斜)在90年代.1997:一口井7层压裂水力裂水力裂缝生生长过程程12345671234567第一第一节 压裂机理裂机理水力裂缝生长过程12345671234567第一节 压裂时 间 压压裂裂裂裂泵泵注的注的注的注的阶阶段段段段小型小型压裂裂降排量降排量试验前置液前置液 ISIP闭合合&滤失失排量排量实际井底井底压力力支撑支撑剂浓度度最最终 ISIP裂裂缝净压力增加力增加时 间 压裂泵注的阶段小型压裂降排量试验前置液 ISIP闭裂裂缝方向方向总是垂直于最小主是垂直于最小主应力力一一.地地应力及岩石力学参数力及岩石力学参数xzyF当当 z最小最小时，形成水平裂，形成水平裂缝。裂裂缝形形态及方位及方位裂缝方向总是垂直于最小主应力一.地应力及岩石力学参数xzxzyyxzF当当 z x y，形成垂直裂，形成垂直裂缝，裂，裂缝面垂直于面垂直于 y方向；方向；F当当 z y x，形成垂直裂，形成垂直裂缝，裂，裂缝面垂直于面垂直于 x方向；方向；xzyyxz当zxy，形成垂直裂缝，裂理想裂理想裂缝实际可能出可能出现下列情况的裂下列情况的裂缝裂裂缝上上下下窜 弯曲裂弯曲裂缝液体分流液体分流T型裂型裂缝水平裂水平裂缝倾斜多裂斜多裂缝上上窜裂裂缝理想裂缝实际可能出现下列情况的裂缝裂缝上 弯曲裂缝液体分流T射孔方位射孔方位F1.射孔方位与最大水平主射孔方位与最大水平主应力方位平行，最有利；力方位平行，最有利；F2.射孔方位与最小水平主射孔方位与最小水平主应力方位平行，最不利；力方位平行，最不利；F3.射孔方位与最大水平主射孔方位与最大水平主应力方位成一定角度平行，力方位成一定角度平行，有一定影响。有一定影响。射孔方位1.射孔方位与最大水平主应力方位平行，最有利；二、地二、地应力力测量、解量、解释方法方法F1.1.地地应力方位力方位测量；量；F2.2.地地应力大小力大小测量。量。三、地三、地层岩石破裂机理和破裂岩石破裂机理和破裂压力力F地层岩石破裂，井底压力大于地层有效应力及岩石的抗张强度。二、地应力测量、解释方法1.地应力方位测量；三、地层岩石破裂1.定定义 破裂破裂压力梯度力梯度2.理理论计算算 1.定义破裂压力梯度2.理论计算 3.统计值 油田使用的破裂油田使用的破裂压力梯度通常是根据大量的力梯度通常是根据大量的压裂裂实践践统计出来的。一般范出来的。一般范围在在0.0150.025 MPa/m MPa/m之之间.根据根据破裂破裂压力梯度可以大致估算力梯度可以大致估算压裂裂裂裂缝形形态:当当 0.015 0.022 0.0220.025 MPa/m,0.025 MPa/m,形成水平裂形成水平裂缝.降低破裂降低破裂压力措施力措施 酸化酸化预处理理 高效射孔高效射孔 密集射孔密集射孔3.统计值降低破裂压力措施四、裂四、裂缝设计模型模型FF2-D 2-D 模型模型模型模型FF简简化化化化 3-D3-D模型模型模型模型FF有限元有限元有限元有限元 3-D3-D模型模型模型模型四、裂缝设计模型2-D 模型裂裂缝模型模型F2D 模型lPKNlCGD（KGD)l径向F3D 模型l拟三维l集成三维l全三维l非平面三维裂缝模型2D 模型商商业化化压裂裂软件件F2-D 模型模型(PKN,KGD,Daneshy,Radial)l众多众多F简化化 3-DlFracpro or Fracpro PTlM-FraclStimPlan or E-StimPlanF有限元有限元 3-DlTerraFraclGOHFER商业化压裂软件2-D 模型(PKN,KGD,Danes黑箭黑箭头表示油表示油气流气流动路径路径无裂无裂缝的油气径向流的油气径向流动井筒井筒含油气的多孔含油气的多孔储层岩石岩石五、水力五、水力压裂增裂增产机理机理F降低渗流阻力，增大渗流面积。黑箭头表示油气流动路径无裂缝的油气径向流动井筒含油气的多孔储有裂有裂缝后油气流后油气流动变成成“线性性”流流动含油气的多孔含油气的多孔储层岩石岩石水力裂缝有裂缝后油气流动变成“线性”流动含油气的多孔储层岩石水力裂流流动变化化后期，后期，拟径向流径向流初期，地初期，地层线性流性流早期，双早期，双线性流性流流动变化后期，拟径向流初期，地层线性流早期，双线性流第二第二节 压裂裂设计一、一、选井井选层基本原基本原则：1.油气井必油气井必须有足有足够的剩余的剩余储量以及地量以及地层能量。能量。2.前次前次压裂由于施工原因造成施工失裂由于施工原因造成施工失败，在，在对失失败原因原因进一步一步分析的基分析的基础上加以改上加以改进，有望，有望获得成功。得成功。3.前次前次压裂成功，但裂成功，但产量下降快，如果是因量下降快，如果是因为改造改造规模不模不够或或者支撑者支撑剂破碎破碎严重，有望重，有望获得成功。得成功。4.前次前次压裂后生裂后生产情况情况较好，但未能好，但未能处理整个气理整个气层或者或者处理理规模不模不够，采取重复，采取重复压裂有可能成功。裂有可能成功。第二节 压裂设计一、选井选层F根据油气井生产历史、地质评价结果以及油田开发动态综合分析，找出油气井低产的原因，进行选井选层决策。类别决策要考决策要考虑的参数的参数候候选井井单井地井地质状况状况目的目的层跨距、有效厚度、孔隙度、有效渗透率、含油气跨距、有效厚度、孔隙度、有效渗透率、含油气饱和度、原始地和度、原始地层压力、目前地力、目前地层压力、上下地力、上下地应力差、力差、原始可采原始可采储量、剩余可采量、剩余可采储量、表皮系数、隔量、表皮系数、隔层条件等条件等前次前次压裂以及裂裂以及裂缝目目前状况前状况诊断断压裂加砂量、含砂比、油气井的静裂加砂量、含砂比、油气井的静压、井底流、井底流压、支撑、支撑裂裂缝半半长、裂、裂缝导流能力等流能力等邻井或本井井或本井压裂生裂生产动态数据数据施工前施工前产量、施工后量、施工后产量、日增油气量、增量、日增油气量、增产有效期等有效期等根据油气井生产历史、地质评价结果以及油田开发动态综合分析，找二、油藏模二、油藏模拟F1 1、区、区块整体整体压裂油藏模裂油藏模拟 在在实际井网和油井网和油层条件下，以油藏作条件下，以油藏作为一个工作一个工作单元，元，进行开行开发井网与水力裂井网与水力裂缝的的优化化组合合设计，并，并预测其一、二次采油期其一、二次采油期产量、量、扫油效率、以及采出程度油效率、以及采出程度等等动态变化化结果，以提高采油速度及油藏采收率。果，以提高采油速度及油藏采收率。油藏模油藏模拟：考考虑人工人工压裂裂裂裂缝对流体渗流的作用，模流体渗流的作用，模拟有、无有、无压裂井裂井时的油藏生的油藏生产动态，模，模拟任意方位、任意任意方位、任意倾向向人工裂人工裂缝及不同及不同缝长不同裂不同裂缝导流能力流能力对油气井和油油气井和油气藏气藏动态的影响。以区的影响。以区块整体整体产量、效益或量、效益或扫油效率油效率为目目标，选择与油藏相匹配的裂与油藏相匹配的裂缝参数（裂参数（裂缝半半长、裂裂缝导流能力流能力)。二、油藏模拟1、区块整体压裂油藏模拟压裂裂裂裂缝与注采井与注采井连线间成成1515角角注采井注采井连线压裂裂裂裂缝WELL4WELL1WELL2WELL3WELL5 压裂裂裂裂缝与注采井与注采井连线间成成00角角注采井注采井连线压裂裂裂裂缝WELL4WELL1WELL2WELL3WELL5压裂裂裂裂缝与注采井与注采井连线间成成3030角角注采井注采井连线压裂裂裂裂缝WELL4WELL1WELL2WELL3WELL5压裂裂裂裂缝与注采井与注采井连线间成成4545角角注采井注采井连线压裂裂裂裂缝WELL4WELL1WELL2WELL3WELL5压裂裂缝与注采井连线间成15角注采井连线压裂裂缝WELL4生生产井裂井裂缝长度度对日日产量的影响量的影响 生产井裂缝长度对日产量的影响 生生产井裂井裂缝长度度对采出程度的油影响采出程度的油影响 生产井裂缝长度对采出程度的油影响 生生产井裂井裂缝长度度对累累产油量影响油量影响 生产井裂缝长度对累产油量影响 生生产井裂井裂缝长度度对含水率的影响含水率的影响 生产井裂缝长度对含水率的影响 裂裂缝的的导流能力流能力对累累积产量的影响量的影响 裂缝的导流能力对累积产量的影响 储层渗透率范渗透率范围:渗透率范渗透率范围 气井气井 油井油井很低低中高 0.1 md50 md 1 md200 md 2 2、单井井压裂油藏模裂油藏模拟储层渗透率范围:渗透率范围气井 2 2、单井井压裂油藏模裂油藏模拟F在地层实际物性参数条件下，计算不同支撑缝长、不同裂缝导流能力下井的产量。F支撑裂支撑裂缝对井生井生产能力的影响能力的影响最重要的参数最重要的参数:l 有效支撑有效支撑缝长l 裂裂缝导流能力流能力l 支撑的支撑的产层厚度厚度2、单井压裂油藏模拟在地层实际物性参数条件下，计算不同支撑缝增增产与裂与裂缝长度度有效支撑有效支撑缝长高渗透高渗透储层中等渗透中等渗透储层低渗透低渗透储层增增产因数因数增产与裂缝长度有效支撑缝长高渗透储层中等渗透储层低渗透储层增增增产与裂与裂缝长度度低渗透地低渗透地层 差的裂差的裂缝导流能力流能力中等的裂中等的裂缝导流能力流能力好的好的裂裂缝导流能力流能力增增产因数因数有效支撑有效支撑缝长增产与裂缝长度低渗透地层 差的裂缝导流能力中等的裂缝导流能力增增产与裂与裂缝长度度差的裂差的裂缝导流能力流能力中等的裂中等的裂缝导流能力流能力好的裂好的裂缝导流能力流能力增增产因数因数中等渗透地中等渗透地层 有效支撑有效支撑缝长增产与裂缝长度差的裂缝中等的裂缝好的裂缝导流能力增产因数中等增增产与裂与裂缝长度度增增产因数因数高渗透地高渗透地层有效支撑有效支撑缝长差的裂差的裂缝导流能力流能力中等的裂中等的裂缝导流能力流能力好的裂好的裂缝导流能力流能力增产与裂缝长度增产因数高渗透地层有效支撑缝长差的裂缝导流能力增增产与裂与裂缝长度度增增产因数因数高渗透地高渗透地层(Skin Factor=20.)有效支撑有效支撑缝长中等的裂中等的裂缝导流能力流能力好的裂好的裂缝导流能力流能力差的裂差的裂缝导流能力流能力增产与裂缝长度增产因数高渗透地层有效支撑缝长中等的裂缝导流能增增产与裂与裂缝长度度(产层全部被支撑全部被支撑)Tinsleys*增增产因数因数有效支撑裂有效支撑裂缝半半长（英尺）（英尺）511001000500高渗透高渗透中渗透中渗透低渗透低渗透Tinsleys*增增产因数因数有效支撑裂有效支撑裂缝半半长（英尺）（英尺）511001000500高渗透高渗透中渗透中渗透低渗透低渗透(只有只有产层厚度的厚度的 20%被支撑被支撑)增产与裂缝长度Tinsleys*增产因数有效支撑裂缝半长裂裂缝参数参数设计优化化裂缝参数设计优化三、三、压裂裂软件件1.1.国内：国内：石油大学、西南石油学院、万庄分院早石油大学、西南石油学院、万庄分院早期开期开发的的软件，件，现已基本不用已基本不用2.2.国外国外商商业化化压裂裂软件件F2-D 模型模型(PKN,KGD,Daneshy,Radial)l众多众多F简化化 3-DlFracpro or Fracpro PTlM-FraclStimPlan or E-StimPlanF有限元有限元 3-DlTerraFraclGOHFER三、压裂软件1.国内：石油大学、西南石油学院、万庄分院早期第三第三节 压裂液裂液一、一、压裂液的作用裂液的作用 传递能量、能量、压开地开地层、输送支撑送支撑剂阶段不同分段不同分为：1.预前置液（前置液（预处理液）理液）2.前置液前置液3.携砂液携砂液4.顶替液替液第三节 压裂液一、压裂液的作用二、二、压裂液性能裂液性能F1.流流变性性:n k，粘温曲，粘温曲线F2.滤失性失性F3.稳定性定性:热稳定、剪切定、剪切稳定、放置定、放置稳定定F4.降阻性降阻性F5.携砂性携砂性F6.配伍性配伍性F7.低残渣、低低残渣、低伤害害F8.易返排易返排F9.低成本低成本二、压裂液性能1.流变性:n k，粘温曲线F液体液体类型型l油基油基l水基水基l乳化液乳化液lN2 和和 CO2 泡沫泡沫l表面活性胶束（清表面活性胶束（清洁压裂液）裂液）F常用三种常用三种类型型压裂液的裂液的优缺点缺点三、三、压裂液分裂液分类液体类型三、压裂液分类油基油基压裂液裂液优点点F不会造成粘土膨不会造成粘土膨胀F低界面低界面张力力F与地与地层流体配伍流体配伍油基压裂液优点不会造成粘土膨胀油基油基压裂液缺点裂液缺点F安全和安全和环境的危害要考境的危害要考虑F高成本高成本F应用温度范用温度范围有限有限F配制不容易配制不容易油基压裂液缺点安全和环境的危害要考虑水基水基压裂液裂液优点点F安全安全F有效有效F经济F批量或批量或连续配制配制F破胶破胶时间可控可控F应用温度范用温度范围广广水基压裂液优点安全水基水基压裂液缺点裂液缺点F地地层配伍性配伍性l与地与地层矿物反物反应l与地与地层流体反流体反应F液体液体滤失的影响失的影响l低渗透低渗透储层排液排液问题l低低压井的排液井的排液问题 l排液排液时间及裂及裂缝清理清理问题水基压裂液缺点地层配伍性泡沫泡沫压裂液裂液优缺点缺点优点：点：F60 to 85%N2 or CO2F粘度高粘度高F低低滤失失F输砂好砂好F进入地入地层液体少液体少F足足够的裂的裂缝导流流F最少的地最少的地层伤害害F返排好返排好缺点：缺点：F施工施工压力高、成本高力高、成本高泡沫压裂液优缺点优点：压裂液化学添加裂液化学添加剂F杀菌菌剂F粘土粘土稳定定剂FpH 调节剂F稠化稠化剂F降降滤失失剂F表面活性表面活性剂F交交联剂F破胶破胶剂压裂液化学添加剂杀菌剂降降滤失失剂F硅粉、粉砂、粉陶硅粉、粉砂、粉陶F可降解的可降解的l油溶性油溶性树脂脂l柴油柴油F不能溶解的气体不能溶解的气体(20%N2)降滤失剂硅粉、粉砂、粉陶第四第四节 压裂支撑裂支撑剂FF石英砂、陶粒石英砂、陶粒石英砂、陶粒石英砂、陶粒FF主要指主要指主要指主要指标标1.1.抗抗抗抗压强压强度、破碎率度、破碎率度、破碎率度、破碎率2.2.圆圆球度球度球度球度3.3.粒径粒径粒径粒径4.4.密度（密度（密度（密度（视视密度、体密度、体密度、体密度、体积积密度）密度）密度）密度）5.5.导导流能力流能力流能力流能力支撑支撑支撑支撑剂选择剂选择：主要根据地：主要根据地：主要根据地：主要根据地层层的的的的闭闭合合合合压压力大小力大小力大小力大小第四节 压裂支撑剂石英砂、陶粒支撑支撑剂样品品支撑剂样品不同不同铺砂砂浓度的度的导流能力流能力3.0 lb/ft2010002000300040005000600002000400060008000闭合合压力力,psi导流能力流能力,md-ft0.5 lb/ft21.0 lb/ft22.0 lb/ft2不同铺砂浓度的导流能力3.0 lb/ft2010002000不同粒径支撑不同粒径支撑剂导流能力流能力020008000闭合合压力力,psi导流能力流能力,md-ft2.0 lb/ft212/20-mesh16/30-mesh20/40-mesh4000600020,00015,00010,000500002000不同粒径支撑剂导流能力020008000闭合压力,psi导不同支撑不同支撑剂的的导流能力流能力 15,000All Data for 2.0 lb/ft2闭合合压力力,psi导流能力流能力,md-ft20/40 Bauxite20/40 Sand20/40 Ceramic10,000800060004000200000500010,000不同支撑剂的导流能力 15,000All Data for 常用陶粒砂技常用陶粒砂技术指指标常用陶粒砂技术指标1.1.达到限达到限压不能不能压开地开地层高进入摩阻高孔眼摩阻严重的裂缝弯曲重新射孔用支撑剂段塞开始用高粘液体增加凝胶量增加排量以后的井少射孔第五第五节 常常见问题及及处理理1.达到限压不能压开地层高进入摩阻高孔眼摩阻严重的裂缝弯曲重常常见问题及及处理理2.2.压窜：压窜隔隔层、压窜水泥水泥环、封隔器、封隔器窜 停砂、停止停砂、停止压裂，反洗井（管柱上有反循裂，反洗井（管柱上有反循环阀）3.3.砂堵：砂堵：停砂、放停砂、放喷、反洗井、反洗井4.4.砂卡、管柱断脱：砂卡、管柱断脱：作作业或大修或大修常见问题及处理2.压窜：压窜隔层、压窜水泥环、封隔器窜第六第六节 压裂裂监督督一、一、压裂施工裂施工设计执行情况（作行情况（作业、压裂）裂）二、二、压裂液数量及性能（裂液数量及性能（现场观测、室内、室内实验）三、支撑三、支撑剂数量及数量及质量（量（现场观测、室内、室内实验）四、四、设备数量、性能；数量、性能；压裂流程安装裂流程安装五、五、压裂施工程序及施工参数裂施工程序及施工参数六、安全、六、安全、卫生及生及环保保七、七、压后作后作业、排液、排液八、八、资料料录取（作取（作业、压裂）裂）第六节 压裂监督一、压裂施工设计执行情况（作业、压裂）本本 章章 结 束束本 章 结 束