压裂工艺-中亚石油

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,油气井增产增注措施,李凤君,中亚石油注采工程部,绪论,油气井增产,方法,酸化、水力压裂的历史,各类储层中增产方法的使用,压裂、酸化在勘探开发中的作用,油气井增产,方法,油气井产量低的主要原因,油气井增产途径,水力压裂,酸化,新工艺、新技术,油气井产量低的主要原因,近井地带受伤害,，导致渗透率严重下降,油气层渗透性差,地层压力低，油气层剩余能量不足,地层原油粘度高,油气井增产途径,提高或恢复地层渗透率,保持压力增加地层能量,降低井底回压,降低原油粘度,油气井增产和水井增注方法,水力压裂,Hydraulic Fracturing,酸化,Acidizing,爆炸,Explosion,新工艺、新技术,高能气体压裂,水力冲击波压裂,振动压裂,酸化,Acidizing,常规酸化,Matrix Acidizing,（基质酸化 、解堵酸化）,压裂酸化,Acid Fracturing,（简称酸压） 前置液酸压,普通酸压或一般酸压,酸洗,Acid Wash,水力压裂,Hydraulic Fracturing,S1,S2,S3,S4,压裂,压裂,水力压裂,Hydraulic Fracturing,常规,水力压裂,Conventional Hydraulic Fracturing,巨型水力压裂,MHF-Massive Hydraulic Fracturing,水力压裂历史,1947,年 美国,H,气田,1949,年 美国,A,公司,1952,年 延长油矿,1955,年 玉门油田,各类储层中增产方法的使用,砂岩储层,Sandstone Formation,水力压裂、基质酸化,碳酸盐岩储层,基质酸化、酸压、水力压裂,特低渗储层,MHF,特低渗坚硬储层,高能气体压裂,水力压裂、酸化的作用,在勘探阶段,增加工业可采储量,在开发阶段,油气井增产,水井增注,调整层间矛盾 改善吸水剖面,二次和三次采油中应用,控制井喷,其它,煤层气开采,工业排污,水力压裂 控制井喷,S1,S2,S3,S4,压裂,水力压裂,(Hydraulic Fracturing),水力压裂概念,造缝机理,压裂液,支撑剂,压裂设计,压裂工艺,水力压裂概念,水力压裂就是利用地面压裂车组将一定粘度的液体以足够高的压力和足够大的排量沿井筒注入井中。由于注入速度远远大于油气层的吸收速度，所以多余的液体在井底憋起高压，当压力超过岩石抗张强度后，油气层就会开始破裂形成裂缝。当裂缝延伸一段时间后，继续注入携带有支撑剂的混砂液扩展延伸裂缝，并使之充填支撑剂。施工完成后,由于支撑剂的支撑作用，裂缝不致闭合或至少不完全闭合，因此即可在油气层中形成一条具有足够长度、宽度和高度的填砂裂缝。此裂缝具有很高的渗滤能力，并且扩大了油气水的渗滤面积，故油气可畅流入井，注入水可沿裂缝顺利进入地层，从而达到增产增注的目的。,水力压裂,Hydraulic Fracturing,S1,S2,S3,压裂,第一节 造缝机理,P,F,破裂压力,P,E,延伸压力,P,S,地层压力,P,井底,= P,F,时,一 地应力及其分布,=,+,x,z,y,y,x,z,地层岩石三维应力状况,+,（一）应 力,主应力,:,x,， ,y,， ,z,应变,: ,x,， ,y,， ,z,H -,深度，米,z,-,垂向主应力,岩石比重范围,:2.1-2.5,一般为,: 2.3,有效垂向应力,:,Ps-,地层压力或流体压力,由广义虎克定律,:,总应变,:,同理,:,由于周围岩石的围限作用,:,（二）地质构造对应力的影响,地质构造的影响使应力变化,裂缝方向总是垂直于最小主应力,r,x,y,r,Rw,（三）井壁上的应力,（三）井壁上的应力,井筒对地应力及其分布的影响,当,r =r,w,，,0,及,180,时，,3,y,x,当,r =r,w,，,90,及,270,时，,3,x,y,无限大平板中钻有,一园孔的应力分布,当,x,=,y,时,2,y,=2,x,说明周向应力相等，与无关,当,x,y,时,(,),0,180,= (,),min,(,),90,，,270,= (,),max,随,r,增加， ,迅速降低,(,平方次,),应力集中,P,f, P,E,井眼内压所引起的井壁应力,由弹性力学拉梅公式,(,拉应力为负,),当,r,e,，,P,e,=0,及,r=,r,a,时，,-,P,i,压裂液渗入地层引起的井壁应力,井壁上的总周向应力,地应力,+,井筒内压,+,渗滤引起的周向应力,二、造缝条件,讨论应力的目的：,地层在何种条件下形成裂缝,a,产生垂直裂缝；,b,产生水平裂缝,裂缝面垂直于最小主应力方向,岩石破裂力学研究两大基础,弹性力学基础,第一强度理论,最大拉应力,最小主应力,线弹性断裂力学基础,(,一,),形成垂直缝,条件,压为正，拉为负,最大有效周向应力大于,水平方向抗拉强度,有液体渗滤,当破裂时，,P,i,=P,F,无液体渗滤,当破裂时，,P,i,=P,F,(,二,),形成水平缝,条件,最大有效周向应力大于,垂直方向抗拉强度,有液体渗滤,有效总垂向应力为：,当破裂时，,Pi=PF,1.94,无液体渗滤,有效总垂向应力为：,当破裂时，,Pi=PF,0.94,（三）破裂压力梯度,定义,千帕,/,米,可以用破裂梯度,的大小估计裂缝的形态。根据应力分析和矿场资料分析结果，,小于,0.15-0.18,多形成垂直裂缝，而大于,0.23,的则是水平裂缝。深地层出现的多为垂直裂缝，浅地层出现水平裂缝的几率多。这是由于浅地层的垂向应力相对小些，且近地表地层中的构造运动也较多，使水平应力大于垂直应力的几率也多,。,破裂梯度值一般由压裂实践统计得出，各地区油田的压裂梯度不同，一般变化范围为,(0.15-0.18)(0.22-0.25),公斤,/,厘米,2,/,米。,对破裂压力推导过高地层,处理方法,:,酸化预处理,高效射孔,密集射孔,三、压裂施工曲线的分析应用,曲线分析,估计地应力,代入（,4,5c,）和（,4,9a,）得：,四、判断裂缝方向的方法,声波测定,地电测定,水动力学试井,总 结,地应力及其分布,造缝条件,压裂施工曲线的分析应用,判断裂缝方向的方法,第二节 压裂液,压裂液及其性能要求,压裂液的滤失性,压裂液的流动性质,压裂液对储层的伤害及保护,一、压裂液及其性能要求,压裂液组成,压裂液性能要求,压裂液类型,压裂液添加剂,(,一,),压裂液组成,前置液,携砂液,顶替液,前置液,作用,造缝,降温,减少 携砂液滤失,防砂卡,要求,一定粘度,足够用量,携砂液,作用,将支撑剂代入裂缝,继续扩张裂缝,冷却地层,要求,粘度高,携砂能力强,顶替液,作用,中间顶替液,尾注顶替液,要求,用量适当，避免过量顶替,（二） 压裂液性能要求,滤失低,携砂能力强,摩阻低、比重大,稳定性好,配伍性好,残渣少,易于返排,货源广、价格便宜、便于配制,滤失低,造长、宽缝,用量小、压裂液效率高、成本低,防砂卡,污染小,携砂能力强,深穿透、饱填砂,防止,井筒沉积（,防脱砂,）,防砂卡,摩阻低、比重大,稳定性好,热稳定性,抗剪切稳定性,配伍性好,与岩石矿物配伍,与储层流体配伍,(,三,),压裂液类型,水基压裂液,油基压裂液,乳化压裂液,泡沫压裂液,液化汽压裂液,酸基压裂液,压裂液发展,四十年代和五十年代,矿场原油,凝胶油,粘性乳化液,六十年代初期,凝胶水,六十年代后期,水包油乳化液,水基冻胶,压裂液发展,七十年代以来,国外,:,水基冻胶压裂液的次数占三分之二，用量占总量的,90%,以上,国内,:,则基本上使用的都是水基压裂液。,目前，泡沫压裂液、液体,CO,2,压裂液、液氮压裂液也开始应用。,水基压裂液,发展,水,稠化水水基冻胶,水基冻胶压裂液组成,水添加剂成胶剂（增稠剂）,成胶液,水添加剂交链剂 交链液,水基压裂液种类,水基压裂液种类,A,田箐胶水基压裂液,成胶剂：田箐,交链剂：硼砂、硼酸、重金属盐类,破胶剂：淀粉酶、氧化剂,特点,A,、丰富、配制方便,B,、摩阻低,C,、悬砂性能较好，砂比可达,20,25,D,、滤失低,E,、不溶物较多，水溶液易变质,水基压裂液种类,B,羧甲基田箐胶水基压裂液,成胶剂：羧甲基田箐,特点,与前相比，不溶物较少，残渣含量由,20,30,下降到,5,10,羟丙基羧甲基速溶田箐胶水基压裂液,工艺复杂，成本高，货源缺,水基压裂液种类,C,羧甲基纤维素（,CMC,）水基冻胶压裂液,流变性,热稳定性,残渣,2.59.7%,滤失量,6.5,毫升,/30,分,破胶,摩阻,水基压裂液种类,D,聚丙烯酰胺,(PAM),与甲叉基聚丙烯酰胺,(PAMM),水基压裂液,已成系列， 适应,40150C,抗剪切性能强,低温时残渣低,90C,以上不易破胶,不易溶解， 配制较难,水基压裂液种类,E,羟丙基胍胶压裂液,热稳定性好,抗剪切性能强,残渣少,油基压裂液,适应,:,水敏性地层,有些气层,发展,:,矿场原油,稠化油,冻胶油,油基压裂液之,稠化油,基液,:,原油,汽油,柴油,煤油,凝析油,油基压裂液之,稠化油,稠化剂,:,脂肪酸皂,脂肪酸铝皂,磷酸脂铝盐等,特点,:,遇地层水后会自动破乳。,油基压裂液之,冻胶油,特点,:,粘度高,摩阻低,滤失性类似于冻胶水,耐温性好,抗剪切能力强，,破胶水化彻底,施工简单,乳化压裂液,两份油,+,一份稠化水,(,聚合物,),油相,80%,， 不稳定或粘度太高,乳化压裂液之,特点,外相为水冻胶,摩阻低,粘度高,热稳定性好,悬砂能力特别强,滤失低，压裂液效率高,伤害小,在某些地返排困难,在大多数情况下，易返排,泡沫压裂液,适用,:,K1MD,， 粘土含量高的砂岩气藏,低压、低渗浅油气层压裂,液相,+,气相,+,添加剂,泡沫液,液相,:,清水、盐水、冻胶水、原油或成品油、酸液,气相,氮气、二氧化碳、空气、天然气等,泡沫质量：,泡沫质量泡沫中气体体积,/,泡沫总体积,特点,:,在压裂时的井底压力和温度下，泡沫质量 一般为,随着泡沫质量的增加，泡沫压裂液的粘度增加、摩阻增大、滤失减少、压裂液效率增,滤失少（气体本身就是降滤剂）,排液较彻底，对地层伤害小,悬砂能力特别强，砂比可高达,液化汽压裂液,适用,:,某些对水、残渣特别敏感的气层,特点,:,悬砂能力较差,滤失大,费用高,配制困难,酸基压裂液,适用,:,碳酸盐储层,种类,:,常规酸,稠化酸,冻胶酸,乳化酸,(,四,),压裂液添加剂,破胶剂,降滤剂,防膨剂,杀菌剂,表面活性剂,值调节剂,稳定剂,二、压裂液的滤失性,压裂液滤失机理,1.,滤饼与初滤失,滤饼,:,压裂液的造壁性和降滤剂共同作用的结果,初滤失,:,形成滤饼前的滤失,P,w,P,v,P,c,P,s,2.,压裂液滤失的三个过程,滤饼区的流动,滤饼控制过程,侵入区的流动,压裂液粘度控制过程,地层流体的压缩,地层流体粘度及压缩性控制过程,压裂液滤失系数,造壁性影响的滤失系数,压裂液粘度影响的滤失系数,地层流体的粘度和压缩性影响的滤失系数,压裂液粘度影响的滤失系数,C,v,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,v,为常数。,m,2,MPa,mPa.S,滤失系数,C,v,地层流体的粘度和压缩性影响的滤失系数,C,c,假设,:,地层流体可压缩，其压缩系数为,（等于常数）；,为常数；,渗滤前缘的位置不随时间变化。,滤失系数,C,c,地层中的渗流方程为：,边界条件：,初始条件：,MPa,mPaS,m,2,MPa,-1,造壁性影响的滤失系数,C,w,假设,:,滤饼的沉积厚度,与通过缝壁的滤失量成比例关系，即,，,为累积滤失量与滤饼体积之比；,滤饼对压裂液的渗透率,与其厚度的大小无关，亦即,不随时间而变化；,滤饼内压裂液的渗滤流动服从达西定律。,滤失系数,C,w,采用试验确定,静态法：,无剪切，当剪切速率,40S,-1,时可用,动态法：,考虑剪切，通常剪切速率为,170S,-1,数据处理,数据处理,当,P,试验,P,真实,时,综合滤失系数,实际：,P,w,P,v,P,c,P,s,通常，用,P,代替,P,W,，,P,V,，,P,C,综合滤失系数的求得,调和平均法：,电容串联,压力平衡法：,非造壁性压裂液,造壁性压裂液,调和平均法,压力平衡法,非造壁性压裂液,P=P,V,+P,C,将,C,V,、,C,C,求出,P,V,、,P,C,代入,压力平衡法,造壁性压裂液,P= P,w,+ P,V,+P,C,压裂液滤失性小结,压裂液滤失机理,1.,滤饼与初滤失,2.,压裂液滤失的三个过程,压裂液滤失系数,1.,造壁性影响的滤失系数,2.,压裂液粘度影响的滤失系数,3.,地层流体的粘度和压缩性影响的滤失系数,4.,综合滤失系数,三、压裂液的流动性质,各类压裂液的流变曲线,幂律液的视粘度,摩阻计算,各类压裂液的流变曲线,牛顿型液体,非牛顿型液体,假塑性液体,宾汉型液体,屈服假塑性液体,胀流型液体,触变性液体,流凝性液体,粘弹性液体,四、压裂液对储层的伤害及保护,按压裂液作用位置分,：,地层基质伤害,支撑裂缝伤害,按流体性质分：,液体伤害,固体伤害,压裂液滤饼和浓缩胶,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的伤害,压裂液与原油乳化造成的地层伤害,润湿性发生反转造成的伤害,压裂液残渣对地层造成的损害,压裂液对地层的冷却效应造成地层伤害,压裂液滤饼和浓缩对地层的伤害,压裂液,在地层中滞留产生液堵,在压裂施工中，压裂液沿缝壁渗滤入地层，改变了地层中原始含油饱和度，使水的饱度度增加，并产生两相流动，流动阻力加大。毛管力的作用致使压裂后返排困难和流体流动阻力增加。如果地层压力不能克服升高的毛细管力，水被束缚在地层中，则出现严重和持久的水锁。,压裂液滞留的地层保护,降低压裂流体的表面张力,注入,或,帮助排液,改善压裂液破胶性能,减少压裂液在地层中流动的粘滞阻力，加快压裂液在地层中破胶,强制排液，减少压裂液在地层的滞留时间,地层粘土矿物水化膨胀和分散运移产生,的伤害（桥堵）,粘土矿物与水为基液的压裂液接触，立即产生膨胀，使流动孔隙减小。松散粘附于孔道壁面的粘土颗粒与压裂液接触时分散、剥落，随压裂液滤入地层或沿裂缝运动，在孔喉处被卡住，形成桥堵，降低渗透率，从而引起伤害。,粘土矿物膨胀和运移的地层保护,在压裂液,中添加（粘土稳定剂）,利用高分子材料的长链对粘土颗粒表面的“包被”作用，阻止水分子进入,采用油基压裂液,压裂液与原油乳化造成的地层伤害,用水基压裂液压裂时，压裂液与地层原油由于油水两相互不相溶，原油中有天然乳化剂如胶质、沥青和蜡等，压裂时压裂液的流动具有搅拌作用，因而当油水在地层孔隙中流动时就形成了油水乳化液。原油中的天然乳化剂附着在水滴上形成保护膜，使乳化液具有较高的稳定性。,原油乳化的地层保护,慎用表面活性剂,使用优质压裂液，彻底破胶，减少压裂液残渣，降低破胶液粘度以及防止地层微粒”生成，消除油水界面稳定因素,在压裂液中使用优质破乳剂，消除压裂液进入地层后潜在的乳化堵塞,润湿性,发生反转造成的伤害,润湿性是指岩石表面具有被一层液膜选择性覆盖的能力。对于砂岩油藏，岩石表面一般为亲水性，即优先被水润湿。如果由于表面活性剂使用不当，使润湿性发生反转，即将亲水性转为亲油性，则油相渗透率将大大降低。,正常是水湿的地层变成油湿后，一般会降低油相渗透率。,压裂液,残渣对地层造成的损害,残渣对压裂效果的影响存在双重性，一是残渣在岩石表面形成滤饼，可降低压裂液的滤失，并且阻止大颗粒继续流入地层内。 压裂结束后，这些残渣返流堵塞填砂裂缝，降低裂缝导流能力 ；另一方面较小颗粒残渣，穿过滤饼随压裂液一道进入地层深部，堵塞孔隙喉道增强乳化液的界面膜厚度，难于破乳，降低地层和裂缝渗透率。,压裂液,残渣的地层保护,加强现场质量控制,选用低水不溶物成胶剂和易降解破胶的交链剂,优选破胶体系，实现压裂液彻底破胶、水化,压裂液对地层的冷却效应造成地层伤害,冷的压裂液进入地层，会使地层温度降低，从而使原油中的蜡及沥青等析出，造成地层伤害。此种伤害取决于地层原油的性质、地层原始温度、地层降温幅度及地层渗透率等因素。原油含蜡量高，降温幅度大，地层渗透率低和地层原始温度低的油层，“冷却效应”引起的地层伤害就大,.,压裂液滤饼和浓缩对地层的伤害,在生产过程中滤饼阻碍地层流体向裂缝的流动，并且由于裂缝闭合，支撑剂嵌入，滤饼占据了部分以至整个支撑剂颗粒之间的孔隙，导致裂缝导流能力大大降低。压裂施工和裂缝闭合过程的压裂液滤失要导致交联聚合物在裂缝中的浓度升高即浓缩。对高度浓缩的压裂液，常规破胶剂用量不可能实现破胶降解，将会形成大量残胶，严重影响裂缝导流能力。,压裂液滤饼和浓缩的地层保护,提高破胶剂用量,压裂施工结束后以小排量挤入滤饼溶解剂,总 结,压裂液及其性能要求,压裂液组成,压裂液性能要求,压裂液类型,压裂液添加剂,压裂液的滤失性,压裂液的流动性质,压裂液对储层的伤害及保护,第三节 支撑剂及裂缝导流能力,支撑剂性质及种类,裂缝导流能力及其影响因素,支撑剂的选择,支撑剂颗粒的沉降,基本概念,闭合压力,支撑剂颗粒大小,支撑剂颗粒形状,支撑剂砂堆孔隙度,支撑剂强度和硬度,闭合压力,定义,:,停泵后作用在裂缝壁面上欲使之闭合的力为闭合压力。,计算,:,（）,（）,支撑剂颗粒大小,支撑剂颗粒大小一般用筛析法确定，并且大多使用美国材料试验协会即标准。,筛析法的筛孔表示方法通常有两种：,一种是以每英寸长的孔数来表示，称之为目或号；,另一种则是用毫米直接表示筛孔孔眼的大小。,支撑剂颗粒形状,支撑剂的颗粒形状一般用圆度和球度描述。,圆度,是指颗粒表面光滑的程度，用,表示；,球度,则是指颗粒接近球体的程度，用,表示。,、,越大，颗粒和圆球度越好。,支撑剂强度和硬度,支撑剂强度,支撑剂抵抗闭合压力和上覆岩石重力的作用而不致发生破碎的能力为支撑剂的强度；,支撑剂硬度,抵抗闭合压力和上覆岩石重力的作用而,不致被压实的能力为支撑剂的硬度,。,支撑剂特性要求,强度高、硬度适中,粒径均匀圆球度好,化学温度稳定性好,质量高，杂质含量少,密度适中,货源广、价格低,支撑剂种类,现有的支撑剂按其力学性质例如强度和硬度可分为两大类：,一类是,脆性支撑剂,，如石英砂、玻璃珠等，其特点是硬度大，变形很小；,另一类是,韧性支撑剂,，如核桃壳、铝球等，其特点是变形大，在高压下不易破碎。,石英砂（砂子）,石英砂货源广、价格便宜,部分压裂井使用石英砂做支撑剂基本满足要求，具有一定的成功率；,对于圆度较好的石英砂，在高闭合压力下仍能提供一定的或较高的渗透能力。,石英砂的最大弱点是强底低,砂子在筛选不好或清洗不好，含粉砂杂质时，导流能力都要明显降低,核桃壳,与砂子相比，它具有一定的韧性，在压力的作用下，承压面积可以稍许增加，因此不致象砂子一样在闭合压力和上覆岩石重力的作用下产生显著破碎，特别是用于松软地层效果较好。,但其货源受到很大限制,铝球,铝球与核桃壳具有相同的优点,但这种金属支撑剂在高温盐水（地层水）中极易腐蚀,密度大，不利输送，,价格昂贵,玻璃珠,具有较高强度,致命的弱点：玻璃珠在表面上一旦有外伤或划痕及擦痕时，其强度会大大降低,在高温地层水中，玻璃珠的强度也要大大降低。,有时用作“尾砂”以提高井底附近的导流能力。,在控制缝高压裂工艺技术中，常用空心玻璃微珠作为上浮剂在裂缝上部形成人工遮挡层。,陶 粒,主要化学成分有,、,、,以及,等,陶粒的强度很高,在承受高闭合压力和上覆岩石重力的作用时，陶粒的细粒结构可使颗粒变形而不致破碎，甚至在高温盐水的浸泡下也可以抵抗压碎破坏。,塑料包层支撑剂,在砂粒（有时也可用其它支撑剂）上用热固性塑料外包一层塑料膜，进入裂缝后，塑料膜先软化成玻璃状，然后在地层温度下硬化。这种支撑剂在高压下虽然破碎，但碎屑少，能防止微粒运移，仍能提供一定的导流能力，并且密度低，利于输送，返排时不致吐砂。,国内现在普遍使用的支撑剂是石英砂和陶粒,石英砂的产地较多，应用最多的是兰州砂、福州砂、江西砂、岳阳砂、新疆砂、荣城砂等。,陶粒以唐山陶粒和成都陶粒使用的最为普遍。,石英砂主要用于米以内的浅井和中深井，,陶粒用于米以上的深井，或作为尾砂以提高缝口处的导流能力,。,裂缝导流能力及其影响因素,裂缝导流能力定义：,裂缝导流能力是指裂缝传导（输送）流体的能力。填砂裂缝的导流能力定义为支撑后的裂缝渗透率,与支撑后的裂缝宽度,之积。即填砂裂缝导流能力,（）,或,裂缝导流能力的影响因素,地层的闭合压力,地层岩石硬度,支撑剂性质,支撑剂在裂缝中分布,其它,地层的闭合压力,如果地层闭合压力大，则裂缝中的支撑剂容易破碎和压实，破碎产生的粉粒将部分或全部堵塞裂缝的流动通道，压实将降低填砂裂缝的渗透率和宽度。,对于脆性支撑剂，主要是,破碎问题,;,对于韧性支撑剂，主要是,压实问题。,W,K,P,c,的关系曲线,支撑剂性质,影响导流能力的支撑剂性质包括支撑剂的强度、硬度、圆球度、粒径以及支撑剂的质量等等,支撑剂强度越高，在闭合压力和上覆岩石重力的作用下抵抗破碎的能力越强，因而提供的导流能力越高,支撑剂硬度越大，越容易嵌入地层而降低支撑裂缝宽度,支撑剂在裂缝中分布,支撑剂在裂缝中的分布主要指排列层数和填砂浓度。,支撑剂排列层数越多，颗粒的受力面积越大，有利于降低破碎率，并且层数越多，一方面因为“饱填砂”，一方面因为减少了颗粒的嵌入而增加了支撑缝宽，所以多层排列的填砂方式能获得较高的裂缝导流能力。,其它因素,地层环境条件如地层盐水的存在以及盐水的成分和含量,流动条件如缝中流动是达西渗流还是非达西渗流,压裂液残渣的伤害等等,第四节 压裂设计,一、裂缝几何尺寸的确定,二、增产倍比预测,三、砂子在裂缝中的运移分布,四、设计步骤,五、压裂设计,一、裂缝几何尺寸的确定,(,一,),几何模型及计算方法简介,1.,二维模型,2.,三维模型,3.,计算方法,1.,二维模型,卡特模型,Carter,，,1957,年,GDK,模型,Christianovich,、,Geertsma,、,Deklerk,PKN,模型,Perkins,和,Kern,提出, Norgren,完善,2.,三维模型,拟三维模型,三维扩展，一维流体流动,真三维模型,三维扩展，二维流体流动,典型的拟三维模型,1982,年, Van Eekelen,模型,1978,年,1982,年，,Advani,模型,1980,年，,Cleary, Settari,模型,1982,年,1985,年, Palmer,模型,拟三维模型特点,由于拟三维模型中缝高是时间和位置的函数，因此较二维模型更准确反映了实际情况，计算结果精度更高。,几乎所有拟三维模型都忽略了岩石岩性的非均质性，且认为岩石为理想弹性体，流体在缝中呈稳定流动，因此与实际情况仍有一定距离。,由于各模型的假设条件、推导方式不同，加上均不尽完善，因此计算结果一致性较差。,典型的真三维模型,Abe,的“便士形”模型,Mastrojannis,的模型,Clifton,、,Abou-sayed,模型,Cleary,模型,真三维模型特点,真三维模型由于十分复杂，计算量大，费用昂贵；,需要很详细的关于地层机械特性及压裂液特性的资料，且结果又需专家解释；,真三维模型真实地反映了实际情况，所以可用它来检验拟三维模型的精度，进行理论研究。,3.,计算方法,解析方法,仅用于二维模型,数值计算方法,用于二维、三维模型,（二）,裂缝延伸二维数学模型,卡特模型,GDK,模型,PKN,模型,非牛顿液裂缝几何尺寸的计算,实用公式,卡特模型,1957,年，卡特假设裂缝的几何形态为长方体，在考虑液体滤失的情况下，他导出了裂缝的面积公式，从而算出裂缝长度。,W,L,H,GDK,模型,模型,(,如图,),是由,Khristianovich,、,Geertsma,、,Deklerk,及,Daneshy,共同完成的。,W(x,t),L(t),H,GDK,模型,之,假设条件,主要假设条件为：,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。,PKN,模型,它首先由,Perkins,和,Kern,提出,后由,Norgren,完善而成。,裂缝垂直剖面为椭圆形。,L(t),W(x,z,t),H,PKN,模型,之,主要假设,主要假设有：,1.,裂缝为垂直裂缝,其高度恒定。,2.,裂缝高度方向上为椭圆面,其横截面最大宽度满足,Sneddon,方程,:,W(x,t)=2(1-,2,)(p-)H/E,3.,施工排量恒定,4.,长度方向的变化采用物质平衡原理求得,5.,裂缝前端液体压力等于地层最小水平主应力。,二、增产倍比预测,图版法,公式法,产能预测,增产倍比预测之,图版法,麦克奎尔和西科拉在认为裂缝双翼对称的条件下，采用电模拟方法，作出了裂缝导流能力、裂缝长度和增产倍数的对应关系曲线，,增产倍数（垂直裂缝）曲线,增产倍比预测之,图版法,分析该图，我们可以得到三点启示：,在闭合压力不太高的低渗地层，一般容易获得较高的相对导流能力，其值常大于,0.4,。因此压开较长的裂缝能够大大提高增产倍数，这就是当前对于低渗透油气层主要采用大型压裂造长缝的依据。,对于闭合压力较大的高渗层，不易获得较高的相对导流能力，其值常小于,10,4,。这时要取得好的压裂效果，主要是靠提高裂缝的导流能力。,增产倍比预测之,图版法,对于实际油气田，属于这两种情况的都有。因此，在水力压裂设计中，应解决它们的主要矛盾。根据油气层的特性具体分析，全局考虑，以最优为准则，对特低渗地层的压裂，应当增大施工规模，造缝要长；对于高闭合压力的中高渗透地层，应着眼于提高裂缝导流能力，在这种情况下片面追求施工规模和缝长，既不经济又得不到好的压裂效果。,增产倍比预测之,公式法,图版公式,:,式中,:,增产倍比预测之,公式法,L,f,0,污染,S0,改善,地层系数,Kh,水力压裂选井选层三,地层应有较高能量,油层井壁受污染、堵塞严重的油井，应采用小规模压裂解堵或酸化解堵,油层渗透率低，深穿透、饱填砂的大规模压裂,油层含油性好，含油饱和度要高，一般要求在以上,水力压裂选井选层四,一般认为孔隙度为时，才值得进行压裂。如果油层厚度较大，最低孔隙度极限为,地层渗透率越低，越要优先压裂，使低渗地区的井获得商业性的开采,含水饱和度,1.5,10,-4,m,2,.m,水力压裂选井选层五,如果怀疑有水层，完井时应当在水层上方至少,米处射孔，特别是产层与水层间不存在坚密的页岩遮挡层时更应如此,经验表明，对于规模较大的压裂来说，如果页岩遮挡层的厚度不超过,米，无论其坚密程度如何，它还是常常不能起到控制裂缝窜层的作用,不宜压裂的井一,油层压力衰竭,不宜压裂（低压力）,在压裂层与水层或气层间的夹层很薄时,附近有与水或气的接触面（如底水驱油藏或存在底水的油藏），而且位于裂缝可能通过的,方向时。,高含水井或高油气比井，除非出水或出气层可以,堵住时。,不宜压裂的井二,井下技术状况差，例如固井质量不好、或可能窜槽、套管变形或有严重损伤、井下有落物经过复杂措施处理过、或经过大修中的磨铣的井层均不宜压裂。,注水效果明显，裂缝比较发育的井层，为了避免油井水淹，是否压裂需慎重。,高渗透地下亏空的井不宜压裂。稠油井不宜压裂，井底附近严重堵塞的除外,施工参数的确定,施工排量,施工泵压及水功率,压裂车台数的确定,压裂液和支撑剂用量,施工排量的确定,为了在井底有足够的流体憋起高压，选择施工排量要考虑的因素是：,地层的吸液速度。,施工排量必须大于地层吸液速度,，即最小极限排量。,施工排量的确定,不同排量下所需的压裂液用量,。,实践表明，当滤失系数一定时欲压开一定大小的裂缝，采用较高的施工排量可减少所需的压裂液用量；并且施工排量大时，可提高压裂液效率，亦有助于减少压裂液用量。,摩阻压力,。,排量越大，产生的射孔孔眼摩阻和井筒摩阻越高，因此所需的井底施工压力愈大，对设备的要求就越高,。,施工排量的确定,裂缝高度。,施工排量太大，极有可能导致裂缝窜层。特别是对于产层与水层之间的遮挡层不足够坚密，其厚度不是足够大时，窜层是很危险的。施工排量太小时，又不能充分压开产层的有效厚度，特别是对于多产层的情况，施工排量高无疑是有利的。施工排量高还有利于输送,支撑剂。（,州,28-24,井,）,施工排量的确定,此外，要注意对设备能力的要求：,施工排量受管材和井口装置所能承受的压力的限制,施工排量受压裂设备处理支撑剂的能力的限制，施工排量大，,易导致砂子传送带或混砂装置,超过负荷。,施工排量大，压裂车不易达到要求，即使满足要求，也需更多台压裂车,施工排量的确定,最小极限排量,选择施工排量时，必须首先考虑的是所选排量应大于地层吸液速度，否则无法憋起高压。地层吸液速度,即施工最小极限排量,为,施工排量的确定,最大极限排量,压裂时的最大极限排量由井口和油套管的允许承受压力而定。,压裂施工时，注液方式一般分为油管注液、套管注液、环空注液以及环空与油管同时注液（简称油套合注）几种方式。虽然注液方式不同，但确定最大极限排量的方法类似。,施工泵压及水功率的确定,井口施工泵压,设井底破裂压力为,，井口施工泵压为,，管柱摩阻为,，孔眼摩阻为,，井筒液柱压力为,。根据压开裂缝的条件，必须,施工泵压及水功率的确定,施工水功率,式中,:,井口施工水功率,；,施工泵压，；,施工排量，,压裂车台数的确定,按功率计算,设压裂车的功率为,，机械效率为,，则所需压裂车台数为,压裂车数,压裂车台数的确定,按排量计算,设压裂车单车排量为，则所需压裂车台数,为,压裂车,数,/,（）,压裂液和支撑剂用量的确定,压裂液的选择基于一系列评价试验和工艺要求。,支撑剂类型、粒径和用量及压裂液用量的确定基于优化设计计算。,设计计算,确定储层及井基本参数,由,J,f,/J,0,确定,(WK),f,，,L,f,预定排量、用液量、加砂量,动态裂缝几何尺寸计算,支撑剂沉降及运移计算,计算支撑缝长、导流能力、增产倍比,偏差计算,经济技术分析和评价,施工投资大，风险大,评价目的：,确定经济上合理，技术上可行的方案,第五节 压裂工艺,多层压裂技术,暂堵剂分层压裂工艺,孔眼堵塞球法压裂工艺,限流法分层压裂技术,填砂法压裂技术,氮气压裂技术,控缝高压裂技术,端部脱砂压裂技术,重复压裂技术,油藏整体压裂技术,(,油藏优化,),多层压裂,技术,A-,分层压裂,大多数油气田都具有多产层。在多层的情况下，压裂成功率低的原因之一就是压裂液不能按需要进入目的层段，从而导致该压开的压不开，不应压开的反而压开了。因此，对于多层的情况应进行分层压裂。,多层压裂技术,B,在工艺上，分层的方法很多，包括,:,使用封隔器的机械分层,暂堵剂分层,堵塞球分层,限流分层,填砂分层,暂堵剂分层压裂工艺,应用封隔器,机械分层的压裂,技术在大多数情况下是行之有效的方法，但是对于下列两种情况，此方法难以实施。,裸眼段井径过大，不能用封隔器隔开压裂层段；,管鞋附近或射孔段之间固井质量差，无法封隔压裂层段。,暂堵剂分层压裂工艺,暂堵剂选择性压裂,的原理一：,根据油层间或油层内不同部位吸水能力的差别，当向井内挤入液体时，液体就进入吸能力好的层，掺混在液体中的暂堵剂就随之被带到吸收层，暂堵剂有一定的粒度，进不到油层孔隙中，从而将吸收能力好的层或部位的射孔孔眼整个堵住，便其不再吸收液体，压裂过程中的高压压裂液进不去，只能压开吸水能力差的层或部位。,暂堵剂分层压裂工艺,暂堵剂选择性压裂,的原理二：,当压裂液中添加有堵塞剂后，将在井壁处使已经压开并延伸的裂缝堵死，隔断压裂液进入裂缝，在井底蹩起高压，从而在流体封闭井壁较差的地方或是在地层显著薄弱的其它深度处压开新的裂缝，这样压开的裂缝，暂时先不用临时堵塞剂封堵，而是用不含堵塞物质的压裂液加以延伸，重复这一过程，即能压出多条裂缝,。,孔眼堵塞球法压裂工艺,A,技术原理,将若干堵球随液体泵入井中，堵球将高渗层的孔眼堵住，待压力蹩起，即可将低渗层压开。这种方法的基本原理是堵球由压裂液带入井内，经压裂管柱，最后到达流体所进入的射孔孔眼。堵塞球接触孔眼后，必将阻止液体流进孔眼，因此，,在孔眼内外出现压差，使堵塞球在压差的作用下牢牢地座在孔眼上，切断液体进入地层的通道。只要井筒压力超过周围的地层压力，堵塞球就会堵住孔眼,。,孔眼堵塞球法压裂工艺,B,一次压裂两个或两个以上的射孔段,，向井内泵注的压裂液将从渗透率最高的射孔段进入地层。第一层压裂完，将堵塞球投入顶替液送入井内，由于这一射孔段容易吸收液体，堵塞球随注入液体，在压差作用下坐入孔眼，实现密封。由于井内仍然保持压力，在第一层段压裂完毕进行顶替后，紧接着就进行第二个层段的压裂。第一个层段的封堵使井内压力蹩高，从而压开第二射孔段，这一过程，视需要可重复进行，直到压开全部层段,孔眼堵塞球法压裂工艺,为了在多层压裂中实际而有效地封堵孔眼，,堵塞球应满足以下条件,：,堵球的大小和比重应保证在液体携带下进入并堵住孔眼；,堵球必须十分坚固，以免在现场实际压裂压差下从孔眼中挤出；,压裂时堵塞球能严密封住孔眼，压裂后容易从孔眼中脱落；,堵球的比重应能使堵球脱出孔眼后沉落井底,限流法分层压裂技术,技术原理：,通过,控制各层的射孔孔眼数及孔眼直径,的办法限制各层的吸水能力以达到压开各层的目的，此即限流法。,压开一个以上的射孔段，井底注入压力必须超过每一压裂层段的地层原始破裂压力，为此必须限制孔眼的大小和数目。孔眼摩阻大小直接与压裂液通过孔眼的流量有关，因此提高泵注排量，必将增大孔眼摩阻，每个射孔孔眼好象是一个井下油嘴，提高排量，井底压力随即上升，直到另一层压开。,限流法分层压裂技术,限流法的特点,是在完井射孔时，要按照压裂的要求设计射孔方案，包括孔眼位置、孔眼密度及孔径，从而压裂成为完井的一个组成部分。由于压裂施工一开始就形成最高压力、最大排量，因此压裂层段很快相继压开。如果地面排量足够大，压裂过程可以进行到全部射孔层段压开或者直至注入压力达到套管允许的最大压力为止。,限流法分层压裂技术,限流压裂法从施工角度讲比较方便简单，对于处理多层和薄层很有成效，虽然有时水功率费用较高，但由于能在一次施工中压开多层，总的压裂成本仍较低。对于厚层，配合采用堵塞球法更为有效,。,填砂法压裂技术,填砂法是先射开最下部生产层段，压裂后用冲洗液将砂子送到井底形成砂柱封堵，重复上述过程，到全部层段选择性压裂结束为止。最后利用在井场的压裂车将砂子从井内反循环带出。,填砂法压裂技术,这种方法一是射开一层压裂一层，再射开一层再压裂一层。另一种不同的方法是一开始便射开全部层段，封隔器坐在最底部油层的上部进行压裂，然后用砂柱封堵，再将封隔器提到上一层的上部，重复这一过程即可压开全部层段，最后通过反循环把砂柱冲出,。,氮气压裂技术,在某些特殊地层，例如压力低（以下）、渗透率小（以内）、孔隙度低（以下）、泥质含量高、含有天然裂缝的致密地层，不注支撑剂仅用氮气作为压裂液会得到很好的效果。,氮气压裂前，一般常要借助于酸化手段清洗射孔孔眼，酸处理后，接着以小排量注氮气破裂地层，当施工压力稳定后，再提高排量以延伸扩展裂缝。,氮气压裂技术,与普通压裂相比，氮气压裂具有许多优点：,（）,没污染,。氮气相对来讲具有可压缩性并且难溶解，所以对水敏性地层几乎没有污染。由于在氮气压裂中不需要使用降滤剂，所以也不会降低地层流体向井底的流动能力。此外，由于氮气的流动性好，因此可以有效地连通地层中的天然裂缝系统。,氮气压裂技术,注入液体在地层中的停留时间越长，对地层造成的污染越严重，对于水敏性地层尤其如此。使用氮气压裂，,不需要高成本的返排抽汲装置,，,氮气压裂实际上最大限度地消除了污染问题，,一旦施工结束，注入气体即可马上排出。,（）成本低。氮气压裂与普通压裂相比成本要低得多，一次氮气压裂的费用大约是普通压裂的四分之一，有时一口井压裂后，几星期的生产利润即可抵消施工成本。,控缝高压裂技术,水力压裂时，若裂缝向产层上、下无限制的延伸，进而造成压裂后产量低、递减快、增产有效期短，大大影响了增产增注效果。对于存在底水或气顶的油藏，裂缝高度无控制延伸，容易压穿气顶或含水层，造成大量出水出气。如果裂缝穿入产层上下的非油气层段，造缝长度相应地要减小，供油气流动的有效裂缝面积极为有限，同时大量的压裂液和支撑剂都消耗在产层以外的裂缝中。,控缝高压裂技术,控缝高压裂技术就是通过,上浮式和下沉式导向剂,在裂缝的顶部和底部形成人工遮挡层，阻止裂缝中的压力向上下传播，继而达到控制裂缝在高度方向上进一步延伸的目的。,端部脱砂压裂技术,端部脱砂压裂的目的是达到超高导流能力以解决高渗透油气层的稀井高产、少投入多产出的经济优化开发问题,，端部脱砂将使裂缝中的砂浓度面积浓度比常规提高倍以上，导流能力由常规的数十,提高到数百,以上。,形成超高导流能力除了提高缝中的砂浓度外，压开超宽裂缝也是主要技术关键。,端部脱砂压裂技术,端部脱砂压裂技术要点,：,从理论上讲，前置液应在施工结束时正好从裂缝中全部滤失完毕，携砂液恰好达到裂缝最前缘即裂缝端部，这时将在裂缝端部附近脱砂产生桥塞，裂缝中的净压力因此而急剧升高。这在常规施工中是力求避免的，但它正是端部脱砂压裂技术的理论依据,。,端部脱砂压裂技术,净压力的升高将迫使裂缝在宽度方向进一步扩展,，端部脱砂压裂造成的缝宽可以将常规,几个毫米的支撑缝宽增至十到二十甚至更大,，使裂缝中的面积浓度比常规提高倍以上，因此，与常规相比，必须将地面砂比提高倍以上。端部脱砂压裂技术使净压力有控制地升高而增加缝宽，,在端部脱砂产生支撑剂桥塞的条件下继续泵注高砂比的混砂液,，这时支撑剂由裂缝端部向井筒方向回填至缝口，形成超高导流能力的裂缝。,