人工應(yīng)力遮擋作用下水力壓裂縫高控制機理與設(shè)計方法研究

1、.人工應(yīng)力遮擋作用下水力壓裂縫高控制機理與設(shè)計方法研究 中國石油大學（華東） 博士學位論文 姓名：俞然剛 申請學位級別：博士 專業(yè)：機械設(shè)計及理論 指導教師：閆相禎;馬利成 20080401 摘要 在控制水力壓裂裂縫高度增長的各種方法中，人工應(yīng)力遮擋控制縫高技術(shù)效果較好，應(yīng)用廣泛。鑒于目前人工應(yīng)力遮擋控制縫高技術(shù)的研究主要是其基本原理的定性分析和現(xiàn)場工藝優(yōu)化，而沒有進行系統(tǒng)的理論分析，所以有必要對其進行系統(tǒng)的實驗研究、機理分析和設(shè)計方法研究。 論文從斷裂力學和滲流力學角度對常規(guī)水力壓裂縫高控制及設(shè)計方法進行了分析，主要涉及水力壓裂裂縫模型、水力壓裂裂縫開裂準則、縫內(nèi)流體流動規(guī)律、裂縫擴展方程等

2、；同時從巖石物質(zhì)特性、施工參數(shù)和地層應(yīng)力幾個方面對影響壓裂縫高的因素和控制方法進行了分析，對論文的研究有重要的指導和借鑒作用。 鑒于目前充填轉(zhuǎn)向劑形成人工隔層的實驗研究，主要集中在是壓裂施工的現(xiàn)場監(jiān)控分析上，室內(nèi)實驗?zāi)M主要集中在攜帶液和導向劑的最優(yōu)組合、轉(zhuǎn)向劑的物化性能、阻流性能、導流能力的研究方面，而對于一定濃度的轉(zhuǎn)向劑對裂縫擴展應(yīng)力的影響，攜帶液在地層中滲流量及與地層壓差的經(jīng)時變化對裂縫擴展能力的影響還存在空白。 由于目前測試手段的局限性，直接測試裂縫尖端的受力狀態(tài)非常困難，論文采用實驗與有限元計算相結(jié)合的方法，首次系統(tǒng)地分析了轉(zhuǎn)向劑建立人工應(yīng)力遮擋的作用過程與作用效果：在轉(zhuǎn)向劑濃度一定

3、的條件下，滲流量越大裂縫處應(yīng)力值變化越大，但隨著滲流量的繼續(xù)增加，裂縫應(yīng)力值的變化越來越小，應(yīng)有一合理滲流量；裂縫處應(yīng)力隨壓差增加而增加，基本為線性關(guān)系，壓差越大轉(zhuǎn)向劑對裂縫處應(yīng)力值影響越大；采用轉(zhuǎn)向劑可以建立的人工應(yīng)力遮檔；采用人工應(yīng)力遮擋進行壓裂施工時，還應(yīng)注意優(yōu)化壓裂設(shè)計，合理確定轉(zhuǎn)向劑攜帶液的濃度、排量、施工泵壓等參數(shù)。 論文實驗方法可應(yīng)用于對轉(zhuǎn)向劑材料的篩選、評價及轉(zhuǎn)向劑與巖石的適應(yīng)性分析，指導轉(zhuǎn)向劑材料的研究與生產(chǎn)。 由于目前還沒有系統(tǒng)的人工隔層形成機理，而人工隔層形成機理是研究轉(zhuǎn)向劑控縫高機理、現(xiàn)場操作程序、轉(zhuǎn)向劑控縫高效果預(yù)測的基礎(chǔ)，論文考慮壓裂液在裂縫中運移的相對有序性，描述

4、了充填轉(zhuǎn)向劑形成人工隔層的基本過程，在考慮原地應(yīng)力和地層濾失剖面變化的基礎(chǔ)上，通過耦合計算，確定了轉(zhuǎn)向劑濃度、粒徑大小、轉(zhuǎn)向劑密度、流體粘度、注入速率、泵注排量等設(shè)計參數(shù)對人工遮擋效果的影響；提出了實際水力壓裂中人工隔層控制縫高技術(shù)中轉(zhuǎn)向劑的性能要求、施工要點及基本工藝過程。根據(jù)料漿沉降原理，建立了轉(zhuǎn)向劑的沉降一成層數(shù)學模型，實際生產(chǎn)中可以結(jié)合實 驗計算轉(zhuǎn)向劑的實際沉降速度，確定轉(zhuǎn)向劑的沉降成層規(guī)律，更好的控制加液時，為保證形成有效、密實的低滲透遮擋層提供理論依據(jù)。 在人工隔層控縫高線彈性斷裂力學分析中，改進了的線彈性斷裂力學模型，得到了縫內(nèi)壓力與裂縫延伸進入隔層深度的關(guān)系式，計算分析認為：隨

5、著隔層與產(chǎn)層水平地應(yīng)力差的增大，水力裂縫延伸進入隔層同樣的深度所需的縫內(nèi)液壓越來越大；在隔層與產(chǎn)層水平地應(yīng)力差一定的情況下，通過控制縫內(nèi)液壓，可控制裂縫延伸進入隔層的深度；如果隔層與產(chǎn)層的水平地應(yīng)力差較小，只需稍微增加縫內(nèi)壓差，就可能導致裂縫延伸進入隔層深度的急劇增大；人工隔層產(chǎn)生的壓降，可減小裂縫尖端處的裂縫延伸壓力，達到控制裂縫高度的目的。 在人工隔層控縫高滲流力學分析中，借鑒了脫砂壓裂技術(shù)的相關(guān)思想、方法，通過對水力裂縫端部區(qū)域的滲流場分析，認為人工隔層對裂縫擴展的控制作用主要體現(xiàn)在其對縫內(nèi)壓裂液的阻流作用上，這種阻流作用的大小和人工隔層的物性及壓裂液性能有密切關(guān)系。 根據(jù)定律、流體流動

6、的連續(xù)性方程結(jié)合轉(zhuǎn)向劑沉降成層數(shù)學表達式，提出了轉(zhuǎn)向劑形成人工應(yīng)力遮擋的數(shù)學表達式：即遮擋層形成的壓力降與攜帶液的濾失速度、遮擋層厚度、攜帶液的粘度成正比，與遮擋層的滲透率成反比，并且隨著縫內(nèi)壓力的增大，遮擋層形成的壓力降變的更大。該表達式可定量確定轉(zhuǎn)向劑形成人工遮擋層作用效果的大小，結(jié)合縫高計算公式，可對水利壓裂裂縫高度進行預(yù)測。 論文提出了人工隔層控制縫高的設(shè)計方法，在設(shè)計中不僅需要清楚地層豎向地應(yīng)力剖面，還要考慮裂縫延伸與施工排量、流體粘度、砂比、支撐劑顆粒大小和比重的關(guān)系，三維壓裂軟件可以預(yù)測裂縫高度增長速率、裂縫擴展、泵送時間和注入液體體積的關(guān)系，在壓裂設(shè)計中應(yīng)根據(jù)各因素之間的關(guān)系，

7、確定合適的作業(yè)程序和作業(yè)規(guī)模。關(guān)鍵詞：水力壓裂；縫高控制；人工應(yīng)力遮擋；轉(zhuǎn)向劑；機理分析；設(shè)計方法 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，一， ： ， 主要符號表 彳一滲流面積，： 口一破裂面法向與最大主應(yīng)力方向夾角，。；一壓裂液綜合濾失系數(shù)，無量綱；。一空心玻璃微珠砂比，無量綱；明一上隔層鈍化系數(shù)，無量綱；一下隔層鈍化系數(shù)，無量綱；一孔眼直徑，； 。一顆粒直徑，； 一儲層巖石彈性模量，； 毛一油層彈性模量，； 廓。一上隔層彈性模量，； 耳：一下隔層彈性模量，； 一巖石剪切模量，； 一流體重力梯度，； 原地應(yīng)力梯度，； 日一裂縫高度，； 風一油層厚度，； 目一油層中部深度，； 兒一隔層與油

8、層交界處深度，；矗一壓入上隔層的深度，； 鬼一壓入下隔層的深度，； 一縫內(nèi)轉(zhuǎn)向液高度，； 。一上遮擋層與產(chǎn)層間的地應(yīng)力差，；。一下遮擋層與產(chǎn)層間的地應(yīng)力差，；一應(yīng)力強度因子，一；，一斷裂韌性，一； 腳一油層斷裂韌度，； 群一裂縫上尖端材料的斷裂韌性，；之一裂縫下尖端材料的斷裂韌性，瞳；一壓裂液稠度系數(shù)，“； 遮擋層的滲透率，； 三。一人工隔層在縫長方向上的長度，；以一壓裂液流態(tài)指數(shù)，無量綱； 一流體壓力，； 裂縫延伸的臨界壓力，： 一縫內(nèi)液壓，； 一縫內(nèi)靜壓力，； 蘆加一產(chǎn)層中部流體壓力，； 一施工排量，； 如一前置液中各點注液排量，；一攜砂液中各點注液排量，； 。 一沿縫長的壓裂液體積流量，

9、： 吼一壓裂液在單位縫長上的體積濾失速度，；，一上隔層與油層的韌度比，無量綱；：一下隔層與油層的韌度比，無量綱；一裂縫半徑，； 。一儲層巖石最小水平主應(yīng)力，； 墨一孔壁處的徑向應(yīng)力，； 足一孔壁處的切向應(yīng)力，； 芝一孔壁處的軸向應(yīng)力，； 品一最大水平地應(yīng)力，；一最小水平地應(yīng)力，； 鼠一垂直地應(yīng)力，； 一巖石的單軸抗拉強度，； 一剪切破裂面上的法向應(yīng)力，；：一干擾下沉降速度，； ”自由沉降速度，； “，一攜帶液的濾失速率，； 一液體在裂縫中的速度，； ；一液體在裂縫中的平均速度，；，。一轉(zhuǎn)向劑顆粒沉降勻速，； 一轉(zhuǎn)向液的總體積流量，； 圪一濾層沉積體積，； 一攜帶液濾失體積，； 一縫寬，； 一人

10、工隔層的平均縫寬，； 一濾層厚度，； 時刻濾層的厚度，； 一縫高剖面上裂縫中心距產(chǎn)層中心距離，；一濾層空隙率，無量綱； ，一裂縫處應(yīng)變，無量綱； 毛一裂縫附近上表面應(yīng)變，無量綱； ，一裂縫處應(yīng)變，無量綱； 矽一人工隔層孔隙度，無量綱； 一儲層巖石泊松比，無量綱； 一剪切速率，； 一轉(zhuǎn)向劑體積濃度，； 一轉(zhuǎn)向液粘度，；¨一油層泊松比，無量綱； 一遮擋層泊松比，無量綱； 口一（，臼）點與最大水平主應(yīng)力方向的夾角，：一液體密度，； 。一轉(zhuǎn)向劑顆粒密度，； 一轉(zhuǎn)向液的密度，； 攜砂液體積密度，； 一最大有效拉應(yīng)力，； 周向應(yīng)力，； 仃，一徑向應(yīng)力，； 吼一垂直于裂縫面的地應(yīng)力，；盯，一裂縫處

11、應(yīng)力，； 仃。缸一地層最小水平主應(yīng)力，；正一巖石的抗張強度，； 瓦一產(chǎn)層中部的原地應(yīng)力，；剪切應(yīng)力，； 一剪切應(yīng)力，； 萬一常數(shù)，無量綱； 一遮擋層形成的壓降，；一濾失時間，； 關(guān)于學位論文的獨創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在指導教師指導下獨立進行研究工作所取得的成果，論文中有關(guān)資料和數(shù)據(jù)是實事求是的。盡我所知，除文中已經(jīng)加以標注和致謝外，本論文不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含本人或他人為獲得中國石油大學（華東）或其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對研究所做的任何貢獻均已在論文中作出了明確的說明。 若有不實之處，本人愿意承擔相關(guān)法律責任。

12、學位論文作者簽名：日期：上。擴年多月之日 學位論文使用授權(quán)書 本人完全同意中國石油大學（華東）有權(quán)使用本學位論文（包括但不限于其印刷版和電子版），使用方式包括但不限于：保留學位論文，按規(guī)定向國家有關(guān)部門（機構(gòu)）送交學位論文，以學術(shù)交流為目的贈送和交換學位論文，允許學位論文被查閱、借閱和復印，將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，采用影印、縮印或其他復制手段保存學位論文。 保密學位論文在解密后的使用授權(quán)同上。 學位論文作者簽名：日期：。年月莎日指剝讎：國塑盤壘吼們多月鄉(xiāng)日 論文創(chuàng)新點摘要 鑒于目前充填轉(zhuǎn)向劑形成人工隔層的實驗研究，對于一定濃度的轉(zhuǎn)向劑對裂縫擴展應(yīng)力的影響，攜帶液在地層

13、中滲流量及與地層壓差的經(jīng)時變化對裂縫擴展能力的影響還存在空白，而由于目前測試手段的局限性，直接測試裂縫尖端的受力狀態(tài)非常困難，論文采用實驗與有限元計算相結(jié)合的方法，首次系統(tǒng)地分析了轉(zhuǎn)向劑建立人工應(yīng)力遮擋的作用過程與作用效果。實驗方法還可應(yīng)用于對轉(zhuǎn)向劑材料的篩選、評價及轉(zhuǎn)向劑與巖石的適應(yīng)性分析，指導轉(zhuǎn)向劑材料的研究與生產(chǎn)。 根據(jù)料漿沉降原理，建立了轉(zhuǎn)向劑的沉降一成層數(shù)學模型，實際生產(chǎn)中可以結(jié)合實驗計算轉(zhuǎn)向劑的實際沉降速度，確定轉(zhuǎn)向劑的沉降成層規(guī)律，更好的控制加液時間，為保證形成有效、密實的低滲透遮擋層提供理論依據(jù)。 根據(jù)定律、流體流動的連續(xù)性方程結(jié)合轉(zhuǎn)向劑沉降一成層數(shù)學表達式，提出了轉(zhuǎn)向劑形成人

14、工遮擋應(yīng)力的數(shù)學表達式，可定量確定轉(zhuǎn)向劑形成人工遮擋層作用效果的大小，結(jié)合縫高計算公式，可對水利壓裂裂縫高度進行預(yù)測，以進一步指導壓裂設(shè)計，保證現(xiàn)場施工工藝的可靠實施。 在人工隔層控縫高線彈性斷裂力學分析中，改進了的線彈性斷裂力學模型，得到了縫內(nèi)壓力與裂縫延伸進入隔層深度的關(guān)系式，計算分析認為：隨著隔層與產(chǎn)層水平地應(yīng)力差的增大，水力裂縫延伸進入隔層同樣的深度所需的縫內(nèi)液壓越來越大；在隔層與產(chǎn)層水平地應(yīng)力差一定的情況下，通過控制縫內(nèi)液壓，可控制裂縫延伸進入隔層的深度；如果隔層與產(chǎn)層的水平地應(yīng)力差較小，只需稍微增加縫內(nèi)壓差，就可能導致裂縫延伸進入隔層深度的急劇增大；人工隔層產(chǎn)生的壓降，可減小裂縫尖

15、端處的裂縫延伸壓力，達到控制裂縫高度的目的。 中國石油大學（華東）博士學位論文 第章前言 ，課題背景 本課題依托中石化勝利油田有限公司重點科技攻關(guān)項目“低滲透油藏整體改造技術(shù)研究”，主要進行人工應(yīng)力遮擋作用下水力壓裂縫高控制的機理與設(shè)計方法研究。 水力壓裂是近幾十年新興的一項現(xiàn)代技術(shù)，它的實質(zhì)在于通過從地層鉆孔，向被壓目的層注入高壓流體而誘發(fā)孔周圍產(chǎn)生人工裂縫。作為一種經(jīng)濟可靠、在地下產(chǎn)生大面積人工裂縫的地層改造技術(shù)，其廣泛應(yīng)用于低滲透油氣田的勘探、開發(fā)及其它工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。 油層水力壓裂是通過地面高壓泵組將粘性流體以超過地層吸收能力的排量經(jīng)井筒注入地層，當壓力達到地層破裂壓力時，井壁巖石發(fā)生破

16、裂，繼續(xù)泵入液體，裂縫不斷延伸，同時，壓裂液將支撐劑帶入裂縫，停泵后可在地層中形成具有一定長度、寬度和高度的填砂裂縫。 由于壓裂形成的裂縫具有很高的導流能力，能有效地改善油氣層的滲流條件，降低流體滲流阻力，從而可以大幅度提高油、氣井產(chǎn)量或水井吸水能力，達到增產(chǎn)增注的目的。此外，通過水力壓裂還可使某些原來沒有工業(yè)開采價值的油氣田成為具有相當開采儲量的油氣田。 在水力壓裂中，如何控制裂縫高度的增長，是較棘手的問題。當油層很薄或上下蓋層為弱應(yīng)力層時，垂直裂縫過度向上或向下延伸，就會穿透產(chǎn)層進入蓋層、底層，同時縫高過大，會阻礙縫長的延伸，影響壓裂液效率，進而影響壓裂效果?？p高過大可能會導致壓后裂縫完全

17、失效，或壓開水層，引起油井含水暴增，縫高過大也會浪費壓裂液和支撐劑，所以將縫高盡量控制在產(chǎn)層內(nèi)是壓裂成功的關(guān)鍵因素之一。 近年來，國內(nèi)外的工程技術(shù)人員在這方面進行了很多研究工作，特別是美國在世紀年代發(fā)明的幾項縫高控制技術(shù)在油田得到廣泛應(yīng)用，而且效果很好。 （）常規(guī)裂縫高度控制技術(shù)【】 控制裂縫高度的垂向延伸最根本的問題在于準確了解產(chǎn)層和遮擋層之間的地應(yīng)力差，合理選擇壓裂設(shè)計參數(shù)。常規(guī)控制裂縫高度技術(shù)就是通過選擇產(chǎn)層，利用產(chǎn)層上下的致密遮擋層、控制施工排量、壓裂液粘度與密度來控制裂縫高度，這種方法簡便易行，但推廣應(yīng)用有一定的局限性。 利用泥質(zhì)遮擋層控制裂縫高度根據(jù)大量現(xiàn)場資料統(tǒng)計和室內(nèi)研究，利用

18、泥質(zhì)遮擋層控制裂縫高度一般應(yīng)具備以下兩 第章前言 個條件：對于常規(guī)作業(yè)，在砂巖油氣層上下的泥質(zhì)遮擋層厚度一般應(yīng)不小于；上下遮擋層地應(yīng)力高于油氣層地應(yīng)力時更為有利。遮擋層厚度可以利用測井曲線確定，油氣層和遮擋層地應(yīng)力值則可以通過小型壓裂測試、聲波和密度測井或巖心試驗取得。 利用施工排量控制裂縫高度 施工排量越大，裂縫越高。不同地區(qū)由于地層情況不同，施工排量對裂縫高度地影響也不相同。美國棉谷地區(qū)通過壓裂后測井溫，總結(jié)出施工排量與裂縫高度有如下關(guān)系： ×（） 式中：日裂縫高度，；施工排量，；自然對數(shù)的底。 為了避免裂縫過高，一般應(yīng)將施工排量控制在以內(nèi)。 利用壓裂液粘度和密度控制裂縫高度 在

19、其它參數(shù)相同的情況下，壓裂液粘度越大，裂縫越高。目前尚沒有定量關(guān)系。一般認為，壓裂液在裂縫內(nèi)的粘度保持在，較合適。 利用壓裂液密度控制裂縫高度，主要是通過控制壓裂液中垂向壓力的分布來實現(xiàn)。若要裂縫向下延伸，應(yīng)采用密度較高的壓裂液；若要裂縫向上延伸，則應(yīng)采用密度較低的壓裂液。 （）冷水水力壓裂控制縫高【 作用機理 通過向溫度較高的地層注入冷水，使地層產(chǎn)生彈性回縮，降低地層應(yīng)力，把裂縫高度控制在產(chǎn)層范圍內(nèi)。 壓裂工藝 在低于地層破裂壓力的條件下，向地層注入冷水預(yù)冷地層：提高排量和壓力，使壓力僅大于被冷卻區(qū)水平應(yīng)力，在冷卻區(qū)內(nèi)壓開一條裂縫；控制排量和壓力，注入含高濃度降濾劑的冷水前置液延伸裂縫；注入

20、低溫粘性攜砂液支撐裂縫，完成壓裂全過程。 應(yīng)用范圍 冷水水力壓裂技術(shù)主要用于以下幾類油氣層：產(chǎn)層不存在清水傷害問題；膠結(jié)性較差的地層：用常規(guī)水力壓裂技術(shù)難以控制裂縫延伸方向的油氣層。 （）建立人工遮擋層控制縫高 由于地下物質(zhì)特性、地層應(yīng)力差及斷裂韌性不同，垂直裂縫高度不同程度地受到遏止。限制裂縫垂向增長的實質(zhì)性機理是使流體進入狹窄的上下裂縫末梢時受到阻抗。這種控制方法主要是根據(jù)地層條件，注入上浮或下沉轉(zhuǎn)向劑對垂向裂縫端進行封堵，形成人工遮擋 中國石油大學（華東）博二學位論文 層，控制裂縫垂向延伸。 裂縫能否上下延伸穿透界面進入蓋層、底層與許多因素有關(guān)，如地層應(yīng)力差，巖石物質(zhì)特性，裂縫上下末端阻

21、抗值、壓裂參數(shù)等。其中，地層應(yīng)力差及巖石物質(zhì)特性都由地質(zhì)結(jié)構(gòu)本身所決定，不易改變；但裂縫上下末端阻抗值可以通過在壓裂攜帶液中添加轉(zhuǎn)向劑，將裂縫尖角鈍化，制造人工遮擋層的措施來改變，同時控制壓裂其它參數(shù)，達到遏制裂縫縱向增長，提高壓裂效率，促進裂縫水平方向擴展的目的。 因此，深入研究裂縫垂向延伸機理，正確判斷裂縫能否進入上下遮擋層，研究和實施新的有效縫高控制技術(shù)，選擇合理的施工參數(shù)，對于壓裂作業(yè)的成功是十分重要的。課題的研究意義 水力壓裂技術(shù)作為油水井增產(chǎn)增注的主要措施，已廣泛應(yīng)用于低滲透油氣田的開發(fā)中，通過水力壓裂可改善井底附近的滲流條件，提高油井產(chǎn)能。 油藏滲流規(guī)律的研究表明，受儲層非均質(zhì)性

22、及微裂縫的影響，巖石應(yīng)力狀態(tài)、物理力學參數(shù)、壓裂參數(shù)、蓋底層厚度、地層流體特性、射孔厚度和位置、地應(yīng)力場和溫度場的改變等均影響裂縫的延伸，裂縫高度隨施工時間增加，沿裂縫長度逐漸減小，整體壓裂方案的優(yōu)化對于改善油藏的開發(fā)效果和提高采收率有著重要的影響。 在新井壓裂和重復壓裂中，當水力壓裂所形成的裂縫是垂直裂縫時，如果產(chǎn)層較薄或隔層條件比較差，壓裂裂縫就不能被完全地控制在生產(chǎn)層內(nèi)，實際的裂縫高度大于油層厚度，大大降低了壓裂液的效率，會造成壓后產(chǎn)量低、遞減快、有效期短，從而影響壓裂施工效果；這種過度的垂向延伸不但會導致施工時過早脫砂，阻礙裂縫按要求在水平方向延伸；而且當鄰層為水層時，不僅起不到預(yù)期的

23、增產(chǎn)效果，還會引起含水暴漲；對于存在氣頂?shù)挠筒?，也同樣存在引氣入井的危險；裂縫在垂直方向的過分延伸，勢必導致裂縫沿水平方向延伸的縮短，在這種情況下，要使裂縫長度達到設(shè)計的縫長，就必須增加壓裂液和支撐劑的用量，從而提高壓裂施工的成本，降低增產(chǎn)效果，因此需要盡可能將裂縫高度控制在生產(chǎn)層內(nèi)。 常規(guī)控制縫高的技術(shù)一般采用控制射孔位置，優(yōu)選壓裂參數(shù)（如排量、壓裂液粘度、支撐劑加入量等）來防止縫高延伸，但由于地應(yīng)力的影響，有時仍不能有效地控制縫高的延伸。其中地層應(yīng)力差及巖石物質(zhì)特性都由地質(zhì)結(jié)構(gòu)本身所決定，不易改變，而裂縫上下末端阻抗值和壓裂參數(shù)可以改變，所以采用人工控制縫高技術(shù)，深入研究裂縫高度控制機理，

24、合理選擇施工參數(shù)和工藝，最大限度的控制裂縫垂向延伸是水力壓裂能否成功的關(guān)鍵問題之一，也是現(xiàn)代壓裂技術(shù)新的發(fā)展方向。 第章前言 裂縫上下末端阻抗值的改變是在攜帶液中加入轉(zhuǎn)向劑，轉(zhuǎn)向劑上浮或下沉聚集在新生裂縫的頂部或底部，形成較密實的低滲區(qū)，從而增加裂縫末端阻抗值，將裂縫尖端鈍化，阻擋縫內(nèi)流體壓力向上部、下部地層傳遞，轉(zhuǎn)向劑形成的人工應(yīng)力遮擋層可遏制裂縫縱向增長，提高壓裂效率，促進裂縫向水平方向擴展。 通過壓裂參數(shù)的優(yōu)化控制縫高，主要是在對地質(zhì)特征進行分析基礎(chǔ)上，優(yōu)選壓裂液和支撐劑，控制施工排量、砂比和泵送壓力。 為定量描述轉(zhuǎn)向荊的使用效果，確定合理的轉(zhuǎn)向劑的用量，指導壓裂設(shè)計，合理選擇施工工藝參

25、數(shù)，需要開展人工遮擋層控縫高技術(shù)研究。 因此，基于人工應(yīng)力遮擋作用，綜合考慮巖石物理力學參數(shù)、分層應(yīng)力、區(qū)塊應(yīng)力場、裂縫發(fā)育及壓裂參數(shù)等多重因素作用，研究人工應(yīng)力遮擋作用下水力壓裂縫高控制機理與設(shè)計方法具有重要意義。 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析 國外研究現(xiàn)狀 自認識水力裂縫三維延伸以來，各國學者開展了大量的研究工作，大力推動了縫高控制技術(shù)的發(fā)展。 年，等人首次提出利用人工遮擋層控制裂縫高度壓裂技術(shù)，即用性質(zhì)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向劑填充縫端來控制裂縫高度增長，這項技術(shù)可以防止裂縫穿透非生產(chǎn)層，如氣層、水層等，而在生產(chǎn)層形成最大的裂縫橫向延伸，并通過現(xiàn)場實踐證明了這項技術(shù)。從此，國內(nèi)外學者進行了大量卓有成效的研究，目前已

26、經(jīng)發(fā)展成為控制裂縫高度延伸的主力技術(shù)之一，并取得了成功的應(yīng)用。 年，】等人介紹了一些工程實例，通過有效的置入人工遮擋，增加了裂縫長度，大大改善了油氣產(chǎn)量。 年，】等人研究了人工遮擋層放置技術(shù)，通過大型壓裂軟件描述了裂縫越過遮擋層后裂縫三維幾何形狀的變化過程。等人從工藝角度探討了美國州中西部砂巖地層，控制裂縫高度的泵注程序。等人研究了探井中設(shè)計人工遮擋層控制裂縫高度。 年，等人對比了裂縫高度受到向上和向下全面遏制的一些壓裂井，與單一防止水力裂縫向上或向下伸展的壓裂方法相比有更大的優(yōu)越性，提出了一種名為的壓裂程序。 年，【】等人對一系列現(xiàn)場資料分析認為，綜合應(yīng)用各種裂縫高度控制技術(shù) 中國石油大學（

27、華東）博學位論文 能夠阻止裂縫突破進入鄰近的地層。 年，】等人討論了層增產(chǎn)措施的實施過程，通過應(yīng)力測試，表明正常施工措施下層下部的地層無法控制壓裂裂縫的延伸，為了消除裂縫向下的過度延伸，現(xiàn)場采用人工遮擋層技術(shù)起到了一定的效果。 羽，】等人提出了人工應(yīng)力遮擋控縫技術(shù)的基本原理：首先，裂縫的延伸主要在應(yīng)力薄弱的方向上，通過裂縫端部的壓裂液濾失，造成局部壓力增加，壓力逐漸超過地層中該點的極限破裂壓力而產(chǎn)生裂縫，并沿該方向向前延伸。如果加入轉(zhuǎn)向劑，使其沉積在裂縫上下端點，會阻止一部分壓裂液的濾失，形成阻抗值，即人為的增大了隔擋層的壓降，形成的阻抗值達到一定程度時，就能阻止裂縫在該方向上的延伸。其次，在

28、裂縫的近井地帶上下端部填充小粒徑轉(zhuǎn)向劑，減小了末稍處的流速，對垂向擴展壓力產(chǎn)生阻抗，而在水平方向上，則相對增加了產(chǎn)生層間滑動的可能性。轉(zhuǎn)向劑限制了壓裂液沿縱向的流速，在注入排量不變的情況下，相應(yīng)地增加了裂縫在寬度和長度方向上的擴展能力，裂縫在寬度方向上的擴展能力即轉(zhuǎn)化為增加層間滑動的能力。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 年，盧修峰網(wǎng)較為詳細地分析了垂直裂縫高度人工控制技術(shù)機理，認為在壓裂裂縫形成初期，填加轉(zhuǎn)向劑可以增大裂縫垂向末梢的阻抗值和假滑動效應(yīng)，即增大了裂縫尖端處斷裂韌性的鈍化系數(shù)，從而達到控制縫高的效果。 年，任書泉、劉蜀知【川等人闡述了其室內(nèi)模擬實驗研究成果，即裂縫上下所形成的人工遮擋層可將遮擋層段

29、的流壓降低，并采用了正交實驗設(shè)計方法對影響裂縫垂向延伸的不變和可變因素的影響進行了排序。 年，何岱海【】認為，可以利用“裝料沉積”來對轉(zhuǎn)向劑在裂縫中沉降輸送規(guī)律進行研究。 年，彭建成、陳樹【】等結(jié)合克拉瑪依油田八區(qū)的口井壓后增產(chǎn)結(jié)果進行分析，認為加上空心微珠上浮劑和粉砂下沉劑對控制裂縫垂向延伸具有較好的效果，并具有良好的經(jīng)濟效益。 年，魏斌】等認為轉(zhuǎn)向劑沉降后，在裂縫的底喬面橋架形成一個低滲透或不滲透的人工遮擋層。人工遮擋層有兩種作用：限制高壓流體的高壓向縫端傳遞和對攜帶液有轉(zhuǎn)向作用。 年，郭大立【】對控制裂縫高度的工藝技術(shù)進行了定量分析和數(shù)值模擬。對控制裂縫高度壓裂工藝進行了實驗研究，確定了

30、攜帶液和導向劑的最優(yōu)組合及其阻擋效果，提出 第章前言 了遮擋層壓力降與轉(zhuǎn)向劑砂比的擬合關(guān)系式： 矽：！一（） ×（一。） 式中：卸為遮擋層的壓力降；。為空心玻璃微珠砂比；口和為常數(shù)。其關(guān)系曲線呈形，先平緩、中間顯著、后面穩(wěn)定，阻擋效果隨導向劑砂比的增大而提高。 任占春【】【】結(jié)合勝利油田壓裂工藝，闡述了人工應(yīng)力遮擋縫高控制技術(shù)。劉德鑄、劉偉等【】結(jié)合現(xiàn)場工程應(yīng)用分別對浮式、沉式隔離劑物化性能、阻流性能、導流能力進行了研究。陳小新、魏英杰等結(jié)合中原油田地層特性，闡述了浮式轉(zhuǎn)向劑控制裂縫高度工藝技術(shù)。戴鳳春【】介紹了歡東油田井壓裂時，在攜帶液），沉降式轉(zhuǎn)向劑有效控制了裂縫垂向延伸。韓樹柏

31、【結(jié)合遼河油田重復壓裂工藝，給出了人工遮擋層控制縫高技術(shù)的工藝流程。龍毅介紹了蘇北低滲透油氣田采用轉(zhuǎn)向壓裂控縫技術(shù)的口井中，有口井取得了成功。張堅平【進行了沉式轉(zhuǎn)向劑（加量）對導流能力的影響試驗，認為轉(zhuǎn)向劑形成人工遮擋層性能較好。姚洪生對采用轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)的井壓后井溫測試曲線分析，得出轉(zhuǎn)向劑可以有效控制裂縫垂向延伸。張新華】介紹了利津油田采用的轉(zhuǎn)向壓裂工藝。 在產(chǎn)品上，勝利油田在年研制了固相轉(zhuǎn)向劑，在我國各大油田應(yīng)用效果良好，在年又開發(fā)新型的油溶性液態(tài)轉(zhuǎn)向劑，克服了固相轉(zhuǎn)向劑解堵困難的缺點，應(yīng)用效果較好。 研究現(xiàn)狀分析 經(jīng)過調(diào)查和分析國內(nèi)外大量有關(guān)壓裂縫高控制的技術(shù)資料，其研究主要基于以下幾個方

32、面： （）數(shù)學模型的優(yōu)化及壓裂設(shè)計軟件的發(fā)展 世紀年代初期以前，國內(nèi)外水力壓裂的施工設(shè)計都基于裂縫延伸的二維數(shù)學模型。在二維數(shù)學模型中，裂縫延伸過程中假設(shè)裂縫高度不變，可變量為寬度和長度，最常用的是，裂縫模型。 隨著生產(chǎn)的需要和技術(shù)的進步裂縫模型從二維發(fā)展到擬三維直至目前采用的全三維模型，目前擬三維模型和全三維模型在現(xiàn)場得到廣泛的應(yīng)用，主要用于現(xiàn)場各種不同的場合和條件，如裂縫在油層和具有地應(yīng)力差的相鄰層中的擴展分析，地應(yīng)力和靜水壓力梯度對控制裂縫垂向擴展的作用，停泵后裂縫的進一步擴展，從微型壓裂試驗中估計地層滲透性能，不同類型壓裂液交界面的位置變化以及支撐劑在縫內(nèi)的分布等。 中國石油大學（華東

33、）博士學位論文 （）裂縫開裂機理與壓裂工藝研究 在開裂機理中，國內(nèi)外學者進行了系統(tǒng)的研究。，等人認為，通過計算層狀巖層中的應(yīng)力強度因子可以判斷水力壓裂人工裂縫是否延伸進入隔層。所完成的室內(nèi)試驗結(jié)果表明：裂縫可以從強度大的巖石延伸進入強度小的巖石，而不能相反。胡永全采用正交分析方法較為全面地分析了各影響因素的關(guān)系。劉翔鶚用物理模擬試驗證明了巖石的泊松比、斷裂韌性都有影響裂縫垂向延伸的作用。陳治喜應(yīng)用了巖石力學的理論與方法，建立了層狀介質(zhì)中水力裂縫垂向擴展的數(shù)值模型。張保平應(yīng)用了理論得出了計算水平應(yīng)力的公式。劉澤凱等根據(jù)裂縫產(chǎn)狀和達西公式導出了裂縫增產(chǎn)效果預(yù)測公式。 夏惠芬、胡永全、盧修峰、陳治喜

34、、劉德鑄、俞紹誠、劉翔鶚等通過理論分析，張保平、魏斌等結(jié)合實驗，認為水力裂縫的垂向擴展是地層條件和作業(yè)條件耦合作用的結(jié)果，把影響裂縫垂向擴展的因素分為三類：巖石特性、施工參數(shù)和地層應(yīng)力，即產(chǎn)隔層間的原地應(yīng)力差、彈性模量差、斷裂韌性差、界面特性，縫中壓裂液壓力分布，壓裂液的流變性和粘度效應(yīng)，地層的非均質(zhì)性，天然裂縫以及壓裂液的濾失特性，壓裂液注入速度等。 （）轉(zhuǎn)向水力壓裂裂縫控制 從國外研究來看，給出了采用人工應(yīng)力遮擋縫高控制技術(shù)的基本原理；西南石油學院通過實驗方法取得了初步的研究成果，即在模擬地層壓裂的情況下，不同基液的攜帶液和不同濃度暫堵劑的混合液通過帶裂縫的人工巖心時，將在裂縫尖端形成阻擋

35、層。對比形成阻擋層前后的巖心滲透率就可以分析入工隔層的阻擋效果。何岱海作了隔離劑在裂縫中輸送規(guī)律研究。盧修峰認為填加轉(zhuǎn)向劑的作用機理是增大裂縫垂向末梢的阻抗值和假滑動效應(yīng)。 經(jīng)過國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析，目前，采用轉(zhuǎn)向劑建立人工應(yīng)力遮擋，進行水力壓裂縫高控制的研究有以下幾個特點： 人工遮擋層控制縫高基本原理的研究：，提出基本原理后，王鴻勛【，盧修峰【】，任占春】，【，魏斌【】主要進一步闡述了基本原理中人工遮擋層的兩種作用：限制高壓流體的高壓向縫端傳遞和對攜帶液有轉(zhuǎn)向作用。 目前還沒有對轉(zhuǎn)向劑的人工應(yīng)力遮擋作用建立物理力學模型。 實驗研究方面：，】主要通過壓裂施工現(xiàn)場監(jiān)控分析了人工遮擋層的作用；任書泉

36、、劉蜀知【闡述了其室內(nèi)模擬實驗研究成果，沒有給出具體的實驗方案和數(shù)據(jù)；郭大立【】主要是通過室內(nèi)試驗研究了攜帶液和導向劑的最優(yōu)組合；劉德 第章前言 鑄、劉偉等刀主要結(jié)合現(xiàn)場工程應(yīng)用分別對浮式、沉式隔離劑的物化性能、阻流性能、導流能力進行了室內(nèi)實驗研究；張堅平】進行了沉式轉(zhuǎn)向劑對導流能力影響的試驗研究。 對于不同性能、不同濃度的轉(zhuǎn)向劑對裂縫擴展應(yīng)力的影響，攜帶液在地層中滲流量及與地層壓差的經(jīng)時變化對裂縫擴展應(yīng)力的影響還沒有具體的文獻介紹。 轉(zhuǎn)向劑運移規(guī)律的研究：何岱?！刻岢隹梢岳谩把b料沉積對轉(zhuǎn)向劑在裂縫中沉降輸送規(guī)律進行研究；王鴻勛、郭大立】、李勇吲劭等主要對支撐劑的運移規(guī)律進行了研究。 目前對

37、轉(zhuǎn)向劑的沉降一成層規(guī)律還沒有文獻詳細介紹。 工程應(yīng)用方面：國內(nèi)外關(guān)于人工遮擋層的文獻（，【，彭建成【，陳小新【，戴風春【，龍毅【¨，姚洪生【，張新華【）中，一般先運用壓裂軟件進行模擬設(shè)計，結(jié)合工程實例利用壓裂后測試數(shù)據(jù)、壓裂前后的增產(chǎn)量等數(shù)據(jù)對人工遮擋層效果進行分析總結(jié)。 縫高計算理論：夏惠芬，胡永全【】，楊秀夫，陳治喜【】，李勇明【，紀祿軍【等都給出了水力壓裂裂縫高度計算公式；陳治喜【】，李勇明【考慮了流體重力分量，流動壓降等多重因素。但是對于考慮轉(zhuǎn)向劑作用的縫高計算模型還未見文獻報道。 綜上所述，在控制水力壓裂裂縫高度增長的各種方法中，人工應(yīng)力遮擋縫高控制技術(shù)效果較好，應(yīng)用廣泛。

38、鑒于目前人工應(yīng)力遮擋縫高控制技術(shù)的研究主要是其基本原理的定性分析和現(xiàn)場工藝優(yōu)化，系統(tǒng)的理論研究較少，因此，對基于人工應(yīng)力遮擋作用的縫高控制方法有必要進行系統(tǒng)的實驗研究、數(shù)值模擬與理論分析，以進一步指導壓裂設(shè)計及工藝生產(chǎn)。 研究內(nèi)容 （）開展室內(nèi)實驗，研究轉(zhuǎn)向劑形成人工應(yīng)力遮擋的作用效果：在系統(tǒng)分析國內(nèi)外人工遮擋層控制縫高技術(shù)原理、工藝的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)物理模擬實驗，研究不同性能、不同濃度的轉(zhuǎn)向劑對裂縫擴展應(yīng)力的影響，研究滲流量及與地層壓差的經(jīng)時變化對裂縫擴展應(yīng)力的影響。 （）轉(zhuǎn)向劑形成人工隔層機理分析：壓裂液在裂縫中運移的相對有序性，轉(zhuǎn)向劑的輸送規(guī)律（包括對牛頓流體和非牛頓流體轉(zhuǎn)向劑顆粒沉降原

39、理分析，影響轉(zhuǎn)向劑顆粒沉降的濃度、邊界、剪切速率等因素），裂縫中轉(zhuǎn)向劑的沉降過程，裂縫的閉合時間對轉(zhuǎn)向劑運移的影響，高轉(zhuǎn)向劑濃度對顆粒運移的影響；轉(zhuǎn)向劑充填形成有效應(yīng)力遮擋的臨界條件；轉(zhuǎn) 中國石油大學（華東）博上學位論文 向劑充填形成有效人工隔層的物質(zhì)基礎(chǔ)：轉(zhuǎn)向劑充填形成人工隔層技術(shù)與端部脫砂壓裂技術(shù)的相關(guān)性。 （）對轉(zhuǎn)向劑在裂縫中的運移沉降規(guī)律進行理論研究：根據(jù)流量平衡原理，建立裂縫中流體流動的連續(xù)性方程；綜合考慮轉(zhuǎn)向劑密度、直徑，壓裂液密度、粘度，裂縫寬度、裂縫壁面等多種影響因素】，運用固體顆粒在冪律性液體【】，【中的沉降規(guī)律，建立轉(zhuǎn)向劑沉降速度的數(shù)學物理模型。為壓裂工藝參數(shù)的選取提供依據(jù)

40、。 （）根據(jù)料漿的沉降原理】，【，建立轉(zhuǎn)向劑的沉降一成層數(shù)學模型；根據(jù)流體流動的連續(xù)性方程、達西定律結(jié)合建立的轉(zhuǎn)向劑沉降成層數(shù)學模型，提出遮擋層壓降的數(shù)學表達式，定量確定轉(zhuǎn)向劑形成人工遮擋層的作用效果。 （）根據(jù)垂向應(yīng)力剖面的地應(yīng)力大小分布，通過改變垂直于裂縫擴展方向的地應(yīng)力值，體現(xiàn)人工應(yīng)力遮當對水力壓裂裂縫尖端阻抗值的影響；通過改變巖石濾失系數(shù)體現(xiàn)轉(zhuǎn)向劑的應(yīng)用對地層濾失情況的影響；利用全三維軟件的普通壓裂模塊進行壓裂動態(tài)模擬，確定裂縫縫高的延伸情況。 （）工程實例應(yīng)用（驗證）。 第章水力壓裂縫高輯！制及設(shè)計方法分析 第章水力壓裂縫高控制及設(shè)計方法分析 鑒于目前充填轉(zhuǎn)向劑形成人工應(yīng)力遮擋，進行

41、縫高控制技術(shù)的研究主要是其基本原理的定性分析和現(xiàn)場工藝優(yōu)化，系統(tǒng)的理論研究較少，有必要進行系統(tǒng)的實驗研究、數(shù)值模擬與理論分析，以進一步指導壓裂設(shè)計及工藝生產(chǎn)。 而以常規(guī)水力壓裂縫高控制及設(shè)計方法為基礎(chǔ)，對其進行系統(tǒng)地總結(jié)分析，將對基于人工應(yīng)力遮擋作用的縫高控制機理及設(shè)計方法的研究有很大幫助和促進作用。 水力壓裂發(fā)展現(xiàn)狀 水力壓裂自年在美國試驗成功至今，已經(jīng)由簡單的低液量、低排量壓裂增產(chǎn)方法發(fā)展成為一項成熟的開采工藝技術(shù)。由年代的以解堵和增產(chǎn)為目的的水力壓裂發(fā)展到年代的“壓裂開采，即在部署開發(fā)井網(wǎng)前就考慮水力裂縫的方位、長度和導流能力等對油藏生產(chǎn)動態(tài)可能造成的影響，通過研究開發(fā)井網(wǎng)系統(tǒng)和水力裂縫

42、系統(tǒng)的優(yōu)化組合，獲得較高的經(jīng)濟效益和最終采收率。在此發(fā)展過程中，由于壓裂液和支撐劑、壓裂設(shè)計等方面的迅速發(fā)展，水力壓裂技術(shù)在縫高控制、端部脫砂壓裂和重復壓裂等方面都取得了較大的突破?，F(xiàn)在水力壓裂技術(shù)作為油水井增產(chǎn)增注的主要措施，已廣泛應(yīng)用于低滲透油氣田的開發(fā)中，通過水力壓裂改善了井底附近的滲流條件，提高了油井產(chǎn)能，在美國有的原油產(chǎn)量是通過壓裂獲得的。國內(nèi)低滲油田的產(chǎn)量和通過水力壓裂改造獲得的產(chǎn)量也在逐漸增加。當今，國際石油價格飆升，對水力壓裂技術(shù)的廣泛應(yīng)用和深入研究可望給石油工業(yè)注入新的活力，水力壓裂技術(shù)的最優(yōu)實施和關(guān)鍵性技術(shù)的突破，將給石油工業(yè)帶來不可估量的前景。 水力壓裂發(fā)展歷史 自從年月

43、世界第一口壓裂井在美國堪薩斯州大縣氣田井成功壓裂以來至今，已有近萬井次的壓裂作業(yè)。作為油井的主要增產(chǎn)措施正日益受到世界各國石油工作者的重視和關(guān)注，其發(fā)展過程大致可分以下幾個階段【了】 從淺層小型到深層大型壓裂 年之前，以研究適應(yīng)淺層的水平裂縫為主，這一時期我國主要以油井解堵為目的開展了小型壓裂試驗。年之后，隨著產(chǎn)層加深，以研究垂直裂縫為主，這一時期的壓裂目的是解堵和增產(chǎn)，通常稱之為常規(guī)壓裂。這一時期，我國進入工業(yè)性生產(chǎn)實用階段，發(fā)展了滑套式分層壓裂配套技術(shù)。，年，進入了改造致密氣層的大型水力壓裂時 中國石油大學（華東）博：學位論文 期，這一時期，我國在分層壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了適應(yīng)高含水量所

44、需的蠟球選擇性壓裂工藝，以及化學堵水與壓裂配套的綜合改造技術(shù)。 年至今，進入對低滲油藏改造時期。壓裂規(guī)模從加液量只有精確控制短小裂縫的小型壓裂到加液量，用砂量，裂縫長余米，耗資萬美元以上的大型水力壓裂。其工業(yè)技術(shù)在很多方面都得到了發(fā)展，除主要用于壓裂低滲透油層來提高原油和天然氣產(chǎn)量之外，水力壓裂還可用于包括水源井、注水井等輔助并。還可對二次采油方案的生產(chǎn)井和注水井進行壓裂；壓裂干熱巖層的生產(chǎn)井和注水井，可從干熱巖層中獲得地熱能量。在進行大型壓裂之前進行小型試驗壓裂，確定被壓裂層及周圍地層的應(yīng)力梯度。這一時期我國發(fā)展了適用于低滲透、薄油層多層改造的限流法完井壓裂和投球法多層壓裂技術(shù)。 優(yōu)化水力壓裂設(shè)計 世紀年代中期，我國開始了壓裂經(jīng)濟最優(yōu)化，即優(yōu)化水力壓裂設(shè)計。這項技術(shù)包括三個方面