采油工程6水力壓裂湯

1、第六章第六章水力壓裂技術(shù)水力壓裂技術(shù)主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：(4) (4) 壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)(1) (1) 造縫機(jī)理造縫機(jī)理(3) (3) 支撐劑支撐劑壓裂的定義：壓裂的定義： 用用壓力壓力將地層將地層壓開(kāi)壓開(kāi)一條或幾條水平的或垂直的一條或幾條水平的或垂直的裂縫裂縫，并用，并用支撐劑支撐劑將裂縫將裂縫支撐支撐起來(lái)，起來(lái)，減小減小油、氣、油、氣、水的水的流動(dòng)阻力流動(dòng)阻力，溝通油、氣、水的流動(dòng)通道，從而，溝通油、氣、水的流動(dòng)通道，從而達(dá)到達(dá)到增產(chǎn)增注增產(chǎn)增注的效果。的效果。壓裂的種類：壓裂的種類：( (根據(jù)造縫介質(zhì)不同根據(jù)造縫介質(zhì)不同) )干法壓裂干法壓裂 利用特定的發(fā)射藥或推進(jìn)劑在油氣井的目的利用特

2、定的發(fā)射藥或推進(jìn)劑在油氣井的目的層段高速燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體，壓裂地層形層段高速燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體，壓裂地層形成多條自井眼呈放射狀的徑向裂縫，清除油氣層成多條自井眼呈放射狀的徑向裂縫，清除油氣層污染及堵塞物，有效地降低表皮系數(shù)，從而達(dá)到污染及堵塞物，有效地降低表皮系數(shù)，從而達(dá)到油氣井增產(chǎn)的目的的一種工藝技術(shù)。油氣井增產(chǎn)的目的的一種工藝技術(shù)。 利用地面高壓泵組，將利用地面高壓泵組，將高粘液體高粘液體以大大超過(guò)地層吸收能力以大大超過(guò)地層吸收能力的排量的排量注入井中注入井中，在井底，在井底憋起高壓憋起高壓；當(dāng)此；當(dāng)此壓力大于壓力大于井壁附近的井壁附近的地應(yīng)力地應(yīng)力和和地層巖石抗張強(qiáng)度地層巖石抗

3、張強(qiáng)度時(shí)，在井底附近地層時(shí)，在井底附近地層產(chǎn)生裂縫產(chǎn)生裂縫；繼；繼續(xù)續(xù)注入帶有支撐劑的攜砂液注入帶有支撐劑的攜砂液，裂縫向前延伸并，裂縫向前延伸并填以支撐劑填以支撐劑，關(guān)，關(guān)井后裂縫閉合在井后裂縫閉合在支撐劑上支撐劑上，從而在井底附近地層內(nèi)形成具有，從而在井底附近地層內(nèi)形成具有一一定幾何尺寸和導(dǎo)流能力的填砂裂縫定幾何尺寸和導(dǎo)流能力的填砂裂縫，使井達(dá)到增產(chǎn)增注目的工，使井達(dá)到增產(chǎn)增注目的工藝措施。藝措施。水力壓裂：水力壓裂： 利用利用100%100%的液體二氧化碳和石英砂進(jìn)行壓裂，無(wú)水無(wú)任何的液體二氧化碳和石英砂進(jìn)行壓裂，無(wú)水無(wú)任何添加劑，壓后壓裂液幾乎完全排出地層，可避免地層傷害。其添加劑，壓

4、后壓裂液幾乎完全排出地層，可避免地層傷害。其關(guān)鍵技術(shù)是混合砂子進(jìn)入液體二氧化碳中的二氧化碳混合器。關(guān)鍵技術(shù)是混合砂子進(jìn)入液體二氧化碳中的二氧化碳混合器。適用于對(duì)驅(qū)替液、凍膠或表面活性劑的傷害敏感的地層，適合適用于對(duì)驅(qū)替液、凍膠或表面活性劑的傷害敏感的地層，適合的儲(chǔ)層包括滲水層、低壓層及有微粒運(yùn)移的儲(chǔ)層以及水敏性儲(chǔ)的儲(chǔ)層包括滲水層、低壓層及有微粒運(yùn)移的儲(chǔ)層以及水敏性儲(chǔ)層。層。高能氣體壓裂高能氣體壓裂(2) (2) 降低了井底附近地層中流體的滲流阻力：降低了井底附近地層中流體的滲流阻力：裂縫內(nèi)流體裂縫內(nèi)流體流動(dòng)阻力小。流動(dòng)阻力小。水力壓裂增產(chǎn)增注的原理水力壓裂增產(chǎn)增注的原理: :(1) (1) 改

5、變流體的滲流狀態(tài)：改變流體的滲流狀態(tài)：使原來(lái)徑向流動(dòng)改變?yōu)橛蛯优c使原來(lái)徑向流動(dòng)改變?yōu)橛蛯优c裂縫近似的單向流動(dòng)和裂縫與井筒間的單向流動(dòng)，消除了裂縫近似的單向流動(dòng)和裂縫與井筒間的單向流動(dòng)，消除了徑向節(jié)流損失，降低了能量消耗。徑向節(jié)流損失，降低了能量消耗。水力壓裂的工藝過(guò)程：水力壓裂的工藝過(guò)程：憋壓憋壓造縫造縫裂縫延伸裂縫延伸充填支撐劑充填支撐劑裂縫閉合裂縫閉合壓裂液壓裂液攜砂液攜砂液支撐裂縫支撐裂縫動(dòng)態(tài)裂縫動(dòng)態(tài)裂縫水力壓裂工藝過(guò)程水力壓裂工藝過(guò)程第一節(jié)第一節(jié) 造縫機(jī)理造縫機(jī)理裂縫形成條件裂縫形成條件裂縫的形態(tài)裂縫的形態(tài)裂縫的方位裂縫的方位井網(wǎng)部署井網(wǎng)部署提高采油速度提高采油速度提高原油采收率提高原

6、油采收率有利的裂縫狀態(tài)及參數(shù)能夠充分發(fā)揮其有利的裂縫狀態(tài)及參數(shù)能夠充分發(fā)揮其在增產(chǎn)、增注的作用。在增產(chǎn)、增注的作用。 造縫條件及裂縫的形態(tài)、方位等與井底附近地層造縫條件及裂縫的形態(tài)、方位等與井底附近地層的的地應(yīng)力及其分布、巖石的力學(xué)性質(zhì)、壓裂液的滲濾地應(yīng)力及其分布、巖石的力學(xué)性質(zhì)、壓裂液的滲濾性質(zhì)性質(zhì)及及注入方式注入方式有密切關(guān)系。有密切關(guān)系。圖圖6-1 6-1 壓裂過(guò)程井底壓力變化曲線壓裂過(guò)程井底壓力變化曲線aa致密巖石致密巖石 b b微縫高滲巖石微縫高滲巖石破裂壓力破裂壓力延伸壓力延伸壓力地層壓力地層壓力一、油井應(yīng)力狀況一、油井應(yīng)力狀況( (一一) )地應(yīng)力地應(yīng)力dzgHSZ0sZZP垂向

7、應(yīng)力：上覆層的巖石重量。垂向應(yīng)力：上覆層的巖石重量。 由于油氣層中有一定比例的孔隙壓力，故有效垂向應(yīng)由于油氣層中有一定比例的孔隙壓力，故有效垂向應(yīng)力為：力為： 如果巖石處于彈性狀態(tài)，考慮到構(gòu)造應(yīng)力等因素的影響，如果巖石處于彈性狀態(tài)，考慮到構(gòu)造應(yīng)力等因素的影響，可以得到最大、最小水平主應(yīng)力分別為：可以得到最大、最小水平主應(yīng)力分別為：yzxZHx 一般情況下，地層中的巖石處于壓應(yīng)力的狀態(tài)，作用在一般情況下，地層中的巖石處于壓應(yīng)力的狀態(tài)，作用在地下巖石某單元體上的應(yīng)力為垂直主應(yīng)力地下巖石某單元體上的應(yīng)力為垂直主應(yīng)力 和水平主應(yīng)力和水平主應(yīng)力 （ 可分為兩個(gè)相互垂直的主應(yīng)力可分為兩個(gè)相互垂直的主應(yīng)力

8、， ）。）。yHSSZHSSZHPEPEPEPE11212111212121min21max裂縫的形態(tài)取決于地應(yīng)力的大小和方向。壓裂縫的形態(tài)取決于地應(yīng)力的大小和方向。壓裂時(shí)，在油層中形成何種裂縫，取決于地層裂時(shí)，在油層中形成何種裂縫，取決于地層中垂向應(yīng)力何水平應(yīng)力的相對(duì)大小。中垂向應(yīng)力何水平應(yīng)力的相對(duì)大小。當(dāng)當(dāng)z z x x y y 時(shí)，裂縫面垂直于時(shí)，裂縫面垂直于y y 當(dāng)當(dāng)z z y y x x時(shí)，裂縫面垂直于時(shí)，裂縫面垂直于x x當(dāng)當(dāng)y y x x z z 時(shí)，將出現(xiàn)水平縫時(shí)，將出現(xiàn)水平縫yzx( (二二) )井壁上的應(yīng)力井壁上的應(yīng)力1.1.井筒對(duì)地應(yīng)力及其分布的影響井筒對(duì)地應(yīng)力及其分布

9、的影響 在地層上鉆井以后，井壁上及在地層上鉆井以后，井壁上及其周?chē)貙又械膽?yīng)力分布受到井筒其周?chē)貙又械膽?yīng)力分布受到井筒的影響，這種影響非常的復(fù)雜，為的影響，這種影響非常的復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化考慮，將地層中了簡(jiǎn)化考慮，將地層中三維應(yīng)力問(wèn)三維應(yīng)力問(wèn)題改為二維方法來(lái)處理。題改為二維方法來(lái)處理。在這種情在這種情況下，與彈性力學(xué)中雙向受力的無(wú)況下，與彈性力學(xué)中雙向受力的無(wú)限大平板中鉆有一個(gè)圓孔的受力情限大平板中鉆有一個(gè)圓孔的受力情況是很相近的。況是很相近的。圖圖6-26-2無(wú)限大平板中鉆一圓孔無(wú)限大平板中鉆一圓孔的應(yīng)力分布的應(yīng)力分布2cos312124422rarayxyx 彈性力學(xué)給出了平板為固體的、各向

10、同性與彈性材料周彈性力學(xué)給出了平板為固體的、各向同性與彈性材料周向應(yīng)力的計(jì)算等式：向應(yīng)力的計(jì)算等式：圖圖6-26-2無(wú)限大平板中鉆一圓孔無(wú)限大平板中鉆一圓孔的應(yīng)力分布的應(yīng)力分布(1) (1) 當(dāng)當(dāng) ， 時(shí)，時(shí)， ， 說(shuō)明圓孔壁上各點(diǎn)的說(shuō)明圓孔壁上各點(diǎn)的周向應(yīng)力相等，且與周向應(yīng)力相等，且與角度無(wú)關(guān)。角度無(wú)關(guān)。ar HyxHyx222(2) (2) 當(dāng)當(dāng) ， 時(shí)，時(shí)， 說(shuō)明最小周向應(yīng)力發(fā)生在說(shuō)明最小周向應(yīng)力發(fā)生在 的方向的方向上，而最大周向應(yīng)力卻在上，而最大周向應(yīng)力卻在 的方向的方向上。上。ar yxxy3180,0min。yx3270,90max。xy(3) (3) 隨著隨著 的增加，周向應(yīng)力迅

11、的增加，周向應(yīng)力迅速降低。如圖速降低。如圖6-26-2（b b）所示。這種）所示。這種應(yīng)力分布表明，由于圓孔的存在，應(yīng)力分布表明，由于圓孔的存在，產(chǎn)生了圓孔周?chē)膽?yīng)力集中，產(chǎn)生了圓孔周?chē)膽?yīng)力集中，孔壁孔壁上的應(yīng)力比遠(yuǎn)處的大得多，則就是上的應(yīng)力比遠(yuǎn)處的大得多，則就是地層破裂壓力大于裂縫延伸壓力的地層破裂壓力大于裂縫延伸壓力的一個(gè)主要原因。一個(gè)主要原因。r圖圖6-26-2無(wú)限大平板中鉆一圓孔無(wú)限大平板中鉆一圓孔的應(yīng)力分布的應(yīng)力分布2.2.井眼內(nèi)壓所引起的井壁應(yīng)力井眼內(nèi)壓所引起的井壁應(yīng)力 壓裂過(guò)程中，向井筒內(nèi)注入高壓液體，使井內(nèi)壓力很壓裂過(guò)程中，向井筒內(nèi)注入高壓液體，使井內(nèi)壓力很快升高。井筒內(nèi)壓必

12、然導(dǎo)致井壁上產(chǎn)生周向應(yīng)力。根據(jù)彈快升高。井筒內(nèi)壓必然導(dǎo)致井壁上產(chǎn)生周向應(yīng)力。根據(jù)彈性力學(xué)中的拉梅公式性力學(xué)中的拉梅公式( (拉應(yīng)力取負(fù)號(hào)拉應(yīng)力取負(fù)號(hào)) )：222222222aeaeieaeaieerrrrrPPrrrPrP當(dāng)當(dāng)r re e=、P Pe e=0=0及及r=rr=ra a時(shí)，井壁上的周向應(yīng)力為：時(shí)，井壁上的周向應(yīng)力為：iP 即由于井筒內(nèi)壓而導(dǎo)致的周向應(yīng)力與內(nèi)壓大小相等，方即由于井筒內(nèi)壓而導(dǎo)致的周向應(yīng)力與內(nèi)壓大小相等，方向相反。向相反。121siPPbrCC11213siixyPPP3.3.壓裂液徑向滲入地層所引的井壁應(yīng)力壓裂液徑向滲入地層所引的井壁應(yīng)力 由于注入井中的高壓液體在地

13、層破裂前，滲入井筒由于注入井中的高壓液體在地層破裂前，滲入井筒周?chē)貙又?，形成了另外一個(gè)應(yīng)力區(qū)，它的作用是增大周?chē)貙又?，形成了另外一個(gè)應(yīng)力區(qū)，它的作用是增大了井壁周?chē)鷰r石中的應(yīng)力。增加的周向應(yīng)力值為：了井壁周?chē)鷰r石中的應(yīng)力。增加的周向應(yīng)力值為：4.4.井壁上的最小總周向應(yīng)力井壁上的最小總周向應(yīng)力 在地層破裂前，井壁上的最小總周向應(yīng)力應(yīng)為地應(yīng)在地層破裂前，井壁上的最小總周向應(yīng)力應(yīng)為地應(yīng)力、井筒內(nèi)壓及液體滲濾所引起的周向應(yīng)力之和：力、井筒內(nèi)壓及液體滲濾所引起的周向應(yīng)力之和：ht二、造縫條件二、造縫條件( (一一) )形成垂直裂縫的條件形成垂直裂縫的條件 當(dāng)井壁上存在的周向應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)井壁巖石的

14、水平方當(dāng)井壁上存在的周向應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)井壁巖石的水平方向的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石將在向的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石將在垂直于水平應(yīng)力垂直于水平應(yīng)力的方向上產(chǎn)生脆的方向上產(chǎn)生脆性破裂，即在與周向應(yīng)力相垂直的方向上產(chǎn)生垂直裂縫。造性破裂，即在與周向應(yīng)力相垂直的方向上產(chǎn)生垂直裂縫。造縫條件為：縫條件為： 當(dāng)產(chǎn)生裂縫時(shí)，井筒內(nèi)注入流體的壓力即為地層的破當(dāng)產(chǎn)生裂縫時(shí)，井筒內(nèi)注入流體的壓力即為地層的破裂壓力：裂壓力：12123htxySFPP 由于最小總周向應(yīng)力發(fā)生在由于最小總周向應(yīng)力發(fā)生在0 00 0和和1801800 0的對(duì)稱點(diǎn)的對(duì)稱點(diǎn)上，垂上，垂直裂縫也產(chǎn)生在于井筒對(duì)應(yīng)的這兩個(gè)點(diǎn)上，所以理論上直裂縫也產(chǎn)生在于井筒對(duì)

15、應(yīng)的這兩個(gè)點(diǎn)上，所以理論上一一般假定垂直裂縫是以井軸為對(duì)稱的兩條縫般假定垂直裂縫是以井軸為對(duì)稱的兩條縫，但實(shí)際情況由，但實(shí)際情況由于各種因素的影響，產(chǎn)生的于各種因素的影響，產(chǎn)生的裂縫往往不對(duì)稱裂縫往往不對(duì)稱。( (二二) )形成水平裂縫的條件形成水平裂縫的條件 當(dāng)井壁上存在的垂向應(yīng)力超過(guò)井壁巖石的垂向的抗張強(qiáng)當(dāng)井壁上存在的垂向應(yīng)力超過(guò)井壁巖石的垂向的抗張強(qiáng)度時(shí)，巖石將在度時(shí)，巖石將在垂直于垂向應(yīng)力垂直于垂向應(yīng)力的方向上產(chǎn)生脆性破裂，即的方向上產(chǎn)生脆性破裂，即在與垂向應(yīng)力相垂直的方向上產(chǎn)生水平裂縫。造縫條件為：在與垂向應(yīng)力相垂直的方向上產(chǎn)生水平裂縫。造縫條件為：vtZ 當(dāng)產(chǎn)生水平裂縫時(shí)，井筒內(nèi)注

16、入流體的壓力等于地層的當(dāng)產(chǎn)生水平裂縫時(shí)，井筒內(nèi)注入流體的壓力等于地層的破裂壓力：破裂壓力：1211PPvtzsF12194. 1vtzsFPP實(shí)驗(yàn)修正：實(shí)驗(yàn)修正：( (三三) )破裂壓力梯度破裂壓力梯度( (破裂梯度破裂梯度) )破裂梯度破裂梯度：地層破裂壓力與地層深度的比值。：地層破裂壓力與地層深度的比值。各油田根據(jù)大量壓裂施工資料統(tǒng)計(jì)出來(lái)的破裂梯度值為：各油田根據(jù)大量壓裂施工資料統(tǒng)計(jì)出來(lái)的破裂梯度值為： (15(1518)18)(22(2225)25)深地層深地層垂直裂縫垂直裂縫 淺地層淺地層水平裂縫水平裂縫根據(jù)破裂梯度的大小估計(jì)根據(jù)破裂梯度的大小估計(jì)裂縫的形態(tài)裂縫的形態(tài)： 小于小于151

17、51818時(shí)形成時(shí)形成垂直裂縫垂直裂縫 大于大于2323時(shí)形成時(shí)形成水平裂縫水平裂縫第二節(jié)第二節(jié) 壓裂液壓裂液破裂地層、造縫、降溫作用破裂地層、造縫、降溫作用。一般用未交聯(lián)。一般用未交聯(lián)的溶膠。的溶膠。攜帶支撐劑、充填裂縫、造縫及冷卻地層作攜帶支撐劑、充填裂縫、造縫及冷卻地層作用用。必須使用交聯(lián)的壓裂液。必須使用交聯(lián)的壓裂液( (如凍膠等如凍膠等) )。末尾頂替液：末尾頂替液：替液入縫替液入縫，提高攜砂液效率和提高攜砂液效率和防止井筒沉砂防止井筒沉砂。前置液前置液攜砂液攜砂液頂替液頂替液中間頂替液：中間頂替液：攜砂液、防砂卡攜砂液、防砂卡； 影響壓裂施工成敗的諸多因素中，壓裂液影響壓裂施工成敗

18、的諸多因素中，壓裂液的性能是其中的主演性質(zhì)之一。的性能是其中的主演性質(zhì)之一。壓裂液的性能要求：壓裂液的性能要求：濾失少濾失少懸砂能力強(qiáng)懸砂能力強(qiáng)摩阻低摩阻低 這是造長(zhǎng)縫、造寬縫的重要條件。這是造長(zhǎng)縫、造寬縫的重要條件。濾失性主要取決于它濾失性主要取決于它的粘度與造壁性，粘度高則濾失少；在壓裂液中添加防濾失的粘度與造壁性，粘度高則濾失少；在壓裂液中添加防濾失劑，能改善造壁性，大大減少濾失量劑，能改善造壁性，大大減少濾失量。 懸砂能力主要取決于粘度。只要有較高的粘度，支撐劑懸砂能力主要取決于粘度。只要有較高的粘度，支撐劑（砂粒或陶粒）即可懸浮于其中。這對(duì)支撐劑的分布有利。（砂粒或陶粒）即可懸浮于其

19、中。這對(duì)支撐劑的分布有利。 壓裂液在管道中的摩阻愈小，則在設(shè)備功率一定的條件下，壓裂液在管道中的摩阻愈小，則在設(shè)備功率一定的條件下，用于造縫的有效功率也就愈大。摩阻過(guò)高會(huì)導(dǎo)致井口施工壓力用于造縫的有效功率也就愈大。摩阻過(guò)高會(huì)導(dǎo)致井口施工壓力過(guò)高，從而降低排量甚至限制壓裂施工。過(guò)高，從而降低排量甚至限制壓裂施工。配伍性好配伍性好低殘?jiān)蜌堅(jiān)追蹬乓追蹬?壓裂液進(jìn)入油層后與各種巖石礦物及流體相接觸，不壓裂液進(jìn)入油層后與各種巖石礦物及流體相接觸，不應(yīng)產(chǎn)生不利于油氣滲流的物理應(yīng)產(chǎn)生不利于油氣滲流的物理- -化學(xué)反應(yīng)。如不會(huì)引起粘土化學(xué)反應(yīng)。如不會(huì)引起粘土膨脹或產(chǎn)生沉淀而堵塞地層。膨脹或產(chǎn)生沉淀而堵塞地

20、層。 要盡量降低壓裂液中水不溶物（殘?jiān)┑臄?shù)量，以免要盡量降低壓裂液中水不溶物（殘?jiān)┑臄?shù)量，以免降低油氣層和填砂裂縫的滲透率。降低油氣層和填砂裂縫的滲透率。 施工結(jié)束后大部分注入液體應(yīng)能返排出井外，以減少施工結(jié)束后大部分注入液體應(yīng)能返排出井外，以減少壓裂液的損害。壓裂液的損害。穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好 壓裂液應(yīng)具備熱穩(wěn)定性，不能由于溫度的升高而使粘壓裂液應(yīng)具備熱穩(wěn)定性，不能由于溫度的升高而使粘度有較大的降低。液體還應(yīng)有抗機(jī)械剪切的穩(wěn)定性，不會(huì)度有較大的降低。液體還應(yīng)有抗機(jī)械剪切的穩(wěn)定性，不會(huì)因流速的增加而發(fā)生大幅度的降解。因流速的增加而發(fā)生大幅度的降解。貨源廣、便于配制、價(jià)錢(qián)便宜。貨源廣、便于配制、

21、價(jià)錢(qián)便宜。壓裂液類型壓裂液類型 目前常用的壓裂液有目前常用的壓裂液有水基、酸基、油基、乳狀及泡沫水基、酸基、油基、乳狀及泡沫壓裂液壓裂液等。等。5050年代初多采用原油、清水做壓裂液，近十幾年代初多采用原油、清水做壓裂液，近十幾年來(lái)發(fā)展了年來(lái)發(fā)展了水基凍膠壓裂液水基凍膠壓裂液，它具有粘度高、摩阻低級(jí)懸，它具有粘度高、摩阻低級(jí)懸砂能力好等優(yōu)點(diǎn)，已成為礦場(chǎng)主要使用的壓裂液，約占總砂能力好等優(yōu)點(diǎn)，已成為礦場(chǎng)主要使用的壓裂液，約占總用量的用量的2/32/3。水基壓裂液：水基壓裂液： 用水溶脹性聚合物用水溶脹性聚合物( (稱為成膠劑稱為成膠劑) )經(jīng)交鏈劑（交聯(lián)劑）交經(jīng)交鏈劑（交聯(lián)劑）交鏈后形成的凍膠。

22、施工結(jié)束后，為了使凍膠破膠還需要加入鏈后形成的凍膠。施工結(jié)束后，為了使凍膠破膠還需要加入破膠劑。不適用于水敏性地層。破膠劑。不適用于水敏性地層。油基壓裂液：油基壓裂液： 多用稠化油，遇地層水后自動(dòng)破膠。缺點(diǎn)是懸砂能力差、多用稠化油，遇地層水后自動(dòng)破膠。缺點(diǎn)是懸砂能力差、性能達(dá)不到要求、價(jià)格昂貴、施工困難和易燃等。性能達(dá)不到要求、價(jià)格昂貴、施工困難和易燃等。泡沫壓裂液：泡沫壓裂液： 基液多用淡水、鹽水、聚合物水溶液基液多用淡水、鹽水、聚合物水溶液；氣相為二氧化碳、氣相為二氧化碳、氮?dú)狻⑻烊粴?；發(fā)泡劑用非離子型活性劑。特點(diǎn)是易于返排、氮?dú)狻⑻烊粴?；發(fā)泡劑用非離子型活性劑。特點(diǎn)是易于返排、濾失少以及

23、摩阻低等。缺點(diǎn)是砂比不能過(guò)高、井深不能過(guò)大。濾失少以及摩阻低等。缺點(diǎn)是砂比不能過(guò)高、井深不能過(guò)大。聚合物乳狀液、酸基壓裂液、醇基壓裂液聚合物乳狀液、酸基壓裂液、醇基壓裂液2/13104.5fPKCtCv壓裂液的濾失性壓裂液的濾失性壓裂液濾失到地層受三種機(jī)理控制：壓裂液濾失到地層受三種機(jī)理控制：壓裂液的粘度、壓裂液的粘度、油藏巖石和流體的壓縮性、油藏巖石和流體的壓縮性、壓裂液的造壁性壓裂液的造壁性( (一一) )受壓裂液粘度控制的濾失系數(shù)受壓裂液粘度控制的濾失系數(shù)C C 當(dāng)當(dāng)壓裂液粘度大大超過(guò)油藏流體的粘度壓裂液粘度大大超過(guò)油藏流體的粘度時(shí)，壓裂液的濾時(shí)，壓裂液的濾失速度主要取決于壓裂液的粘度，

24、由達(dá)西方程可以導(dǎo)出濾失失速度主要取決于壓裂液的粘度，由達(dá)西方程可以導(dǎo)出濾失系數(shù)系數(shù)C C1 1為：為：濾失速度為：濾失速度為：壓裂液的濾失使得壓裂液壓裂液的濾失使得壓裂液效率降低，造縫體積減小效率降低，造縫體積減小濾失系數(shù)濾失系數(shù)C C1 1與儲(chǔ)層參數(shù)與儲(chǔ)層參數(shù)k k、縫內(nèi)、縫內(nèi)外的壓力差和壓裂液粘度有關(guān)。當(dāng)這外的壓力差和壓裂液粘度有關(guān)。當(dāng)這些參數(shù)不變時(shí)，些參數(shù)不變時(shí)，C C1 1為常數(shù)，但濾失速為常數(shù)，但濾失速度卻是濾失時(shí)間的函數(shù)，時(shí)間愈長(zhǎng)，度卻是濾失時(shí)間的函數(shù)，時(shí)間愈長(zhǎng)，濾失速度愈小。濾失速度愈小。( (二二) )受儲(chǔ)層巖石和流體壓縮性控制的濾失系數(shù)受儲(chǔ)層巖石和流體壓縮性控制的濾失系數(shù)C

25、C 當(dāng)壓裂液粘度接近于油藏流體粘度時(shí)，控制壓裂液濾失當(dāng)壓裂液粘度接近于油藏流體粘度時(shí)，控制壓裂液濾失的是儲(chǔ)層巖石和流體的壓縮性。這是因?yàn)閮?chǔ)層巖石和流體受的是儲(chǔ)層巖石和流體的壓縮性。這是因?yàn)閮?chǔ)層巖石和流體受到壓縮，讓出一部分空間壓裂液才得以濾失進(jìn)去。由體積平到壓縮，讓出一部分空間壓裂液才得以濾失進(jìn)去。由體積平衡方程可得到衡方程可得到C C表達(dá)式：表達(dá)式：2/13103.4ffKCPCC Cf f油藏綜合壓縮系數(shù)油藏綜合壓縮系數(shù)圖圖6-3 6-3 濾失后濾失后地層中地層中壓力分壓力分布示意布示意圖圖使壓裂液濾失于使壓裂液濾失于儲(chǔ)層內(nèi)的壓差儲(chǔ)層內(nèi)的壓差壓縮并使油藏流壓縮并使油藏流體流動(dòng)的壓差體流動(dòng)的

26、壓差裂縫壁面濾裂縫壁面濾餅的壓力差餅的壓力差（三）具有造壁性壓裂液濾失系數(shù)（三）具有造壁性壓裂液濾失系數(shù)C C濾失系數(shù)濾失系數(shù)C C是由是由實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定的。測(cè)定的。圖圖6-4 6-4 靜濾失儀示意圖靜濾失儀示意圖加壓口加壓口篩座篩座（含濾紙或巖心片）（含濾紙或巖心片）出液口出液口 具有具有固相顆粒及添加有防濾失劑固相顆粒及添加有防濾失劑（如硅粉或?yàn)r青粉等）的（如硅粉或?yàn)r青粉等）的壓裂液，施工過(guò)程中將會(huì)在裂縫壁面上壓裂液，施工過(guò)程中將會(huì)在裂縫壁面上形成濾餅形成濾餅，它會(huì)有效地，它會(huì)有效地降低濾失速度降低濾失速度，此時(shí)壓裂液的濾失速度將受造壁性控制。，此時(shí)壓裂液的濾失速度將受造壁性控制。

27、右邊是一個(gè)高溫高壓靜濾失右邊是一個(gè)高溫高壓靜濾失儀的示意圖，濾筒底下有一個(gè)帶儀的示意圖，濾筒底下有一個(gè)帶孔的塞座，其上有濾紙或巖心片，孔的塞座，其上有濾紙或巖心片，筒內(nèi)有壓裂液，在恒溫下加壓，筒內(nèi)有壓裂液，在恒溫下加壓，在下端出口處放一個(gè)量筒計(jì)量濾在下端出口處放一個(gè)量筒計(jì)量濾失量，并記錄時(shí)間。數(shù)據(jù)處理后失量，并記錄時(shí)間。數(shù)據(jù)處理后得到了得到了一個(gè)曲線。一個(gè)曲線。tmVVsp mtgVsp濾失量ml 時(shí)間，min01234圖圖6-5 6-5 靜濾失曲線靜濾失曲線tAmv005.0濾失速度濾失速度AmC005. 0 造壁液體的濾失系數(shù)造壁液體的濾失系數(shù)tC 即即 如圖如圖6-56-5所示所示曲線。

28、曲線。形成濾餅形成濾餅前，液體濾失較快；形成濾餅以前，液體濾失較快；形成濾餅以后，濾失受濾餅的控制，濾失量后，濾失受濾餅的控制，濾失量比較穩(wěn)定。將比較穩(wěn)定。將V Vspsp記成形成濾餅前記成形成濾餅前的濾失量，稱為初濾失量。的濾失量，稱為初濾失量。濾失量濾失量與與時(shí)間時(shí)間的關(guān)系曲線，可用的關(guān)系曲線，可用以下方程表示：以下方程表示：2/1 PPCCf實(shí)驗(yàn)壓差與實(shí)際施工過(guò)程中裂縫內(nèi)實(shí)驗(yàn)壓差與實(shí)際施工過(guò)程中裂縫內(nèi)外壓力差不一致，則應(yīng)進(jìn)行修正：外壓力差不一致，則應(yīng)進(jìn)行修正：圖圖6-6 6-6 動(dòng)濾失儀示意圖動(dòng)濾失儀示意圖圖圖6-7 6-7 動(dòng)靜濾失曲線比較圖動(dòng)靜濾失曲線比較圖CCCC111122222

29、42CCCCCCCCCCC( (四四) )綜合濾失系數(shù)綜合濾失系數(shù)壓裂液的濾失同時(shí)受三種機(jī)理控制，綜合濾失系數(shù)如下：壓裂液的濾失同時(shí)受三種機(jī)理控制，綜合濾失系數(shù)如下：C C由由濾失帶壓力差濾失帶壓力差控制的，控制的，C C是由是由壓縮帶壓力差壓縮帶壓力差控制的，控制的，C C由由濾餅內(nèi)外壓力差濾餅內(nèi)外壓力差控制的?？刂频?。根據(jù)根據(jù)分壓降公式分壓降公式可以得到綜合濾失系數(shù)的另一表達(dá)式：可以得到綜合濾失系數(shù)的另一表達(dá)式：DDDKn11naDK三、壓裂液流變性三、壓裂液流變性 ( (一一) )各類壓裂液的流變曲線各類壓裂液的流變曲線1.1.牛頓壓裂液牛頓壓裂液(A(A曲線曲線) )圖圖6-8 6-8

30、 壓裂液流變曲線壓裂液流變曲線剪切速度剪切應(yīng)力2.2.假塑型壓裂液假塑型壓裂液(B(B曲線曲線) )假塑型流體也稱為冪律流體，隨剪切速假塑型流體也稱為冪律流體，隨剪切速率的增加，其斜率變小。說(shuō)明壓裂液結(jié)率的增加，其斜率變小。說(shuō)明壓裂液結(jié)構(gòu)被破壞，粘度隨之降低。構(gòu)被破壞，粘度隨之降低。nDK1n 視粘度視粘度壓裂液中未經(jīng)稠化的水、油等均屬壓裂液中未經(jīng)稠化的水、油等均屬于此類流體。于此類流體。n n小于小于1 1，所以剪切速，所以剪切速率愈大，視粘度愈小。率愈大，視粘度愈小。因此假塑性流體的因此假塑性流體的“粘度粘度”不是定值，不是定值，在一定的溫度下，視在一定的溫度下，視粘度隨粘度隨K,n,DK

31、,n,D的改變而的改變而改變。改變。3.3.其它流動(dòng)類型的壓裂液其它流動(dòng)類型的壓裂液賓漢型流體賓漢型流體(C(C曲線曲線) )Dy屈服假塑型流體屈服假塑型流體(D(D曲線曲線) )nyDK脹流型流體脹流型流體(E(E曲線曲線) )nDK1n 圖圖6-8 6-8 壓裂液流變曲線壓裂液流變曲線剪切速度剪切應(yīng)力 對(duì)于非牛頓液體的流變性質(zhì)的測(cè)定，可以用對(duì)于非牛頓液體的流變性質(zhì)的測(cè)定，可以用旋轉(zhuǎn)粘度旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)計(jì)或或?qū)嶒?yàn)室小管道實(shí)驗(yàn)室小管道等儀器來(lái)測(cè)定。等儀器來(lái)測(cè)定。( (二二) )冪律液體流動(dòng)過(guò)程中的視粘度計(jì)算冪律液體流動(dòng)過(guò)程中的視粘度計(jì)算 從地面到地下裂縫中基本上可分為四種流動(dòng)過(guò)程，從地面到地下裂縫中

32、基本上可分為四種流動(dòng)過(guò)程，即地即地面管線、井筒、射孔孔眼和裂縫中的流動(dòng)面管線、井筒、射孔孔眼和裂縫中的流動(dòng)。這四種流動(dòng)基本。這四種流動(dòng)基本上分為兩大類，即上分為兩大類，即管流管流及及縫流縫流。1.1.管流管流冪律液體在圓管內(nèi)流動(dòng)的本構(gòu)方程：冪律液體在圓管內(nèi)流動(dòng)的本構(gòu)方程：nnn41n3dv8K視粘度視粘度: :18413nnwdvnnK2.2.縫流縫流冪律液體在裂縫中流動(dòng)的本構(gòu)方程：冪律液體在裂縫中流動(dòng)的本構(gòu)方程：nnwWv6n31n2K視粘度視粘度: :1nnfwv6n31n2K( (三三) )摩阻計(jì)算摩阻計(jì)算油管內(nèi)摩阻、射孔孔眼摩阻、裂縫內(nèi)摩阻壓力降油管內(nèi)摩阻、射孔孔眼摩阻、裂縫內(nèi)摩阻壓力

33、降第三節(jié)第三節(jié) 支撐劑支撐劑填砂裂縫的導(dǎo)流能力：填砂裂縫的導(dǎo)流能力： 在油層條件下，填砂裂縫滲透率與裂縫寬度的乘積，在油層條件下，填砂裂縫滲透率與裂縫寬度的乘積，常用常用FRCDFRCD表示，導(dǎo)流能力也稱為導(dǎo)流率。表示，導(dǎo)流能力也稱為導(dǎo)流率。 水力壓裂的目標(biāo)是在油氣層內(nèi)形成足夠長(zhǎng)度的高導(dǎo)流水力壓裂的目標(biāo)是在油氣層內(nèi)形成足夠長(zhǎng)度的高導(dǎo)流能力填砂裂縫，所以，水力壓裂工程中的各個(gè)環(huán)節(jié)都是圍能力填砂裂縫，所以，水力壓裂工程中的各個(gè)環(huán)節(jié)都是圍繞這一目標(biāo)，并以此選擇支撐劑類型。粒徑和攜砂液性能繞這一目標(biāo)，并以此選擇支撐劑類型。粒徑和攜砂液性能以及施工工序等。以及施工工序等。一、支撐劑的性能要求一、支撐劑的

34、性能要求(1)(1)粒徑均勻，密度小粒徑均勻，密度小(2)(2)強(qiáng)度大，破碎率小強(qiáng)度大，破碎率小 一般的，水力壓裂用的支撐劑的粒徑并不是單一的，而一般的，水力壓裂用的支撐劑的粒徑并不是單一的，而是在一定的范圍內(nèi)變化，如果支撐劑分選程度差，在生產(chǎn)過(guò)是在一定的范圍內(nèi)變化，如果支撐劑分選程度差，在生產(chǎn)過(guò)程中，程中，細(xì)砂會(huì)運(yùn)移到大粒徑砂所形成的孔隙中，堵塞滲流通細(xì)砂會(huì)運(yùn)移到大粒徑砂所形成的孔隙中，堵塞滲流通道，道，影響填砂裂縫的導(dǎo)流能力，因而對(duì)支撐劑的粒徑大小有影響填砂裂縫的導(dǎo)流能力，因而對(duì)支撐劑的粒徑大小有一定的要求。一定的要求。 支撐劑的強(qiáng)度是其性能的重要指標(biāo)。水力壓裂結(jié)束后，裂支撐劑的強(qiáng)度是其性

35、能的重要指標(biāo)。水力壓裂結(jié)束后，裂縫的閉合壓力作用于裂縫的支撐劑上，若支撐劑縫的閉合壓力作用于裂縫的支撐劑上，若支撐劑強(qiáng)度太大，有強(qiáng)度太大，有可能嵌入地層，若強(qiáng)度不夠，會(huì)被壓碎可能嵌入地層，若強(qiáng)度不夠，會(huì)被壓碎。這樣都會(huì)導(dǎo)致裂縫閉。這樣都會(huì)導(dǎo)致裂縫閉合或滲透率降低。合或滲透率降低。(3)(3)圓度和球度高圓度和球度高(4)(4)雜質(zhì)含量少雜質(zhì)含量少(5)(5)來(lái)源廣，價(jià)廉來(lái)源廣，價(jià)廉 支撐劑的圓度表示顆粒棱角的相對(duì)銳度，球度是指砂粒與支撐劑的圓度表示顆粒棱角的相對(duì)銳度，球度是指砂粒與球形相近的程度。圓度和球度常用目測(cè)法確定。用圓、球度不球形相近的程度。圓度和球度常用目測(cè)法確定。用圓、球度不好的支

36、撐劑時(shí)，其填砂裂縫的滲透率差且棱角易破碎，粉碎形好的支撐劑時(shí)，其填砂裂縫的滲透率差且棱角易破碎，粉碎形成的小顆粒會(huì)堵塞孔隙、降低其滲透率。成的小顆粒會(huì)堵塞孔隙、降低其滲透率。 支撐劑中的雜質(zhì)對(duì)裂縫的導(dǎo)流能力是有害的。天然石英砂支撐劑中的雜質(zhì)對(duì)裂縫的導(dǎo)流能力是有害的。天然石英砂的雜質(zhì)主要是碳酸鹽、長(zhǎng)石、鐵的氧化物及粘土等礦物質(zhì)。一的雜質(zhì)主要是碳酸鹽、長(zhǎng)石、鐵的氧化物及粘土等礦物質(zhì)。一般用水洗、酸洗消除雜質(zhì)，處理后的石英砂強(qiáng)度和導(dǎo)流能力都般用水洗、酸洗消除雜質(zhì)，處理后的石英砂強(qiáng)度和導(dǎo)流能力都會(huì)提高。會(huì)提高。二、二、 支撐劑的類型支撐劑的類型按其力學(xué)性質(zhì)分為兩大類：按其力學(xué)性質(zhì)分為兩大類：脆性支撐劑

37、脆性支撐劑如石英砂、玻璃球等如石英砂、玻璃球等是硬度大，變形小，在高閉合壓力下易破碎是硬度大，變形小，在高閉合壓力下易破碎韌性支撐劑韌性支撐劑如核桃殼、鋁球等如核桃殼、鋁球等是變形大，承壓面積大，在高閉合壓力下不易破是變形大，承壓面積大，在高閉合壓力下不易破碎碎目前礦場(chǎng)上常用的支撐劑有兩種：一是目前礦場(chǎng)上常用的支撐劑有兩種：一是天然砂天然砂；二是；二是人造支撐劑人造支撐劑（陶粒）（陶粒）。( (一一) )天然砂天然砂 天然砂的天然砂的主要礦物成分是主要礦物成分是粗晶石英粗晶石英，它適用于，它適用于淺層或中深淺層或中深層的壓裂層的壓裂，成功率很高。高質(zhì)量的石英砂往往都是古代的風(fēng)成，成功率很高。高

38、質(zhì)量的石英砂往往都是古代的風(fēng)成沙丘，在風(fēng)力的搬運(yùn)和篩選下沉砂而成，因此石英含量高，粒沙丘，在風(fēng)力的搬運(yùn)和篩選下沉砂而成，因此石英含量高，粒徑均勻，圓、球度好；另外石英砂資源豐富，價(jià)格也便宜。世徑均勻，圓、球度好；另外石英砂資源豐富，價(jià)格也便宜。世界上有多處質(zhì)量較高的石英砂，如美國(guó)的界上有多處質(zhì)量較高的石英砂，如美國(guó)的Ottwa砂，北部白砂，砂，北部白砂，我國(guó)的蘭州砂。通遼砂等。我國(guó)的蘭州砂。通遼砂等。( (二二) )人造支撐劑人造支撐劑( (陶粒陶粒) ) 最常用的人造支撐劑是燒結(jié)鋁礬土，即最常用的人造支撐劑是燒結(jié)鋁礬土，即陶粒陶粒。它的礦物成。它的礦物成分是分是氧化鋁、硅酸鹽和鐵氧化鋁、硅酸

39、鹽和鐵- -鈦氧化物鈦氧化物；形狀不規(guī)則，強(qiáng)度高形狀不規(guī)則，強(qiáng)度高。在高閉合壓力下，陶粒所支撐縫的滲透率約比天然砂的高出一在高閉合壓力下，陶粒所支撐縫的滲透率約比天然砂的高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此它適用于高閉合壓力的油氣層壓裂。個(gè)數(shù)量級(jí)，因此它適用于高閉合壓力的油氣層壓裂。 國(guó)內(nèi)礦場(chǎng)應(yīng)用較多的有國(guó)內(nèi)礦場(chǎng)應(yīng)用較多的有宜興陶粒和成都陶粒宜興陶粒和成都陶粒，強(qiáng)度也有低、，強(qiáng)度也有低、中、高之分。陶粒雖然強(qiáng)度大，但是密度高，給壓裂施工帶來(lái)中、高之分。陶粒雖然強(qiáng)度大，但是密度高，給壓裂施工帶來(lái)了一定的困難，特別是在深井條件下由于高溫和剪切作用，對(duì)了一定的困難，特別是在深井條件下由于高溫和剪切作用，對(duì)壓裂液性能

40、的要求很高。為此近年來(lái)國(guó)內(nèi)開(kāi)始研制一種具有空壓裂液性能的要求很高。為此近年來(lái)國(guó)內(nèi)開(kāi)始研制一種具有空心或多孔的陶粒，實(shí)驗(yàn)表明，這種心或多孔的陶粒，實(shí)驗(yàn)表明，這種多孔或空心陶粒多孔或空心陶粒的強(qiáng)度與實(shí)的強(qiáng)度與實(shí)心陶粒相當(dāng)，因而實(shí)現(xiàn)了低密度和高強(qiáng)度的要求。但由于空心心陶粒相當(dāng)，因而實(shí)現(xiàn)了低密度和高強(qiáng)度的要求。但由于空心陶粒的制作比較困難，目前現(xiàn)場(chǎng)還沒(méi)有廣泛使用。陶粒的制作比較困難，目前現(xiàn)場(chǎng)還沒(méi)有廣泛使用。( (三三) )樹(shù)脂包層支撐劑樹(shù)脂包層支撐劑 樹(shù)脂包層支撐劑是中等強(qiáng)度，低密度或高密度，能承樹(shù)脂包層支撐劑是中等強(qiáng)度，低密度或高密度，能承受受56.0-70.0Mpa56.0-70.0Mpa的閉合壓

41、力，適用于低強(qiáng)度天然砂和高強(qiáng)的閉合壓力，適用于低強(qiáng)度天然砂和高強(qiáng)度陶粒之間強(qiáng)度要求的支撐劑。其密度小，便于攜砂與鋪度陶粒之間強(qiáng)度要求的支撐劑。其密度小，便于攜砂與鋪砂。樹(shù)脂包層支撐劑有以下優(yōu)點(diǎn)：砂。樹(shù)脂包層支撐劑有以下優(yōu)點(diǎn)：1 1、樹(shù)脂薄膜包裹砂粒，增加了砂粒間的接觸面積，從而提、樹(shù)脂薄膜包裹砂粒，增加了砂粒間的接觸面積，從而提高了支撐劑抗閉合壓力的能力。高了支撐劑抗閉合壓力的能力。2 2、樹(shù)脂薄膜可將壓碎的砂粒小塊或粉砂包裹起來(lái)，減少了、樹(shù)脂薄膜可將壓碎的砂粒小塊或粉砂包裹起來(lái)，減少了微粒的運(yùn)移與堵塞孔道的機(jī)會(huì)，從而改善了填砂裂縫的導(dǎo)微粒的運(yùn)移與堵塞孔道的機(jī)會(huì)，從而改善了填砂裂縫的導(dǎo)流能力。

42、流能力。3 3、樹(shù)脂包層砂總的體積密度比上述中強(qiáng)度與高強(qiáng)度陶粒要、樹(shù)脂包層砂總的體積密度比上述中強(qiáng)度與高強(qiáng)度陶粒要低得多，便于懸浮，因而降低了對(duì)攜砂液的要求。低得多，便于懸浮，因而降低了對(duì)攜砂液的要求。4 4、樹(shù)脂包層支撐劑具有可變形的特點(diǎn)，則使其接觸面積有、樹(shù)脂包層支撐劑具有可變形的特點(diǎn)，則使其接觸面積有所增加，可防止支撐劑在軟地層中的嵌入。所增加，可防止支撐劑在軟地層中的嵌入。三、支撐劑在裂縫內(nèi)的分布三、支撐劑在裂縫內(nèi)的分布 支撐劑在裂縫內(nèi)的分布規(guī)律隨支撐劑在裂縫內(nèi)的分布規(guī)律隨裂縫類型裂縫類型( (水平、垂直縫水平、垂直縫) )和和攜砂液性能攜砂液性能而異而異。 由于國(guó)內(nèi)大部分油田壓裂形成

43、的裂縫為垂直縫，這里由于國(guó)內(nèi)大部分油田壓裂形成的裂縫為垂直縫，這里主要介紹高粘壓裂液（全懸浮型）垂直裂縫內(nèi)支撐劑濃度主要介紹高粘壓裂液（全懸浮型）垂直裂縫內(nèi)支撐劑濃度與地面砂比的關(guān)系，以及低粘壓裂液（沉降型）垂直裂縫與地面砂比的關(guān)系，以及低粘壓裂液（沉降型）垂直裂縫內(nèi)支撐劑的分布規(guī)律。內(nèi)支撐劑的分布規(guī)律。( (一一) )全懸浮型支撐劑分布全懸浮型支撐劑分布高粘壓裂液高粘壓裂液：壓裂液粘度足以把支撐劑完全懸浮起來(lái)，在壓裂液粘度足以把支撐劑完全懸浮起來(lái)，在整個(gè)施工過(guò)程中沒(méi)有支撐劑的沉降，停泵后支撐劑充滿整個(gè)整個(gè)施工過(guò)程中沒(méi)有支撐劑的沉降，停泵后支撐劑充滿整個(gè)裂縫內(nèi)，因而攜砂液到達(dá)的位置就是支撐裂縫

44、的位置。裂縫內(nèi)，因而攜砂液到達(dá)的位置就是支撐裂縫的位置。裂縫內(nèi)的砂濃度裂縫內(nèi)的砂濃度( (裂縫內(nèi)砂比裂縫內(nèi)砂比) )：是指單位體積裂縫內(nèi)是指單位體積裂縫內(nèi)所含支撐劑的質(zhì)量。所含支撐劑的質(zhì)量。裂縫閉合后的砂濃度裂縫閉合后的砂濃度( (鋪砂濃度鋪砂濃度) )：指單位面積裂縫上所指單位面積裂縫上所鋪的支撐劑質(zhì)量。鋪的支撐劑質(zhì)量。地面砂比地面砂比：?jiǎn)挝惑w積混砂液中所含的支撐劑質(zhì)量。單位體積混砂液中所含的支撐劑質(zhì)量?；蛑蝿w積與壓裂液體積之比。或支撐劑體積與壓裂液體積之比。 ( (通過(guò)關(guān)系式轉(zhuǎn)換通過(guò)關(guān)系式轉(zhuǎn)換) )假設(shè)地面每注入體積為假設(shè)地面每注入體積為VF(mVF(m3 3) )的含的含砂液體為一個(gè)

45、處理單元，時(shí)間砂液體為一個(gè)處理單元，時(shí)間t t是注入此單元所需的時(shí)間。是注入此單元所需的時(shí)間。t t時(shí)間內(nèi)單元含砂液中濾失的體積百分?jǐn)?shù)：時(shí)間內(nèi)單元含砂液中濾失的體積百分?jǐn)?shù)：）的剩余體積（地面單元體積液在縫中濾失體積濾失SVt2W1SVtC時(shí)間濾失面積濾失速度濾失體積濾失體積百分?jǐn)?shù)：濾失體積百分?jǐn)?shù)：ttCW2SVttC2W1SV濾失經(jīng)濾失后的縫內(nèi)砂濃度：經(jīng)濾失后的縫內(nèi)砂濃度：n0n0si1Ci1VFCVFCss0i1CC 在忽略裂縫內(nèi)流動(dòng)阻力的情況下，可以認(rèn)為裂縫內(nèi)的在忽略裂縫內(nèi)流動(dòng)阻力的情況下，可以認(rèn)為裂縫內(nèi)的FRCDFRCD從縫端到井底是線性增加的，因而要求砂濃度呈線性增加。從縫端到井底是線

46、性增加的，因而要求砂濃度呈線性增加。支撐面積很大，能最大限度地將壓開(kāi)的面積全部支撐起來(lái)。支撐面積很大，能最大限度地將壓開(kāi)的面積全部支撐起來(lái)。全懸浮型支撐劑分布特全懸浮型支撐劑分布特點(diǎn)：點(diǎn)：適合于低滲透率地層，不需要很高的填砂裂縫導(dǎo)流能力就能適合于低滲透率地層，不需要很高的填砂裂縫導(dǎo)流能力就能有很好的增產(chǎn)效果。有很好的增產(chǎn)效果。( (二二) )沉降型支撐劑分布沉降型支撐劑分布由于剪切和溫度等降解作用由于剪切和溫度等降解作用, ,攜砂性能并不能達(dá)到全懸浮，在攜砂性能并不能達(dá)到全懸浮，在裂縫延伸過(guò)程中，部分支撐劑隨攜砂液一起向縫端運(yùn)動(dòng)，另裂縫延伸過(guò)程中，部分支撐劑隨攜砂液一起向縫端運(yùn)動(dòng)，另一部分可能

47、沉降下來(lái)。一部分可能沉降下來(lái)。支撐劑沉降速度、砂堤堆起高度等都與裂縫參數(shù)有關(guān)支撐劑沉降速度、砂堤堆起高度等都與裂縫參數(shù)有關(guān)1.1.支撐劑在縫高度上的分布支撐劑在縫高度上的分布 固體顆粒主要受到固體顆粒主要受到水平方向液體攜帶力、垂直向下重水平方向液體攜帶力、垂直向下重力力以及以及向上浮力向上浮力的作用的作用 顆粒相對(duì)于攜帶液有沉降運(yùn)動(dòng)時(shí)，還會(huì)受到粘滯阻力顆粒相對(duì)于攜帶液有沉降運(yùn)動(dòng)時(shí)，還會(huì)受到粘滯阻力的作用。使用低粘壓裂液作為攜砂液時(shí)，由于顆粒的重力的作用。使用低粘壓裂液作為攜砂液時(shí)，由于顆粒的重力大于浮力與阻力，所以具有很大的沉降傾向，沉在縫底形大于浮力與阻力，所以具有很大的沉降傾向，沉在縫底

48、形成砂堤。砂堤減少了攜砂液的過(guò)水流斷面，使流速提高。成砂堤。砂堤減少了攜砂液的過(guò)水流斷面，使流速提高。平衡狀態(tài)平衡狀態(tài): : 當(dāng)液體的流速逐漸達(dá)到使顆粒處于懸浮狀態(tài)的能力當(dāng)液體的流速逐漸達(dá)到使顆粒處于懸浮狀態(tài)的能力時(shí)，顆粒處于停止沉降的狀態(tài)。時(shí)，顆粒處于停止沉降的狀態(tài)。平衡流速：平衡流速： 平衡時(shí)的流速，也即攜帶顆粒最小的流速。在此流平衡時(shí)的流速，也即攜帶顆粒最小的流速。在此流速下，顆粒的沉積于卷起處于動(dòng)平衡狀態(tài)。速下，顆粒的沉積于卷起處于動(dòng)平衡狀態(tài)。 在平衡狀態(tài)下，垂直裂縫中的顆粒的在平衡狀態(tài)下，垂直裂縫中的顆粒的垂直剖面上存在著垂直剖面上存在著濃度差別，可以分為四個(gè)區(qū)域。濃度差別，可以分為

49、四個(gè)區(qū)域。注入濃度圖圖6-10 6-10 顆粒在縫高上的濃度分布顆粒在縫高上的濃度分布沉降下來(lái)的砂堤，在沉降下來(lái)的砂堤，在平衡狀態(tài)下砂堤的高平衡狀態(tài)下砂堤的高度為平衡高度度為平衡高度砂堤面上的顆粒滾流區(qū)砂堤面上的顆粒滾流區(qū)懸浮區(qū)，顆粒分布不懸浮區(qū)，顆粒分布不均勻，存在濃度梯度均勻，存在濃度梯度無(wú)砂區(qū)無(wú)砂區(qū) 在平衡狀態(tài)下增加地面排量，則在平衡狀態(tài)下增加地面排量，則、與與區(qū)均將區(qū)均將變薄變薄，區(qū)則區(qū)則變厚；如果變厚；如果流速足夠大，流速足夠大，區(qū)可能區(qū)可能完全消失；完全消失；再增加再增加排量，濃度梯度剖面排量，濃度梯度剖面消失消失，成為，成為均質(zhì)的懸浮流均質(zhì)的懸浮流EQEQWhQVEQEQEQWV

50、QHhHH00scEQWEQWU50. 04054. 0PhPPEQWPdRdUUU2.2.平衡流速平衡流速平衡流速平衡流速砂堤的平衡高度砂堤的平衡高度EQ0EQHHh湯姆斯的解法：湯姆斯的解法：利用顆粒利用顆粒自由沉降速度自由沉降速度與與阻力速度阻力速度的的比值，先得到阻力速度，再求出平衡流速。比值，先得到阻力速度，再求出平衡流速。阻力速度阻力速度牛頓液體牛頓液體非牛頓液體非牛頓液體71.0PhaPPEQWPdR4dU041.0UUhEQWEQRUVsc446. 32hEQWEQRUVsc446. 3226501100000CCsc阻力速度與平衡流速的關(guān)系阻力速度與平衡流速的關(guān)系: :層流層

51、流紊流紊流混砂液密度混砂液密度我國(guó)礦場(chǎng)上常用砂比我國(guó)礦場(chǎng)上常用砂比S S表示加砂濃度，砂比是砂堆體積與壓表示加砂濃度，砂比是砂堆體積與壓裂液體積之比。裂液體積之比。1S112650S1000scVVKdtdHEQ 3.3.砂堤的堆起速度砂堤的堆起速度當(dāng)縫中流速達(dá)到平衡流速時(shí)，砂堤停止增高，處于平衡狀態(tài)當(dāng)縫中流速達(dá)到平衡流速時(shí)，砂堤停止增高，處于平衡狀態(tài)砂堤的堆起速度與砂堤上面過(guò)流高度砂堤的堆起速度與砂堤上面過(guò)流高度h h的變化方向相反的變化方向相反dtWhQKhhhdhEQEQKtUZUln1EQEQhHhhU0EQEQHhZ EQEQHWhQKK4.4.平衡時(shí)間平衡時(shí)間假設(shè)砂堤達(dá)到平衡高度的

52、假設(shè)砂堤達(dá)到平衡高度的9595，認(rèn)為已達(dá)到平衡高度，認(rèn)為已達(dá)到平衡高度KZtEQ395.0四、支撐劑的選擇四、支撐劑的選擇支撐劑的選擇主要是指選擇其支撐劑的選擇主要是指選擇其類型和粒徑類型和粒徑選擇的目的是為了達(dá)到一定的選擇的目的是為了達(dá)到一定的裂縫導(dǎo)流能力裂縫導(dǎo)流能力對(duì)對(duì)低滲低滲地層，水力壓裂應(yīng)以增加地層，水力壓裂應(yīng)以增加裂縫長(zhǎng)度裂縫長(zhǎng)度為主為主, ,但為了有效但為了有效地利用裂縫，也需要有足夠的導(dǎo)流能力。地利用裂縫，也需要有足夠的導(dǎo)流能力。對(duì)對(duì)中高滲中高滲地層，水力壓裂應(yīng)以增加地層，水力壓裂應(yīng)以增加裂縫導(dǎo)流能力裂縫導(dǎo)流能力為主。為主。影響支撐劑選擇的因素：影響支撐劑選擇的因素：1 1）支撐

53、劑的強(qiáng)度）支撐劑的強(qiáng)度 選用支撐劑首先要考慮其強(qiáng)度。如果支撐劑的強(qiáng)度不選用支撐劑首先要考慮其強(qiáng)度。如果支撐劑的強(qiáng)度不能抵抗閉合壓力，它將被壓碎并導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力下降，能抵抗閉合壓力，它將被壓碎并導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力下降，甚至壓裂失敗。一般說(shuō)來(lái)，對(duì)淺地層且閉合壓力不大時(shí)使甚至壓裂失敗。一般說(shuō)來(lái)，對(duì)淺地層且閉合壓力不大時(shí)使用石英砂；對(duì)于深層且閉合壓力較大時(shí)多使用陶粒，對(duì)中用石英砂；對(duì)于深層且閉合壓力較大時(shí)多使用陶粒，對(duì)中等深度的地層一般用石英砂，尾隨部分用陶粒。等深度的地層一般用石英砂，尾隨部分用陶粒。2 2）粒徑及其分布）粒徑及其分布3 3）支撐劑類型）支撐劑類型4 4）其它因素）其它因素 如支撐劑

54、的質(zhì)量、密度以及顆粒園球度等如支撐劑的質(zhì)量、密度以及顆粒園球度等 雖然大粒徑支撐劑在低閉合壓力下可得到高滲透的填雖然大粒徑支撐劑在低閉合壓力下可得到高滲透的填砂裂縫，但還要視地層條件而定。對(duì)疏松或可能出砂的地砂裂縫，但還要視地層條件而定。對(duì)疏松或可能出砂的地層，要根據(jù)地層出砂的粒徑分布中值確定支撐劑粒徑，以層，要根據(jù)地層出砂的粒徑分布中值確定支撐劑粒徑，以防止地層砂進(jìn)入裂縫堵塞孔道。防止地層砂進(jìn)入裂縫堵塞孔道。 由于粒徑由于粒徑越大越大，所能承受的閉合壓力，所能承受的閉合壓力越低越低，所以在深，所以在深井中受到破碎及鋪砂等諸多因素的限制，也不宜使用粗粒井中受到破碎及鋪砂等諸多因素的限制，也不宜

55、使用粗粒徑砂。徑砂。 不同類型支撐劑在不同閉合壓力和鋪砂濃度條件下，不同類型支撐劑在不同閉合壓力和鋪砂濃度條件下，支撐裂縫的導(dǎo)流能力相差很大。支撐裂縫的導(dǎo)流能力相差很大。第四節(jié)第四節(jié) 壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)的任務(wù)壓裂設(shè)計(jì)的任務(wù)：優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)可行的增產(chǎn)方案優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)可行的增產(chǎn)方案壓裂設(shè)計(jì)的原則壓裂設(shè)計(jì)的原則： 最大限度發(fā)揮油層潛能和裂縫的作用最大限度發(fā)揮油層潛能和裂縫的作用使壓裂后油氣井和注入井達(dá)到最佳狀態(tài)使壓裂后油氣井和注入井達(dá)到最佳狀態(tài)壓裂井的有效期和穩(wěn)產(chǎn)期長(zhǎng)壓裂井的有效期和穩(wěn)產(chǎn)期長(zhǎng)壓裂設(shè)計(jì)的方法：壓裂設(shè)計(jì)的方法： 根據(jù)油層特性和設(shè)備能力，以獲取最大產(chǎn)量或經(jīng)濟(jì)效益根據(jù)油層特性和設(shè)備能力，以獲

56、取最大產(chǎn)量或經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，在優(yōu)選裂縫幾何參數(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合適的加砂方案。為目標(biāo)，在優(yōu)選裂縫幾何參數(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合適的加砂方案。壓裂設(shè)計(jì)方案的內(nèi)容：壓裂設(shè)計(jì)方案的內(nèi)容： 裂縫幾何參數(shù)優(yōu)選及設(shè)計(jì)；壓裂液類型、配方選擇及注裂縫幾何參數(shù)優(yōu)選及設(shè)計(jì)；壓裂液類型、配方選擇及注液程序；支撐劑選擇及加砂方案設(shè)計(jì)；壓裂效果預(yù)測(cè)和經(jīng)濟(jì)分液程序；支撐劑選擇及加砂方案設(shè)計(jì)；壓裂效果預(yù)測(cè)和經(jīng)濟(jì)分析等。區(qū)塊整體壓裂設(shè)計(jì)還包括采收率和開(kāi)采動(dòng)態(tài)分析等。析等。區(qū)塊整體壓裂設(shè)計(jì)還包括采收率和開(kāi)采動(dòng)態(tài)分析等。一、影響壓裂井增產(chǎn)幅度的因素一、影響壓裂井增產(chǎn)幅度的因素油層特性油層特性裂縫幾何參數(shù)裂縫幾何參數(shù)指壓裂層的滲透率、孔隙度、

57、流體物性、油指壓裂層的滲透率、孔隙度、流體物性、油層能量、含油豐度和泄油面積等層能量、含油豐度和泄油面積等指填砂裂縫的長(zhǎng)、寬、高和導(dǎo)流能力指填砂裂縫的長(zhǎng)、寬、高和導(dǎo)流能力麥克奎爾與西克拉用麥克奎爾與西克拉用電模型電模型研究了研究了垂直裂縫條件下增產(chǎn)倍垂直裂縫條件下增產(chǎn)倍數(shù)與裂縫幾何尺寸和導(dǎo)流能力的關(guān)系。數(shù)與裂縫幾何尺寸和導(dǎo)流能力的關(guān)系。（圖（圖6-126-12）假設(shè)條件：假設(shè)條件：擬穩(wěn)定流動(dòng)；定產(chǎn)或定壓生產(chǎn)；正方形泄擬穩(wěn)定流動(dòng)；定產(chǎn)或定壓生產(chǎn)；正方形泄油面積；外邊界封閉；可壓縮流體；裂縫穿過(guò)整個(gè)產(chǎn)層。油面積；外邊界封閉；可壓縮流體；裂縫穿過(guò)整個(gè)產(chǎn)層。圖圖6-12 6-12 麥克奎西克拉垂直裂縫

58、增產(chǎn)倍數(shù)曲線麥克奎西克拉垂直裂縫增產(chǎn)倍數(shù)曲線相對(duì)導(dǎo)流能力相對(duì)導(dǎo)流能力無(wú)因次增產(chǎn)倍數(shù)無(wú)因次增產(chǎn)倍數(shù)低滲油藏低滲油藏 增加裂縫長(zhǎng)度比增加裂縫導(dǎo)流能力對(duì)增產(chǎn)更有利增加裂縫長(zhǎng)度比增加裂縫導(dǎo)流能力對(duì)增產(chǎn)更有利高滲油藏高滲油藏 應(yīng)以增加導(dǎo)流能力為主應(yīng)以增加導(dǎo)流能力為主對(duì)一定的裂縫長(zhǎng)度，存在一個(gè)最佳的裂縫導(dǎo)流能力對(duì)一定的裂縫長(zhǎng)度，存在一個(gè)最佳的裂縫導(dǎo)流能力二、裂縫幾何參數(shù)計(jì)算模型二、裂縫幾何參數(shù)計(jì)算模型二維二維(PKN(PKN、KGD)KGD)、擬三維、擬三維(P3D)(P3D)和真三維模型和真三維模型主要差別主要差別是裂縫的擴(kuò)展和裂縫內(nèi)的流體流動(dòng)方式不同是裂縫的擴(kuò)展和裂縫內(nèi)的流體流動(dòng)方式不同 二維模型假設(shè)

59、二維模型假設(shè)裂縫高度裂縫高度是是常數(shù)常數(shù)，即流體僅沿縫長(zhǎng)方，即流體僅沿縫長(zhǎng)方向流動(dòng)。裂縫內(nèi)仍是向流動(dòng)。裂縫內(nèi)仍是一維流動(dòng)一維流動(dòng)( (縫長(zhǎng)縫長(zhǎng)) )。 擬三維模型和真三維模型擬三維模型和真三維模型縫高沿縫長(zhǎng)方向是變化縫高沿縫長(zhǎng)方向是變化的，的，在在縫長(zhǎng)、縫高方向均有流動(dòng)縫長(zhǎng)、縫高方向均有流動(dòng)( (即存在壓力降即存在壓力降) )。 國(guó)內(nèi)已研制了國(guó)內(nèi)已研制了擬三維和真三維模型，擬三維和真三維模型，在地應(yīng)力和巖石在地應(yīng)力和巖石力學(xué)資料比較齊全的情況下，應(yīng)盡力學(xué)資料比較齊全的情況下，應(yīng)盡可能選用擬三維或真三可能選用擬三維或真三維模型維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。地層條件比較進(jìn)行設(shè)計(jì)。地層條件比較單一時(shí)單一時(shí)也可采用也可采用二維模型二維模型。（一）卡特模型（一）卡特模型基本假設(shè)：基本假設(shè)：裂縫是等寬的；裂縫是等寬的；濾失量濾失量Q QL L(t)(t) tQ tQL t Qt Qt QFL+= dddAtv2tQt0L裂縫體積變化裂縫體積變化Q QF F(t)(t) dtdAWtQF壓裂液從縫壁面垂直而又線性地滲入