壓裂工藝技術(shù)基本理論

壓裂工藝技術(shù)根本理論謝玲玲水力壓裂

〔HydraulicFracturing)—水力壓裂力學(xué)—水力壓裂材料性能與評價—水力壓裂裂縫延伸模擬—支撐劑在裂縫中運(yùn)移分布—水力壓裂效果分析—水力壓裂工藝技術(shù)—水力壓裂診斷評估技術(shù)水力壓裂概念壓裂：假設(shè)液體被泵入井中的速度快于液體在地層中的擴(kuò)散速度，將不可防止地使地層壓力升高并在某些點(diǎn)發(fā)生破裂。所謂壓裂就是利用水力作用，使油層形成裂縫的一種方法，又稱油層水力壓裂。油層壓裂工藝過程是用壓裂車，把高壓大排量具有一定粘度的液體擠入油層，當(dāng)把油層壓出許多裂縫后，參加支撐劑(如石英砂等)充填進(jìn)裂縫，提高油層的滲透能力，以增加注水量(注水井)或產(chǎn)量(油氣井)。常用的壓裂液有水基壓裂液、油基壓裂液、乳狀壓裂液、泡沫壓裂液及酸基壓裂液多種根本類型。壓裂井場地面布置流程1.作業(yè)機(jī)；2.油井；3.排污池4.平衡車5.消防車6.壓裂車7.拉砂車8.混砂車9.大罐10.儀表車水力壓裂作用開發(fā)階段油氣井增產(chǎn)水井增注調(diào)整層間矛盾改善吸水剖面提高采收率勘探階段增加工業(yè)可采儲量，擴(kuò)大勘探成果；其它方面：井網(wǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整三種原因：1、穿透近井地帶的傷害，使井恢復(fù)其自然產(chǎn)能；2、在地層中延伸有高導(dǎo)流的通道，使產(chǎn)量超過自然水平；3、改變在地層中的液體流動。圖6-1壓裂施工曲線PF—破裂壓力PE—延伸壓力

PS—地層壓力P井底>=PF時壓力時間排量不變，提高砂比，壓力升高反映了正常的裂縫延伸裂縫閉合壓力〔靜〕裂縫延伸壓力〔靜〕凈裂縫延伸壓力管內(nèi)摩阻地層壓力〔靜〕破裂前置液攜砂液裂縫閉合加砂停泵baa—致密巖石b—微縫高滲巖石FECS第一節(jié)水力壓裂造縫機(jī)理應(yīng)力狀態(tài)：主應(yīng)力:x，y，z;應(yīng)變:x，y，z(1)重力應(yīng)力

一、地應(yīng)力分析

1地應(yīng)力場(2)構(gòu)造應(yīng)力特點(diǎn)—構(gòu)造應(yīng)力屬于水平的平面應(yīng)力狀態(tài)—擠壓構(gòu)造力引起擠壓構(gòu)造應(yīng)力—張性構(gòu)造力引起拉張構(gòu)造應(yīng)力—構(gòu)造運(yùn)動的邊界影響使其在傳播過程中逐漸衰減。在斷層和裂縫發(fā)育區(qū)是應(yīng)力釋放區(qū)?！龜鄬樱綉?yīng)力x可能只有垂向應(yīng)力z的1/3，—逆斷層或褶皺帶的水平應(yīng)力可大到z的3倍。(3)熱應(yīng)力2人工裂縫方位顯裂縫地層很難出現(xiàn)人工裂縫。微裂縫地層—垂直于最小主應(yīng)力方向；—根本上沿微裂縫的方向開展，把微裂縫串成顯裂縫。裂縫方向總是垂直于最小主應(yīng)力y二、水力壓裂造縫機(jī)理1井壁最終應(yīng)力分布rxrRwxy〔1〕井筒處應(yīng)力分布

〔2〕向井筒注液產(chǎn)生的應(yīng)力分布〔3〕壓裂液滲入地層引起的井壁應(yīng)力〔4〕井壁上的總周向應(yīng)力(應(yīng)力迭加原理)(4)井壁上的總周向應(yīng)力(應(yīng)力迭加原理)

＝地應(yīng)力+井筒內(nèi)壓+滲濾引起的周向應(yīng)力根據(jù)最小主應(yīng)力原理—當(dāng)z最小時，形成水平裂縫;—當(dāng)Y或x>z，形成垂直裂縫。zxyyxz2水力壓裂造縫條件形成垂直縫〔有液體滲濾、無液體滲濾〕巖石破壞條件－壓為正，拉為負(fù)－最大有效周向應(yīng)力大于水平方向抗拉強(qiáng)度(2)形成水平縫〔有液體滲濾、無液體滲濾〕巖石破壞條件－最大有效周向應(yīng)力大于垂直方向抗拉強(qiáng)度3破裂壓力梯度定義

理論計算礦場統(tǒng)計當(dāng)αF<0.015～0.018MPa/m,形成垂直裂縫當(dāng)αF>0.022～0.025MPa/m,形成水平裂縫〔1〕礦場測量

—水力壓裂法—井眼橢圓法三、地應(yīng)力的測量及計算〔2〕實驗室分析—滯彈性應(yīng)變恢復(fù)〔ASR〕—微差應(yīng)變分析〔DSCA〕〔3〕有限元計算第二節(jié)壓裂液—壓裂液及其性能要求—壓裂液添加劑—壓裂液的流動性—壓裂液的濾失性—壓裂液對儲層的傷害—壓裂液選擇壓裂液的組成前置液攜砂液頂替液〔完整的壓裂泵注程序中還可以有清孔液、前墊液、預(yù)前置液〕對壓裂液的性能要求(1)與地層巖石和地下流體的配伍性；(2)有效地懸浮和輸送支撐劑到裂縫深部；(3)濾失少；(4)低摩阻；(5)低殘渣、易返排；(6)熱穩(wěn)定性和抗剪切穩(wěn)定性。一、壓裂液類型水基壓裂液油基壓裂液乳化壓裂液泡沫壓裂液液化汽壓裂液酸基壓裂液1水基壓裂液開展活性水壓裂液稠化水壓裂液水基凍膠壓裂液水基凍膠壓裂液組成水＋稠化劑〔成膠劑〕＋添加劑成膠液水＋添加劑＋交聯(lián)劑交聯(lián)液水基壓裂液種類：植物膠、聚合物、纖維素衍生物生物聚多糖(1)稠化劑植物膠及衍生物—胍膠—田菁、—香豆膠、—槐樹豆膠、—魔芋膠、—龍膠稠化劑等纖維素衍生物—羧甲基纖維素鈉鹽〔CMC〕—羥乙基纖維素〔HEC〕—羧甲基羥乙基纖維素〔CMHEC〕。生物聚多糖工業(yè)合成聚合物—聚丙烯酰胺〔PAM〕—局部水解聚丙酰胺〔PHPAM〕—甲叉基聚丙烯酰胺〔MPAM〕(2)交聯(lián)劑兩性金屬〔非金屬〕含氧酸鹽—硼酸鹽、鋁酸鹽、鉻酸鹽、銻酸鹽和鈦酸鹽等弱酸強(qiáng)堿鹽無機(jī)鹽類兩性金屬鹽—如硫酸鋁、氯化鉻、硫酸銅、氯化鋯等強(qiáng)酸弱堿鹽無機(jī)酸脂—如鈦酸脂、鋯酸脂醛類—甲醛、乙醛、乙二醛等(3)破膠劑生物酶體系適用溫度21~54℃，pH值范圍pH=3~8，最正確pH=5。氧化破膠劑適用于pH=3~14。普通氧化破膠劑適用溫度54~93℃，延遲活化氧化破膠劑適用溫度83~116℃。常用氧化破膠劑是過硫酸鹽〔過硫酸氨〕、過氧化物〔H202)有機(jī)弱酸很少用作水基壓裂液的破膠劑適用溫度大于93。油基壓裂液中典型的破膠劑是碳酸銨鹽、氧化鈣和/或氨水溶液。2油基壓裂液適應(yīng)性:水敏性地層、有些氣層開展:礦場原油稠化油凍膠油基液:原油、汽油、柴油、煤油、凝析油稠化劑:脂肪酸皂(脂肪酸鋁皂、磷酸脂鋁鹽等)特點(diǎn)：配伍性好、對儲層傷害小、易返排，但施工本錢高、難度大，對設(shè)備要求高。3乳化壓裂液常用：兩份油+一份稠化水(聚合物)油相<50%，壓裂液粘度太低>80%，不穩(wěn)定或粘度太高類型：水外相型〔水包油〕油外相型〔油包水〕4泡沫壓裂液組成液相+氣相+添加劑泡沫液液相:清水、鹽水、凍膠水、原油或成品油、酸液氣相：氮?dú)?、二氧化碳、空氣、天然氣等適用范圍K<1mD，粘土含量高的砂巖氣藏低壓、低滲淺油氣層壓裂泡沫質(zhì)量：泡沫質(zhì)量＝泡沫中氣體體積/泡沫總體積特點(diǎn)：在壓裂時的井底壓力和溫度下，泡沫質(zhì)量一般為６０％～８５％隨著泡沫質(zhì)量的增加，泡沫壓裂液的粘度增加、摩阻增大、濾失減少、壓裂液效率增濾失少〔氣體本身就是降濾劑〕排液較徹底，對地層傷害小懸砂能力特別強(qiáng)，砂比可高達(dá)７０％5酸基壓裂液適用范圍；碳酸鹽儲層種類：常規(guī)酸稠化酸凍膠酸乳化酸變粘酸膠聯(lián)酸：通過對鹽酸的稠化膠聯(lián)，形成膠聯(lián)酸，使用其作為攜砂載體進(jìn)行酸化加砂壓裂。二、壓裂液添加劑降濾劑〔粉沙、粉陶、玻璃懸珠〕防膨劑〔粘土穩(wěn)定劑、KCL、聚季氨鹽等〕殺菌劑〔甲醛等〕助排劑〔CF-5B〕防乳破乳劑外表活性劑ｐＨ值調(diào)節(jié)劑穩(wěn)定劑三、壓裂液的流變性各類壓裂液的流變曲線冪律液的視粘度摩阻計算壓裂液的流變曲線

(1)牛頓型液：流體任一點(diǎn)上的剪應(yīng)力都同剪切變形速率呈線性函數(shù)關(guān)系的流體流變模型或稱本構(gòu)方程(2)非牛頓型液體定義：但凡流動時剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系不是線性關(guān)系的液體，統(tǒng)稱為非牛頓型液體。主要特征：粘度隨剪切速率的變化而改變，剪切應(yīng)力與剪切速率之間有多個參數(shù)。假塑性〔冪律〕液體假塑性液體的特征是：

在很小的剪切應(yīng)力作用下就能流動，并且隨著剪切速率的增加，剪切應(yīng)力的增大速度有所降低。本構(gòu)方程賓漢型液體

在一定的剪切應(yīng)力作用下才能流動，并且流動以后，隨著剪切速率的增大，剪切應(yīng)力增加的程度逐漸降低，最后接近牛頓液體，剪切應(yīng)力與剪切速率成線性關(guān)系。本構(gòu)方程典型壓裂液:泡沫壓裂液粘彈性液體流體特征：當(dāng)除掉剪切力時，這種流體會恢復(fù)或局部恢復(fù)原來受到剪切作用期間所具有的形變。這種具有局部彈性恢復(fù)效應(yīng)，也具有非牛頓性和與時間有關(guān)的全部粘性性質(zhì)的流體稱為粘彈性流體。目前使用的水基凍膠壓裂液大局部都表現(xiàn)出具有局部或全部粘彈特征2冪律液的視粘度管流地面管線井筒孔眼縫流裂縫中流動3流變性測定旋轉(zhuǎn)粘度計、小直徑管道、盤管式粘度計、擺動式流變儀。RV系列或FANN系列旋轉(zhuǎn)粘度計應(yīng)用最廣泛4摩阻計算圓管中壓降眼中壓降裂縫中壓降四、壓裂液濾失的三個過程濾餅區(qū)的流動濾餅控制過程侵入?yún)^(qū)的流動壓裂液粘度控制過程地層流體的壓縮地層流體粘度及壓縮控制過程壓裂液濾失系數(shù)造壁性影響的濾失系數(shù)壓裂液粘度影響的濾失系數(shù)地層流體的粘度和壓縮性影響的濾失系數(shù)1壓裂液粘度影響的濾失系數(shù)Cv假設(shè)壓裂液為牛頓型液體且作線性層流流動；壓裂液呈活塞式侵入，即侵入段地層流體被頂替；壓裂液和地層巖石均不可壓縮；壓差ΔＰv＝Ｐｗ－Ｐｃ為常數(shù)。理論根底達(dá)西定律計算實際濾失速度2地層流體壓縮性影響的濾失系數(shù)Cc

假設(shè)地層流體可壓縮，其壓縮系數(shù)為ＣＲ〔等于常數(shù)〕；ΔＰＣ＝ＰＣ－ＰＲ為常數(shù)；滲濾前緣的位置不隨時間變化。3造壁性影響的濾失系數(shù)Cw假設(shè)濾餅的沉積厚度ΔＬｗ與通過縫壁的濾失量成比例關(guān)系，即α＝Ｖｗ／ΔＬｗ，α為累積濾失量與濾餅體積之比；濾餅對壓裂液的滲透率Ｋｗ與其厚度的大小無關(guān)，亦即Ｋｗ不隨時間而變化；濾餅內(nèi)壓裂液的滲濾流動服從達(dá)西定律。方法：靜態(tài)法動態(tài)法4動態(tài)濾失與靜態(tài)濾失的比較4綜合濾失系數(shù)PwPvPcPs通常，用P代替PW，PV，PC(1)調(diào)和平均法綜合濾失系數(shù)(2)壓力平衡法：非造壁性壓裂液造壁性壓裂液五、壓裂液對儲層的傷害及保護(hù)按壓裂液作用位置分：地層基質(zhì)傷害〔配伍性、敏感性、顆粒運(yùn)移、油藏儲層本身孔喉細(xì)小，束縛水飽和度高，泥質(zhì)含量高，泥質(zhì)絮狀體易運(yùn)移堵塞孔喉造成油井低產(chǎn)〕支撐裂縫傷害〔濾失、殘渣、濾餅、支撐劑鑲嵌〕按流體性質(zhì)分：液體傷害〔殘渣、配伍性、乳化等〕固體傷害〔殘渣、顆粒運(yùn)移〕壓裂液濾餅和濃縮壓裂液液體污染(1)粘土水化與微粒運(yùn)移(2)壓裂液在孔隙中的滯留〔3〕潤濕性。壓裂液固相堵塞來源—基液或成膠物質(zhì)的不溶物—降濾劑或支撐劑中的微?！獕毫岩簩Φ貙訋r石浸泡而脫落下來的微?！瘜W(xué)反響沉淀物等固相顆粒。作用—形成濾餅后阻止濾液侵入地層更遠(yuǎn)處，提高了壓裂液效率，減少了對地層的傷害；—它又要堵塞地層及裂縫內(nèi)孔隙和喉道，增強(qiáng)了乳化液的界面膜厚度而難破膠。壓裂液濃縮壓裂液的不斷濾失和裂縫閉合，導(dǎo)致交聯(lián)聚合物在支撐裂縫內(nèi)的濃度提高〔即濃縮〕。支撐劑鋪置濃度對壓裂液濃縮因子有較大影響，隨著鋪砂濃度降低，壓裂液濃縮因子提高，此時不可能用常規(guī)破膠劑用量實現(xiàn)高濃縮壓裂液的徹底破膠，形成大量殘膠而嚴(yán)重影響支撐裂縫導(dǎo)流能力。第三節(jié)支撐劑支撐劑性質(zhì)及種類裂縫導(dǎo)流能力及其影響因素支撐劑的選擇支撐劑顆粒的沉降支撐劑特性要求強(qiáng)度高、硬度適中粒徑均勻圓球度好化學(xué)溫度穩(wěn)定性好質(zhì)量高，雜質(zhì)含量少密度適中貨源廣、價格低一、支撐劑類型硬脆性支撐劑其特點(diǎn)是硬度大，變形很?。弧⑸啊采白印场樟！X球——玻璃珠韌性支撐劑其特點(diǎn)是變形大，在高壓下不易破碎——核桃殼——樹脂包層支撐劑1石英砂〔砂子〕主要成分：SiO2和少量雜質(zhì)主要特點(diǎn)1)園球度較好的石英砂破碎后，仍可保持一定的導(dǎo)流能力。2)石英砂密度相對低，便于泵送。3)石英砂的強(qiáng)度較低，適用于低閉合壓力儲層。4)砂子在篩選不好或清洗不好，含粉砂雜質(zhì)時，導(dǎo)流能力都要明顯降低5)石英砂貨源廣、價格廉價。主要產(chǎn)地長慶昌潤砂、甘肅蘭州砂、江西永修砂、福建福州砂、湖南岳陽砂、湖北蒲圻砂、山東榮城砂、河北承德砂、吉林農(nóng)安砂、陜西定邊砂及新疆和豐砂等。2陶粒主要化學(xué)成分類型—中強(qiáng)度支撐劑(ISP)—高強(qiáng)度陶粒支撐劑：山西、唐山、成都和垣曲，國外CARBO陶粒。特點(diǎn)a.強(qiáng)度很高。b.高溫堿性液中陶粒失重率底〔3.5%〕，而石英溶解率達(dá)50%c.長期導(dǎo)流能力高。d.密度較高(2700~3600kg/m3)，泵送困難。e.加工工藝?yán)щy，價格昂貴。3塑料包層支撐劑工藝：特殊工藝將酸性苯酚甲醛樹脂包裹在石英砂外表，并經(jīng)熱固處理而成，比重略為2.55。種類：預(yù)固化樹脂包層砂(可)固化樹脂包層砂

二、支撐劑物理性質(zhì)評價(1)支撐劑粒度組成及分布(2)園球度和外表光滑度。(3)濁度(4)密度真密度(或顆粒密度)視密度(或體積密度)(5)酸溶解度(6)抗壓強(qiáng)度。我國支撐劑物理性質(zhì)評價結(jié)果表三、裂縫導(dǎo)流能力評價定義裂縫導(dǎo)流能力是指裂縫傳導(dǎo)〔輸送〕流體的能力。填砂裂縫的導(dǎo)流能力定義為支撐后的裂縫滲透率Ｋｆ與支撐后的裂縫寬度Ｗｆ之積。即填砂裂縫導(dǎo)流能力〔ＫＷ〕ｆ或ＦＲＣＤ＝ＫｆＷｆ類型長期導(dǎo)流能力短期導(dǎo)流能力我國都分支撐劑導(dǎo)流能力(1998)1支撐劑性質(zhì)對FRCD影響的因素

(1)支撐劑類型和形狀但在高應(yīng)力情況下，園球度好的支撐劑受到的外表應(yīng)力更均勻，能承受更高的載荷不破碎，因此有更高的導(dǎo)流能力。低應(yīng)力情況下，有棱角的支撐劑相互搭接、相互支撐，有更高的孔隙度及滲透率，因此，導(dǎo)流能力更高。注：FRCD-壓裂裂縫導(dǎo)流能力(2)撐劑粒度組成支撐劑粒徑對裂縫導(dǎo)流能力有很大的影響給定粒度范圍內(nèi)，大顆粒所占比例越多，導(dǎo)流能力越高顆粒越均勻，導(dǎo)流能力越高圖中反映了粒度分布對導(dǎo)流能力的影響，圖中曲線A,B均為φ0.5~0.9成都陶粒，其中0.63mm以上顆粒重量分別約為75%和50%。(3)鋪砂濃度定義方式—單層局部排列—單層全排列—多層排列實驗結(jié)果(4)支撐劑質(zhì)量微粒對蘭州砂導(dǎo)長石含量對導(dǎo)流能力的影響流能力的影響2地層條件對FRCD的影響

〔1〕閉合壓力〔2〕地層巖石硬度

地層巖石的軟硬對導(dǎo)流能力的影響與支撐劑顆粒的強(qiáng)度和硬度有關(guān)。

當(dāng)支撐劑強(qiáng)度低時，影響導(dǎo)流能力的主要是破碎問題;

當(dāng)支撐劑強(qiáng)度高時，支撐劑顆粒嵌入裂縫壁面是影響導(dǎo)流能力的主要因素。(3)環(huán)境條件

溫度流體介質(zhì)3壓裂液性能對FRCD的影響殘渣降低支撐帶滲透率。胍膠壓裂液，殘渣含量取決于成膠劑濃度、破膠劑類型及濃度。4流動條件對FRCD的因素非達(dá)西流動多相流效應(yīng)5承壓時間對FRCD的因素四、支撐劑的選擇內(nèi)容—支撐劑強(qiáng)度—地巖巖石硬度—支撐劑顆粒大小—支撐劑密度—支撐劑濃度〔排列方式〕考慮因素—地質(zhì)條件〔如閉合壓力、巖石硬度、溫度、物性〕—工程條件〔壓裂液性質(zhì)、泵注設(shè)備〕—經(jīng)濟(jì)效益1裂縫導(dǎo)流能力確定原那么(1)McGuire&Sikora(1960)圖版法—給定閉合壓力下，從現(xiàn)有支撐劑的導(dǎo)流能力入手，得到不同穿透比時期望獲得的增產(chǎn)倍數(shù)(壓后產(chǎn)量)；—從預(yù)期的產(chǎn)量出發(fā)，按照不同穿透比時所需要的導(dǎo)流能力選擇支撐劑?！?〕Cinco(辛科)準(zhǔn)那么式中cr——Cinco準(zhǔn)數(shù)，無因次；k——儲層有效滲透率，m2；Lf——支撐裂縫半長，m；FRCD——裂縫導(dǎo)流能力，m2.m。2支撐劑類型選擇在閉合壓力較高時，應(yīng)考慮使用高強(qiáng)度支撐劑如陶粒等。在閉合壓力較低時，低強(qiáng)度支撐劑仍能起到支撐裂縫的作用，只要砂子不破碎，它在淺井淺層應(yīng)用的特別廣泛當(dāng)閉合壓力到達(dá)４0ＭＰａ時，原那么上不再使用石英砂，應(yīng)使用象陶粒等更高強(qiáng)度的支撐劑，陶粒在閉合壓力為７０ＭＰａ時也很少破碎。3支撐劑粒徑選擇(1)閉合壓力(2)允許支撐劑填充的裂縫寬度(3)輸送支撐劑的要求4支撐劑鋪置濃度第四節(jié)水力壓裂設(shè)計模型裂縫延伸二維模型卡特模型Carter，1957年GDK模型Christianovich、Geertsma、Deklerk

PKN模型Perkins和Kern提出,Norgren完善裂縫延伸三維模型一、卡特模型

1幾何模型HfLfWf2主要假設(shè)1.裂縫等寬。2.壓裂液從縫壁垂直而又線性地滲入地層3.地層中某點(diǎn)的濾失速度取決于此點(diǎn)暴露于液體中的時間,即:4.地層中各點(diǎn)速度函數(shù)相同。5.裂縫中各點(diǎn)壓力相同,均等于井底的延伸壓力。二、GDK模型1幾何模型KhristianovichGeertsma&DeklerkDaneshy2假設(shè)條件1.巖石為均質(zhì)各向同性。2.巖石變形服從線彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。3.流體在縫內(nèi)作一維層流流動,縫高方向裂縫呈矩形。4.縫中X方向壓降由摩阻產(chǎn)生,不考慮動能和勢能影響。5.裂縫高度和施工排量恒定。3理論根底運(yùn)用了體積平衡方程壓降與寬度關(guān)系由泊稷葉理論導(dǎo)出用England和Green公式求縫寬時,還運(yùn)用了裂縫平衡延伸理論。此模型是現(xiàn)在最常用的兩個二維延伸模型之一。三、PKN模型1幾何模型Perkins&Kern

Norgren2假設(shè)條件主要假設(shè)1.裂縫為垂直裂縫,其高度恒定。2.裂縫高度方向上為橢圓面,其橫截面最大寬度滿足Sneddon方程:W(x,t)=2(1-υ2)(p-σ)H/E3.施工排量恒定4.長度方向的變化采用物質(zhì)平衡原理求得5.裂縫前端液體壓力等于地層最小水平主應(yīng)力。四、GDK和PKN模型的比較第五節(jié)支撐劑輸送—支撐劑的沉降特性—沉降布砂設(shè)計—懸浮布砂設(shè)計受力分析—固體顆粒的重力—流體對固體顆粒的浮力—顆粒的運(yùn)動阻力重力浮力阻力顆粒一、支撐劑的沉降特性

1單顆粒自由沉降速度概念—自由沉降—干擾沉降干擾沉降3壁面影響4顆粒形狀對沉降速度的影響支撐劑顆粒都是不規(guī)那么的顆粒，而不是規(guī)那么的球體〔有些接近于球形〕—顆粒的形狀是不規(guī)那么的，比同體積的球體外表積大；—顆粒的外表是粗糙的；—顆粒的形狀是不對稱的不規(guī)那么顆粒的沉降速度小于球形顆粒的沉降速度思路支撐劑在裂縫高度上的分布平衡流速、平衡高度的計算砂堤的堆起速度平衡時間二、沉降型布砂設(shè)計1支撐劑在裂縫高度上的分布概念：平衡狀態(tài)平衡流速平衡高度顆粒濃度分布(垂向)ⅠⅡⅢⅣ濃度縫高圖6-20砂濃度沿縫高分布區(qū)域I：砂堤區(qū)域II：砂堤上的滾流區(qū)區(qū)域III：懸浮區(qū)區(qū)域IV：無砂區(qū)

2平衡流速與阻力流速2．砂堤堆起速度與平衡時間

由于顆粒沉降，隨著時間推移，砂堤逐漸形成直到在井壁附近到達(dá)平衡高度，即砂堤不再升高；砂堤長度xm并不增加，只在離開井壁以后的砂堤高度增加，直到整個xm上都到達(dá)平衡高度；當(dāng)支撐劑顆粒在超過xm以后的裂縫繼續(xù)沉降，所以砂堤只是增加長度，而平衡高度保持不變。三、全懸浮布砂設(shè)計技術(shù)背景研究目的1.計算縫內(nèi)砂比沿縫長變化根底上，找出滿足設(shè)計要求的導(dǎo)流能力的加砂步驟2.防止在縫中出現(xiàn)砂比過高的砂卡現(xiàn)象1假設(shè)條件2計算單元劃分設(shè)攜砂液單元體積為P，那么泵入時間為t=P/Q3濾失計算濾失百分?jǐn)?shù)〔t時間后〕i=濾失％＝Fi/FFi濾失體積F單元體積濾失后的剩余體積濾失體積3濾失計算

濾失百分?jǐn)?shù)i=濾失％＝Fi/FFi濾失體積F單元體積濾失后的剩余體積4裂縫體積計算注入單元體積P=剩余體積F+濾失體積Fi

利用計算復(fù)利的方法，n次濾失后的剩余體積

5支撐裂縫幾何尺寸停泵時的裂縫體積(即剩余體積)

支撐裂縫長度支撐裂縫寬度

說明：全懸浮式砂子分布應(yīng)用懸浮壓裂液適合于低滲透儲層，因為這里并不需要很高的裂縫導(dǎo)流能力就能獲得較好的增產(chǎn)效果。優(yōu)點(diǎn)：支撐面積大缺點(diǎn)：導(dǎo)流能力不及沉降式砂子分布具體分析，擇優(yōu)采用第六節(jié)水力壓裂效果分析工藝效果：評價所實施壓裂工藝技術(shù)的適應(yīng)性和有效性開發(fā)效果：評價水力壓裂在油田改造中的作用經(jīng)濟(jì)效益分析：尋求壓裂提高技術(shù)水平和改善其經(jīng)營管理的根本途徑一、工藝效果分析增產(chǎn)有效期：某井從壓裂施工后增產(chǎn)見效開始至壓裂前后產(chǎn)量遞減到相同的日產(chǎn)水平所經(jīng)歷的時間。增產(chǎn)倍比：指相同生產(chǎn)條件下壓裂后與壓裂前的日產(chǎn)水平之比?！獔D版法—近似解析法—數(shù)值模擬法1McGuire&Sikora圖版a.對低滲透儲層〔k<110-3m2〕,很容易得到較高的裂縫導(dǎo)流能力比值〔大于0.4〕，欲提高壓裂效果，應(yīng)以增加裂縫長度為主。b.高滲透地層，不容易獲得較高的裂縫導(dǎo)流能力比值，提高裂縫導(dǎo)流能力是提高壓裂效果的主要途徑，不能片面追求壓裂規(guī)模而增加縫長。c.對一定縫長，存在一個最正確裂縫導(dǎo)流能力，超過該值而增加導(dǎo)流能力的效果甚微，例如對Lf/Le=0.5，當(dāng)導(dǎo)流能力比值為0.5時，增加裂縫導(dǎo)流力根本上不能增加增產(chǎn)比Jf/J0。d.無傷害油井最大增產(chǎn)比為13.6倍。二、水力壓裂經(jīng)濟(jì)評價壓裂經(jīng)濟(jì)分析方法(1)壓裂施工現(xiàn)值(2)壓裂施工凈現(xiàn)值(3)貼現(xiàn)歸還時間(4)壓裂效益指數(shù)1本錢構(gòu)成2產(chǎn)量遞減模式2產(chǎn)量遞減模式(1)定值百分?jǐn)?shù)遞減(2)調(diào)和型遞減(3)雙曲線型遞減三、施工壓力曲線類型〔1〕正斜率很小的線段I(2)斜率為1的線段III(3)負(fù)斜率線段IV(4)壓力不變的線段IIⅠⅡⅢⅣlgPlgt

典型的施工壓力曲線第七節(jié)壓裂設(shè)計——水力壓裂設(shè)計是在滿足地質(zhì)、工程和設(shè)備條件下作出經(jīng)濟(jì)有效的最優(yōu)方案。(1)正設(shè)計(2)反設(shè)計——優(yōu)化壓裂設(shè)計任務(wù)〔1〕在給定的儲層與井網(wǎng)條件下，根據(jù)不同縫長和導(dǎo)流能力預(yù)測壓后生產(chǎn)動態(tài);〔2〕根據(jù)儲層條件選擇壓裂液、支撐劑和加砂濃度，并確定合理用量；〔3〕根據(jù)井下管柱與井口裝置的壓力極限選擇合理的泵注排量與泵注方式、地面泵壓和壓裂車數(shù)；〔4〕確定壓裂泵注程序；〔5〕進(jìn)行壓裂經(jīng)濟(jì)評價，使壓裂作業(yè)最優(yōu)化。一、選井選層考慮因素儲層地質(zhì)特征、巖石力學(xué)性質(zhì)、孔滲飽特性、油層油水接觸關(guān)系、巖層間界面性質(zhì)與致密性、井筒技術(shù)要求。油氣井低產(chǎn)原因〔1〕由于鉆井、完井、修井等作業(yè)過程對地層傷害使近井地帶造成嚴(yán)重的堵塞；〔2〕油氣層滲透率很低，常規(guī)完井方法難以經(jīng)濟(jì)開采；〔3〕“土豆?fàn)瞑曂哥R體地層，單井控油面積有限，難以獲得高產(chǎn)；〔4〕油氣藏壓力已經(jīng)枯竭前三種情況可以采取適當(dāng)?shù)膲毫汛胧?儲層物性評估儲層地質(zhì)特征粘土礦物分析巖石力學(xué)性質(zhì)巖心分析試井分析2井筒技術(shù)要求壓裂設(shè)計符合套管強(qiáng)度要求；固井質(zhì)量合格；井底無落物。3儲層條件地質(zhì)條件儲量和能量壓裂侯選井1)低滲透地層：滲透率越低，越要優(yōu)先壓裂，越要加大壓裂規(guī)模。2)足夠的地層系數(shù)：一般要求kh>0.5×10-3μm2.m。3)含油飽和度：含油飽和度一般應(yīng)大于35%。4)孔隙度：一般孔隙度為6～15%才值得壓裂；假設(shè)儲層厚度大，最低孔隙度為6～7%。5)高污染井：壓裂作業(yè)只能改善受污染的表皮效應(yīng)。二、確定入井材料1．優(yōu)選壓裂液體系(1)篩選根本添加劑〔增稠劑、交聯(lián)劑、破膠劑〕，配制適合本井的凍膠交聯(lián)體系。(2)篩選與目的層配伍性好的粘土穩(wěn)定劑、潤濕劑、破乳劑、防蠟劑等添加劑系列。(3)篩選適合現(xiàn)場施工的耐溫劑、防腐劑、消泡劑、降阻劑、降濾劑、助排劑、pH值調(diào)節(jié)劑、發(fā)泡劑和轉(zhuǎn)向劑等。(4)對選擇的壓裂液，在室內(nèi)模擬井下溫度、剪切速率、剪切歷程、階段攜砂液濃度來測定其流變性及摩阻系數(shù)，并按石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面評定。2．選擇支撐劑依據(jù)目的層閉合壓力選擇支撐劑類型，并按石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對其性能進(jìn)行全面評定，通過選擇支撐劑粒徑，鋪砂濃度和加砂方式滿足閉合壓力下無因次導(dǎo)流能力要求。三、水力壓裂設(shè)計計算任務(wù)：〔1〕在給定的儲層與井網(wǎng)條件下，根據(jù)不同縫長和導(dǎo)流能力預(yù)測壓后生產(chǎn)動態(tài)；〔2〕根據(jù)儲層條件選擇壓裂液、支撐劑和加砂濃度，并確定合理用量；〔3〕根據(jù)井下管柱與井口裝置的壓力極限選擇合理的泵注排量與泵注方式、地面泵壓和壓裂車數(shù)；〔4〕確定壓裂泵注程序；〔5〕進(jìn)行壓裂經(jīng)濟(jì)評價，使壓裂作業(yè)最優(yōu)化。1、水力壓裂設(shè)計根本參數(shù)(1)注入方式選擇(2)施工排量必須大于地層的吸液能力Q吸考慮所需壓裂液量考慮摩阻壓力考慮設(shè)備能力這個約束條件支撐劑輸送2、水力壓裂設(shè)計內(nèi)容(3)液量與砂量(4)井口施工壓力(5)施工功率(6)壓裂車數(shù)按單車功率計算按單車排量計算3壓裂施工設(shè)計計算步驟〔正設(shè)計〕正設(shè)計:根據(jù)壓裂施工規(guī)模預(yù)測增產(chǎn)倍數(shù)a.確定前置液量、混砂液量以及砂量；b.選擇適當(dāng)?shù)氖┕づ帕?、計算施工時間；c.計算動態(tài)裂縫幾何尺寸；d.支撐劑在裂縫中的運(yùn)移分布，確定支撐裂縫幾何尺寸；e.預(yù)測增產(chǎn)倍比。4壓裂施工設(shè)計計算步驟〔逆設(shè)計〕a.根據(jù)增產(chǎn)要求確定裂縫長度和導(dǎo)流能力；b.預(yù)選施工排量、前置液量和攜砂液量；c.計算動態(tài)裂縫幾何尺寸；d.支撐劑在裂縫中的運(yùn)移與分布，確定支撐裂縫幾何尺寸；e.計算支撐裂縫長度和導(dǎo)流能力以及增產(chǎn)倍比；f.如果滿足增產(chǎn)要求那么結(jié)束，否那么重選液量、砂量，返回〔c〕重新計算。5〕確定用液量按PKN模型計算裂縫寬度w=0.0038m平均縫寬wAVG=0.785×w=0.003m鋪砂濃度為5kg/m2時要求的裂縫寬度為0.0028m比較計算平均縫寬和要求縫寬，二者相近；否那么重新計算。壓裂液濾失系數(shù)由于造壁性濾失系數(shù)較小，近似取為c=8.62×10-4

長慶油田壓裂、酸化設(shè)計軟件：西方公司24套壓裂設(shè)計軟件〔二維〕西南石油學(xué)院壓裂設(shè)計軟件；MFRC-11擬三維壓裂設(shè)計軟件；FracproPT三維壓裂設(shè)計軟件；FracCADE三維壓裂設(shè)計軟件；西峰油田壓裂優(yōu)化設(shè)計軟件等。常用的壓裂設(shè)計軟件第八節(jié)壓裂工藝技術(shù)長慶試油壓裂工藝特色技術(shù)1、低滲砂巖油層壓裂工藝技術(shù)2、低滲砂巖氣層壓裂工藝技術(shù)3、碳酸鹽巖儲層酸化工藝技術(shù)4、試油壓裂地質(zhì)綜合研究技術(shù)5、淺油層試油壓裂工藝技術(shù)6、水平井分段試油壓裂工藝技術(shù)7、堵老縫壓新縫老井復(fù)壓工藝技術(shù)8、CO2泡沫壓裂工藝技術(shù)9、雙級高能氣體壓裂工藝技術(shù)10、產(chǎn)能試井資料綜合處理技術(shù)11、低滲油氣層壓力恢復(fù)資料綜合解釋技術(shù)12、連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)除特殊情況外，壓裂施工程序大都相同，一般分為以下七道工序：①循環(huán)：目的是鑒定各種設(shè)備性能，檢查管線是否暢通，就是將壓裂液由液罐車打到壓裂車再返回液罐車。循環(huán)路線是液罐車—混砂車—壓裂泵—高壓管匯—液罐車。目的是檢查壓裂泵上水情況以及管線連接情況。②試壓：關(guān)死井口總閘，對地面高壓管線、井口、連接絲扣、由壬等憋壓檢驗。③試擠：試壓合格后，翻開總閘門，用1～2臺壓裂車將試劑液擠入油層，直到壓力穩(wěn)定為止。目的是檢查井下管柱及井下工具是否正常，掌握油層的吸水能力。④壓裂：在試擠壓力與排量穩(wěn)定后，同時啟動全部車輛向井內(nèi)高速注入壓裂液，使井底壓力迅速升高，當(dāng)井底壓力超過地層破裂壓力時，地層就會形成裂縫。⑤加支撐劑：當(dāng)?shù)貙右驯粔洪_裂縫，待壓力、排量穩(wěn)定后即可加支撐劑。⑥頂替：預(yù)計加砂量全部加完后，就立即泵入頂替液，把地面管線及井筒中的攜砂液全部頂替到裂縫中去，防止余砂沉積井底形成砂卡。頂替液不可過量，一般替擠量為地面管線和井筒容積的1.5倍。⑦反洗或活動管柱：替擠后應(yīng)立即反洗井或活動管柱，防止余砂殘存在井筒封隔器卡距之內(nèi)，造成砂卡?；顒庸苤杉铀俜飧羝髂z筒回收。各工序結(jié)束后，關(guān)井等待壓力擴(kuò)散。壓裂施工結(jié)束后，井內(nèi)壓裂管柱起出之前，要加深管柱探砂面，然后起出壓裂管柱，按設(shè)計要求下入完井管柱，安裝好井口采油樹，連接生產(chǎn)管線，撈出堵塞器，抽油機(jī)井要蹩掉活堵，調(diào)好防沖距試抽，然后交井。壓裂施工根本工序液體技術(shù)--系列壓裂酸化液體壓裂液體系：不同地層溫度系列壓裂液〔20oC--120oC〕瓜爾膠系列壓裂液系列香豆膠系列壓裂液系列有機(jī)硼系列壓裂液、有機(jī)鈦系列壓裂液泡沫壓裂液系列等其它系列。酸化液體系：解堵酸系列稠化酸系列降阻酸液緩速酸液變粘酸液泡沫酸液等其它酸液系列。擠解堵劑管柱結(jié)構(gòu)：球座〔木球〕+下封隔器+定壓凡爾+調(diào)整短節(jié)+上封隔器+油管應(yīng)用范圍：底水油帽油層滲透率5-30毫達(dá)西