水力压裂造缝及增产机理

21.4水力压裂增产机理1.2水力压裂施工概述1.3水力压裂造缝机理及裂缝形态1.1水力压裂技术发展现状第1章水力压裂造缝及增产机理第一部分水力压裂技术3利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高压；当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层产生裂缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，使井达到增产增注目的工艺措施。1.1水力压裂技术发展现状51.1水力压裂技术发展现状1947年—美国首次水力压裂增产作业60年代—单井的增产、增注措施70年代—低渗透油田的勘探开发领域随着工艺技术发展和对油藏地质研究的不断深入，压裂工艺技术的应用领域也不断拓宽，特别是用于调整层间矛盾、改善驱油效率及低渗油田的整体压裂优化开发，使压裂工艺技术成为提高采油速度和采收率及改善油田开发效益的重要手段。80-90年代—中高渗透油田（端部脱砂压裂－TSO）61.1水力压裂技术发展现状•第一代压裂(1940’～1970’)：小型压裂（Mini-fracturing）加砂量较小，主要是解除近井地带污染。•第二代压裂(1970’～1980’)：中型压裂（MediumFracturing）加砂量增加，压裂规模增大，提高低渗透油层导流能力。•第三代压裂(1980’～1990’)：端部脱砂压裂（TipScreenOut-TSO）应用到中、高渗储层，主要是大幅度提高储层导流能力。•第四代压裂(1990’～)：大型压裂（MassiveHydraulicFracturing－MHF）、水力压裂作为一种开发方式，从油藏系统出发，应用压裂技术。7近30多年来，水力压裂技术得到了快速发展，取得了众多科研成果，形成了适用于不同地层温度条件的压裂液体系(FracturingFluid)、适合不同闭合压力(ClosurePressure)条件的支撑剂系列(Proppant)，研制出高性能的施工设备，创建了新的设计模型(DesignModel)和分析、诊断方法(AnalyticalandDiagnosticMethod)，使压裂工艺技术日趋完善，现已成为油田开发过程中不可缺少的一项工艺技术。1.1水力压裂技术发展现状81、工艺技术方面：压裂方式:笼统压裂（CommingledHydraulicFracturing）分层压裂（SeparateLayerFracturing）压裂工艺:滑套式（SlidingSleeve）分层压裂选择性压裂（SelectiveFracturing）多裂缝压裂（Multi-fractureHF)限流法压裂(LimitedEntryFracturing)平衡限流法压裂(BalancedLEF)水平缝端部脱砂压裂(TSOinHorizontalFracture)热化学压裂工艺(ThermochemicalFracturing)水平井压裂(HorizontalWellFracturing)斜直井压裂(Slant-VerticalWellFracturing)小井眼压裂(SlimHoleFracturing)工艺高能气体压裂(HighEnergyGasFracturing－HEGF）我国水力压裂技术发展及现状92、下井原材料方面，压裂液由初期的清水(RiverfracTreatment)、原油，发展到海藻、田菁(SesbaniaGum)、胍胶(GuarGum)、香豆、魔芋、泡沫、高聚物等，支撑剂由石英砂(SilicaSand)发展到陶粒(Ceramsite)、以及核桃壳(WalnutShell)、树脂砂等。另外，在设备、工具、管柱、水力压裂机理（FractureMechanics）研究、设计软件开发方面也都取得了长足进步。我国水力压裂技术发展及现状第一节完11施工设备摆放压裂液储罐支撑剂搅拌添加剂泵车组压裂指挥套管加压井现场施工设备必须按标准摆放，以利于协调指挥和管理。常规施工泵入装置简图1.2水力压裂施工概述16压裂施工工艺流程1.2水力压裂施工概述循环试挤压裂加砂替挤扩散压力施工结束17压裂施工时液体的流动过程压裂液储罐压裂液储罐地面管线地面管线井口井口管汇管汇加压泵加压泵混砂装置混砂装置支撑剂储罐支撑剂储罐射孔炮眼射孔炮眼油套环空油套环空喷砂器喷砂器井下管线井下管线地层地层1.2水力压裂施工概述181.2水力压裂施工概述完成一口压裂井施工的几个基本要素要素1）施工设备施工设备由地面设备和压裂车组两部分组成。地面设备包括压裂管汇、蜡球管汇、压裂井口装置；压裂车组包括泵车、混砂车、罐车（液罐车、砂罐车、添加剂罐车）、仪表车、水泥车。191.2水力压裂施工概述泵车的作用一是泵送液体二是使液体升压目前的2000型压裂车最高施工压力105MPa,最大单车排量2.33m3/min。在1900r/min转速、45.9MPa条件下，单车排量可达1.87m3/min。完成一般油层压裂需要3台泵车，进行探井压裂时，根据需要确定泵车数量。201.2水力压裂施工概述发动机压裂泵传动箱运载车仪表监控系统液气控制系统211.2水力压裂施工概述混砂车的作用一是把支撑剂与压裂液充分混合二是为泵车提供充足的液体最大排量15.9m3/min,最大输送砂量8165kg/min,8个泵车接口。221.2水力压裂施工概述混砂车(BlendingEquipment)运载车发动机仪表监控系统液气控制系统管汇系统输砂系统251.2水力压裂施工概述仪表车的作用一是控制泵车和混砂车的运行参数二是适时记录及监测分析施工参数301.2水力压裂施工概述施工管柱由油管和下井工具(封隔器、喷砂器)组成，其作用：一是为传送施工压力提供通道；二是实现分层。目前应用的施工管柱有普通滑套式分层压裂管柱、高砂比管柱、55MPa压裂管柱等。要素2）施工管柱311.2水力压裂施工概述要素3）下井原材料包括压裂液和支撑剂两部分。压裂液的主要作用一是造缝，二是携砂。支撑剂的作用是支撑裂缝,增加裂缝的导流能力。321.2水力压裂施工概述要素4）施工设计是指导压裂施工的纲领性文件。其核心内容是根据井层参数、下井原材料参数来优化压裂施工参数（压力、排量、砂比、砂量、液量），最终给出合理的施工工序表。331.2水力压裂施工概述压裂工程设计软件：z油藏模拟与压裂设计分析系统z水平缝脱砂压裂设计软件zWINQSW全三维压裂设计软件zFracproPT压裂设计软件zStimPlan全三维压裂设计软件包z裂缝性储层测试压裂诊断系统z综合柱状地应力剖面分析系统z井筒崩落及横波各向异性地应力方位分析系统341.2水力压裂施工概述施工工艺是针对井层条件，为达到改造目的而采取的合理施工方法。根据不同施工井的改造要求，先后研究开发了普压、多裂缝、选压、限流法等二十多项压裂工艺。要素5）施工工艺351.2水力压裂施工概述要素6）施工评价一是工艺评价施工评价二是经济评价工艺评价是为了评估压裂施工成功与否、检验实际施工与设计的符合程度和工艺的适应性,积累经验，指导下步施工。经济评价是为了评价压裂效益，既投入与产出的关系，判断经济合理性。第二节完36作用在地层岩石上的应力分两部分：一部分被地层流体承担，另一部分才是真正作用在岩石的骨架上。作用在岩石骨架上的应力为有效应力。ooppσσσσ′=−′其中为有效应力(EffectiveStress)；为总应力(TotalStress)；为孔隙压力(PorePressure)。1.3水力压裂造缝机理及裂缝形态37σaσrσr=σ3σa=σ1τmaxplanesslipplanesσ1σ2σ3σ1σ1σ2σ2σ3σ3三向主应力三轴应力实验3zopσσ=−2yopσσ=−1xopσσ=−垂向应力（Verticalstress）水平应力（Horizontalstress）1.3水力压裂造缝机理及裂缝形态38()∫=zzgdzz0ρσ垂向应力：垂向应力：水平应力：水平应力：()()()∫∫∫−+−+−+−=zzzzhHdzzjEdzziEdzzTE02020,1111εννεννασννσ垂向应力作用热应力作用构造应力作用1.3水力压裂造缝机理及裂缝形态39σxxFA=εxxll=ΔεyyDD=ΔDΔD/2lΔlFA杨氏模量（Young‘smodulus）泊松比（Poisson‘sratio）平面应变模量（Planestrainmodulus）2,'1yyxxxxxxEvEEvεσεε===−1.3水力压裂造缝机理及裂缝形态40zσyσxσzσyσxσzσyσxσ(zxyzyxσσσσσσ（垂直缝VerticalFracture）垂直缝）xyzyxzσσσσσσ（或水平缝HorizontalFracture）最小主应力（LeastPrincipalStress）最小主应力（LeastPrincipalStress）1.3水力压裂造缝机理及裂缝形态41主应力倾斜角和最小主应力倾斜方向是控制人工裂缝的延伸方向的决定性因素。但是，裂缝形态也受断层、褶皱和天然裂缝等因素影响。1.3水力压裂造缝机理及裂缝形态42高角度裂缝（HighAngleFracture)由于三向主应力的相对大小，在大多数情况下，会产生不同程度的偏离水平或垂直方向的高角度裂缝。地应力剖面（StressProfile）多裂缝剖面而且由于地应力剖面的变化，在射孔区间涉及多个不同地应力值的情况下，还会产生多裂缝的情况。1.3水力压裂造缝机理及裂缝形态43σ3σ3岩石节理面局部微缝延节理面发展;宏观裂缝受地应力控制裂缝面裂缝方向延伸面1.3水力压裂造缝机理及裂缝形态47油层隔层隔层理想形态垂直缝示意图1.3水力压裂造缝机理及裂缝形态48理想与实际裂缝形态差别1.3水力压裂造缝机理及裂缝形态491000SH130016001900ShSv深度(m)应力值(MPa)一般情况下地应力随深度变化曲线PayPay常规裂缝复杂情况1.3水力压裂造缝机理及裂缝形态50裂缝的复杂性裂缝的复杂性“千层饼”“仙人掌”第三节完1.3水力压裂造缝机理及裂缝形态511.4水力压裂增产机理kwrer对没有污染的井'2()3ln4ewfewkhppqrBsrπμ−=⎛⎞−+⎜⎟⎝⎠23ln4ewrqBpkshrμπ⎛⎞−+=⎜⎝Δ⎟⎠一、污染井压裂增产机理521.4水力压裂增产机理kwrerskwrsr伤害距离对有污染的井12()lneseskhppqrBrπμ−=22()lnsswfswkhppqrBrπμ−=531.4水力压裂增产机理kwrerskwrsr伤害距离ln/2esesqBrrppkhμπ−=ln/2swswfsqBrrppkhμπ−=由流体流动的连续性12qqq==ln/2ewewfqBrrppkhμπ−=ln/11ln/ln/ewesswsrrkrrrrkk=+54'1ln2sskwfwfswrqBkpppkhkrμπ⎛⎞Δ=−=−⎜⎟⎝⎠1lnsswrkskr⎛⎞=−⎜⎟⎝⎠令：2skqBpskhμπΔ=著名的Hawkins方程（1949年）1.4水力压裂增产机理551.4水力压裂增产机理23ln4ewrqBpkshrμπ⎛⎞−+=⎜⎝Δ⎟⎠2skqBpskhμπΔ=3ln4eskwrsrpspΔ−Δ+=称为压降比例或伤害比DR（DamageRatio）；skppΔΔ称为流动效率FE（FlowEfficiency）。1skppΔ−Δ561.4水力压裂增产机理13ln4DewJrsr=⎛⎞−+⎜⎟⎝⎠定义为无因次生产指数（无因次采油指数）则增产倍数FOI（FoldofIncrease）3ln43ln4eDaftebeforeweaftrDbewerforersJFJrrrOIs−+−+==571.4水力压裂增产机理1、降低井底附近地层渗流阻力，增加渗流面积2、改变了流动形态，由径向流→双线性流（地层线性流向裂缝，裂缝内流体线性流入井筒）二、无污染井压裂增产机理591.4水力压裂增产机理影响裂缝导流能力的