1、 水水 力力 压压 裂裂Hydraulic Fracture Stimulation“水力压裂水力压裂” 是什么是什么 ?F液体连续注入使得人工裂缝变得更大。液体连续注入使得人工裂缝变得更大。F液体将高强度的固体颗粒（支撑剂）带入并充填裂缝。液体将高强度的固体颗粒（支撑剂）带入并充填裂缝。F施工结束，液体返排，支撑剂留在裂缝中，形成高流通施工结束，液体返排，支撑剂留在裂缝中，形成高流通能力的油气通道，并扩大油气的渗流面积。能力的油气通道，并扩大油气的渗流面积。F利用液体传递压力在地层岩石中形成人工裂缝。利用液体传递压力在地层岩石中形成人工裂缝。基本概念基本概念 利用利用地面高压泵组地面高压泵组
2、，以超过地层吸收能，以超过地层吸收能力的排量将高粘液体（力的排量将高粘液体（压裂液压裂液）泵入井内，而）泵入井内，而在井底憋起高压，当该压力克服井壁附近地应在井底憋起高压，当该压力克服井壁附近地应力达到岩石抗张强度后，就在井底产生裂缝。力达到岩石抗张强度后，就在井底产生裂缝。继续将带有继续将带有支撑剂支撑剂的携砂液注入压裂液，裂缝的携砂液注入压裂液，裂缝继续延伸并在裂缝中充填支撑剂。停泵后，由继续延伸并在裂缝中充填支撑剂。停泵后，由于支撑剂对裂缝的支撑作用，可在地层中形成于支撑剂对裂缝的支撑作用，可在地层中形成足够长、有一定导流能力的填砂裂缝。足够长、有一定导流能力的填砂裂缝。压裂作用及增产机
3、理压裂作用及增产机理 沟通油气储集区，扩大供油面积沟通油气储集区，扩大供油面积。 砂岩储层中的透镜体、裂缝性油藏的裂砂岩储层中的透镜体、裂缝性油藏的裂缝和溶洞缝和溶洞 改变井筒周围渗流特征，降低渗流阻力，改变井筒周围渗流特征，降低渗流阻力，节约地层能量。节约地层能量。 克服井底附近污染克服井底附近污染在油气勘探开发中的作用在油气勘探开发中的作用 ( (1)1) 勘探阶段勘探阶段 增加可采储量；美国可采储量的增加可采储量；美国可采储量的2030%通过压裂通过压裂获得。获得。 (2) 开发阶段开发阶段 增加油气井产量和注水井的注水量增加油气井产量和注水井的注水量; 调整油田开发矛盾，改善吸水、出油
4、剖面调整油田开发矛盾，改善吸水、出油剖面; 提高采油速度，提高油田采收率提高采油速度，提高油田采收率; (3) 其它方面其它方面 控制井喷控制井喷;煤矿开采，工业排污，废核处理等。煤矿开采，工业排污，废核处理等。 F为什么要压裂为什么要压裂 l增加油气井的生产能力增加油气井的生产能力油气井水力压裂油气井水力压裂u低渗透储层通过压裂达到经济开采产量低渗透储层通过压裂达到经济开采产量u中等渗透储层的伤害要消除或需要更优的回报中等渗透储层的伤害要消除或需要更优的回报u高渗透储层的伤害要消除或防砂高渗透储层的伤害要消除或防砂 1947-1948 : 水力压裂的发水力压裂的发展展 F1947. 7 美国
5、开始第一口井的压裂施工，用交联美国开始第一口井的压裂施工，用交联的煤油的煤油/汽油混合油。汽油混合油。F1948 - 获得专利，获得专利， 在商业应用前压裂了在商业应用前压裂了 23 口井口井水力压裂的历史水力压裂的历史水力压裂商业性应用开始于水力压裂商业性应用开始于 1949年年F1949早期早期, 哈里伯顿油井固井公司获得唯一的哈里伯顿油井固井公司获得唯一的“水力压裂水力压裂”许可证许可证F 当年进行了当年进行了332口井的压裂口井的压裂F75% 成功成功1949.3在在美国俄美国俄克拉荷马州的维克拉荷马州的维尔玛进行了尔玛进行了第一第一次商业性的压裂次商业性的压裂施工施工F早期施工使用几
6、百磅的手筛河砂和凝胶油早期施工使用几百磅的手筛河砂和凝胶油F现在使用成百上千吨的砂或人造支撑剂和冻胶或泡现在使用成百上千吨的砂或人造支撑剂和冻胶或泡沫压裂液沫压裂液F注入排量为第一次压裂施工排量的注入排量为第一次压裂施工排量的5到到50倍倍从第一次压裂到现在从第一次压裂到现在 .H Hi i s st to or ri i c ca al l F Fr ra ac c F Fl l u ui i d d T Tr re en nd ds s% of Total JobsYear0102030405060708090 100194919521955195819611964196719701973
7、1976197919821985198819911994Water BaseOil BaseFoam FluidsA Av ve er ra ag ge e I I n nj j e ec ct ti i o on n R Ra at te e a an nd d H HH Hp pRateHHp19491953195719611965196919731977198119851989199319973000250020001500100050006050403020100YearHydraulic HorsepowerInjection Rate (bbl/min)19490.20.21950
8、0.50.4195110.719522.51.819535319547.4519559.67195612101957141219581613.719591815196019.317.319612019.719622122196321.824.3196422.426.819652329196623.730.7196724.432.619682534196926331970283219713031197232.336.519733541.519743745197538.248.5197639.651.8197741551978436219794568198047741981508119825388
9、19835695198456.494198557.293.519865893198757.395.419885797.8198957100199056.7108199156.4115.5199256123199356.3129199456.7134199557135Average Frac Treatment Size020406080100 120 14019491952195519581961196419671970197319761979198219851988199119941997Fluid Volume (1,000 gallons)Total Proppant (1,000 lb
10、s)ProppantFluidA Av ve er ra ag ge e F Fr ra ac c T Tr re ea at tm m e en nt tYear第一次百万磅（第一次百万磅（454吨）支撑剂的压裂吨）支撑剂的压裂 1974年年5月月1988年大型压裂，年大型压裂，91MPa下加入下加入817吨吨20/40 陶粒陶粒在在90年代年代. 1997: 一口井一口井7层压裂施工加入支撑剂层压裂施工加入支撑剂14,000,000 磅（磅（6356吨）吨）. (2,000 m 水平井水平井, 北海北海)1995-98: 平均每月压裂平均每月压裂2000口井口井进入进入 2000年年?F理
11、解理解 / 控制多裂缝控制多裂缝F新方法新技术用在大斜度井或水平井的裸眼段压裂中新方法新技术用在大斜度井或水平井的裸眼段压裂中F3-D 实时裂缝几何尺寸测绘实时裂缝几何尺寸测绘(微地震波监测微地震波监测,井下测斜井下测斜)水力裂缝生长过程水力裂缝生长过程12345671234567第一节第一节 压裂机理压裂机理时时 间间 小型压裂小型压裂降排量试验降排量试验前置液前置液 ISIP闭合闭合 & 滤失滤失排量排量实际井底压力实际井底压力支撑剂浓度支撑剂浓度最终最终 ISIP裂缝净压力增加裂缝净压力增加裂缝方向总是垂直于最小主应力裂缝方向总是垂直于最小主应力一一. .地应力及岩石力学参数地应力及岩石
12、力学参数xzyF当当 z最小时，形成水平裂缝。最小时，形成水平裂缝。 裂缝形态及方位裂缝形态及方位xzyyxzF当当 z x y，形成垂直裂缝，裂缝面垂直于，形成垂直裂缝，裂缝面垂直于 y方向；方向；F当当 z y x，形成垂直裂缝，裂缝面垂直于，形成垂直裂缝，裂缝面垂直于 x方向；方向； 理想裂缝理想裂缝实际可能出现下列情况的裂缝实际可能出现下列情况的裂缝裂缝上裂缝上下窜下窜 弯曲裂缝弯曲裂缝液体分流液体分流T型裂缝型裂缝水平裂缝水平裂缝倾斜多裂缝倾斜多裂缝上窜裂缝上窜裂缝射孔方位射孔方位F1.射孔方位与最大水平主应力方位平行，最有利射孔方位与最大水平主应力方位平行，最有利；F2.射孔方位与
13、最小水平主应力方位平行，最不利射孔方位与最小水平主应力方位平行，最不利；F3.射孔方位与最大水平主应力方位成一定角度平射孔方位与最大水平主应力方位成一定角度平行，有一定影响。行，有一定影响。二、地应力测量、解释方法二、地应力测量、解释方法F1.1.地应力方位测量；地应力方位测量；F2.2.地应力大小测量。地应力大小测量。三、地层岩石破裂机理和破裂压力三、地层岩石破裂机理和破裂压力F地层岩石破裂，井底压力大于地层有效应力及岩石的抗张强度。1.定义定义 sszFppvvp12破裂压力梯度破裂压力梯度HpFF地层深度地层破裂压力2.理论计算理论计算 HpvvHvvHpsvF1311213.统计值统计
14、值 油田使用的破裂压力梯度通常是根据大量的压裂油田使用的破裂压力梯度通常是根据大量的压裂实践统计出来的。一般范围在实践统计出来的。一般范围在0.0150.025 MPa/m MPa/m之间之间. . 根据根据破裂压力梯度可以大致估算压裂裂缝形态破裂压力梯度可以大致估算压裂裂缝形态: 当当 0.015 0.022 0.0220.025 MPa/m, 0.025 MPa/m, 形成水平裂缝形成水平裂缝. .降低破裂压力措施降低破裂压力措施 酸化预处理酸化预处理 高效射孔高效射孔 密集射孔密集射孔四、裂缝设计模型四、裂缝设计模型F2-D 模型模型F简化简化 3-D模型模型F有限元有限元 3-D模型模
15、型裂缝模型裂缝模型F2D 模型lPKNlCGD（KGD)l径向F3D 模型l拟三维l集成三维l全三维l非平面三维商业化压裂软件商业化压裂软件F2-D 模型模型 (PKN, KGD, Daneshy, Radial)l众多众多F简化简化 3-DlFracpro or Fracpro PTlM-FraclStimPlan or E-StimPlanF有限元有限元 3-DlTerraFraclGOHFER黑箭头表示油黑箭头表示油气流动路径气流动路径无裂缝的油气径向流动无裂缝的油气径向流动井筒井筒含油气的多孔储层岩石含油气的多孔储层岩石五、水力压裂增产机理五、水力压裂增产机理F降低渗流阻力，增大渗流面
16、积。有裂缝后油气流动变成有裂缝后油气流动变成“线性线性” 流动流动含油气的多孔储层岩石含油气的多孔储层岩石水力裂缝流动变化流动变化后期，拟径向流后期，拟径向流初期，地层线性流初期，地层线性流早期，双线性流早期，双线性流第二节第二节 压裂设计压裂设计一、选井选层一、选井选层基本原则：基本原则：1.油气井必须有足够的剩余储量以及地层能量。油气井必须有足够的剩余储量以及地层能量。2.前次压裂由于施工原因造成施工失败，在对失败原因进一步前次压裂由于施工原因造成施工失败，在对失败原因进一步分析的基础上加以改进，有望获得成功。分析的基础上加以改进，有望获得成功。3.前次压裂成功，但产量下降快，如果是因为改
17、造规模不够或前次压裂成功，但产量下降快，如果是因为改造规模不够或者支撑剂破碎严重，有望获得成功。者支撑剂破碎严重，有望获得成功。4.前次压裂后生产情况较好，但未能处理整个气层或者处理规前次压裂后生产情况较好，但未能处理整个气层或者处理规模不够，采取重复压裂有可能成功。模不够，采取重复压裂有可能成功。F根据油气井生产历史、地质评价结果以及油田开发动态综合分析，找出油气井低产的原因，进行选井选层决策。 类别类别决策要考虑的参数决策要考虑的参数候选井单井地质状况候选井单井地质状况目的层跨距、有效厚度、孔隙度、有效渗透率、含油气目的层跨距、有效厚度、孔隙度、有效渗透率、含油气饱和度、原始地层压力、目前
18、地层压力、上下地应力差饱和度、原始地层压力、目前地层压力、上下地应力差、原始可采储量、剩余可采储量、表皮系数、隔层条件、原始可采储量、剩余可采储量、表皮系数、隔层条件等等前次压裂以及裂缝目前次压裂以及裂缝目前状况诊断前状况诊断压裂加砂量、含砂比、油气井的静压、井底流压、支撑压裂加砂量、含砂比、油气井的静压、井底流压、支撑裂缝半长、裂缝导流能力等裂缝半长、裂缝导流能力等邻井或本井压裂生产邻井或本井压裂生产动态数据动态数据施工前产量、施工后产量、日增油气量、增产有效期等施工前产量、施工后产量、日增油气量、增产有效期等二、油藏模拟二、油藏模拟F1 1、区块整体压裂油藏模拟、区块整体压裂油藏模拟 在实
19、际井网和油层条件下，以油藏作为一个工作单在实际井网和油层条件下，以油藏作为一个工作单元，进行开发井网与水力裂缝的优化组合设计，并预元，进行开发井网与水力裂缝的优化组合设计，并预测其一、二次采油期产量、扫油效率、以及采出程度测其一、二次采油期产量、扫油效率、以及采出程度等动态变化结果，以提高采油速度及油藏采收率。等动态变化结果，以提高采油速度及油藏采收率。油藏模拟：油藏模拟： 考虑人工压裂裂缝对流体渗流的作用，模拟有、无考虑人工压裂裂缝对流体渗流的作用，模拟有、无压裂井时的油藏生产动态，模拟任意方位、任意倾向压裂井时的油藏生产动态，模拟任意方位、任意倾向人工裂缝及不同缝长不同裂缝导流能力对油气井
20、和油人工裂缝及不同缝长不同裂缝导流能力对油气井和油气藏动态的影响。以区块整体产量、效益或扫油效率气藏动态的影响。以区块整体产量、效益或扫油效率为目标，选择与油藏相匹配的裂缝参数（裂缝半长、为目标，选择与油藏相匹配的裂缝参数（裂缝半长、裂缝导流能力裂缝导流能力)。 压裂裂缝与注采井连线间成压裂裂缝与注采井连线间成1515角角注采井连线注采井连线压裂裂缝压裂裂缝WELL4WELL1WELL2WELL3WELL5 压裂裂缝与注采井连线间成压裂裂缝与注采井连线间成0 0角角注采井连线注采井连线压裂裂缝压裂裂缝WELL4WELL1WELL2WELL3WELL5压裂裂缝与注采井连线间成压裂裂缝与注采井连线
21、间成3030角角注采井连线注采井连线压裂裂缝压裂裂缝WELL4WELL1WELL2WELL3WELL5压裂裂缝与注采井连线间成压裂裂缝与注采井连线间成4545角角注采井连线注采井连线压裂裂缝压裂裂缝WELL4WELL1WELL2WELL3WELL5生产井裂缝长度对日产量的影响生产井裂缝长度对日产量的影响 生产井裂缝长度对采出程度的油影响生产井裂缝长度对采出程度的油影响 05101520253035404505001000150020002500300035004000时间（天）采出程度（）都不压裂0.1,00.3,00.3,0.10.3,0.30.3,0.5生产井裂缝长度对累产油量影响生产井裂
22、缝长度对累产油量影响 生产井裂缝长度对含水率的影响生产井裂缝长度对含水率的影响 00.20.40.60.8105001000150020002500300035004000时间（天）含水率（）都不压裂0.1,00.3,00.3,0.10.3,0.30.3,0.5 裂缝的导流能力对累积产量的影响裂缝的导流能力对累积产量的影响 05000100001500020000250003000035000400004500005001000150020002500300035004000时间（天）累积产油量（方）都不压裂frcd=5frcd=15frcd=30frcd=45frcd=60储层渗透率范围储层
23、渗透率范围: :渗透率范围渗透率范围 气井气井 油井油井很低低中高 0.1 md50 md 1 md200 md 2 2、单井压裂油藏模拟、单井压裂油藏模拟2 2、单井压裂油藏模拟、单井压裂油藏模拟F在地层实际物性参数条件下，计算不同支撑缝长、不同裂缝导流能力下井的产量。F支撑裂缝对井生产能力的影响支撑裂缝对井生产能力的影响最重要的参数最重要的参数:l 有效支撑缝长有效支撑缝长l 裂缝导流能力裂缝导流能力l 支撑的产层厚度支撑的产层厚度增产与裂缝长度增产与裂缝长度有效支撑缝长有效支撑缝长高渗透储层高渗透储层中等渗透储层中等渗透储层低渗透储层低渗透储层增产因数增产因数增产与裂缝长度增产与裂缝长度
24、低渗透地层低渗透地层 差的裂缝导流能力差的裂缝导流能力中等的裂缝导流能力中等的裂缝导流能力好的好的裂缝导流能力裂缝导流能力增产因数增产因数有效支撑缝长有效支撑缝长增产与裂缝长度增产与裂缝长度差的裂缝差的裂缝导流能力导流能力中等的裂缝中等的裂缝导流能力导流能力好的裂缝导流能力好的裂缝导流能力增产因数增产因数中等渗透地层中等渗透地层 有效支撑缝长有效支撑缝长增产与裂缝长度增产与裂缝长度增产因数增产因数高渗透地层高渗透地层有效支撑缝长有效支撑缝长差的裂缝导流能力差的裂缝导流能力中等的裂缝导流能力中等的裂缝导流能力好的裂缝导流能力好的裂缝导流能力增产与裂缝长度增产与裂缝长度增产因数增产因数高渗透地层高
25、渗透地层(Skin Factor = 20.)有效支撑缝长有效支撑缝长中等的裂缝导流能力中等的裂缝导流能力好的裂缝导流能力好的裂缝导流能力差的裂缝导流能力差的裂缝导流能力增产与裂缝长度增产与裂缝长度(产层全部被支撑产层全部被支撑)Tinsleys* 增产因数增产因数有效支撑裂缝半长（英尺）有效支撑裂缝半长（英尺）511001000500高渗透高渗透中渗透中渗透低渗透低渗透Tinsleys* 增产因数增产因数有效支撑裂缝半长（英尺）有效支撑裂缝半长（英尺）511001000500高渗透高渗透中渗透中渗透低渗透低渗透(只有产层厚度的只有产层厚度的 20% 被支撑被支撑)裂缝参数设计优化裂缝参数设计
26、优化三、压裂软件三、压裂软件1.1.国内：国内：石油大学、西南石油学院、万庄分院早石油大学、西南石油学院、万庄分院早期开发的软件，现已基本不用期开发的软件，现已基本不用2.2.国外国外商业化压裂软件商业化压裂软件F2-D 模型模型 (PKN, KGD, Daneshy, Radial)l众多众多F简化简化 3-DlFracpro or Fracpro PTlM-FraclStimPlan or E-StimPlanF有限元有限元 3-DlTerraFraclGOHFER第三节第三节 压裂液压裂液一、压裂液的作用一、压裂液的作用 传递能量、压开地层、输送支撑剂传递能量、压开地层、输送支撑剂阶段不
27、同分为：阶段不同分为：1.预前置液（预处理液）预前置液（预处理液）2.前置液前置液3.携砂液携砂液4.顶替液顶替液二、压裂液性能二、压裂液性能F1.流变性流变性:n k，粘温曲线，粘温曲线F2.滤失性滤失性F3.稳定性稳定性:热稳定、剪切稳定、放置稳定热稳定、剪切稳定、放置稳定F4.降阻性降阻性F5.携砂性携砂性F6.配伍性配伍性F7.低残渣、低伤害低残渣、低伤害F8.易返排易返排F9.低成本低成本F液体类型液体类型l油基油基l水基水基l乳化液乳化液lN2 和和 CO2 泡沫泡沫l表面活性胶束（清洁压裂液）表面活性胶束（清洁压裂液）F常用三种类型压裂液的优缺点常用三种类型压裂液的优缺点三、压裂
28、液分类三、压裂液分类油基压裂液优点油基压裂液优点F不会造成粘土膨胀不会造成粘土膨胀F低界面张力低界面张力F与地层流体配伍与地层流体配伍油基压裂液缺点油基压裂液缺点F安全和环境的危害要考虑安全和环境的危害要考虑F高成本高成本F应用温度范围有限应用温度范围有限F配制不容易配制不容易水基压裂液优点水基压裂液优点F安全安全F有效有效F经济经济F批量或连续配制批量或连续配制F破胶时间可控破胶时间可控F应用温度范围广应用温度范围广水基压裂液缺点水基压裂液缺点F地层配伍性地层配伍性l与地层矿物反应与地层矿物反应l与地层流体反应与地层流体反应F液体滤失的影响液体滤失的影响l低渗透储层排液问题低渗透储层排液问题
29、l低压井的排液问题低压井的排液问题 l排液时间及裂缝清理问题排液时间及裂缝清理问题泡沫压裂液优缺点泡沫压裂液优缺点优点：优点：F60 to 85% N60 to 85% N2 2 or CO or CO2 2F粘度高粘度高F低滤失低滤失F输砂好输砂好F进入地层液体少进入地层液体少F足够的裂缝导流足够的裂缝导流F最少的地层伤害最少的地层伤害F返排好返排好缺点：缺点：F施工压力高、成本高施工压力高、成本高压裂液化学添加剂压裂液化学添加剂F杀菌剂杀菌剂F粘土稳定剂粘土稳定剂FpH 调节剂调节剂F稠化剂稠化剂F降滤失剂降滤失剂F表面活性剂表面活性剂F交联剂交联剂F破胶剂破胶剂降滤失剂降滤失剂F硅粉、粉
30、砂、粉陶硅粉、粉砂、粉陶F可降解的可降解的l油溶性树脂油溶性树脂l柴油柴油F不能溶解的气体不能溶解的气体 (20% N2 ) 第四节第四节 压裂支撑剂压裂支撑剂F石英砂、陶粒石英砂、陶粒F主要指标主要指标F抗压强度、破碎率抗压强度、破碎率F圆球度圆球度F粒径粒径F密度（视密度、体积密度）密度（视密度、体积密度）F导流能力导流能力支撑剂选择：主要根据地层的闭合压力大小支撑剂选择：主要根据地层的闭合压力大小支撑剂样品支撑剂样品不同铺砂浓度的导流能力不同铺砂浓度的导流能力3.0 lb/ft2010002000300040005000600002000400060008000闭合压力闭合压力, psi
31、导流能力导流能力, md-ft0.5 lb/ft21.0 lb/ft22.0 lb/ft2不同粒径支撑剂导流能力不同粒径支撑剂导流能力020008000闭合压力闭合压力, psi导流能力导流能力, md-ft2.0 lb/ft212/20-mesh16/30-mesh20/40-mesh4000600020,00015,00010,000500002000不同支撑剂的导流能力不同支撑剂的导流能力 15,000All Data for 2.0 lb/ft2闭合压力闭合压力, psi导流能力导流能力, md-ft20/40 Bauxite20/40 Sand20/40 Ceramic10,0008
32、00060004000200000500010,000常用陶粒砂技术指标常用陶粒砂技术指标1.1.达到限压不能压开地层达到限压不能压开地层高进入摩阻高孔眼摩阻严重的裂缝弯曲重新射孔用支撑剂段塞开始用高粘液体增加凝胶量增加排量以后的井少射孔第五节第五节 常见问题及处理常见问题及处理常见问题及处理常见问题及处理2.2.压窜：压窜：压窜隔层、压窜水泥环、封隔器窜压窜隔层、压窜水泥环、封隔器窜 停砂、停止压裂，反洗井（管柱上有反循环阀）停砂、停止压裂，反洗井（管柱上有反循环阀）3.3.砂堵：砂堵：停砂、放喷、反洗井停砂、放喷、反洗井4.4.砂卡、管柱断脱：砂卡、管柱断脱：作业或大修作业或大修第六节第六节 压裂监督压裂监督一、压裂施工设计执行情况（作业、压裂）一、压裂施工设计执行情况（作业、压裂）二、压裂液数量及性能（现场观测、室内实验）二、压裂液数量及性能（现场观测、室内实验）三、支撑剂数量及质量（现场观测、室内实验）三、支撑剂数量及质量（现场观测、室内实验）四、设备数量、性能；压裂流程安装四、设备数量、性能；压裂流程安装五、压裂施工程序及施工参数五、压裂施工程序及施工参数六、安全、卫生及环保六、安全、卫生及环保七、压后作业、排液七、压后作业、排液八、资料录取（作业、压裂）八、资料录取（作业、压裂）本本 章章 结结 束束
