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1、会计学1水力水力(shul)压裂张彩凤压裂张彩凤第一页，共169页。2二、增产二、增产(zng chn)(zng chn)增注机理增注机理主要内容：主要内容：沟通非均质性构造油气沟通非均质性构造油气(yuq)(yuq)储集区，扩大供储集区，扩大供油面积；油面积；将原来的径向流改变为线性流和拟径向流，从而将原来的径向流改变为线性流和拟径向流，从而改善近地带的油气改善近地带的油气(yuq)(yuq)渗流条件；渗流条件；解除近井地带污染解除近井地带污染第2页/共169页第二页，共169页。3&1 水力(shul)压裂造缝机理 主要主要(zhyo)(zhyo)内容内容水力裂缝形成机理；水力裂缝形成机理
2、；造缝条件；造缝条件；裂缝形态与方位裂缝形态与方位(fngwi)(fngwi)；破裂压力预测方法；破裂压力预测方法；第3页/共169页第三页，共169页。4一、地应力场分析一、地应力场分析(fnx)(fnx)与测量与测量地应力场地应力场原地原地(yun d)(yun d)应力场应力场扰动扰动(rodng)(rodng)应力场应力场重力应力重力应力构造应力构造应力热应力热应力孔隙流体压力孔隙流体压力第4页/共169页第四页，共169页。5下图为水力压裂施工泵压变化的典型示意下图为水力压裂施工泵压变化的典型示意(shy)(shy)曲线。曲线。F F点对应地层破裂压力，点对应地层破裂压力，E E点为
3、瞬时停泵压力，反映裂点为瞬时停泵压力，反映裂缝延伸能力，缝延伸能力，C C点对应于闭合压力，点对应于闭合压力，S S点为闭合压力。点为闭合压力。第5页/共169页第五页，共169页。61.1.重力重力(zhngl)(zhngl)应力场应力场上覆岩层上覆岩层(yncng)(yncng)重力：重力：z-z-深度深度H H处的垂向应力处的垂向应力(yngl)(yngl)，MpaMpa；r r（h h）-随深度变化的上覆岩体密度，随深度变化的上覆岩体密度，kg/m3kg/m3；H-H-压裂层位深度，压裂层位深度，mm。有效垂向应力：有效垂向应力：第6页/共169页第六页，共169页。7水平水平(shu
4、png)(shupng)主应力分量：主应力分量：xx，yy，zz地层水平面地层水平面x x，y y，z z方向的有效应力；方向的有效应力；xx，yy分别为地层水平面分别为地层水平面x x和和y y方向的应变；方向的应变；E E，vv分别为地层岩石分别为地层岩石(ynsh)(ynsh)杨氏模量和泊松比，是杨氏模量和泊松比，是岩石岩石(ynsh)(ynsh)力学参数。力学参数。因岩体水平方向上应变因岩体水平方向上应变(yngbin)(yngbin)收到限制，收到限制，x=0 x=0，y=0y=0。则泊松效应引起的水平主应力场为。则泊松效应引起的水平主应力场为x=y=x=y=（v1-v1-v v）z
5、 z。第7页/共169页第七页，共169页。8 砂岩的泊松比一般在砂岩的泊松比一般在0.15-0.270.15-0.27之间。泊松比越大，水之间。泊松比越大，水平主应力越接近平主应力越接近(jijn)(jijn)垂向应力。考虑孔隙流体压力垂向应力。考虑孔隙流体压力后的地层水平主应力为：后的地层水平主应力为：。2.2.构造构造(guzo)(guzo)应力场应力场定义：构造运动引起定义：构造运动引起(ynq)(ynq)的地应力增量。它以矢量形式叠的地应力增量。它以矢量形式叠加在地层重力应力场，使得水平主应力场不均匀。加在地层重力应力场，使得水平主应力场不均匀。第8页/共169页第八页，共169页。
6、93 3.热应力场热应力场定义：指由于底层定义：指由于底层(d cn)(d cn)温度变化在其内部引起的温度变化在其内部引起的内应力增量，与温度变化量和岩石性质有关。内应力增量，与温度变化量和岩石性质有关。将油气藏边界视为无穷大，考虑其侧向应变收到约将油气藏边界视为无穷大，考虑其侧向应变收到约束束(yush)(yush)，温度变化引起的水平应力增量，温度变化引起的水平应力增量xx，zz为。为。TT岩石热膨胀系数，岩石热膨胀系数，1/.C1/.C T T底层底层(d cn)(d cn)温度增量，。温度增量，。C C第9页/共169页第九页，共169页。10确定确定(qudng)(qudng)方法
7、方法水力水力(shul)(shul)压裂法压裂法实验室分析方法实验室分析方法测井解释测井解释(jish)(jish)方法方法有限元模拟有限元模拟滞弹性应变恢复滞弹性应变恢复ASRASR微差应变分析微差应变分析DSCADSCA二、地应力场的确定二、地应力场的确定第10页/共169页第十页，共169页。11由图所示微型压裂压力由图所示微型压裂压力(yl)(yl)曲线知：曲线知：pF pF底层破裂底层破裂(pli)(pli)压力，压力，MpaMpa pr pr裂缝重张压力，裂缝重张压力，MpaMpa pc pc地层破裂地层破裂(pli)(pli)压力，压力，MpaMpa T T岩石抗张强度，岩石抗张
8、强度，MpaMpa1.1.水力水力(shul)(shul)压裂法压裂法第11页/共169页第十一页，共169页。122 2.实验室分析方法实验室分析方法定义：指应用定向取心技术定义：指应用定向取心技术(jsh)(jsh)保证取出岩心样品的主应保证取出岩心样品的主应力方位与其在地层中主应力方位一致。岩心从地下三向应力状力方位与其在地层中主应力方位一致。岩心从地下三向应力状态改变到地面自由应力状态，根据岩心各方向的变形确定主应态改变到地面自由应力状态，根据岩心各方向的变形确定主应力方位和数值。力方位和数值。3.3.测井解释测井解释(jish)(jish)方法方法定义：利用测井资料，首先基于纵，横波
9、速度与岩石弹性系数定义：利用测井资料，首先基于纵，横波速度与岩石弹性系数之间的关系解释岩石力学参数，再结合地应力计算之间的关系解释岩石力学参数，再结合地应力计算(j sun)(j sun)模式获得连续的地应力剖面。模式获得连续的地应力剖面。第12页/共169页第十二页，共169页。134.4.有限元模拟有限元模拟(mn)(mn)定义：根据研究工区若干个测点地应力资料，借助于有限定义：根据研究工区若干个测点地应力资料，借助于有限元数值分析方法，通过反演得到整个研究工区的应力场。元数值分析方法，通过反演得到整个研究工区的应力场。可靠程度可靠程度(chngd)(chngd)主要取决于根据研究工区所建
10、立的地质主要取决于根据研究工区所建立的地质模型、数学力学模型和边界条件。模型、数学力学模型和边界条件。补充：还有声波测定补充：还有声波测定(cdng)(cdng)、井壁崩落法、地面电位法、井壁崩落法、地面电位法、井下微地震法和水动力学试井等方法。井下微地震法和水动力学试井等方法。第13页/共169页第十三页，共169页。14三、人工裂缝三、人工裂缝(li fng)(li fng)方位方位原理：在天然裂缝不发育的地层原理：在天然裂缝不发育的地层(dcng)(dcng)，压裂裂缝形态，压裂裂缝形态取决于其三向应力状态。根据最小主应力原理，岩石破裂取决于其三向应力状态。根据最小主应力原理，岩石破裂面
11、垂直于最小主应力方向面垂直于最小主应力方向 如图所示：当如图所示：当zz最小时最小时(xiosh)(xiosh)，形成水平裂缝，形成水平裂缝 当当yy最小时最小时(xiosh)(xiosh)，形成垂直裂缝，形成垂直裂缝第14页/共169页第十四页，共169页。15四、破裂四、破裂(pli)(pli)压力压力1.1.井筒井筒(jn tn)(jn tn)应力分布应力分布如右图，记压应力为正，张应力为负。根据弹性如右图，记压应力为正，张应力为负。根据弹性力学力学(l xu)(l xu)理论计算图中任一点的应力分布。理论计算图中任一点的应力分布。第15页/共169页第十五页，共169页。16x,yx,
12、y分别为分别为x x，y y方向上的压力，方向上的压力，MpaMpar,r,分别为周向和切向上的应力分别为周向和切向上的应力(yngl)(yngl)，MpaMpa 任意径向与任意径向与x x轴的极角，轴的极角，r r任意径向的及半径，任意径向的及半径，mm r r计算点剪切应力计算点剪切应力(yngl)(yngl)，MpaMpa 由上式知，离井壁越远，周向应力迅速降低，径向由上式知，离井壁越远，周向应力迅速降低，径向应力逐渐增加应力逐渐增加(zngji)(zngji)；而且大约几个井径之后，；而且大约几个井径之后，周向压应力降为原地应力，径向压力增加周向压应力降为原地应力，径向压力增加(zng
13、ji)(zngji)到原地应力。到原地应力。第16页/共169页第十六页，共169页。172.2.向井筒向井筒(jn tn)(jn tn)注液产生的应力分布注液产生的应力分布按弹性按弹性(tnxng)(tnxng)力学理论计算应力分布：力学理论计算应力分布：p p厚壁筒外边界压力厚壁筒外边界压力(无穷无穷(wqing)(wqing)远处远处pp为零为零)，MpaMpa pi pi井底注入压力，井底注入压力，MpaMpa 由上式知，注入压裂液在井壁周围各个方向上所产生的由上式知，注入压裂液在井壁周围各个方向上所产生的应力均为张应力，因此，向井筒注液有利于撕开地层。离应力均为张应力，因此，向井筒注
14、液有利于撕开地层。离井轴越远，应力越小。井轴越远，应力越小。第17页/共169页第十七页，共169页。183.3.注入液径向渗入注入液径向渗入(shnr)(shnr)地层引起的应力地层引起的应力 注入注入(zh r)(zh r)液径向渗入近井筒地带产生另外一个压力区，增液径向渗入近井筒地带产生另外一个压力区，增大了井壁周围岩石应力。其周向应力值近视为：大了井壁周围岩石应力。其周向应力值近视为：4.4.井壁最终井壁最终(zu zhn)(zu zhn)应力分布应力分布 将上述几种压力叠加总存在两个方向受到的周向最小应力：将上述几种压力叠加总存在两个方向受到的周向最小应力：第18页/共169页第十八
15、页，共169页。19 可见，离开井壁较远处，周向应力仍为压应力，但在井壁可见，离开井壁较远处，周向应力仍为压应力，但在井壁附近为张应力，因而，水力附近为张应力，因而，水力(shul)(shul)压裂能够形成人工裂压裂能够形成人工裂缝。井壁处的周向应力简化为：缝。井壁处的周向应力简化为：五、水力五、水力(shul)(shul)压裂造缝条件压裂造缝条件1.1.形成垂直形成垂直(chuzh)(chuzh)裂缝裂缝 井壁上有效径向应力：井壁上有效径向应力：第19页/共169页第十九页，共169页。20 当当,t,t达到达到thth时，岩石将形成垂直时，岩石将形成垂直(chuzh)(chuzh)裂缝。此
16、时的地层破裂缝。此时的地层破裂压力为：裂压力为：如果压裂液不滤失，孔隙流体如果压裂液不滤失，孔隙流体(lit)(lit)压力依然为压力依然为psps，总的有，总的有效周向压力为：效周向压力为：同理，结合最大应力同理，结合最大应力(yngl)(yngl)准则，底层破裂压准则，底层破裂压力为：力为：第20页/共169页第二十页，共169页。212.2.形成形成(xngchng)(xngchng)水平裂缝水平裂缝 总的有效总的有效(yuxio)(yuxio)垂向应力：垂向应力：根据根据(gnj)(gnj)最大张应力原则，形成水平裂缝的条件是：最大张应力原则，形成水平裂缝的条件是：于是于是第21页/共
17、169页第二十一页，共169页。22 但上式计算出的破裂压力但上式计算出的破裂压力(yl)(yl)偏大，修正偏大，修正为：为：如果压裂液不向地层滤失，就不存在应力增量，根据如果压裂液不向地层滤失，就不存在应力增量，根据(gnj)(gnj)最大张力准则：最大张力准则：同理推的相应的破裂同理推的相应的破裂(pli)(pli)压力公式压力公式 修正到与实验室数据吻合修正到与实验室数据吻合第22页/共169页第二十二页，共169页。23六、破裂六、破裂(pli)(pli)压力梯度压力梯度定义：地层中某点破裂定义：地层中某点破裂(pli)(pli)压力与该点深度的比值。压力与该点深度的比值。底层破裂(p
18、li)压力底层深度底层深度1 1、理论计算、理论计算 忽略构造应力和岩石抗张强度影响。对于均匀水平应力场，假设孔忽略构造应力和岩石抗张强度影响。对于均匀水平应力场，假设孔隙弹性常数为隙弹性常数为1 1，则破裂压力梯度为，则破裂压力梯度为第23页/共169页第二十三页，共169页。24 上式忽略了构造上式忽略了构造(guzo)(guzo)应力和岩石抗张强度影响，因而与实际情应力和岩石抗张强度影响，因而与实际情况存在一定差异。况存在一定差异。2 2、统计、统计(tngj)(tngj)方法方法 油田使用的破裂压力梯度通常是根据大量的压裂实践统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计出
19、来(ch li)(ch li)的。一般范围在的。一般范围在15-25kMp/m15-25kMp/m之间，个别地之间，个别地区可达区可达36kMp/m36kMp/m。根据破裂压力梯度可以大致估算压裂裂。根据破裂压力梯度可以大致估算压裂裂缝形态。缝形态。当当 F F15-18kpa/m22-25kpa/m22-25kpa/m形成水平裂缝。形成水平裂缝。第24页/共169页第二十四页，共169页。25七、降低七、降低(jingd)(jingd)破裂压力的途径破裂压力的途径主要主要(zhyo)(zhyo)途径途径改善射孔改善射孔(sh kn)(sh kn)参数参数高能气体压裂高能气体压裂酸化预处理酸化
20、预处理解除射孔污染解除射孔污染增加孔眼有效深度增加孔眼有效深度溶解胶结物成分溶解胶结物成分第25页/共169页第二十五页，共169页。26&2 压裂液 压裂液类型压裂液类型(lixng)(lixng)；水基压裂液添加剂；水基压裂液添加剂；压裂液流变性；压裂液流变性；压裂液的滤失性；压裂液的滤失性；压裂液对储层的伤害与保护；压裂液对储层的伤害与保护；主要主要(zhyo)(zhyo)内容内容第26页/共169页第二十六页，共169页。27定义：是水力压裂过程中的工作液，起着传递压力、形定义：是水力压裂过程中的工作液，起着传递压力、形成和延伸成和延伸(ynshn)(ynshn)裂缝，携带支撑剂的作用
21、。裂缝，携带支撑剂的作用。一、压裂液类型一、压裂液类型(lixng)(lixng)压裂液按作用分：前置压裂液按作用分：前置(qin zh)(qin zh)液、携砂液、顶替液液、携砂液、顶替液 压裂液按相态分：压裂液按相态分：水基压裂液、油基压裂液水基压裂液、油基压裂液 乳化压裂液、泡沫压裂液乳化压裂液、泡沫压裂液第27页/共169页第二十七页，共169页。28性能要求：性能要求：黏度高；黏度高；配伍配伍(piw)(piw)性好；性好；滤失少；滤失少；低摩阻；低摩阻；低残渣、易返排；低残渣、易返排；热稳定性和抗剪切稳定性好；热稳定性和抗剪切稳定性好；经济有效性。经济有效性。第28页/共169页第
22、二十八页，共169页。291 1.水基压裂液水基压裂液水机压裂液：水机压裂液：稠化剂、交联剂、破胶剂稠化剂、交联剂、破胶剂定义：是国内外目前使用最广泛的压裂液。除少数低压，定义：是国内外目前使用最广泛的压裂液。除少数低压，油湿，强水敏地层外，它适用于多数油气层和不同规模油湿，强水敏地层外，它适用于多数油气层和不同规模(gum)(gum)的压裂改造。的压裂改造。缺点：在水敏地层引起粘土膨胀和迁移缺点：在水敏地层引起粘土膨胀和迁移(qiny)(qiny)，在井，在井眼附近引起油水乳化、未破胶聚合物、不相容残渣和添眼附近引起油水乳化、未破胶聚合物、不相容残渣和添加剂加剂第29页/共169页第二十九页
23、，共169页。30稠化剂稠化剂从而引起支撑裂缝从而引起支撑裂缝(li fng)(li fng)带渗透率损失。带渗透率损失。定义：是水基冻胶压裂液的主体，用以提高水溶液定义：是水基冻胶压裂液的主体，用以提高水溶液粘度、降低液体滤失、悬浮粘度、降低液体滤失、悬浮(xunf)(xunf)和携带和支撑和携带和支撑剂。剂。交联剂交联剂定义：是能和聚合物线形大分子交联形成新的化学键，定义：是能和聚合物线形大分子交联形成新的化学键，使其结成网状体型使其结成网状体型(txng)(txng)结构的化学剂。结构的化学剂。第30页/共169页第三十页，共169页。31破胶剂破胶剂定义：是使粘稠有控制地降解定义：是使
24、粘稠有控制地降解(jin ji)(jin ji)成低粘度压裂液成低粘度压裂液的添加剂。压裂液迅速破胶有利于从地层和裂缝中快速返的添加剂。压裂液迅速破胶有利于从地层和裂缝中快速返排出来。排出来。2 2.油基压裂液油基压裂液优点：避开水敏性地层由于水敏引起的水力压裂液伤害优点：避开水敏性地层由于水敏引起的水力压裂液伤害(shnghi)(shnghi)，而且稠化油遇地层水自动破乳。，而且稠化油遇地层水自动破乳。第31页/共169页第三十一页，共169页。32缺点：易燃、成本高；流动摩阻高于水基冻胶压裂缺点：易燃、成本高；流动摩阻高于水基冻胶压裂液；温度稳定性较低；技术和质量控制液；温度稳定性较低；技
25、术和质量控制(kngzh)(kngzh)要要求高。求高。适用性：不太深的水敏性油气藏改造适用性：不太深的水敏性油气藏改造(gizo)(gizo)。3.3.乳化乳化(rhu)(rhu)压裂液压裂液定义：定义：是用表面活性剂稳定的两种非混相的高粘分散体系。是用表面活性剂稳定的两种非混相的高粘分散体系。优点：优点：排液快；对地层污染小；摩阻特性中等。排液快；对地层污染小；摩阻特性中等。第32页/共169页第三十二页，共169页。33缺点：成本缺点：成本(chngbn)(chngbn)高；限制了在高温井的应用。高；限制了在高温井的应用。4.4.泡沫泡沫(pom)(pom)压裂液压裂液定义：是气体分散定
26、义：是气体分散(fnsn)(fnsn)于液体的分散于液体的分散(fnsn)(fnsn)体系，典型体系，典型组成：水相组成：水相+气相气相+起泡剂。起泡剂。水相：水相：稠化水、水冻胶、酸液、醇或油稠化水、水冻胶、酸液、醇或油气相：气相：COCO2 2、N N2 2、空气、空气水相：水相：稠化水、水冻胶、酸液、醇或油稠化水、水冻胶、酸液、醇或油第33页/共169页第三十三页，共169页。34泡沫泡沫(pom)(pom)干度干度优点优点(yudin)(yudin)：滤失系数低；液体滤失量小；浸入深：滤失系数低；液体滤失量小；浸入深度浅；反排速度快，对地层伤害小；摩阻损失小；效率度浅；反排速度快，对地
27、层伤害小；摩阻损失小；效率高；裂缝穿透深度大。高；裂缝穿透深度大。缺点：温度缺点：温度(wnd)(wnd)稳定性差；粘度低；难以适应高砂比要求。稳定性差；粘度低；难以适应高砂比要求。由图可看出，泡沫质量典型值为由图可看出，泡沫质量典型值为70%-85%70%-85%。第34页/共169页第三十四页，共169页。35二、水基压裂液添加剂二、水基压裂液添加剂定义：是为满足定义：是为满足(mnz)(mnz)对压裂液性能要求，需要加对压裂液性能要求，需要加入多种添加剂，以改善压裂液流变性、高温稳定性、入多种添加剂，以改善压裂液流变性、高温稳定性、破乳和控制性能等。破乳和控制性能等。1 1.pHpH调节
28、剂调节剂作用：控制特定交联剂和交联时间所要求的作用：控制特定交联剂和交联时间所要求的pHpH值，加速或延值，加速或延缓聚合物的水合作用，保证缓聚合物的水合作用，保证(bozhng)(bozhng)有效作用范围。有效作用范围。第35页/共169页第三十五页，共169页。36常用常用pHpH调节剂：氢氧化钠、碳酸氢钠、磷酸氢钠、醋酸钠、调节剂：氢氧化钠、碳酸氢钠、磷酸氢钠、醋酸钠、甲酸甲酸(ji sun)(ji sun)、醋酸、富马酸。、醋酸、富马酸。2 2.杀菌剂杀菌剂作用作用(zuyng)(zuyng)：保持胶液表面的稳定性、阻止地层内：保持胶液表面的稳定性、阻止地层内细菌生成。细菌生成。常用
29、常用(chn yn)(chn yn)杀菌剂：戊酰醛、氯酚盐、季胺等。杀菌剂：戊酰醛、氯酚盐、季胺等。注意注意：油基压裂液中不用杀菌剂。油基压裂液中不用杀菌剂。第36页/共169页第三十六页，共169页。373.3.粘土粘土(zhn t)(zhn t)稳定剂稳定剂作用作用(zuyng)(zuyng)：使粘土稳定，减少水基压裂液的潜在伤害：使粘土稳定，减少水基压裂液的潜在伤害程度。程度。常用常用(chn yn)(chn yn)粘土稳定剂：粘土稳定剂：KClKCl、季胺、阳离子、季胺、阳离子型聚合物稳定剂。型聚合物稳定剂。4 4.破乳剂破乳剂作用：作用：用于阻止某特定原油与处理液的乳化作用的表面活性
30、用于阻止某特定原油与处理液的乳化作用的表面活性剂，能在地层温度下保持其活性，在与岩石接剂，能在地层温度下保持其活性，在与岩石接第37页/共169页第三十七页，共169页。38不易因吸附作用而从溶液中分解不易因吸附作用而从溶液中分解(fnji)(fnji)出来。出来。5 5.降滤剂降滤剂作用：降低作用：降低(jingd)(jingd)溶液的滤失性。溶液的滤失性。常用粘土常用粘土(zhn t)(zhn t)稳定剂：硅粉、乳状液（水包油）、稳定剂：硅粉、乳状液（水包油）、油溶性树脂。油溶性树脂。第38页/共169页第三十八页，共169页。39三、压裂液流变性三、压裂液流变性定义：指压裂液在外力作用下
31、产生运动和变形特性的关系定义：指压裂液在外力作用下产生运动和变形特性的关系(gun x)(gun x)。典型流体的流变曲线如图。典型流体的流变曲线如图。1.1.压裂液的流变压裂液的流变(li(li bin)bin)曲线曲线牛顿牛顿(ni dn)(ni dn)型压裂液：型压裂液：压裂液粘度，压裂液粘度，PaPa。s s；（1）第39页/共169页第三十九页，共169页。40非牛顿非牛顿(ni dn)(ni dn)型压裂液：型压裂液：1 1）幂律型压裂液）幂律型压裂液 K K 压裂液粘度压裂液粘度(zhn d)(zhn d)，PaPa。s s；n-n-压裂液流态系数。压裂液流态系数。（2）比较比较
32、(bjio)(bjio)（1 1）式，幂律型压裂液的视粘度为：）式，幂律型压裂液的视粘度为：第40页/共169页第四十页，共169页。41 圆管中流动的稠度系数圆管中流动的稠度系数KpKp和裂缝和裂缝(li fng)(li fng)中流动的稠中流动的稠度系数度系数KaKa与稠度系数与稠度系数K K的关系分别为：的关系分别为：压裂液具有压裂液具有(jyu)(jyu)屈服值，施加一定应力后才能流屈服值，施加一定应力后才能流动本构方程为：动本构方程为：0 0宾汉型压裂液的屈服应力，宾汉型压裂液的屈服应力，PaPa。2 2）宾汉型流体）宾汉型流体(lit)(lit)第41页/共169页第四十一页，共1
33、69页。422 2.压裂液的流变性的测定方法压裂液的流变性的测定方法 测量仪器测量仪器(yq)(yq)：旋转粘度计、小直径管道、盘管：旋转粘度计、小直径管道、盘管式粘度计、摆动式流变仪。其中式粘度计、摆动式流变仪。其中RVRV系列或系列或FANNFANN系系列旋转粘度计应用最广泛。列旋转粘度计应用最广泛。3.3.压裂液的摩阻计算压裂液的摩阻计算(j(j sun)sun)1 1）管流摩阻）管流摩阻压裂液在井筒和地面管线中的流动，工程上常用实验获得减阻压裂液在井筒和地面管线中的流动，工程上常用实验获得减阻率计算管流摩阻，也能按流体力学率计算管流摩阻，也能按流体力学(li t l xu)(li t
34、l xu)理论计算。理论计算。第42页/共169页第四十二页，共169页。432 2）射孔）射孔(sh kn)(sh kn)孔眼摩阻孔眼摩阻 pper pper孔眼摩阻，孔眼摩阻，MPaMPa；f-f-压裂液密度，压裂液密度，kg/m3kg/m3 Q Q施工排量施工排量,m3/min,m3/min Dp Dp射孔孔眼直径射孔孔眼直径(zhjng),m(zhjng),m Np-Np-有效孔数有效孔数 Cd-Cd-孔眼流量系数孔眼流量系数(0.8-0.85)(0.8-0.85)3 3）裂缝）裂缝(li(li fng)fng)流摩阻流摩阻裂缝流摩阻按裂缝流摩阻按LambLamb方程或修正式计算。方程
35、或修正式计算。第43页/共169页第四十三页，共169页。44四、压裂液滤失性四、压裂液滤失性 压裂液从裂缝壁面向地层内部的滤失经历了三个过程，压裂液从裂缝壁面向地层内部的滤失经历了三个过程，如图所示。首先由于压裂液中固相在裂缝壁面形成滤如图所示。首先由于压裂液中固相在裂缝壁面形成滤饼，压裂液经过滤饼向地层滤失，该地层为压裂液造饼，压裂液经过滤饼向地层滤失，该地层为压裂液造壁性控制的滤失过程，相应的影响区域称为滤饼区；壁性控制的滤失过程，相应的影响区域称为滤饼区；然后滤液然后滤液(ly)(ly)侵入地层，该过程为压裂液粘度控制侵入地层，该过程为压裂液粘度控制的滤失过程，相应的影响区域称为侵入区
36、；侵入区以的滤失过程，相应的影响区域称为侵入区；侵入区以外广大地区是受地层流体压缩和流动控制的第三区域，外广大地区是受地层流体压缩和流动控制的第三区域，称为压缩区。尽管每种机理控制的滤失系数都可以独称为压缩区。尽管每种机理控制的滤失系数都可以独立导出，但在压裂过程中是同时起作用、共同影响压立导出，但在压裂过程中是同时起作用、共同影响压裂液效率。裂液效率。第44页/共169页第四十四页，共169页。451 1、压裂液的造避性滤失系数、压裂液的造避性滤失系数(xsh)(xsh)静态静态(jngti)(jngti)滤失系数滤失系数测定：测定：v v总滤失量，总滤失量，m3m3；Vsp Vsp形成滤饼
37、形成滤饼(l bn)(l bn)前的滤失量，前的滤失量，m3m3 t t滤失时间，滤失时间，minmin m v-t1/2 m v-t1/2曲线斜率。曲线斜率。图图1 1为高温高压静滤失仪示意图。滤筒底部有带孔的筛座，为高温高压静滤失仪示意图。滤筒底部有带孔的筛座，其上放置滤纸或岩心片。筒内有压裂液，在恒温下加压，下其上放置滤纸或岩心片。筒内有压裂液，在恒温下加压，下口处放一量筒。记录滤失量与时间数据，整理为图口处放一量筒。记录滤失量与时间数据，整理为图2 2静态滤失静态滤失曲线。曲线。第45页/共169页第四十五页，共169页。46设滤纸或岩心横截面积为设滤纸或岩心横截面积为A A，造避性控
38、制，造避性控制(kngzh)(kngzh)的滤失系数的滤失系数为为cwcw，上式对时间求导：，上式对时间求导：则：则：实验压差实验压差papa与裂缝内外压差与裂缝内外压差pfpf不一致时造壁性滤失系数不一致时造壁性滤失系数(xsh)cw (xsh)cw 按下式修正：按下式修正：第46页/共169页第四十六页，共169页。47动态滤失系数动态滤失系数(xsh)(xsh)测定：测定：图图1 1为动滤失仪的示意图。调节注液系统排量，模拟为动滤失仪的示意图。调节注液系统排量，模拟压裂液在裂缝中流动。由于压裂液出口有回压，部分压裂液在裂缝中流动。由于压裂液出口有回压，部分压裂液将从岩心滤失到出口端而流出
39、。用岩心两端压压裂液将从岩心滤失到出口端而流出。用岩心两端压差模拟裂缝内外压差，可保证动滤失仪的实验条件与差模拟裂缝内外压差，可保证动滤失仪的实验条件与地层条件基本相似。动态滤失系数主要用于压裂设计地层条件基本相似。动态滤失系数主要用于压裂设计提供参数。提供参数。用动、静滤失仪测得的结果如图用动、静滤失仪测得的结果如图2 2所示。动滤失条件所示。动滤失条件下滤失比静态滤失大得多，但也有相反情况。尽管动、下滤失比静态滤失大得多，但也有相反情况。尽管动、静滤失量差别较大，但动滤失测量复杂，目前静滤失量差别较大，但动滤失测量复杂，目前(mqin)(mqin)仍大量采用静滤失法评定。仍大量采用静滤失法
40、评定。第47页/共169页第四十七页，共169页。482 2、受压裂液粘度、受压裂液粘度(zhn d)(zhn d)控制的滤控制的滤失系数失系数压裂液的实际压裂液的实际(shj)(shj)滤失速度：滤失速度：积分积分(jfn)(jfn)解出解出L L后，回到达西定律表达式，得：后，回到达西定律表达式，得：写成写成v=cv=cv v/t/t1/21/2 的形式，则：的形式，则：第48页/共169页第四十八页，共169页。49 cv cv压裂液粘度控制的滤失系数；压裂液粘度控制的滤失系数；储层孔隙储层孔隙(kngx)(kngx)度；度；K K储层渗透率；储层渗透率；p p裂缝内外压差裂缝内外压差M
41、paMpa；f f压裂液粘度，压裂液粘度，mPa.smPa.s。3 3、压裂液的造避性滤失系数、压裂液的造避性滤失系数(xsh)(xsh)cf cf地层地层(dcng)(dcng)流体压缩系数，流体压缩系数，MPa-1MPa-1；R R地层地层(dcng)(dcng)流体粘度，流体粘度，mPa.smPa.s；cc cc地层地层(dcng)(dcng)流体压缩性控制的滤失系数流体压缩性控制的滤失系数第49页/共169页第四十九页，共169页。504 4、综合、综合(zngh)(zngh)滤失系数滤失系数 采用调和平均法计算综合滤失系数采用调和平均法计算综合滤失系数(xsh)(xsh)，即将三种，
42、即将三种滤失控制机理视为电学中的三个电容，综合滤失系数滤失控制机理视为电学中的三个电容，综合滤失系数(xsh)(xsh)相当于它们串联的结果，则：相当于它们串联的结果，则：对于非造壁性压裂液，不存在滤饼影响，则综合对于非造壁性压裂液，不存在滤饼影响，则综合(zngh)(zngh)滤失系数为：滤失系数为：第50页/共169页第五十页，共169页。51对于对于(duy)(duy)造壁性压裂液，综合滤失系数为：造壁性压裂液，综合滤失系数为：5 5、温度对滤失系数、温度对滤失系数(xsh)(xsh)的的影响影响通常通常(tngchng)(tngchng)压裂液的粘度随温度增加而减小压裂液的粘度随温度增
43、加而减小第51页/共169页第五十一页，共169页。52压裂液固相堵塞压裂液固相堵塞(ds)(ds)压裂液浓缩压裂液浓缩(nn su)(nn su)液体液体(yt)(yt)伤害伤害粘土水化与微粒运移粘土水化与微粒运移润湿性润湿性压裂液在孔隙中的滞留压裂液在孔隙中的滞留五、压裂液对储层的伤害与保护五、压裂液对储层的伤害与保护第52页/共169页第五十二页，共169页。53&3 支撑剂及其输送(sh sn)pp选支撑剂类型；选支撑剂类型；pp支撑剂性能；支撑剂性能；pp支撑剂选择支撑剂选择(xunz)(xunz)；pp支撑剂的沉降特性；支撑剂的沉降特性；pp沉降型布砂设计；沉降型布砂设计；pp悬浮
44、型布砂设计；悬浮型布砂设计；pp改善支撑剂在裂缝中分布的途径。改善支撑剂在裂缝中分布的途径。主要主要(zhyo)(zhyo)内容内容第53页/共169页第五十三页，共169页。54支撑支撑(zh chng)(zh chng)剂：作用在于分隔开并有效支撑剂：作用在于分隔开并有效支撑(zh chng)(zh chng)裂缝两个壁面，使压裂施工结束后裂缝裂缝两个壁面，使压裂施工结束后裂缝始终能够得到有效支撑始终能够得到有效支撑(zh chng)(zh chng)，从而消除地层，从而消除地层中大部分径向流，使地层流体以线性流方式进入裂中大部分径向流，使地层流体以线性流方式进入裂缝。缝。一、支撑剂的类型
45、一、支撑剂的类型(lixng)(lixng)第54页/共169页第五十四页，共169页。551 1、按其力学、按其力学(l xu)(l xu)性质分性质分为两大类为两大类1 1、脆性、脆性(cuxng)(cuxng)支撑剂：支撑剂：2 2、韧性、韧性(rn xn)(rn xn)支撑剂：支撑剂：如石英砂、人造陶粒。如石英砂、人造陶粒。特点：特点：据硬度大、变形小、在高闭合压力下易破碎。据硬度大、变形小、在高闭合压力下易破碎。如树脂包层砂、核桃壳。如树脂包层砂、核桃壳。特点：特点：变形大、承载面积达、在高闭合压力下不易破碎。变形大、承载面积达、在高闭合压力下不易破碎。第55页/共169页第五十五页
46、，共169页。56常用常用(chn(chn yn)yn)支撑剂：支撑剂：1.1.石英砂；石英砂；2 2：人造：人造(rnzo)(rnzo)支撑剂支撑剂1 1、石英砂：主要成分、石英砂：主要成分(chng fn)SO2(chng fn)SO2，同时伴有少量杂质，同时伴有少量杂质和化合物。和化合物。特点：特点：1 1）圆球度较好的石英砂破碎后，仍可保持一定的）圆球度较好的石英砂破碎后，仍可保持一定的导流能力；导流能力；2 2）密度相对低，便于泵送；）密度相对低，便于泵送；3 3）细粉砂可作为）细粉砂可作为压裂液降滤剂，充填与主裂缝沟通的天然裂缝；压裂液降滤剂，充填与主裂缝沟通的天然裂缝；4 4）适
47、用于）适用于低闭合压力储层；低闭合压力储层；5 5）价格便宜，来源广。）价格便宜，来源广。第56页/共169页第五十六页，共169页。572 2、人造陶粒、人造陶粒(to l)(to l)：主要成分铝矾土或铝质陶土。：主要成分铝矾土或铝质陶土。特点特点(tdin)(tdin)：。：。1 1）强度高；）强度高；2 2）密度大，泵送困难；）密度大，泵送困难；3 3）加工工艺困难，价格昂贵；）加工工艺困难，价格昂贵；4 4）适用于高闭合压力的）适用于高闭合压力的油气层压裂。油气层压裂。3 3、树脂、树脂(shzh)(shzh)包层支撑剂：主要成分石英砂，包层支撑剂：主要成分石英砂，树脂树脂(shzh
48、)(shzh)。特点：特点：1 1）中等强度；）中等强度；2 2）密度小，便于泵送；）密度小，便于泵送；3 3）便于携砂和）便于携砂和铺砂。铺砂。第57页/共169页第五十七页，共169页。582 2、支撑剂在闭合压力、支撑剂在闭合压力(yl)(yl)下的下的状态状态三种状态：三种状态：支撑剂嵌入岩层：如果支撑剂硬度大于岩石硬度，支撑剂嵌入岩层：如果支撑剂硬度大于岩石硬度，支撑剂将嵌入裂缝壁面，从而减小支撑裂缝宽度，支撑剂将嵌入裂缝壁面，从而减小支撑裂缝宽度，降低裂缝倒流能力；降低裂缝倒流能力；支撑剂被压碎：如果支撑剂硬度小于岩石硬度，且支撑剂被压碎：如果支撑剂硬度小于岩石硬度，且支撑剂的抗压
49、强度小于闭合压力，则将被压碎；支撑剂的抗压强度小于闭合压力，则将被压碎；支撑剂受压变形：对于韧性支撑剂，在闭合压力作支撑剂受压变形：对于韧性支撑剂，在闭合压力作用用(zuyng)(zuyng)下韧性支撑剂首先变形而增加了承压面下韧性支撑剂首先变形而增加了承压面积。积。第58页/共169页第五十八页，共169页。59二、支撑剂的性能二、支撑剂的性能(xngnng)(xngnng)支撑剂性能要求：支撑剂性能要求：密度低；密度低；强度大，破碎率小；强度大，破碎率小；粒度均匀，圆度和球度高；粒度均匀，圆度和球度高；杂质含量少；杂质含量少；高温高温(gown)(gown)盐水中承化学惰性；盐水中承化学惰
50、性；货源充足，价格便宜。货源充足，价格便宜。第59页/共169页第五十九页，共169页。601.1.物理性质物理性质(wl xngzh)(wl xngzh)抗压强度；抗压强度；酸溶解度；酸溶解度；密度；密度；浊度；浊度；圆球度和表面光滑度；圆球度和表面光滑度；支撑剂粒度支撑剂粒度(l d)(l d)组成及分布组成及分布第60页/共169页第六十页，共169页。612.2.裂缝裂缝(li fng)(li fng)导流能力导流能力支撑裂缝导流能力支撑裂缝导流能力(nngl)(nngl)：是指支撑剂在储层闭合压力：是指支撑剂在储层闭合压力作用下通过或输送储层流体的能力作用下通过或输送储层流体的能力(