水力压裂学习.pptx

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1、水力压裂概念水力压裂概念第1页/共153页水力压裂作用水力压裂作用(2)开发阶段油气井增产水井增注调整层间矛盾改善吸水剖面提高采收率(1)勘探阶段增加工业可采储量第2页/共153页 图6-1 1 压裂施工曲线 PF破裂压力 PE 延伸压力 PS 地层压力 P井底=PF时第一节 水力压裂造缝机理C压压力力时间时间排排量量不不变变，提提高高砂砂比比，压压力力升高反映了正常的裂缝延伸升高反映了正常的裂缝延伸裂缝闭合压力（静）裂缝闭合压力（静）裂缝延伸压力（静裂缝延伸压力（静)净裂缝延伸压力净裂缝延伸压力管内摩阻管内摩阻地层压力（静）地层压力（静）破裂破裂前置液前置液携砂液携砂液裂缝闭合裂缝闭合加砂加

2、砂停泵停泵baa致密岩石致密岩石b微缝高渗岩石微缝高渗岩石FHSE第3页/共153页一、地应力分析一、地应力分析1 1 地应力场地应力场应力状态：主应力:x，y，z ;应变:x，y，z(1)重力应力重力应力 孔隙弹性常数孔隙弹性常数第4页/共153页由广义虎克定律计算总应变由广义虎克定律计算总应变注意：注意：的物理意义的物理意义由于泊松效应，垂向负荷产生的侧向压力由于泊松效应，垂向负荷产生的侧向压力第5页/共153页(2)(2)构造应构造应力力定义与来源特点 构造应力属于水平的平面应力状态 挤压构造力引起挤压构造应力 张性构造力引起拉张构造应力 构造运动的边界影响使其在传播过程中逐渐衰减。在断

3、层和裂缝发育区是应力释放区。正断层，水平应力 x可能只有垂向应力 z的1/3，逆断层或褶皱带的水平应力可大到 z的3倍。第6页/共153页(3)(3)热应力热应力产生原因特点计算方法第7页/共153页2 2 人工裂缝方位人工裂缝方位显裂缝地层很难出现人工裂缝。微裂缝地层垂直于最小主应力方向；基本上沿微裂缝的方向发展，把微裂缝串成显裂缝。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第8页/共153页y二、二、水力压裂造缝机理水力压裂造缝机理1 1 井壁最终应力分布井壁最终应力分布rxrrwxy第9页/共153页（1 1）井筒处应力分布）井筒处应力分布当当r=rw，0 及及180 时，

4、时，3 y x当当r=rw，90 及及270 时，时，3 x y第10页/共153页当当 x=y 2 y=2 x 说明周向应力相等，与说明周向应力相等，与 无关无关当当 x y ()0,180=()min ()90，270=()max分析分析 随随r增加，增加，迅速降低迅速降低(平方次平方次)应力集中应力集中 PF PE第11页/共153页（2）向井筒注液产生的应力分布当当 re，Pe=0于是于是 r=rw时，时，-Pi弹性力学拉梅公式(拉应力为负)第12页/共153页(3)压裂液渗入地层引起的井壁应力第13页/共153页(4)(4)井壁上的总周向应力井壁上的总周向应力(应力迭加原理应力迭加原

5、理)地应力地应力+井筒内压井筒内压+渗滤引起的周向应力渗滤引起的周向应力根据最小主应力原理 当 z最小时，形成水平裂缝;当 Y或 x最小时，形成垂直裂缝。zxyyxz第14页/共153页2 2 水力压裂造缝条件水力压裂造缝条件(1 1)形成垂直缝 岩石破坏条件压为正，拉为负压为正，拉为负最大有效周向应力大于水平方向抗拉强度最大有效周向应力大于水平方向抗拉强度第15页/共153页有液体渗滤当破裂时，当破裂时，Pi=PF第16页/共153页无液体渗滤当破裂时，Pi=PF第17页/共153页(2)形成水平缝岩石破坏条件最大有效周向应力大于垂直方向抗拉强度最大有效周向应力大于垂直方向抗拉强度第18页/

6、共153页有液体渗滤有效总垂向应力为：第19页/共153页当破裂时当破裂时，Pi=PF1.94第20页/共153页无液体渗滤有效总垂向应力为：有效总垂向应力为：第21页/共153页当破裂时当破裂时，Pi=PF0.94第22页/共153页3 3 破裂压力梯度破裂压力梯度定义 理论计算理论计算矿场统计矿场统计当F F 0.015 0.022 0.0220.025 MPa/m,0.025 MPa/m,形成水平裂缝第25页/共153页三、三、地应力的测量及计算地应力的测量及计算（1）矿场测量 水力压裂法 井眼椭圆法（2）实验室分析 滞弹性应变恢复 （ASR）微差应变分析 （DSCA）（3）有限元计算有

7、限元计算第26页/共153页第二节第二节 压裂液压裂液压裂液及其性能要求压裂液及其性能要求压裂液添加剂压裂液添加剂压裂液的流动性压裂液的流动性压裂液的滤失性压裂液的滤失性压裂液对储层的伤害压裂液对储层的伤害压裂液选择压裂液选择第27页/共153页压裂液的组成压裂液的组成前置液携砂液顶替液（完整的压裂泵注程序中还可以有清孔液、前垫液、预前置液）第28页/共153页对压裂液的性能要求对压裂液的性能要求(1)(1)与地层岩石和地下流体的配伍性；与地层岩石和地下流体的配伍性；(2)(2)有效地悬浮和输送支撑剂到裂缝深部；有效地悬浮和输送支撑剂到裂缝深部；(3)(3)滤失少；滤失少；(4)(4)低摩阻；

8、低摩阻；(5)(5)低残渣、易返排；低残渣、易返排；(6)(6)热稳定性和抗剪切稳定性。热稳定性和抗剪切稳定性。第29页/共153页一、一、压裂液类型压裂液类型水基压裂液水基压裂液油基压裂液油基压裂液乳化压裂液乳化压裂液泡沫压裂液泡沫压裂液酸基压裂液酸基压裂液第30页/共153页1 1 水基压裂液水基压裂液发展发展活性水压裂液活性水压裂液稠化水压裂液稠化水压裂液水基冻胶压裂水基冻胶压裂液液 水基冻胶压裂液组成水基冻胶压裂液组成水稠化剂（成胶剂）水稠化剂（成胶剂）添加剂添加剂 成胶成胶液液水添加剂交联剂水添加剂交联剂 交联液交联液水基压裂液添加剂水基压裂液添加剂第31页/共153页(1)(1)稠

9、化剂稠化剂 植物胶及衍生物植物胶及衍生物 胍胶胍胶 田箐田箐 纤维素衍生物纤维素衍生物 羧甲基纤维素钠盐（羧甲基纤维素钠盐（CMCCMC）羟乙基纤维素（羟乙基纤维素（HECHEC）羧甲基羟乙基纤维素（羧甲基羟乙基纤维素（CMHECCMHEC）生物聚多糖生物聚多糖 工业合成聚合物工业合成聚合物 聚丙烯酰胺（聚丙烯酰胺（PAMPAM）部分水解聚丙酰胺（部分水解聚丙酰胺（PHPAMPHPAM）甲叉基聚丙烯酰胺（甲叉基聚丙烯酰胺（MPAMMPAM）第32页/共153页(2)(2)交联剂交联剂 两性金属（非金属）含氧酸盐两性金属（非金属）含氧酸盐 硼酸盐、铝酸盐、锑酸盐和钛酸盐等硼酸盐、铝酸盐、锑酸盐和

10、钛酸盐等 弱酸强碱盐弱酸强碱盐 无机盐类两性金属盐无机盐类两性金属盐 如硫酸铝、氯化铬、硫酸铜、氯化锆如硫酸铝、氯化铬、硫酸铜、氯化锆等强酸弱碱盐等强酸弱碱盐 无机酸脂无机酸脂 如钛酸脂、锆酸脂如钛酸脂、锆酸脂 醛类醛类 甲醛、乙醛、乙二醛等甲醛、乙醛、乙二醛等第33页/共153页(3)(3)破胶剂破胶剂 生物酶体系生物酶体系 适用温度适用温度212154,pH54,pH值范围值范围pH=3pH=38,8,最佳最佳pH=5pH=5 氧化破胶剂氧化破胶剂 适用于适用于 pH=3pH=31414。普通氧化破胶剂适用温。普通氧化破胶剂适用温度度 54549393；延迟活化氧化破胶剂适用温度；延迟活化

11、氧化破胶剂适用温度 8383116116，常用氧化破胶剂是过硫酸盐。，常用氧化破胶剂是过硫酸盐。有机弱酸有机弱酸 很少用作水基压裂液的破胶剂很少用作水基压裂液的破胶剂,适用温度大于适用温度大于9393 油基压裂液中典型的破胶剂油基压裂液中典型的破胶剂 碳酸铵盐、氧化钙和碳酸铵盐、氧化钙和/或氨水溶液或氨水溶液第34页/共153页2 2 油基压裂液油基压裂液适应性适应性:水敏性地层、有些气层水敏性地层、有些气层发展发展:矿场原油矿场原油 稠化油稠化油 冻胶油冻胶油基液基液:原油、汽油、柴油、煤油、凝析油原油、汽油、柴油、煤油、凝析油稠化剂稠化剂:脂肪酸皂脂肪酸皂(脂肪酸铝皂、磷酸脂铝盐等脂肪酸铝

12、皂、磷酸脂铝盐等)特点特点:污染小、遇地层水自动破乳；污染小、遇地层水自动破乳；易燃、成本高、热稳定性较差。易燃、成本高、热稳定性较差。第35页/共153页3 3 乳化压裂液乳化压裂液常用：常用：两份油两份油 +一份稠化水一份稠化水(聚合物聚合物)油相油相(内相内相)50%)80%80%，不稳定或粘度太高，不稳定或粘度太高类型：类型：水外相型水外相型 油外相型油外相型特点特点:破乳快、污染小；破乳快、污染小；热稳定性差、成本高热稳定性差、成本高第36页/共153页4 4 泡沫压裂泡沫压裂液液组成：液相液相 +气相气相 +添加剂添加剂泡沫液泡沫液液相:稠化水、盐水、水冻胶、原油 或成品油、酸液气

13、相：氮气、二氧化碳、空气、天然气等适用范围适用范围 K1mDK1mD，粘土含量高的砂岩气藏粘土含量高的砂岩气藏低压、低渗浅油气层压裂低压、低渗浅油气层压裂第37页/共153页泡沫质量泡沫质量泡沫质量泡沫中气体体积泡沫质量泡沫中气体体积/泡沫总体积泡沫总体积特点：特点：在压裂时的井底压力和温度下，泡沫质量在压裂时的井底压力和温度下，泡沫质量一般为一般为随着泡沫质量的增加随着泡沫质量的增加,泡沫压裂液的粘度增泡沫压裂液的粘度增加、摩阻增大、滤失减少、压裂液效率增加、摩阻增大、滤失减少、压裂液效率增高高滤失少（气体本身就是降滤剂）滤失少（气体本身就是降滤剂）排液较彻底，对地层伤害小排液较彻底，对地层

14、伤害小热稳定性差、粘度不够高，限制砂比。热稳定性差、粘度不够高，限制砂比。第38页/共153页5 5 酸基压裂酸基压裂液液适用范围适用范围碳酸盐储层碳酸盐储层种类种类常规酸常规酸稠化酸稠化酸冻胶酸冻胶酸乳化酸乳化酸第39页/共153页二二 、压裂液添加剂压裂液添加剂降滤剂降滤剂防膨剂防膨剂杀菌剂杀菌剂表面活性剂表面活性剂P值调节剂值调节剂稳定剂稳定剂第40页/共153页三、压裂液的流变性三、压裂液的流变性各类压裂液的流变曲线各类压裂液的流变曲线幂律液的视粘度幂律液的视粘度摩阻计算摩阻计算第41页/共153页1 1 压裂液的流变曲线压裂液的流变曲线牛顿型液体牛顿型液体非牛顿型液体非牛顿型液体假塑

15、性液体假塑性液体宾汉型液体宾汉型液体屈服屈服假塑性液体假塑性液体胀流型液体胀流型液体触变性液体触变性液体流凝性液体流凝性液体粘弹性液体粘弹性液体第42页/共153页(2)非牛顿型液体 定义定义:凡是流动时剪切应力与剪切速率之间的关系凡是流动时剪切应力与剪切速率之间的关系不是线性关系的液体，统称为非牛顿型液体。不是线性关系的液体，统称为非牛顿型液体。主要特征主要特征:粘度随剪切速率的变化而改变，剪切应力与粘度随剪切速率的变化而改变，剪切应力与剪切速率之间有多个参数。剪切速率之间有多个参数。(1)牛顿型液体流变模型或称本构方程流变模型或称本构方程第43页/共153页假塑性（幂律）液体假塑性液体的特

16、征是：在很小的剪切应力作用下就能流动，并且随着剪切速率的增加，剪切应力的增大速度有所降低。本构方程第44页/共153页宾汉型液体 在一定的剪切应力作用下才能流动，在一定的剪切应力作用下才能流动，最后接近牛顿液体，剪切应力与剪切速率成最后接近牛顿液体，剪切应力与剪切速率成线性关系。线性关系。本构方程本构方程 典型压裂液典型压裂液:泡沫压裂液泡沫压裂液 第45页/共153页粘弹性液体流体特征：流体特征：当除掉剪切力时，这种流体会恢复或当除掉剪切力时，这种流体会恢复或部分恢复原来受到剪切作用期间所具有的部分恢复原来受到剪切作用期间所具有的形变。这种具有部分弹性恢复效应，也具形变。这种具有部分弹性恢复

17、效应，也具有非牛顿性和与时间有关的全部粘性性质有非牛顿性和与时间有关的全部粘性性质的流体称为粘弹性流体。的流体称为粘弹性流体。目前使用的水基冻胶压裂液大部分都表现目前使用的水基冻胶压裂液大部分都表现出具有部分或全部粘弹特征。出具有部分或全部粘弹特征。第46页/共153页2 2 幂律液的视粘度幂律液的视粘度管流：地面管线、井筒、孔眼缝流：裂缝中流动第47页/共153页3 3 流变性测定流变性测定旋转粘度计、小直径管道、旋转粘度计、小直径管道、盘盘 管式粘度计、摆动式流变仪。管式粘度计、摆动式流变仪。RVRV系列或系列或FANNFANN系列旋转粘度系列旋转粘度计应用最广泛计应用最广泛第48页/共1

18、53页4 4 摩阻计算摩阻计算圆管中压降圆管中压降-摩阻摩阻裂缝中压降裂缝中压降-摩阻摩阻孔眼中压降孔眼中压降-摩阻摩阻第49页/共153页四、压裂液滤失的三个过程四、压裂液滤失的三个过程滤饼区的流动 滤饼控制过程侵入区的流动 压裂液粘度控制过程地层流体的压缩 地层流体粘度及压缩控制过程第50页/共153页压裂液滤失系数压裂液滤失系数造壁性影响的滤失系数造壁性影响的滤失系数压裂液粘度影响的滤失系数压裂液粘度影响的滤失系数地层流体的粘度和压缩性影响的滤失系地层流体的粘度和压缩性影响的滤失系数数第51页/共153页1 1 造壁性影响的滤失系数造壁性影响的滤失系数C Cw w 假设：假设：滤饼的沉积

19、厚度滤饼的沉积厚度与通过缝壁的滤失量与通过缝壁的滤失量成比例关系。成比例关系。滤饼对压裂液的渗透率滤饼对压裂液的渗透率与其厚度的大小与其厚度的大小无关，亦即无关，亦即不随时间而变化；不随时间而变化；滤饼内压裂液的渗滤流动服从达西定律。滤饼内压裂液的渗滤流动服从达西定律。第52页/共153页数据处理数据处理当P试验P真实时第53页/共153页2 2 压裂液粘度影响的滤失系数压裂液粘度影响的滤失系数C Cv v假设假设压裂液为牛顿型液体且作线性层流流动；压裂液为牛顿型液体且作线性层流流动；压裂液呈活塞式侵入，即侵入段地层流体压裂液呈活塞式侵入，即侵入段地层流体被顶替；被顶替；压裂液和地层岩石均不可

20、压缩；压裂液和地层岩石均不可压缩；压差压差v v为常数。为常数。理论基础：理论基础：达西定律计算实际滤失速度达西定律计算实际滤失速度 第54页/共153页最终得到:m2MPamPa.S第55页/共153页3 3 地层流体压缩性影响的滤失系数地层流体压缩性影响的滤失系数C Cc c 假设：假设：地层流体可压缩，其压缩系数为地层流体可压缩，其压缩系数为f（等于常数）；（等于常数）；c为常数；为常数；渗滤前缘的位置不随时间变化。渗滤前缘的位置不随时间变化。第56页/共153页地层中的渗流方程为：边界条件：边界条件：初始条件：初始条件：第57页/共153页最终解得：MPamPaSm2MPa-1第58页

21、/共153页4 4 综合滤失系数综合滤失系数PwPvPcPs通常，用通常，用 P代替代替 PW，PV，PC第59页/共153页C3C1C2第60页/共153页综合滤失系数综合滤失系数调和平均法：调和平均法：电容串联电容串联压力平衡法：压力平衡法：非造壁性压裂液非造壁性压裂液造壁性压裂液造壁性压裂液第61页/共153页调和平均调和平均法法第62页/共153页压力平衡法压力平衡法非造壁性压裂液 P=PV+PC第63页/共153页造壁性压裂液 P=Pw+PV+PC第64页/共153页例6-2 6-2 已知油层渗透率已知油层渗透率k=2.510k=2.510-3-3mm2 2,孔隙度孔隙度=0.2,=

22、0.2,地层流体粘度地层流体粘度R R=2mPa.s,=2mPa.s,综合压缩系数综合压缩系数c cf f=610=610-3-3MPaMPa-1-1,压裂液粘压裂液粘度度f f=30mPa.s=30mPa.s，压裂液造壁性滤失系数，压裂液造壁性滤失系数c cw w=1.810=1.810-3-3m/m/，裂缝壁面面内外压差，裂缝壁面面内外压差p=18MPap=18MPa。按调和法计算综合滤失系数。按调和法计算综合滤失系数c c第65页/共153页第66页/共153页五、压裂液对储层的伤害及保护五、压裂液对储层的伤害及保护按压裂液作用位置分：按压裂液作用位置分：地层基质伤害地层基质伤害支撑裂缝

23、伤害支撑裂缝伤害按流体性质分：按流体性质分：液体伤害液体伤害固体伤害固体伤害压裂液滤饼和浓缩胶压裂液滤饼和浓缩胶第67页/共153页压裂液对储层的伤害压裂液对储层的伤害压裂液在地层中滞留产生液堵压裂液在地层中滞留产生液堵地层粘土矿物水化膨胀和分散运移产生的伤害地层粘土矿物水化膨胀和分散运移产生的伤害压裂液与原油乳化造成的地层伤害压裂液与原油乳化造成的地层伤害润湿性发生反转造成的伤害润湿性发生反转造成的伤害压裂液残渣对地层造成的损害压裂液残渣对地层造成的损害压裂液对地层的冷却效应造成地层伤害压裂液对地层的冷却效应造成地层伤害压裂液滤饼和浓缩对地层的伤害压裂液滤饼和浓缩对地层的伤害第68页/共15

24、3页压裂液液体污染压裂液液体污染(1)粘土水化与微粒运移(2)压裂液在孔隙中的滞留(3)润湿性第69页/共153页压裂液固相堵塞压裂液固相堵塞来源来源基液或成胶物质的不溶物基液或成胶物质的不溶物降滤剂或支撑剂中的微粒降滤剂或支撑剂中的微粒压裂液对地层岩石浸泡而脱落下来的微粒压裂液对地层岩石浸泡而脱落下来的微粒化学反应沉淀物等固相颗粒。化学反应沉淀物等固相颗粒。作用作用形成滤饼后阻止滤液侵入地层更远处，提高了形成滤饼后阻止滤液侵入地层更远处，提高了压裂液效率，减少了对地层的伤害；压裂液效率，减少了对地层的伤害；它又要堵塞地层及裂缝内孔隙和喉道，增强了它又要堵塞地层及裂缝内孔隙和喉道，增强了乳化液

25、的界面膜厚度而难破胶。乳化液的界面膜厚度而难破胶。第70页/共153页 压裂液浓缩压裂液浓缩压裂液的不断滤失和裂缝闭合，导致交联聚压裂液的不断滤失和裂缝闭合，导致交联聚合物在支撑裂缝内的浓度提高（即浓缩）。合物在支撑裂缝内的浓度提高（即浓缩）。支撑剂铺置浓度对压裂液浓缩因子有较大影支撑剂铺置浓度对压裂液浓缩因子有较大影响，随着铺砂浓度降低，压裂液浓缩因子提响，随着铺砂浓度降低，压裂液浓缩因子提高，此时不可能用常规破胶剂用量实现高浓高，此时不可能用常规破胶剂用量实现高浓缩压裂液的彻底破胶，形成大量残胶而严重缩压裂液的彻底破胶，形成大量残胶而严重影响支撑裂缝导流能力。影响支撑裂缝导流能力。第71页

26、/共153页第三节第三节 支撑剂支撑剂支撑剂性质及种类支撑剂性质及种类裂缝导流能力及其影响因素裂缝导流能力及其影响因素支撑剂的选择支撑剂的选择支撑剂颗粒的沉降支撑剂颗粒的沉降第72页/共153页支撑剂特性要求支撑剂特性要求强度高、硬度适中粒径均匀圆球度好化学惰性、温度稳定性好质量高，杂质含量少密度低货源广、价格低第73页/共153页一、一、支撑剂类型支撑剂类型硬脆性支撑剂硬脆性支撑剂 其特点是硬度大，变形很小；其特点是硬度大，变形很小；石英砂（砂子）石英砂（砂子）陶粒陶粒 铝球铝球 玻璃珠玻璃珠韧性支撑剂韧性支撑剂 其特点是变形大，在高压下不易破碎其特点是变形大，在高压下不易破碎 核桃壳核桃壳

27、 树脂包层支撑剂树脂包层支撑剂第74页/共153页1 1 石英砂（砂子）石英砂（砂子）主要成分主要成分：SiOSiO2 2 和少量杂质和少量杂质主要特点：主要特点：1)1)园园球球度度较较好好的的石石英英砂砂破破碎碎后后，仍仍可可保保持持一一定定的的导导流能力。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)强度较低，适用于低闭合压力储层。强度较低，适用于低闭合压力储层。4)4)砂砂子子在在筛筛选选或或清清洗洗不不好好，含含粉粉砂砂杂杂质质时时，导导流流能能力都会明显降低。力都会明显降低。5)5)石英砂货源广、价格便宜石英砂货源广、价格便宜。主主要要产产地地：甘甘肃肃兰兰州

28、州砂砂、江江西西永永修修砂砂、福福建建福福州州砂砂、湖湖南南岳岳阳阳砂砂、湖湖北北蒲蒲圻圻砂砂、山山东东荣荣城城砂砂、河河北北承承德德砂砂、吉林农安砂、陕西定边砂及新疆和丰砂等。吉林农安砂、陕西定边砂及新疆和丰砂等。第75页/共153页2 2 陶陶 粒粒类型类型：中强度支撑剂中强度支撑剂(ISP)(ISP)（铝矾土或铝质陶土）（铝矾土或铝质陶土）高强度陶粒支撑剂（铝矾土或氧化铝）高强度陶粒支撑剂（铝矾土或氧化铝）特点：特点：a.a.强度很高；强度很高；b.b.高温碱性液中陶粒溶解率低（高温碱性液中陶粒溶解率低（3.5%3.5%）；）；而石英达而石英达50%50%；c.c.长期导流能力高；长期导

29、流能力高；d.d.密度较高密度较高(2700(2700 3600kg/m3600kg/m3 3)，泵送困难；，泵送困难；e.e.加工工艺困难，价格昂贵。加工工艺困难，价格昂贵。第76页/共153页3 3 塑料包层支撑剂塑料包层支撑剂 特殊工艺将酸性苯酚甲醛树脂包裹在石英特殊工艺将酸性苯酚甲醛树脂包裹在石英砂表面，并经热固处理而成，比重约为砂表面，并经热固处理而成，比重约为2.552.55。种类：种类：预固化树脂包层砂预固化树脂包层砂 固化树脂包层砂固化树脂包层砂 第77页/共153页二、支撑剂物理性质评价二、支撑剂物理性质评价(1)(1)支撑剂粒度组成及分布支撑剂粒度组成及分布(2)(2)园球

30、度和表面光滑度。园球度和表面光滑度。(3)(3)浊度浊度(4)(4)密度：真密度密度：真密度(或颗粒密度或颗粒密度)视密度视密度(或体积密度或体积密度)(5)(5)酸溶解度酸溶解度(6)(6)抗压强度抗压强度第78页/共153页我国支撑剂物理性质评价结果表我国支撑剂物理性质评价结果表第79页/共153页三、三、裂缝导流能力评价裂缝导流能力评价定义：定义：裂缝导流能力是指裂缝传导流体的能力。裂缝导流能力是指裂缝传导流体的能力。填砂裂缝的导流能力定义为支撑后的裂缝渗透填砂裂缝的导流能力定义为支撑后的裂缝渗透率率f f与支撑后的裂缝宽度与支撑后的裂缝宽度w w之积。即填砂裂缝之积。即填砂裂缝导流能力

31、。导流能力。f fw w类型类型:长期导流能力长期导流能力短期导流能力短期导流能力第80页/共153页第81页/共153页我国部分支撑剂导流能力我国部分支撑剂导流能力 (1998)(1998)第82页/共153页1 1 支撑剂性质对支撑剂性质对FRCDFRCD的影响的影响(1)(1)支撑剂类型和形状支撑剂类型和形状低应力情况下，有棱角的支撑剂相互搭接、低应力情况下，有棱角的支撑剂相互搭接、相互支撑，有更高的孔隙度及渗透率，因此，相互支撑，有更高的孔隙度及渗透率，因此，导流能力更高。导流能力更高。但在高应力情况下，园球度好的支撑剂受到但在高应力情况下，园球度好的支撑剂受到的表面应力更均匀，能承受

32、更高的载荷不破的表面应力更均匀，能承受更高的载荷不破碎，因此有更高的导流能力。碎，因此有更高的导流能力。第83页/共153页(2)(2)支撑剂粒度组成支撑剂粒度组成图图6-126-12反反映映了了粒粒度度分分布布对对导导流流能能力力的的影影响响，图图中中曲曲线线A,A,B B均均为为0.50.5 0.90.9成成都都陶陶粒粒，其其中中0.63mm0.63mm以上颗粒重量分别约为以上颗粒重量分别约为81.5%81.5%和和56.6%56.6%。支撑剂粒径对裂缝导流能力有很大的影响支撑剂粒径对裂缝导流能力有很大的影响;给给定定粒粒度度范范围围内内，大大颗颗粒粒所所占占比比例例越越多多，导导流能力越

33、高。流能力越高。颗粒越均匀，导流能力越高。颗粒越均匀，导流能力越高。第84页/共153页(3)(3)铺砂浓铺砂浓度度方式方式 单单 层层 局局 部部 排排列列 单层全排列单层全排列 多层排列多层排列实验结果实验结果定义：单位面积上的支撑剂重量。定义：单位面积上的支撑剂重量。第85页/共153页(4)(4)支撑剂质量支撑剂质量长石含量对导流能力的影响微粒对兰州砂导流能力的影响第86页/共153页 2 2 地层条件对地层条件对FRCDFRCD的影响的影响（1 1）闭合压力）闭合压力第87页/共153页（2 2）地层岩石硬度）地层岩石硬度地层岩石的软硬对导流能力的影响与支撑剂颗粒的强度和硬度有关。当

34、支撑剂强度低时，影响导流能力的主要是破碎问题;当支撑剂强度高时，支撑剂颗粒嵌入裂缝壁面是影响导流能力的主要因素。第88页/共153页(3)(3)环境条件环境条件图流体介质图地层温度 第89页/共153页3 3 压裂液性能对压裂液性能对FRCDFRCD的影响的影响 残渣降低支撑带渗透率。残渣降低支撑带渗透率。胍胶压裂液，残渣含量取决于胍胶压裂液，残渣含量取决于成胶剂浓度、破胶剂类型及浓度。成胶剂浓度、破胶剂类型及浓度。4 4 流动条件对流动条件对FRCDFRCD的影响的影响非达西流动非达西流动多相流效应多相流效应5 5 承压时间对承压时间对FRCDFRCD的影响的影响第90页/共153页四、四、

35、支撑剂的选择支撑剂的选择内容内容 支撑剂强度支撑剂强度 地岩岩石硬度地岩岩石硬度 支撑剂颗粒大小支撑剂颗粒大小 支撑剂密度支撑剂密度 支撑剂浓度（排列方式）支撑剂浓度（排列方式）考虑因素考虑因素 地质条件（如闭合压力、岩石硬度、温度、物性）地质条件（如闭合压力、岩石硬度、温度、物性）工程条件（压裂液性质、泵注设备）工程条件（压裂液性质、泵注设备）经济效益经济效益第91页/共153页1 1 裂缝导流能力确定原则裂缝导流能力确定原则(1)McGuire&Sikora(1960)(1)McGuire&Sikora(1960)图版法图版法给给定定闭闭合合压压力力下下，从从现现有有支支撑撑剂剂的的导导流

36、流能能力力入入手，手，得得到到不不同同穿穿透透比比时时期期望望获获得得的的增增产产倍倍数数(压压后后产产量量)；从预期的产量出发，从预期的产量出发，按照不同穿透比所需要按照不同穿透比所需要的导流能力选择支撑剂的导流能力选择支撑剂（2 2）Cinco(Cinco(辛科辛科)准则准则P265P265第92页/共153页2 2 支撑剂类型选择支撑剂类型选择在闭合压力较高时，应考虑使用高强度支撑在闭合压力较高时，应考虑使用高强度支撑剂，如陶粒等。剂，如陶粒等。在闭合压力较低时，只要砂子不破碎，低强在闭合压力较低时，只要砂子不破碎，低强度支撑剂仍能起到支撑裂缝的作用。它在浅度支撑剂仍能起到支撑裂缝的作用

37、。它在浅井浅层应用的特别广泛。井浅层应用的特别广泛。当闭合压力达到当闭合压力达到0MPa0MPa时时,原则上不再使用石原则上不再使用石英砂英砂,应使用象陶粒等更高强度的支撑剂应使用象陶粒等更高强度的支撑剂,陶陶粒在闭合压力为粒在闭合压力为70MPa70MPa时也很少破碎。时也很少破碎。第93页/共153页3 3 支撑剂粒径选择支撑剂粒径选择(1)(1)闭合压力闭合压力(2)(2)允许支撑剂填充的裂缝宽度允许支撑剂填充的裂缝宽度 (3)(3)输送支撑剂的要求输送支撑剂的要求4 4 支撑剂铺置浓度支撑剂铺置浓度第94页/共153页第四节 水力压裂设计模型裂缝延伸二维模型 卡特模型卡特模型 Cart

38、er，1957年 CGD CGD 模型模型 Christianovich、Geertsma、Deklerk、Danesshy PKN PKN 模型模型 Perkins和Kern 提出,Norgren完善裂缝延伸三维模型第95页/共153页一、卡特模型一、卡特模型HfLfWf1 1 几何模型几何模型第96页/共153页2 2 主要假设主要假设(1)(1)裂缝等宽。裂缝等宽。(2)(2)压裂液从缝壁垂直而又线性地渗入地层压裂液从缝壁垂直而又线性地渗入地层(3)(3)地层中某点的滤失速度取决于此点暴露于液体中的时间地层中某点的滤失速度取决于此点暴露于液体中的时间,即即:(4)(4)忽略流体压缩性。忽

39、略流体压缩性。(5)(5)裂缝中各点压力相同裂缝中各点压力相同,均等于井底的均等于井底的 延伸压力。延伸压力。第97页/共153页3 3 计算公式计算公式忽略压缩性，由物质平衡：忽略压缩性，由物质平衡：Q=QQ=QL L+Q+QF F+Q Qs s用拉氏变换用拉氏变换,最终得裂缝面积公式最终得裂缝面积公式:第98页/共153页第99页/共153页二、二、CGD CGD 模型模型1 1 几何模型几何模型 Christianovich、Geertsma、Deklerk DaneshyW(x,t)L(t)H第100页/共153页2 2 假设条件假设条件(1)(1)岩石为均质各向同性。岩石为均质各向同

40、性。(2)(2)岩石变形服从线弹性应力应变关系。岩石变形服从线弹性应力应变关系。(3)(3)流体在缝内作一维层流流动流体在缝内作一维层流流动,缝高方缝高方向向 裂缝呈矩形。裂缝呈矩形。(4)(4)缝中缝中X X方向压降由摩阻产生方向压降由摩阻产生,不考虑动不考虑动能能 和势能影响。和势能影响。(5)(5)裂缝高度和施工排量恒定。裂缝高度和施工排量恒定。第101页/共153页3 3 理论基础理论基础运用了体积平衡方程运用了体积平衡方程压降与宽度关系由泊稷叶理论导压降与宽度关系由泊稷叶理论导出出用用EnglandEngland和和GreenGreen公式求缝宽时公式求缝宽时,还运用了裂缝平衡延伸理

41、论。还运用了裂缝平衡延伸理论。此模型是现在最常用的两个二维此模型是现在最常用的两个二维延伸模型之一。延伸模型之一。第102页/共153页4 4 计算公式计算公式对于单翼缝对于单翼缝 f1=o.68;f2=1.87;f3=2.27对于双翼缝对于双翼缝 f1=o.48;f2=1.32;f3=1.19第103页/共153页三、三、PKN PKN 模型模型1 1 几何模型几何模型 Perkins&Perkins&KernKern NorgrenNorgrenL(t)W(0,t)HW(x,t)第104页/共153页2 2 假设条件假设条件(1)(1)裂缝为垂直裂缝裂缝为垂直裂缝,其高度恒定，裂缝高度方向

42、其高度恒定，裂缝高度方向 上为椭圆面。上为椭圆面。(2)(2)压裂液沿缝长作稳定的一维层流流动，压裂液沿缝长作稳定的一维层流流动，且沿裂且沿裂 缝面线性滤失；缝面线性滤失；(3)(3)裂缝前端液体压力等于地层最小水平主应力裂缝前端液体压力等于地层最小水平主应力(4)t(4)t时刻时刻x x断面上横截面最大宽度与缝中净压力成断面上横截面最大宽度与缝中净压力成 正比正比:W(x,t)=2(1-:W(x,t)=2(1-2 2)pH)pHf f/E/E(5)(5)施工排量恒定。施工排量恒定。第105页/共153页(1)不滤失情形宽度方程3 3 计算公式（牛顿型压裂液）计算公式（牛顿型压裂液）压降方程第

43、106页/共153页（2）滤失情况宽度方程对于单翼缝对于单翼缝 f1=1.0;f2=2.016;对于双翼缝对于双翼缝 f1=0.5;f2=1.425;对于单翼缝对于单翼缝 f1=0.6;f2=3.00;f3=3.0对于双翼缝对于双翼缝 f1=0.395;f2=2.52;f3=2.52第107页/共153页四、四、PKNPKN和和CGDCGD模型的比较模型的比较第108页/共153页第五节 支撑剂输送 支撑剂的沉降特性 沉降布砂设计 悬浮布砂设计第109页/共153页受力分析受力分析 固体颗粒的重力固体颗粒的重力 流体对固体颗粒的浮力流体对固体颗粒的浮力 颗粒的运动阻力颗粒的运动阻力重力重力浮力

44、浮力阻力阻力颗粒颗粒一、一、支撑剂的沉降特性支撑剂的沉降特性 1 1 单颗粒自由沉降速度单颗粒自由沉降速度概念 自由沉降 干扰沉降第110页/共153页重力浮力阻力重力浮力阻力颗粒第111页/共153页 F=Fg-Fb当当FFd时时 CD与雷诺数有关，雷诺数与与雷诺数有关，雷诺数与vP有关有关第112页/共153页第113页/共153页Novotny公式 当NRep 500时 fc=Cf22 2 干扰沉降干扰沉降Brown 公式公式第114页/共153页3 3 壁面影响壁面影响当 NRep100当 1 Nre 100 用内插法求fw第115页/共153页4 4 颗粒形状对沉降速度的影响颗粒形状

45、对沉降速度的影响 支撑剂颗粒都是不规则的颗粒，而不是支撑剂颗粒都是不规则的颗粒，而不是规规 则的球体。（有些接近于球形）则的球体。（有些接近于球形）颗粒的形状是不规则的，比同体积的球体表颗粒的形状是不规则的，比同体积的球体表 面积大；面积大；颗粒的表面是粗糙的；颗粒的表面是粗糙的；颗粒的形状是不对称的颗粒的形状是不对称的不规则颗粒的沉降速度小于球形颗粒的沉降速不规则颗粒的沉降速度小于球形颗粒的沉降速度度第116页/共153页支撑剂在幂律液体中的沉降用视粘度 a代替 （层流）（层流）第117页/共153页思路：思路：支撑剂在裂缝高度上的分布支撑剂在裂缝高度上的分布平衡流速、平衡高度的计算平衡流速

46、、平衡高度的计算砂堤的堆起速度砂堤的堆起速度平衡时间平衡时间二、沉降型布砂设计二、沉降型布砂设计第118页/共153页1 1 支撑剂在裂缝高度上的分布支撑剂在裂缝高度上的分布 概念概念：平衡状态：悬浮状态：平衡状态：悬浮状态 平衡流速：相应的液流速度平衡流速：相应的液流速度 平衡高度：相应的砂堤高度平衡高度：相应的砂堤高度颗粒浓度分布颗粒浓度分布(垂向垂向)区域区域I I：砂堤：砂堤区域区域IIII：砂堤上的滚流区：砂堤上的滚流区区域区域IIIIII：悬浮区：悬浮区区域区域IVIV：无砂区：无砂区 浓度浓度缝缝高高图图6-20 6-20 砂浓度沿缝高分布砂浓度沿缝高分布第119页/共153页2

47、 2 平衡流速与阻力流速平衡流速与阻力流速平衡流速HEQhEQVEQ平衡高度第120页/共153页自学 P273P275问题 1 1 区别牛顿流体和非牛顿流体的计算公式区别牛顿流体和非牛顿流体的计算公式2 2 复习湿周与过流面积的关系复习湿周与过流面积的关系3 3 区别层流和紊流下阻力速度与平衡流速的关区别层流和紊流下阻力速度与平衡流速的关系系4 4 砂堤堆起速度与流速和平衡流速的关系砂堤堆起速度与流速和平衡流速的关系5 5 由砂堤堆起高度与时间的经验关系得到什么由砂堤堆起高度与时间的经验关系得到什么？6 6 平衡时间的计算方法平衡时间的计算方法第121页/共153页三、全悬浮布砂设计三、全悬

48、浮布砂设计技术背景技术背景研究目的研究目的1.1.计算缝内砂比沿缝长变化基础上，找出计算缝内砂比沿缝长变化基础上，找出满足设计要求的导流能力的加砂步骤。满足设计要求的导流能力的加砂步骤。2.2.避免在缝中出现砂比过高的砂卡现象。避免在缝中出现砂比过高的砂卡现象。第122页/共153页第六节 水力压裂评价水力裂缝评价：评价压裂设计、压裂施工有效性和压后效果。工艺效果：评价所实施压裂工艺技术的适应性和有效性。经济效益分析：寻求提高技术水平和改善其经营管理的基本途径。第123页/共153页直直接接测测试试法法(裸裸眼眼井井):):井井下下电电视视法法、地地层层微微扫描仪和噪声测井等。扫描仪和噪声测井

49、等。间间接接测测试试方方法法(裸裸眼眼井井和和套套管管井井)微微地地震震法法、井温测井、伽玛测井和声波测井等。井温测井、伽玛测井和声波测井等。19791979，NolteNolte创创造造性性地地提提出出了了利利用用压压裂裂压压力力降降落落曲曲线线确确定定裂裂缝缝和和压压裂裂参参数数的的方方法法,开开辟辟了解释地下裂缝参数的新途径。了解释地下裂缝参数的新途径。一、水力裂缝评价一、水力裂缝评价确定压裂裂缝高度的方法：确定压裂裂缝高度的方法：第124页/共153页lgtlgp四种典型压力曲线：四种典型压力曲线：(2)斜率为斜率为0的线段的线段：表示缝高稳定增长到应力遮挡层内，也：表示缝高稳定增长到

50、应力遮挡层内，也可能是地层内天然微裂缝张开，使滤失量与注入量持平。可能是地层内天然微裂缝张开，使滤失量与注入量持平。(3)斜率为斜率为1的线段的线段：表示裂缝端部受阻，缝内压力急剧上升；：表示裂缝端部受阻，缝内压力急剧上升；应合理控制砂比和排量，以免缝内发生砂堵。而对于缝端脱砂应合理控制砂比和排量，以免缝内发生砂堵。而对于缝端脱砂压裂施工，则希望在一定缝长时形成砂堵，通过控制砂比和排压裂施工，则希望在一定缝长时形成砂堵，通过控制砂比和排量，使裂缝完全填满。量，使裂缝完全填满。(4)斜率为负段斜率为负段：表示裂缝穿过低应力区，缝高不稳定增长；：表示裂缝穿过低应力区，缝高不稳定增长；也可能是沟通了