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油田开发生产情况概述油田开发生产情况概述油藏类型多样：油藏类型多样：油藏的几何形态及边界（块状，层状，透镜体，小断块）油藏的几何形态及边界（块状，层状，透镜体，小断块）流体性质（天然气、凝析气、挥发性、高凝油、稠油、常流体性质（天然气、凝析气、挥发性、高凝油、稠油、常规原油）规原油）渗流特征（孔隙性，裂缝及孔隙性）渗流特征（孔隙性，裂缝及孔隙性）油田开发过程复杂油田开发过程复杂勘探与钻井勘探与钻井完井与试油完井与试油生产与修井生产与修井增产与增注增产与增注给注水、采油带来给注水、采油带来困难，为提高原油困难，为提高原油采收率，必须开展采收率，必须开展增产增注技术研究增产增注技术研究与应用！与应用！图1 压裂过程井底压力变化曲线l造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层的地应力及其分布、岩石的力学性质、压裂层的地应力及其分布、岩石的力学性质、压裂液的渗滤性质及注入方式有密切关系。液的渗滤性质及注入方式有密切关系。l在致密地层内，在致密地层内，当井底压力达到破裂压力后，当井底压力达到破裂压力后，地层发生破裂，然后在较低的延伸压力下，裂地层发生破裂，然后在较低的延伸压力下，裂缝向前延伸。缝向前延伸。l对高渗或微裂缝发育地层对高渗或微裂缝发育地层，压裂过程中无明显，压裂过程中无明显的破裂显示，破裂压力与延伸压力相近。的破裂显示，破裂压力与延伸压力相近。(1)(1)地应力地应力l地应力：作用在单元体上的垂向应力来自上覆地应力：作用在单元体上的垂向应力来自上覆层的岩石重量，它的大小可以根据密度测井资层的岩石重量，它的大小可以根据密度测井资料计算：料计算： l由于油气层中有一定的孔隙压力由于油气层中有一定的孔隙压力( (即油藏压力即油藏压力或流体压力或流体压力) )，故有效垂向应力可表示为：，故有效垂向应力可表示为： dzzHSZ08 . 9sZZPl岩石处于弹性状态，垂向主应力与水平应力的岩石处于弹性状态，垂向主应力与水平应力的关系：关系： l实际上岩石不一定都处于弹性状态，根据研究实际上岩石不一定都处于弹性状态，根据研究最大、最小水平主应力与垂向应力的关系为：最大、最小水平主应力与垂向应力的关系为：xxE11yxE12zxE130321xxxxSSZHSSZHPEPEPEPE11212111212121min21maxzx1说明最小周向应力发生在说明最小周向应力发生在 x x的方向上，而最大周向应力的方向上，而最大周向应力却在却在 y y的方向上。的方向上。随着的增加，周向应力迅速降低。随着的增加，周向应力迅速降低。ar HyxHyx222ar yxxy3180,0min。yx3270,90max。1)井筒对地应力及其分布的影响井筒对地应力及其分布的影响 在无限大平板上钻了圆孔之后，将使板内原是均匀的在无限大平板上钻了圆孔之后，将使板内原是均匀的应力重新分布，造成圆孔附近的应力集中应力重新分布，造成圆孔附近的应力集中。当当 ， 时，时，说明圆孔壁上各点的周向应力相等，且与说明圆孔壁上各点的周向应力相等，且与 值无关。值无关。当当 ， 时，时，图2 无限大平板中钻一圆孔的应力分布2)2)井眼内压所引起的井壁应力井眼内压所引起的井壁应力l压裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内压压裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内压力很快升高。井筒内压必然产生井壁上的周向应力很快升高。井筒内压必然产生井壁上的周向应力。根据力。根据弹性力学中的拉梅公式弹性力学中的拉梅公式( (拉应力取负号拉应力取负号) )： l当当re=re=、pe=0pe=0及及r=rar=ra时，井壁上的周向应力为：时，井壁上的周向应力为：222222222aeaeieaeaieerrrrrPPrrrPrPiP3)3)压裂液径向渗入地层所造成的井壁应力压裂液径向渗入地层所造成的井壁应力 由于注入的高压液体在地层破裂前，渗入井筒周由于注入的高压液体在地层破裂前，渗入井筒周围地层中，形成了另外一个应力区，它的作用是围地层中，形成了另外一个应力区，它的作用是增大了井壁周围岩石中的应力。增加值为：增大了井壁周围岩石中的应力。增加值为： 4)4)井壁上的最小总周向应力井壁上的最小总周向应力 在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力应为地在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力应为地应力、井筒内压及液体渗滤所引起的周向应力之应力、井筒内压及液体渗滤所引起的周向应力之和，即：和，即：121siPPbrCC11213siixyPPP(1)(1)形成垂直裂缝形成垂直裂缝l当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的水平当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的水平方向的抗拉强度时，岩石将在垂直于水平应力方向的抗拉强度时，岩石将在垂直于水平应力的方向上产生脆性破裂，即的方向上产生脆性破裂，即在与周向应力相垂直的方在与周向应力相垂直的方向上向上产生垂直裂缝。造缝条件为：产生垂直裂缝。造缝条件为： l当多孔介质中存在有孔隙压力当多孔介质中存在有孔隙压力( (油藏压力油藏压力) )的情的情况，有效应力为：况，有效应力为： htsyysxxPPiPl当产生裂缝时，井筒内注入流体的压力即为地当产生裂缝时，井筒内注入流体的压力即为地层的破裂压力，所以：层的破裂压力，所以：l由于最小总周向应力发生在由于最小总周向应力发生在、的对称点的对称点上，垂直裂缝也产生与井筒相对应的两个点上上，垂直裂缝也产生与井筒相对应的两个点上( (、) )。理论上理论上垂直裂缝是以井轴为对称的，垂直裂缝是以井轴为对称的，实际上实际上由于地层非均质性和局部应力场的影响，由于地层非均质性和局部应力场的影响，产生的裂缝往往是不对称的。产生的裂缝往往是不对称的。12123htxySFPP(2)(2)形成水平裂缝形成水平裂缝 假设由于液体滤失也增大垂向应力，假设由于液体滤失也增大垂向应力，增加量和水平增加量和水平方向的情况一样方向的情况一样，那么垂向的总应力为：，那么垂向的总应力为： 有效垂向应力为：有效垂向应力为： 将有效应力及代入得到：将有效应力及代入得到： 形成水平缝的条件是：形成水平缝的条件是： 121sizZPPiztztPszzP1211sizZPPvtZ(3)(3)破裂压力梯度破裂压力梯度( (破裂梯度破裂梯度) ) 破裂梯度破裂梯度：地层破裂压力与地层深度的比值。地层破裂压力与地层深度的比值。l理论上讲，破裂梯度值为裂缝破裂时的有效破裂压力与压裂层的中部理论上讲，破裂梯度值为裂缝破裂时的有效破裂压力与压裂层的中部深度的比值。深度的比值。l实际上各油田的破裂梯度值都是根据大量压裂施工资料统计出来的，实际上各油田的破裂梯度值都是根据大量压裂施工资料统计出来的，破裂梯度值一般在下列范围：破裂梯度值一般在下列范围：(15(1518)18)(22(2225)25) l用破裂梯度的大小估计裂缝的形态用破裂梯度的大小估计裂缝的形态：一般认为：一般认为 小于小于15151818时形成垂直裂缝，大于时形成垂直裂缝，大于2323时则是水平裂缝。因此深地层时则是水平裂缝。因此深地层出现的多为垂直裂缝，浅地层出现水平裂缝的几率多。出现的多为垂直裂缝，浅地层出现水平裂缝的几率多。(1)(1)压裂液的作用压裂液的作用前置液前置液 ：破裂地层并造成一定几何尺寸裂缝。在温度较：破裂地层并造成一定几何尺寸裂缝。在温度较高的地层里，它还可起一定的降温作用。前置液一般用高的地层里，它还可起一定的降温作用。前置液一般用未交联的溶胶。未交联的溶胶。携砂液携砂液 ：将支撑剂带入裂缝中并将支撑剂填在裂缝内预：将支撑剂带入裂缝中并将支撑剂填在裂缝内预定位置上。也有造缝及冷却地层的作用。携砂液由于需定位置上。也有造缝及冷却地层的作用。携砂液由于需要携带比重很高的支撑剂，必须使用交联的压裂液。要携带比重很高的支撑剂，必须使用交联的压裂液。顶替液顶替液 ：中间顶替液用来将携砂液送到预定位置，并有：中间顶替液用来将携砂液送到预定位置，并有预防砂卡的作用；注完携砂液后要用顶替液将井筒中全预防砂卡的作用；注完携砂液后要用顶替液将井筒中全部携砂液替入裂缝中，以提高携砂液效率和防止井筒沉部携砂液替入裂缝中，以提高携砂液效率和防止井筒沉砂。砂。(2)(2)压裂液的性能要求压裂液的性能要求 前置液及携砂液，都应具备一定的造缝能力并前置液及携砂液，都应具备一定的造缝能力并使裂缝壁面及填砂裂缝有足够的导流能力。使裂缝壁面及填砂裂缝有足够的导流能力。滤失少滤失少悬砂能力强悬砂能力强摩阻低摩阻低 稳定性稳定性配伍性配伍性 低残渣低残渣易返排易返排货源广、便于配制、价钱便宜货源广、便于配制、价钱便宜 压裂液滤失到地层受三种机理控制：压裂液的粘度，油压裂液滤失到地层受三种机理控制：压裂液的粘度，油藏岩石和流体的压缩性及压裂液的造壁性。藏岩石和流体的压缩性及压裂液的造壁性。(1)(1)受压裂液粘度控制的滤失系数受压裂液粘度控制的滤失系数 当压裂液粘度大大超过油藏流体的粘度时，压裂液的滤当压裂液粘度大大超过油藏流体的粘度时，压裂液的滤失速度主要取决于压裂液的粘度。失速度主要取决于压裂液的粘度。l滤失系数为：滤失系数为：l滤失速度为：滤失速度为： 2/13104 . 5fPKCtCv(2)(2)受储层岩石和流体压缩性控制的滤失系数受储层岩石和流体压缩性控制的滤失系数 当压裂液粘度接近于油藏流体粘度时，控制压裂当压裂液粘度接近于油藏流体粘度时，控制压裂液滤失的是储层岩石和流体的压缩性。液滤失的是储层岩石和流体的压缩性。(3)(3)具有造壁性压裂液滤失系数具有造壁性压裂液滤失系数 添加有防滤失剂的压裂液的滤失速度将受造壁性控制。添加有防滤失剂的压裂液的滤失速度将受造壁性控制。l滤失速度：滤失速度： l则滤失速度：则滤失速度： l实验压差与实际施工过程不一致时，应进行修实验压差与实际施工过程不一致时，应进行修正正2/13103 . 4ffKCPCtAmv005. 0tC AmC005. 0 2/1 PPCCf图4 静滤失仪示意图 mtgVsp滤失量ml 时间，min01234图5 静滤失曲线图6 动滤失仪示意图图7 动、静滤失曲线比较图(4)(4)综合滤失系数综合滤失系数l实际压裂过程中，压裂液的滤失同时受三种实际压裂过程中，压裂液的滤失同时受三种机理控制，综合滤失系数如下：机理控制，综合滤失系数如下：lCC由滤失带压力差控制的，由滤失带压力差控制的，CC是由压缩带压力是由压缩带压力差控制的，差控制的，CC由滤饼内外压力差控制的，根据分由滤饼内外压力差控制的，根据分压降公式可以得到综合滤失系数的另一表达式：压降公式可以得到综合滤失系数的另一表达式： CCCC11112222242CCCCCCCCCCC(5)(5)摩阻计算摩阻计算 压裂液从泵出口经地面管线压裂液从泵出口经地面管线井筒井筒射孔孔眼进入裂缝，射孔孔眼进入裂缝，在每个流动通道内都会因为摩阻而产生压力损失，压在每个流动通道内都会因为摩阻而产生压力损失，压力损失愈大，造缝的有效压力就愈小。一般情况下，力损失愈大，造缝的有效压力就愈小。一般情况下，由于地面管线比较短，其摩阻可忽略。由于地面管线比较短，其摩阻可忽略。1)1)油管内摩阻油管内摩阻2)2)射孔孔眼摩阻射孔孔眼摩阻3)3)裂缝内摩阻压力降裂缝内摩阻压力降l水力压裂的目标是在油气层内形成足够长度的水力压裂的目标是在油气层内形成足够长度的高导流能力填砂裂缝。高导流能力填砂裂缝。l填砂裂缝的导流能力是在油层条件下，填砂裂填砂裂缝的导流能力是在油层条件下，填砂裂缝渗透率与裂缝宽度的乘积，常用缝渗透率与裂缝宽度的乘积，常用FRCDFRCD表示。表示。 导流能力也称为导流率。导流能力也称为导流率。(1)(1)粒径均匀，密度小粒径均匀，密度小(2)(2)强度大，破碎率小强度大，破碎率小(3)(3)园球度高园球度高(4)(4)杂质含量少杂质含量少(5)(5)来源广，价廉来源广，价廉按其力学性质分为两大类：按其力学性质分为两大类：脆性支撑剂：脆性支撑剂：如石英砂、玻璃球等如石英砂、玻璃球等 特点特点: :硬度大，变形小，在高闭合压力下易破碎；硬度大，变形小，在高闭合压力下易破碎；韧性支撑剂韧性支撑剂：如核桃壳、铝球等：如核桃壳、铝球等 特点特点: :变形大，承压面积大，高闭合压力下不易破碎。变形大，承压面积大，高闭合压力下不易破碎。目前矿场上常用的支撑剂有两种：一是天然砂和陶粒；二是人目前矿场上常用的支撑剂有两种：一是天然砂和陶粒；二是人造支撑剂（陶粒）。造支撑剂（陶粒）。压裂中曾使用过核桃壳、铝球、玻璃珠等支撑剂，由于强度、压裂中曾使用过核桃壳、铝球、玻璃珠等支撑剂，由于强度、货源和价格等方便的原因，现多已淘汰。货源和价格等方便的原因，现多已淘汰。(1)(1)天然砂天然砂l天然砂广泛使用于浅层或中深层的压裂。天然砂广泛使用于浅层或中深层的压裂。l天然砂的主要矿物成分是粗晶石英，没有晶体解理，石英天然砂的主要矿物成分是粗晶石英，没有晶体解理，石英砂的最高使用应力为砂的最高使用应力为21.021.035.0MPa35.0MPa。(2)(2)人造支撑剂人造支撑剂( (陶粒陶粒) )l陶粒的矿物成份是氧化铝、硅酸盐和铁陶粒的矿物成份是氧化铝、硅酸盐和铁钛氧化物；强度钛氧化物；强度很高，因此它能适用深井高闭合压力的油气层压裂很高，因此它能适用深井高闭合压力的油气层压裂l陶粒的密度高，给压裂施工带来一定的困难，对压裂液性陶粒的密度高，给压裂施工带来一定的困难，对压裂液性能要求高。能要求高。(3)(3)树脂包层支撑剂树脂包层支撑剂优点：优点：树脂薄膜包裹起来的砂粒，增加了砂粒间的接触面积，提树脂薄膜包裹起来的砂粒，增加了砂粒间的接触面积，提高了抵抗闭合压力的能力；高了抵抗闭合压力的能力；树脂薄膜可将压碎的粉砂包裹起来，减少了微粒间的运移树脂薄膜可将压碎的粉砂包裹起来，减少了微粒间的运移与堵塞孔道的机会，从而改善了填砂裂缝导流能力。与堵塞孔道的机会，从而改善了填砂裂缝导流能力。树脂包层砂总的体积密度较低，便于悬浮，降低了对携砂树脂包层砂总的体积密度较低，便于悬浮，降低了对携砂液的要求。液的要求。树脂包层支撑剂具有可变形的特点，使其接触面积有所增树脂包层支撑剂具有可变形的特点，使其接触面积有所增加，可防止支撑剂在软地层的嵌入。加，可防止支撑剂在软地层的嵌入。 支撑剂在裂缝内的分布状况，决定了压裂后填砂裂缝支撑剂在裂缝内的分布状况，决定了压裂后填砂裂缝的导流能力和增产效果。的导流能力和增产效果。(1)(1)全悬浮型支撑剂分布全悬浮型支撑剂分布l高粘压裂液：是指压裂液粘度足以把支撑剂完全悬浮高粘压裂液：是指压裂液粘度足以把支撑剂完全悬浮起来，在整个施工过程中没有支撑剂的沉降，停泵后起来，在整个施工过程中没有支撑剂的沉降，停泵后支撑剂充满整个裂缝内，因而携砂液到达的位置就是支撑剂充满整个裂缝内，因而携砂液到达的位置就是支撑裂缝的位置。这种压裂液称为全悬浮压裂液。支撑裂缝的位置。这种压裂液称为全悬浮压裂液。裂缝内砂浓度与地面砂比的关系裂缝内砂浓度与地面砂比的关系l裂缝内的砂浓度裂缝内的砂浓度( (裂缝内砂比裂缝内砂比) )：是指单位体积裂缝内：是指单位体积裂缝内所含支撑剂的质量。所含支撑剂的质量。l裂缝闭合后的砂浓度裂缝闭合后的砂浓度( (铺砂浓度铺砂浓度) )：指单位面积裂缝上：指单位面积裂缝上所铺的支撑剂质量。所铺的支撑剂质量。l地面砂比有两种不同的定义方法：单位体积混砂液中地面砂比有两种不同的定义方法：单位体积混砂液中所含的支撑剂质量；支撑剂体积与压裂液体积之比。所含的支撑剂质量；支撑剂体积与压裂液体积之比。 在在t t时间内从此单元含砂液中滤失的体积百分数为：时间内从此单元含砂液中滤失的体积百分数为：）的剩余体积（地面单元体积液在缝中滤失体积滤失SV%tWSVtC21时间滤失面积滤失速度滤失体积l滤失体积百分数则为：滤失体积百分数则为：l经滤失后的缝内砂浓度为：经滤失后的缝内砂浓度为： 由公式看出：要求缝内保持一定的砂浓度由公式看出：要求缝内保持一定的砂浓度( (相当于一定的相当于一定的导流能力导流能力) )时，地面砂浓度随着注入单元体积而变化。时，地面砂浓度随着注入单元体积而变化。l以注入单元体积数以注入单元体积数S S代替代替n,n,则则l从缝的前端向井底进行计算时，用从缝的前端向井底进行计算时，用(Sr-S)(Sr-S)代替指数代替指数S:S:ttCWSVttCWSV221%滤失nnsiCiVFCVFC1100SSiCC)1 (0SSSTttCWCC210l由于滤失速度是随时间而变化的，把滤失时间由于滤失速度是随时间而变化的，把滤失时间取平均值，则为：取平均值，则为：l停泵时缝内液体体积为：停泵时缝内液体体积为： l在忽略裂缝内流动阻力的情况下，可以认为裂在忽略裂缝内流动阻力的情况下，可以认为裂缝内的缝内的FRCDFRCD从缝端到井底是线性增加的，因而从缝端到井底是线性增加的，因而要求砂浓度呈线性增加。要求砂浓度呈线性增加。SSPTsTtSSWtCCC2/2102/21tSSWStCVVPTTTF全悬浮型支撑剂分布特点全悬浮型支撑剂分布特点l适合于低渗透率地层适合于低渗透率地层: :不需要很高的填砂裂缝导流能力不需要很高的填砂裂缝导流能力就能有很好的增产效果。就能有很好的增产效果。l支撑面积大支撑面积大: :能最大限度地将压开的面积全部支撑起来。能最大限度地将压开的面积全部支撑起来。(2)(2)沉降型支撑剂分布沉降型支撑剂分布l由于剪切和温度等降解作用，压裂液在裂缝内的携砂性由于剪切和温度等降解作用，压裂液在裂缝内的携砂性能并不能达到全悬浮，在裂缝延伸过程中，部分支撑剂能并不能达到全悬浮，在裂缝延伸过程中，部分支撑剂随携砂液一起向缝端运动，另一部分则可能沉降下来。随携砂液一起向缝端运动，另一部分则可能沉降下来。l支撑剂沉降速度、砂堤堆起高度等都与裂缝参数支撑剂沉降速度、砂堤堆起高度等都与裂缝参数( (长、长、宽、高宽、高) )有关。有关。1)1)支撑剂在缝高度上的分布支撑剂在缝高度上的分布 携带支撑剂的液体进入裂缝后，固体颗粒主要携带支撑剂的液体进入裂缝后，固体颗粒主要受到水平方向液体携带力、垂直向下重力以及向上受到水平方向液体携带力、垂直向下重力以及向上浮力的作用，当颗粒相对于携带液有沉降运动时，浮力的作用，当颗粒相对于携带液有沉降运动时，还会受到粘滞阻力作用。还会受到粘滞阻力作用。l液体的流速逐渐达到使颗粒处于悬浮状态的能力，液体的流速逐渐达到使颗粒处于悬浮状态的能力，此时颗粒停止沉降，这种状态称为此时颗粒停止沉降，这种状态称为平衡状态平衡状态。l平衡时的流速称为平衡时的流速称为平衡流速平衡流速，即携带颗粒最小流速。，即携带颗粒最小流速。在此流速下，颗粒沉积与卷起处于在此流速下，颗粒沉积与卷起处于动平衡状态动平衡状态图10 颗粒在缝高上的浓度分布2)2)平衡流速平衡流速l平衡流速定义式为：平衡流速定义式为： l砂堤的平衡高度：砂堤的平衡高度： 汤姆斯解法：利用颗粒自由沉降速度与阻力速度的比值，汤姆斯解法：利用颗粒自由沉降速度与阻力速度的比值，先得到阻力速度，再利用此阻力速度求出平衡流速。先得到阻力速度，再利用此阻力速度求出平衡流速。l定义式：定义式： l牛顿液体：牛顿液体： EQEQWhQVEQEQEQWVQHhHH00scEQWEQWULPWW250. 04054. 0PhPPEQWPdRdUUUl非牛顿液体：非牛顿液体： l阻力速度与平衡流速的关系可用下二式表示：阻力速度与平衡流速的关系可用下二式表示：l ( (层流层流) )l ( (紊流紊流) )71. 04041. 0PhaPPEQWPdRdUUUhEQWEQRUVsc446. 32hEQWEQRUVsc446. 3226501100000CCscl我国矿场上常以砂比我国矿场上常以砂比( (小数或百分数小数或百分数) )表示加砂浓度，表示加砂浓度，砂比是砂堆体积与压裂液体积之比，此时砂液混合物砂比是砂堆体积与压裂液体积之比，此时砂液混合物的密度将是：的密度将是：l垂直缝是以井轴为对称的两条相等的缝，则进入单翼垂直缝是以井轴为对称的两条相等的缝，则进入单翼缝中的流量，应为地面总排量的一半。缝中的流量，应为地面总排量的一半。11126501000SSsc3)3)砂堤的堆起速度砂堤的堆起速度 砂堤的堆起速度与缝中的实际流速和平衡流速砂堤的堆起速度与缝中的实际流速和平衡流速的速度差有关。当缝中流速达到平衡流速时，的速度差有关。当缝中流速达到平衡流速时，砂堤停止增高，处于平衡状态，因此：砂堤停止增高，处于平衡状态，因此： C C值为砂子与压裂液的体积比，即砂比值为砂子与压裂液的体积比，即砂比S S。 86. 019. 045. 012. 0216. 0EQPEQEQsVUHhCKVVKdtdHEQ 4)4)平衡时间平衡时间 假设砂堤达到平衡高度的假设砂堤达到平衡高度的9595，就认为已经达，就认为已经达到平衡高度，此时函数到平衡高度，此时函数: : 所以：所以： 05. 005. 00EQEQEQEQHHhHhhUEQKtZ05. 0ln05. 01KZtEQ395. 0 支撑剂的选择支撑剂的选择主要是指选择其类型和粒径，选主要是指选择其类型和粒径，选择的目的是为了达到一定的裂缝导流能力。择的目的是为了达到一定的裂缝导流能力。 研究表明：研究表明：对低渗地层，水力压裂应以增加裂对低渗地层，水力压裂应以增加裂缝长度为主，但为了有效利用裂缝也需要有足缝长度为主，但为了有效利用裂缝也需要有足够的导流能力；对中高渗地层，水力压裂应以够的导流能力；对中高渗地层，水力压裂应以增加裂缝导流能力为主。增加裂缝导流能力为主。图图11 11 石英砂与陶粒的导流能力对比图石英砂与陶粒的导流能力对比图影响支撑剂选择的因素有：影响支撑剂选择的因素有：支撑剂的强度支撑剂的强度 一般地，对浅地层且闭合压力不大时使用石英砂；一般地，对浅地层且闭合压力不大时使用石英砂； 对于深层且闭合压力较大时多使用陶粒；对于深层且闭合压力较大时多使用陶粒； 对中等深度的地层一般用石英砂，尾随部分陶粒。对中等深度的地层一般用石英砂，尾随部分陶粒。粒径及其分布粒径及其分布 大粒径支撑剂在低闭合压力下可得到高渗透的填砂裂大粒径支撑剂在低闭合压力下可得到高渗透的填砂裂缝，对疏松或可能出砂的地层，要根据地层出砂的缝，对疏松或可能出砂的地层，要根据地层出砂的粒径分布中值确定支撑剂粒径，以防止地层砂进入粒径分布中值确定支撑剂粒径，以防止地层砂进入裂缝堵塞孔道。裂缝堵塞孔道。支撑剂类型支撑剂类型 从图中可以看到：在低闭合压力下，陶粒和石英砂支从图中可以看到：在低闭合压力下，陶粒和石英砂支撑裂缝的导流能力相近，在高闭合压力下，陶粒要比撑裂缝的导流能力相近，在高闭合压力下，陶粒要比石英砂所支撑裂缝的导流能力大一个数量级；同时也石英砂所支撑裂缝的导流能力大一个数量级；同时也可以看到铺砂浓度愈大，导流能力也愈大。可以看到铺砂浓度愈大，导流能力也愈大。其它因素其它因素l支撑剂的嵌入：颗粒在高闭合压力下嵌入到岩石中，支撑剂的嵌入：颗粒在高闭合压力下嵌入到岩石中，由于增加了抗压面积，有可能提高它的抵抗闭合压力由于增加了抗压面积，有可能提高它的抵抗闭合压力的能力，但由于嵌入而使裂缝变窄，从而降低了导流的能力，但由于嵌入而使裂缝变窄，从而降低了导流能力。能力。l支撑剂的质量、密度以及颗粒园球度等也都会影响裂支撑剂的质量、密度以及颗粒园球度等也都会影响裂缝的导流能力。缝的导流能力。l压裂设计的任务压裂设计的任务：根据地层条件和设备能力优选出经济可行的增产根据地层条件和设备能力优选出经济可行的增产方案。方案。l压裂设计的基础压裂设计的基础：包括油藏压力、渗透性、水敏性、油藏流体物性包括油藏压力、渗透性、水敏性、油藏流体物性以及岩石抗张强度等。以及岩石抗张强度等。l压裂设计的方法压裂设计的方法：根据油层特性和设备能力，以获取最大产量或经根据油层特性和设备能力，以获取最大产量或经济效益为目标，在优选裂缝几何参数基础上，设计合适的加砂方案。济效益为目标，在优选裂缝几何参数基础上，设计合适的加砂方案。l压裂设计方案的内容包括压裂设计方案的内容包括：裂缝几何参数优选及设计；裂缝几何参数优选及设计；l压裂液类型和配方的选择压裂液类型和配方的选择；支撑剂选择及加砂方案设计；压裂效支撑剂选择及加砂方案设计；压裂效果预测和经济分析等。对区块整体压裂设计还应包括采收率和开采动态果预测和经济分析等。对区块整体压裂设计还应包括采收率和开采动态分析等内容。分析等内容。油层特性：压裂层的渗透率、孔隙度、流体物性、油层特性：压裂层的渗透率、孔隙度、流体物性、油层能量、含油丰度和泄油面积等；油层能量、含油丰度和泄油面积等；裂缝参数：填砂裂缝的长、宽、高和导流能力。裂缝参数：填砂裂缝的长、宽、高和导流能力。 麦克奎尔与西克拉麦克奎尔与西克拉用电模型作出了垂直裂缝条件下增用电模型作出了垂直裂缝条件下增产倍数与裂缝几何尺寸和导流能力的关系曲线。产倍数与裂缝几何尺寸和导流能力的关系曲线。 该曲线的假设条件该曲线的假设条件：拟稳定流动；拟稳定流动；定产或定压生定产或定压生产；产；正方形泄油面积；正方形泄油面积；外边界封闭；外边界封闭；可压缩可压缩流体；流体；裂缝穿过整个产层。裂缝穿过整个产层。 图图12 12 麦克奎西克拉垂直裂缝增产倍数曲线麦克奎西克拉垂直裂缝增产倍数曲线无因次导流能力增产倍数缝长与油井半径之比l从图中可以看出从图中可以看出：裂缝导流能力愈高，则增产：裂缝导流能力愈高，则增产倍数也愈高，造缝愈长，倍数也愈高。倍数也愈高，造缝愈长，倍数也愈高。l从增长倍数曲线可以得到如下结论：从增长倍数曲线可以得到如下结论： 在低渗油藏中，增加裂缝长度比增加裂缝导在低渗油藏中，增加裂缝长度比增加裂缝导流能力对增产更有利。而对高渗地层正好相反，流能力对增产更有利。而对高渗地层正好相反，应以增加导流能力为主。应以增加导流能力为主。 对一定的裂缝长度，存在一个最佳的裂缝导对一定的裂缝长度，存在一个最佳的裂缝导流能力。流能力。 目前矿场上使用的设计模型有目前矿场上使用的设计模型有二维二维(PKN(PKN、KGD)KGD)，拟三维拟三维(P3D)(P3D)和真三维模型和真三维模型。l二维模型假设裂缝二维模型假设裂缝高度是常数高度是常数，即流体仅沿缝，即流体仅沿缝长方向流动；长方向流动；l拟三维模型和真三维模型缝高沿缝长方向是变拟三维模型和真三维模型缝高沿缝长方向是变化的，不同的是前者裂缝内仍是一维流动化的，不同的是前者裂缝内仍是一维流动( (缝缝长长) )，后者在缝长、缝高方向均有流动，后者在缝长、缝高方向均有流动( (即存在即存在压力降压力降) )。(1)(1)卡特模型（裂缝面积公式）卡特模型（裂缝面积公式）19571957年，卡特在考虑了液体渗滤条件下，导出了年，卡特在考虑了液体渗滤条件下，导出了裂缝面积公式，基本假设为：裂缝面积公式，基本假设为：裂缝是等宽的；裂缝是等宽的；压裂液从缝壁面垂直而又线性地渗入地层；压裂液从缝壁面垂直而又线性地渗入地层；缝壁上某点的滤失速度取决于此点暴露于液体缝壁上某点的滤失速度取决于此点暴露于液体中的时间；中的时间；缝壁上各点的速度函数是相同的；缝壁上各点的速度函数是相同的；裂缝内各点压力相等，等于井底延伸压力。裂缝内各点压力相等，等于井底延伸压力。Geertsma和de-klerk裂缝线性扩展示意图 水力压裂过程中，注入裂缝中的压裂液，一部水力压裂过程中，注入裂缝中的压裂液，一部分滤失于地层，一部分使裂缝的体积增加，即：分滤失于地层，一部分使裂缝的体积增加，即： 1)1)滤失量：滤失量： 面积是时间函数：面积是时间函数： 所以：所以： tQtQtQFL tALtdAtvtQ02dddAdA dddAtvtQtL02tCtv)(2)2)裂缝体积变化：裂缝体积变化： 3)3)裂缝面积裂缝面积用拉氏变换得到裂缝面积公式：用拉氏变换得到裂缝面积公式： l对于垂直裂缝，已知缝高对于垂直裂缝，已知缝高H H，假设裂缝是对称于井轴为，假设裂缝是对称于井轴为的两条，则缝长为：的两条，则缝长为：l对于水平裂缝，裂缝半径对于水平裂缝，裂缝半径R(m)R(m)为：为： dtdAWtQF WtCxxxerfceCQWtAx212422HAL2AR (2)PKN(2)PKN模型（泊金模型（泊金- -克恩裂缝缝宽公式）克恩裂缝缝宽公式） PKNPKN模型是模型是PerkinsPerkins，KernKern和和NordgrenNordgren三人提出的，它三人提出的，它是目前应用较多的二维设计模型，其是目前应用较多的二维设计模型，其基本假设基本假设如下：如下：岩石是弹性、脆性材料，当作用于岩石上的张应力大岩石是弹性、脆性材料，当作用于岩石上的张应力大于某个极限值后，岩石张开破裂；于某个极限值后，岩石张开破裂； 缝高在整个缝长方向上不变，即在上、下层受阻；造缝高在整个缝长方向上不变，即在上、下层受阻；造缝段全部射孔，一开始就压开整个地层；缝段全部射孔，一开始就压开整个地层；裂缝断面为椭园形，最大缝宽在裂缝中部；裂缝断面为椭园形，最大缝宽在裂缝中部；缝内流体流动为层流；缝内流体流动为层流；缝端部压力等于垂直于裂缝壁面的总应力；缝端部压力等于垂直于裂缝壁面的总应力；不考虑压裂液滤失于地层。不考虑压裂液滤失于地层。图图13 PKN13 PKN，KGDKGD模型裂缝示意图模型裂缝示意图l对于偏心度为零的椭园管、牛顿液体条件下：对于偏心度为零的椭园管、牛顿液体条件下： 裂缝内的压力分布和缝宽公式为：裂缝内的压力分布和缝宽公式为： l对非牛顿液液体，裂缝最大缝宽为：对非牛顿液液体，裂缝最大缝宽为： 裂缝的平均宽度裂缝的平均宽度 ： 4/132431601HQLEPxPcf 4/12max16012ELQxW221 12 max 60111213128nnfnnnELHKQnnnWmax4WWl用解析方法求解裂缝几何参数时，常把用解析方法求解裂缝几何参数时，常把PKNPKN缝宽公式与缝宽公式与卡特面积公式联立，给定一个缝宽，通过迭代求解和。卡特面积公式联立，给定一个缝宽，通过迭代求解和。lNordgrenNordgren提出用体积平衡法进行修正，只能用数值方法提出用体积平衡法进行修正，只能用数值方法求解，表达式为：求解，表达式为： 边界条件：边界条件： 初始条件：初始条件： 岩石剪切模量：岩石剪切模量：0421256242tWHtCHxWGx=0，W=Wmaxx=L，W=0t=0，x=012EG3)KGD3)KGD模型模型 假设条件为：假设条件为：地层均质，各向同性；地层均质，各向同性；线弹性应力一应变；线弹性应力一应变；裂缝内为层流，考虑滤失；裂缝内为层流，考虑滤失；缝宽截面为矩形，侧向为椭园形。缝宽截面为矩形，侧向为椭园形。基本方程：基本方程：l井底最大缝宽：井底最大缝宽： l单翼缝长：单翼缝长：412max601184WPPGHQLWLLPerfceSWHCQLL12832max2pLSWtC88max (4)(4)吉尔兹玛模型吉尔兹玛模型 吉尔兹玛等人基于牛顿液体推导了缝长和缝宽的计算式，吉尔兹玛等人基于牛顿液体推导了缝长和缝宽的计算式，流动方程采用了泊稷叶理论，岩石破裂方程是英格兰流动方程采用了泊稷叶理论，岩石破裂方程是英格兰与格林提出的。吉尔兹玛采用了合理的边界条件，缝与格林提出的。吉尔兹玛采用了合理的边界条件，缝端部的闭合圆滑，并考虑了液体滤失。端部的闭合圆滑，并考虑了液体滤失。对于垂直裂缝，当岩石泊松比对于垂直裂缝，当岩石泊松比v v时，吉尔兹玛方程为：时，吉尔兹玛方程为：缝长：缝长： 缝口宽度：缝口宽度： 岩石的剪模量：岩石的剪模量：HCtQL2142135. 0GHQLW42135. 0GHQLW 压裂效果预测有增产倍数和产量预测两种。压裂效果预测有增产倍数和产量预测两种。 垂直缝的增产倍数一般可用麦克奎尔垂直缝的增产倍数一般可用麦克奎尔西克拉增产倍数西克拉增产倍数曲线确定；曲线确定； 水平缝可用解析公式计算，产量、压裂的有效期和累积水平缝可用解析公式计算，产量、压裂的有效期和累积增产量等的预测可用典型曲线拟合和数值模拟方法。增产量等的预测可用典型曲线拟合和数值模拟方法。(1)(1)增产倍数计算增产倍数计算 增产倍数是压裂前后油气井采油指数的比值，它与油层增产倍数是压裂前后油气井采油指数的比值，它与油层和裂缝参数有关。和裂缝参数有关。对垂直缝压裂井对垂直缝压裂井 压裂后的增产倍数可用麦克奎尔西克拉增产倍数压裂后的增产倍数可用麦克奎尔西克拉增产倍数曲线确定。曲线确定。对水平缝压裂井对水平缝压裂井 增产倍数：增产倍数：wfffweffffrrKhWKrRWKKhKhWKPR/ln1/ln1图图14 14 水平缝压裂前后油层中压力分布水平缝压裂前后油层中压力分布(2) Agarwal(2) Agarwal典型曲线预测压裂井产量典型曲线预测压裂井产量 19791979年年AgarwalAgarwal用数值模拟方法预测了压裂井压后产量随时用数值模拟方法预测了压裂井压后产量随时间变化，并绘制了计算图版，可以预测压裂井的产量。间变化，并绘制了计算图版，可以预测压裂井的产量。基本假设：基本假设：油层流体微可压缩，且粘度为常数；油层流体微可压缩，且粘度为常数；导流能力为常数；导流能力为常数；不存在井筒存储和井筒附近的油层损害；不存在井筒存储和井筒附近的油层损害；边界影响可忽略；边界影响可忽略；忽略气体紊流影响。忽略气体紊流影响。图图15 Agarwal15 Agarwal曲线曲线l无因次时间：无因次时间： l无因次产量倒数：无因次产量倒数： ( (油油) ) ， ( (气气) )l无因次导流能力：无因次导流能力： 预测产量方法：预测产量方法：由地层参数和裂缝参数计算给定生由地层参数和裂缝参数计算给定生产时间的无因次时间，由和查曲线确定，再由无因次产时间的无因次时间，由和查曲线确定，再由无因次产量倒数公式计算油或气井产量。产量倒数公式计算油或气井产量。ftDxfLCKtt03561. 0BqPKhqD68.5351ZTqPKhqD276.13711fffCDKLWKF预测不同裂缝长度和导流能力下的产量预测不同裂缝长度和导流能力下的产量优选裂缝参数优选裂缝参数选择支撑剂类型选择支撑剂类型尾随东方陶粒体积和尾随比的确定尾随东方陶粒体积和尾随比的确定 尾随段长度为：尾随段长度为：其它设计参数：平均砂比、排量，最大砂比、生产压差。其它设计参数：平均砂比、排量，最大砂比、生产压差。压裂液选择压裂液选择2121CDCDCDCDfFFFFLLfffCDKLWKF21fffCDKLWKF12图图16 16 产量与缝长和无因次导流能力关系产量与缝长和无因次导流能力关系(1)压裂设计解决的两大类问题：在给定地层压力，从增产倍数出发，在若干个压裂液、啊及其不同组合的若干方案中选择最优方案；从设备能力（包括配液能力）和现有条件出发，预测不同方案的增产能力，选择最佳方案。(2)水力压裂的一般步骤：油层参数（Re、Hr、h、Pr、K、Tr、Dt、De等）压裂液参数（K、n、C等）支撑剂参数施工参数（破裂压力梯度、泵排量等）(3)裂缝面积、缝长、缝宽设计计算地面、地下破裂压力、裂缝闭合压力等；确定不同裂缝单位面积上砂浓度在闭合压力下的导流能力；麦克奎尔-西克拉先对导流能力计算，并计算不同穿透比时的增产倍数；确定填砂裂缝面积；利用PKN模型计算铺砂浓度；根据优化目标筛选最佳裂缝几何参数。(4)液量和砂量的确定 综合滤失系数的计算；利用卡特模型已知缝面积计算施工时间和液量；砂量：铺砂浓度裂缝面积支撑剂分布状况：缝中沉降速度、沉降时间等。(5)压裂液注入及加砂程序 前置液、携砂液、顶替液的用量，多级注入程序等。(6)压裂效果预测(7)压裂工艺的确定：施工设备、施工管柱等设备：设备：储罐；泵车；混砂车；运砂车；管汇车；仪表车储罐；泵车；混砂车；运砂车；管汇车；仪表车（压裂指挥车）；消防车（压裂指挥车）；消防车.油井压裂增产应注意以下问