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第六章第六章 水力水力压压裂技裂技术术 Hydraulic Fracturing(4)(4)(4)(4)压压压压裂裂裂裂设计设计设计设计 Design of fracturing treatmentDesign of fracturing treatment(1)(1)(1)(1)造造造造缝缝缝缝机理机理机理机理 Mechanism of fracturingMechanism of fracturing(2)(2)(2)(2)压压压压裂液裂液裂液裂液 Fracturing fluidFracturing fluid(3)(3)(3)(3)支撑支撑支撑支撑剂剂剂剂 ProppantProppant1.1.1.1.1.压压压压裂的定裂的定裂的定裂的定义义义义：用用用用压压压压力力力力将地将地将地将地层压层压层压层压开一条或几条水平的或垂直开一条或几条水平的或垂直开一条或几条水平的或垂直开一条或几条水平的或垂直的裂的裂的裂的裂缝缝缝缝，并用，并用，并用，并用支撑支撑支撑支撑剂剂剂剂（或不用支撑（或不用支撑（或不用支撑（或不用支撑剂剂剂剂）将裂将裂将裂将裂缝缝缝缝支支支支撑起来，减小油、气、水的流撑起来，减小油、气、水的流撑起来，减小油、气、水的流撑起来，减小油、气、水的流动动动动阻力，沟通油、阻力，沟通油、阻力，沟通油、阻力，沟通油、气、水的流气、水的流气、水的流气、水的流动动动动通道，从而达到增通道，从而达到增通道，从而达到增通道，从而达到增产产产产增注的效果。增注的效果。增注的效果。增注的效果。(2)(2)(2)(2)降低了井底附近地降低了井底附近地降低了井底附近地降低了井底附近地层层层层中流体的渗流阻力。中流体的渗流阻力。中流体的渗流阻力。中流体的渗流阻力。2.2.2.2.压压压压裂增裂增裂增裂增产产产产增注的原理增注的原理增注的原理增注的原理:(1)(1)(1)(1)改改改改变变变变流体的渗流状流体的渗流状流体的渗流状流体的渗流状态态态态；压压裂方法裂方法简简介：介：Introduction of FracturingIntroduction of Fracturing2.3.3.3.3.压压压压裂的种裂的种裂的种裂的种类类类类：(根据造根据造根据造根据造缝缝缝缝介介介介质质质质分分分分类类类类)水力水力压压裂裂 Hydraulic Fracturing 利用地面利用地面高高压压泵组泵组，将，将高粘液体高粘液体以大大超以大大超过过地地层层吸收能吸收能力的排量注入井中，在力的排量注入井中，在井底憋起高井底憋起高压压；当此当此压压力大于井壁力大于井壁附近的附近的地地应应力力和地和地层层岩石岩石抗抗张张强强度度时时，在井底附近地，在井底附近地层产层产生生裂裂缝缝；继续继续注入注入带带有支撑有支撑剂剂的携砂液，裂的携砂液，裂缝缝向前延伸并填向前延伸并填以支撑以支撑剂剂，关井后裂关井后裂缝闭缝闭合在支撑合在支撑剂剂上，从而在井底附近上，从而在井底附近地地层层内形成具有一定几何尺寸和内形成具有一定几何尺寸和导导流能力的填砂裂流能力的填砂裂缝缝。3.技技术术成熟度高，是低渗透油气藏开成熟度高，是低渗透油气藏开发发的主要技的主要技术术。形形成成单单一一裂裂缝缝，裂裂缝缝方方向向受受地地应应力力控控制制。对对特特低低渗渗油藏，油藏，远远离裂离裂缝处缝处的油气的油气难难以流向裂以流向裂缝缝。技技术术还还在在不不断断完完善善，以以适适应应油油气气田田开开发发的的需需要要，如如超超深井深井压压裂、重复裂、重复压压裂以及与其他技裂以及与其他技术术的的组组合合应应用。用。水力水力压压裂特点裂特点4.爆炸爆炸压压裂裂 用用炸炸药药，它的增，它的增压压速度极快速度极快(微秒微秒级级)，气体生成量，气体生成量较较少，地少，地层层裂隙来不及裂隙来不及扩张扩张和延伸，大部分能量消耗在井壁和延伸，大部分能量消耗在井壁岩石的破碎上，岩石的破碎上，产产生无数生无数细细小裂小裂缝缝，井眼内残留的，井眼内残留的应应力力场场具有具有压实压实效效应应，可能完全，可能完全闭闭塞所塞所产产生的裂生的裂缝缝。炸炸药药在井筒内的在井筒内的爆爆轰轰和和爆燃爆燃使井筒附近使井筒附近产产生多条裂生多条裂缝缝。常用炸常用炸药药有黑索金、奥克托金等。有黑索金、奥克托金等。5.爆爆炸炸造造成成的的压压缩缩应应力力波波使使井井周周岩岩石石发发生生塑塑性性变变形形，形形成成的的残残余余应应力力场场使使得得爆爆炸炸初初期期形形成成的的大大量量裂裂缝缝重重新新闭闭合合，或被爆炸残余物堵塞。，或被爆炸残余物堵塞。井内爆炸易井内爆炸易损损坏井筒坏井筒；所所用用硝硝化化甘甘油油类类药药剂剂过过于于敏敏感感是是爆爆炸炸压压裂裂失失败败的的原原因因之一。之一。爆炸爆炸压压裂裂技技术术特点特点6.利用特定的利用特定的利用特定的利用特定的发发发发射射射射药药药药或推或推或推或推进剂进剂进剂进剂在油气井的目的在油气井的目的在油气井的目的在油气井的目的层层层层段高速段高速段高速段高速燃燃燃燃烧烧烧烧，产产产产生生生生高温高高温高高温高高温高压压压压气体气体气体气体，压压压压裂地裂地裂地裂地层层层层形成形成形成形成多条多条多条多条自井眼呈放自井眼呈放自井眼呈放自井眼呈放射状的射状的射状的射状的径向裂径向裂径向裂径向裂缝缝缝缝，清除油气，清除油气，清除油气，清除油气层污层污层污层污染及堵塞物，有效地降低染及堵塞物，有效地降低染及堵塞物，有效地降低染及堵塞物，有效地降低表皮系数，从而达到油气井增表皮系数，从而达到油气井增表皮系数，从而达到油气井增表皮系数，从而达到油气井增产产产产的目的的一种工的目的的一种工的目的的一种工的目的的一种工艺艺艺艺技技技技术术术术。高能气体高能气体压压裂裂7.加加载载速速率率较较高高，适适用用于于脆脆性性地地层层，如如石石灰灰岩岩、白白云云岩岩和泥和泥质质含量含量较较低（小于低（小于10%10%）的砂岩；）的砂岩；对对于于塑塑性性地地层层不不甚甚适适用用，如如泥泥岩岩、泥泥质质含含量量较较高高（大大于于20%20%）的的泥泥灰灰岩岩和和砂砂质质泥泥岩岩，且且对对泥泥岩岩地地层层，反反而而可可能能产产生生“压实压实效效应应”；产产生生的的辐辐射射状状裂裂缝缝仅仅局局限限于于近近井井地地带带（缝缝宽宽约约为为0.40.40.8mm0.8mm，径向，径向缝长约为缝长约为5 510m10m，纵纵向向缝缝高高2 23m3m）。）。胶胶结结疏松的砂岩地疏松的砂岩地层压层压后可能出后可能出现严现严重的重的出砂出砂问题问题；高能气体高能气体压压裂裂技技术术特点特点8.三种三种压压裂方式形成的裂裂方式形成的裂缝缝9.干法干法压压裂裂 利用利用利用利用100%100%100%100%的的的的液体二氧化碳液体二氧化碳液体二氧化碳液体二氧化碳和和和和石英砂石英砂石英砂石英砂进进进进行行行行压压压压裂，无水裂，无水裂，无水裂，无水无任何添加无任何添加无任何添加无任何添加剂剂剂剂，压压压压后后后后压压压压裂液几乎完全排出地裂液几乎完全排出地裂液几乎完全排出地裂液几乎完全排出地层层层层，可避免，可避免，可避免，可避免地地地地层伤层伤层伤层伤害。害。害。害。关关关关键键键键技技技技术术术术：砂子砂子砂子砂子进进进进入液体二氧化碳中的混合器。入液体二氧化碳中的混合器。入液体二氧化碳中的混合器。入液体二氧化碳中的混合器。适用适用适用适用于于于于对驱对驱对驱对驱替液、替液、替液、替液、冻冻冻冻胶或表面活性胶或表面活性胶或表面活性胶或表面活性剂剂剂剂的的的的伤伤伤伤害敏感的地害敏感的地害敏感的地害敏感的地层层层层，适合的，适合的，适合的，适合的储层储层储层储层包括渗水包括渗水包括渗水包括渗水层层层层、低、低、低、低压层压层压层压层及有微粒运移的及有微粒运移的及有微粒运移的及有微粒运移的储层储层储层储层以及水敏性以及水敏性以及水敏性以及水敏性储层储层储层储层。10.4.4.4.4.水力水力水力水力压压压压裂工裂工裂工裂工艺艺艺艺技技技技术术术术 压压裂裂设设备备：储储罐罐、泵泵车车、混混砂砂车车、运运砂砂车车、管管汇汇车车、仪仪表表车车（现场现场指指挥车挥车）、消防）、消防车车等。等。11.水力水力压压裂施工裂施工现场现场12.水力水力压压裂施工裂施工现场现场13.水力水力水力水力压压压压裂示意裂示意裂示意裂示意图图图图Schematic diagram of hydraulic fracturingSchematic diagram of hydraulic fracturing14.压压裂液裂液携砂液携砂液支撑裂支撑裂缝缝动态动态裂裂缝缝水力水力压压裂工裂工艺过艺过程程注入前置液注入前置液起起裂裂扩扩展展注入携砂液注入携砂液（石英、陶粒）（石英、陶粒）压压裂裂液液返返排排裂裂缝缝闭闭合合高高导导流的人流的人工裂工裂缝缝15.水力水力水力水力压压压压裂分裂分裂分裂分类类类类（按油藏工程（按油藏工程（按油藏工程（按油藏工程观观观观点）：点）：点）：点）：整体整体整体整体压压压压裂：裂：裂：裂：以低渗透油藏（或区以低渗透油藏（或区以低渗透油藏（或区以低渗透油藏（或区块块块块）为为为为工作工作工作工作单单单单元，以元，以元，以元，以建立的油藏建立的油藏建立的油藏建立的油藏注水开注水开注水开注水开发发发发井网与水力裂井网与水力裂井网与水力裂井网与水力裂缝优缝优缝优缝优化化化化组组组组合合合合的渗流系的渗流系的渗流系的渗流系统统统统，实现单实现单实现单实现单井井井井产产产产能与能与能与能与扫扫扫扫油效率的提高。油效率的提高。油效率的提高。油效率的提高。单单单单井井井井压压压压裂裂裂裂：以：以：以：以单单单单井井井井为为为为工作工作工作工作单单单单元，以研究元，以研究元，以研究元，以研究单单单单井渗流方井渗流方井渗流方井渗流方式与渗流阻力式与渗流阻力式与渗流阻力式与渗流阻力的的的的变变变变化来化来化来化来实现单实现单实现单实现单井井井井产产产产能提高；能提高；能提高；能提高；水力水力压压裂适用条件裂适用条件低渗透油气藏：渗透率低渗透油气藏：渗透率50K,KK,KK,KK,Kf f f f=30=30=30=3060606060mmmm 水力水力水力水力压压压压裂增裂增裂增裂增产产产产增注的原理增注的原理增注的原理增注的原理:Mechanism of stimulation(1)(1)(1)(1)改改改改变变变变流体的渗流状流体的渗流状流体的渗流状流体的渗流状态态态态：使原来使原来使原来使原来径向流径向流径向流径向流动动动动改改改改变为变为变为变为油油油油层层层层与与与与裂裂裂裂缝缝缝缝近似的近似的近似的近似的单单单单向流向流向流向流动动动动和裂和裂和裂和裂缝缝缝缝与井筒与井筒与井筒与井筒间间间间的的的的单单单单向流向流向流向流动动动动，消除了，消除了，消除了，消除了径向径向径向径向节节节节流流流流损损损损失失失失，降低了能量消耗。，降低了能量消耗。，降低了能量消耗。，降低了能量消耗。(3)(3)增大了井与油藏的接触面增大了井与油藏的接触面积积或泄油面或泄油面积积。17.第一第一节节 造造缝缝机理机理 Mechanism of fracturing裂裂缝缝形成条件形成条件裂裂缝缝的形的形态态裂裂缝缝的方位的方位井网部署井网部署提高采油速度提高采油速度提高原油采收率提高原油采收率 因此有利的裂因此有利的裂缝缝形形态态及及参数参数能能够够充分充分发挥发挥其在增其在增产产、增注的作用。、增注的作用。18.造造缝缝条件及裂条件及裂缝缝的形的形态态、方位等与井底附近地、方位等与井底附近地层层的的地地应应力力及其分布、岩石的力学性及其分布、岩石的力学性质质、压压裂液的渗裂液的渗滤滤性性质质及及注入方式注入方式有有密切关系。密切关系。压压裂裂过过程井底程井底压压力力变变化曲化曲线线aa致密岩石致密岩石 b b微微缝缝高渗岩石高渗岩石破裂破裂压压力力延伸延伸压压力力地地层压层压力力19.地地层层破裂破裂压压力力：使地：使地层产层产生水力裂生水力裂缝时缝时的的井底流井底流动压动压力。力。裂裂缝缝延伸延伸压压力力：使水力裂：使水力裂缝缝在在长长、宽宽、高三个方向、高三个方向扩扩展展所需要的所需要的缝缝内流体内流体压压力。力。裂裂缝闭缝闭合合压压力力：使裂：使裂缝缝恰好保持不致于恰好保持不致于闭闭合所需要的流合所需要的流体体压压力，它与地力，它与地层层中垂直于裂中垂直于裂缝缝面的面的最小主最小主应应力力大小相等，大小相等，方向相反。方向相反。20.一、油井一、油井应应力状况力状况 Stress status (一一)地地应应力力垂向垂向应应力力：上覆：上覆层层的岩石重量。的岩石重量。有效垂向有效垂向应应力：力：在三向在三向应应力作用下，力作用下，x x轴轴方向上的方向上的应变应变分分别为别为：岩石岩石弹弹性模量性模量：岩石：岩石纵纵向向应应力与力与纵纵向向应变应变的比例常数。的比例常数。泊松比泊松比：横向：横向应变应变与与纵纵向向应变应变比比值值，反映材料横向，反映材料横向变变形的形的弹弹性系数。性系数。21.由于构造由于构造应应力等因素的影响力等因素的影响，最大、最小水平，最大、最小水平应应力与垂向力与垂向应应力关系：力关系：毕毕奥特常数：奥特常数：C Cr r基基质质岩石骨架岩石骨架压缩压缩系数；系数；Cb岩石体岩石体积压缩积压缩系数；系数；水平水平应应力构造系数，由力构造系数，由实验测实验测定。定。水平方向主水平方向主应应力力22.(1)(1)当当 ，时时，说说明明圆圆孔壁孔壁上各点的周向上各点的周向应应力相力相等，且与等，且与值值无关。无关。(二二)井壁上的井壁上的应应力力1.1.井筒井筒对对地地应应力及其分布的影响力及其分布的影响圆圆孔周向孔周向应应力：力：23.(3)(3)随着随着r r的增加，周向的增加，周向应应力迅速降低。力迅速降低。(2)(2)当当 ，时时，说说明最小周向明最小周向应应力力发发生在生在 方向上，而最大周向方向上，而最大周向应应力却在力却在 的方向上。的方向上。24.2.2.井眼内井眼内压压所引起的井壁所引起的井壁应应力力 压压裂裂过过程中，向井筒内程中，向井筒内注入高注入高压压液体液体，使井内，使井内压压力很力很快升高。井筒内快升高。井筒内压压必然必然导导致井壁上致井壁上产产生周向生周向应应力。根据力。根据弹弹性力学中的拉梅公式性力学中的拉梅公式(拉拉应应力取力取负负号号)：当当r re e=、P Pe e=0=0及及r=rr=ra a时时，井壁上的周向，井壁上的周向应应力力为为：即由于井筒内即由于井筒内压压而而导导致的周向致的周向应应力与内力与内压压大小相等，大小相等，方向相反。方向相反。25.3.3.压压裂液径向渗入地裂液径向渗入地层层所引的井壁所引的井壁应应力力 由于注入井中的高由于注入井中的高压压液体在地液体在地层层破裂前，破裂前，渗入渗入井筒井筒周周围围地地层层中，形成了另外一个中，形成了另外一个应应力区，它的作用是增大力区，它的作用是增大了井壁周了井壁周围围岩石中的岩石中的应应力。增加的周向力。增加的周向应应力力值为值为：26.4.4.井壁上的最小井壁上的最小总总周向周向应应力力 在地在地层层破裂前，井壁上的破裂前，井壁上的最小最小总总周向周向应应力力应为应为地地应应力力、井筒内井筒内压压及及液体渗液体渗滤滤所引起的周向所引起的周向应应力力之和：之和：27.二、造二、造缝缝条件条件1.1.形成垂直裂形成垂直裂缝缝 Vertical Fracture当井壁上存在的当井壁上存在的当井壁上存在的当井壁上存在的周向周向周向周向应应应应力力力力达到井壁岩石的达到井壁岩石的达到井壁岩石的达到井壁岩石的水平方向水平方向水平方向水平方向的抗拉的抗拉的抗拉的抗拉强强强强度度度度时时时时，岩石将在，岩石将在，岩石将在，岩石将在垂直于水平垂直于水平垂直于水平垂直于水平应应应应力力力力的方向上的方向上的方向上的方向上产产产产生脆性破裂，即生脆性破裂，即生脆性破裂，即生脆性破裂，即在与周向在与周向在与周向在与周向应应应应力相垂直的方向上力相垂直的方向上力相垂直的方向上力相垂直的方向上产产产产生垂直裂生垂直裂生垂直裂生垂直裂缝缝缝缝。岩石岩石为为各向同性材料，破裂各向同性材料，破裂时时的的裂裂裂裂缝缝缝缝方方方方向向向向总总总总是垂直于最小主是垂直于最小主是垂直于最小主是垂直于最小主应应应应力力力力轴轴轴轴。当当 时时，形成垂直裂，形成垂直裂缝缝。28.当当产产生裂生裂缝时缝时，井筒内注入流体的，井筒内注入流体的压压力即力即为为地地层层的破裂的破裂压压力：力：由于最小由于最小总总周向周向应应力力发发生在生在0,1800,180的的对对称点上，称点上，垂直裂垂直裂缝缝也也产产生在生在这这两个点上两个点上(0,180)。理理论论上一般假定垂直裂上一般假定垂直裂缝缝是以井是以井轴为轴为对对称称的两条的两条缝缝，实际实际上由于地上由于地层层的的非均非均质质性性和和局部局部应应力力场场的影响，的影响，产产生生的裂的裂缝缝往往是往往是不不对对称称的。的。29.2.2.形成水平裂形成水平裂缝缝的条件的条件 Horizontal Fracture 当井壁上存在的当井壁上存在的当井壁上存在的当井壁上存在的垂向垂向垂向垂向应应应应力力力力达到井壁岩石的达到井壁岩石的达到井壁岩石的达到井壁岩石的垂向的抗垂向的抗垂向的抗垂向的抗张张张张强强强强度度度度时时时时，在与垂向在与垂向在与垂向在与垂向应应应应力相垂直的方向上力相垂直的方向上力相垂直的方向上力相垂直的方向上产产产产生水平裂生水平裂生水平裂生水平裂缝缝缝缝。产产生生水水平平裂裂缝缝时时，井井筒筒内内注注入入流流体的体的压压力力等于地等于地层层的破裂的破裂压压力：力：实验修正：当当 时时，形成水平裂，形成水平裂缝缝。30.三、破裂三、破裂压压力梯度力梯度(破裂梯度破裂梯度)Fracturing pressure gradient1.1.1.1.破裂梯度破裂梯度破裂梯度破裂梯度：地：地：地：地层层层层破裂破裂破裂破裂压压压压力与地力与地力与地力与地层层层层深度的比深度的比深度的比深度的比值值值值。根据根据根据根据压压压压裂施工裂施工裂施工裂施工资资资资料料料料统计统计统计统计出来的破裂梯度出来的破裂梯度出来的破裂梯度出来的破裂梯度值为值为值为值为：(15(15(15(1518)18)18)18)(22(22(22(2225)KMPa/m25)KMPa/m25)KMPa/m25)KMPa/m深地深地深地深地层层层层垂直裂垂直裂垂直裂垂直裂缝缝缝缝 浅地浅地浅地浅地层层层层水平裂水平裂水平裂水平裂缝缝缝缝2.2.2.2.根据破裂梯度的大小估根据破裂梯度的大小估根据破裂梯度的大小估根据破裂梯度的大小估计计计计裂裂裂裂缝缝缝缝的形的形的形的形态态态态：小于小于小于小于1515151518181818时时时时形成形成形成形成垂直裂垂直裂垂直裂垂直裂缝缝缝缝 大于大于大于大于23232323时时时时形成形成形成形成水平裂水平裂水平裂水平裂缝缝缝缝水平水平缝缝垂直垂直缝缝12裂裂缝缝方向：取决于最小主方向：取决于最小主应应力方向力方向31.第二第二节节 压压裂液裂液 Fracturing FluidFracturing Fluid压压压压裂液任裂液任裂液任裂液任务务务务：造造造造缝缝缝缝、携砂。、携砂。、携砂。、携砂。压压裂液是造裂液是造缝缝和携砂的介和携砂的介质质，压压裂液的性能的好坏是裂液的性能的好坏是压压裂裂成功的关成功的关键键。1.1.压压裂液的任裂液的任务务根据在不同施工根据在不同施工阶阶段的任段的任务务，压压裂液分裂液分为为：前置液、携：前置液、携砂液、砂液、顶顶替液。替液。造造造造缝缝缝缝、降温作用、降温作用、降温作用、降温作用。一般用未交一般用未交一般用未交一般用未交联联联联的溶胶（水胍胶粉，的溶胶（水胍胶粉，的溶胶（水胍胶粉，的溶胶（水胍胶粉，=10mPa.S=10mPa.S=10mPa.S=10mPa.S）。）。）。）。前置液前置液前置液前置液 Pad fluidPad fluidPad fluidPad fluid32.携携携携带带带带支撑支撑支撑支撑剂剂剂剂、充填裂、充填裂、充填裂、充填裂缝缝缝缝、造、造、造、造缝缝缝缝及冷却地及冷却地及冷却地及冷却地层层层层作用。作用。作用。作用。将井筒中的携砂液送到将井筒中的携砂液送到缝缝内内预预定位置定位置，防止砂卡和井筒沉砂。，防止砂卡和井筒沉砂。携砂液携砂液 Slurry溶胶交溶胶交联剂联剂冻冻胶支撑胶支撑剂剂携砂液携砂液硼酸硼酸盐盐（低温）（低温）有机硼有机硼（高温）（高温）有机有机钛钛（高温）（高温）=200mPa.S)=200mPa.S)=200mPa.S)=200mPa.S)顶顶替液替液 Displacing fluidDisplacing fluid33.2.2.压压裂液的性能要求：裂液的性能要求：滤滤失少：失少：造造长缝长缝、宽缝宽缝，取决于它的粘度与造壁性，取决于它的粘度与造壁性;悬悬砂能力砂能力强强：取决于粘度取决于粘度;摩阻低：摩阻低：摩阻愈小，用于造摩阻愈小，用于造缝缝的有效功率愈大的有效功率愈大;稳稳定性好：定性好：热稳热稳定性和抗机械剪切定性和抗机械剪切稳稳定性定性;配伍性好：配伍性好：不不应应引起粘土膨引起粘土膨胀胀或或产产生沉淀而堵塞油生沉淀而堵塞油层层;低残渣：低残渣：以免降低油气以免降低油气层层和填砂裂和填砂裂缝缝的渗透率的渗透率;易返排：易返排：减少减少压压裂液的裂液的损损害害;货货源广、便于配制、价源广、便于配制、价钱钱便宜。便宜。34.一、一、压压裂液裂液类类型型1.1.水基水基压压裂液裂液水基、油基、泡沫、醇基水基、油基、泡沫、醇基压压裂液。裂液。施工施工结结束后，束后，为为了使了使冻冻胶破胶胶破胶还还需要加入需要加入破胶破胶剂剂（过过硫硫酸胺、高酸胺、高锰锰酸酸钾钾和和酶酶）。）。不适用于水敏性地不适用于水敏性地层层。成胶成胶剂剂交交链剂链剂水水+用水溶用水溶胀胀性聚合物性聚合物(成胶成胶剂剂)经经交交链剂链剂交交链链后形成的后形成的冻冻胶。胶。植物胶（胍胶、田菁、皂仁等）植物胶（胍胶、田菁、皂仁等）纤维纤维素衍生物素衍生物合成聚合物合成聚合物 硼酸硼酸盐盐 钛钛、锆锆等有机金属等有机金属盐盐 35.2.2.油基油基压压裂液裂液多用稠化油多用稠化油，遇地，遇地层层水后自水后自动动破胶。破胶。缺点：缺点：价格昂价格昂贵贵、施工困、施工困难难和易燃等。和易燃等。对对水敏性地水敏性地层层，使用水基，使用水基压压裂液会裂液会导导致地致地层层粘土膨粘土膨胀胀影响影响压压裂效果，常使用油基裂效果，常使用油基压压裂液。裂液。原油原油汽油汽油柴油柴油煤油煤油凝析油凝析油脂肪酸皂脂肪酸皂脂肪酸脂肪酸铝铝皂皂磷酸磷酸酯铝盐酯铝盐 基液基液 稠化稠化剂剂稠化油稠化油添加添加剂剂36.3.3.泡沫泡沫压压裂液裂液基液：基液：淡水、淡水、盐盐水、聚合物水溶液等；水、聚合物水溶液等；气相：气相：二氧化碳、氮气、天然气；二氧化碳、氮气、天然气；发发泡泡剂剂：非离子型活性非离子型活性剂剂；泡沫干度：泡沫干度：65658585；适用井深：适用井深：小于小于20002000米。米。用于低用于低压压低渗油气低渗油气层层改造，易于返排、改造，易于返排、滤滤失少、摩阻低，失少、摩阻低，常用于气井、水敏性地常用于气井、水敏性地层层。37.二、二、压压裂液裂液滤滤失性失性 Leakoff of fracturing fluid1.1.滤滤失原因失原因地地层为层为多孔介多孔介质质裂裂缝缝内外内外压压差差滤滤失是不可避免的失是不可避免的,但可以减少但可以减少滤滤失。失。滤滤失面失面积积：HLf压压裂液效率裂液效率停停泵时泵时刻刻缝缝体体积积总总注入量注入量一般：一般：38.压压裂液裂液滤滤失到地失到地层层受三种机理控制：受三种机理控制：压压裂液的粘度、裂液的粘度、油藏岩石和流体的油藏岩石和流体的压缩压缩性、性、压压裂液的造壁性裂液的造壁性受受压压裂液粘度控制的裂液粘度控制的滤滤失系数失系数C C 当当压压裂液粘度大大超裂液粘度大大超过过油藏流体的粘度油藏流体的粘度时时，压压裂液的裂液的滤滤失速度主要取决于失速度主要取决于压压裂液的粘度，由达西方程可以裂液的粘度，由达西方程可以导导出出滤滤失失系数系数为为：滤滤失速度失速度为为：滤滤失后地失后地层层中中压压力分布示力分布示意意图图使使压压裂液裂液滤滤失于失于储层储层内的内的压压差差压缩压缩并使油藏流并使油藏流体流体流动动的的压压差差裂裂缝缝壁面壁面滤滤饼饼的的压压力差力差2.2.滤滤失系数失系数计计算方法算方法39.受受储层储层岩石和流体岩石和流体压缩压缩性控制的性控制的滤滤失系数失系数C C当当压压裂液粘度裂液粘度接近于接近于油藏流体粘度油藏流体粘度时时，控制，控制压压裂液裂液滤滤失的是失的是储层储层岩石和流体的岩石和流体的压缩压缩性性。滤滤失系数失系数为为：C Cf f油藏油藏综综合合压缩压缩系数系数滤滤失后地失后地层层中中压压力分布示意力分布示意图图使使压压裂液裂液滤滤失于失于储储层层内的内的压压差差压缩压缩并使油藏流体并使油藏流体流流动动的的压压差差裂裂缝缝壁面壁面滤饼滤饼的的压压力差力差40.具有造壁性具有造壁性压压裂液裂液滤滤失系数失系数C C滤滤失系数失系数C C是由是由实验实验方法方法测测定。定。静静滤滤失失仪仪示意示意图图加压口筛座（含滤纸或岩心片）出液口 静静滤滤失曲失曲线线 41.滤滤失速度失速度造壁液体的造壁液体的滤滤失系数失系数则若若实验压实验压差与差与实际实际施工施工过过程中裂程中裂缝缝内外内外压压力差不一致，力差不一致，则则应进应进行修正：行修正：42.综综合合滤滤失系数失系数压压裂液的裂液的滤滤失同失同时时受三种机理控制，受三种机理控制，综综合合滤滤失系数如下：失系数如下：C C由由滤滤失失带压带压力差力差控制的，控制的，C C是由是由压缩带压压缩带压力差力差控制的，控制的，C C由由滤饼滤饼内外内外压压力差力差控制的。控制的。根据根据分分压压降公式降公式可以得到可以得到综综合合滤滤失系数的另一表达式：失系数的另一表达式：推导过程详见王鸿勋主编的水力压裂设计数值计算方法(石油工业出版社，1998.6)43.三、三、压压裂液流裂液流变变性性 Rheological property 1.1.牛牛顿压顿压裂液裂液(A(A曲曲线线)2.2.假塑型假塑型压压裂液裂液(B(B曲曲线线)假塑型流体也称假塑型流体也称为为幂幂律流体律流体，剪，剪切速率越大，切速率越大，视视粘度越小粘度越小。视视粘度粘度 压压裂液流裂液流变变曲曲线线剪切速率剪切速率剪剪切切应应力力KK稠度系数，稠度系数，mPa.s mPa.sn n；n n 流流态态指数，无因次指数，无因次 44.3.3.其它流其它流动类动类型的型的压压裂液裂液宾汉宾汉型流体型流体(C(C曲曲线线)屈服假塑型流体屈服假塑型流体(D(D曲曲线线)胀胀流型流体流型流体(E(E曲曲线线)压压裂液流裂液流变变曲曲线线剪切速率剪切速率剪剪切切应应力力流体具有屈服流体具有屈服值值，加上一定的，加上一定的压压力后，流体才从静止状力后，流体才从静止状态态开始流开始流动动。45.第三第三节节 支撑支撑剂剂 Proppant 填砂裂填砂裂缝缝的的导导流能力：流能力：在油在油层层条件下，填砂条件下，填砂裂裂缝缝渗透率渗透率与与裂裂缝宽缝宽度度的乘的乘积积，常用，常用FRCDFRCD表示，也称表示，也称为导为导流率。流率。一、支撑一、支撑剂剂的性能要求的性能要求(1)(1)粒径均匀，密度小粒径均匀，密度小(2)(2)强强度大，破碎率小度大，破碎率小(3)(3)园度和球度高园度和球度高(4)(4)杂质杂质含量少含量少(5)(5)来源广，价廉来源广，价廉 闭合合压力力46.二、支撑二、支撑剂剂的的类类型型按其力学性按其力学性质质分分为为两大两大类类：脆性支撑脆性支撑剂剂:如石英砂、玻璃球等如石英砂、玻璃球等特点特点是硬度大，是硬度大，变变形小，在高形小，在高闭闭合合压压力下易破碎力下易破碎韧韧性支撑性支撑剂剂:如核桃壳、如核桃壳、铝铝球等球等特点特点是是变变形大，承形大，承压压面面积积大，在高大，在高闭闭合合压压力下不易破碎力下不易破碎目前目前矿场矿场上常用的支撑上常用的支撑剂剂有两种：有两种：一是一是天然砂天然砂；二是；二是人造支撑人造支撑剂剂（陶粒）。（陶粒）。47.核桃壳核桃壳核桃壳核桃壳石英砂石英砂石英砂石英砂树树树树脂砂脂砂脂砂脂砂陶粒陶粒陶粒陶粒48.1.1.天然砂天然砂主要主要矿矿物成分是粗晶石英物成分是粗晶石英适用于浅适用于浅层层或中深或中深层层的的压压裂，成功率很高。裂，成功率很高。2.2.人造支撑人造支撑剂剂(陶粒陶粒)矿矿物成份是氧化物成份是氧化铝铝、硅酸、硅酸盐盐和和铁铁钛钛氧化物氧化物常用宜常用宜兴兴陶粒和成都陶粒，陶粒和成都陶粒，强强度上有低、中、高之分，度上有低、中、高之分，低低强强度适用的度适用的闭闭合合压压力力为为56.0MPa56.0MPa，中，中强强度度约为约为70.070.084.0MPa84.0MPa，高，高强强度达度达105.0MPa105.0MPa，适用于，适用于深井高深井高闭闭合合压压力力的的油气油气层压层压裂。裂。3.3.树树脂包脂包层层支撑支撑剂剂中等中等强强度，密度小，便于携砂与度，密度小，便于携砂与铺铺砂。砂。49.三、支撑三、支撑剂剂在裂在裂缝缝内的分布内的分布支撑支撑剂剂在裂在裂缝缝内的分布内的分布规规律随律随裂裂缝类缝类型型(水平、水平、垂直垂直缝缝)和和携砂液性能携砂液性能而异。而异。高粘高粘压压裂液裂液：压压裂液粘度足以把支撑裂液粘度足以把支撑剂剂完全完全悬悬浮起来浮起来，在，在整个施工整个施工过过程中没有支撑程中没有支撑剂剂的沉降，停的沉降，停泵泵后支撑后支撑剂剂充充满满整整个裂个裂缝缝内，携砂液到达的位置就是支撑裂内，携砂液到达的位置就是支撑裂缝缝的位置。的位置。裂裂缝闭缝闭合后的砂合后的砂浓浓度度(铺铺砂砂浓浓度度)：指：指单单位位面面积积裂裂缝缝上所上所铺铺的支撑的支撑剂质剂质量。量。地面砂比地面砂比：单单位体位体积积混砂液中所含的支撑混砂液中所含的支撑剂质剂质量。量。或支撑或支撑剂剂体体积积与与压压裂液体裂液体积积之比。之比。裂裂缝缝内的砂内的砂浓浓度度(裂裂缝缝内砂比内砂比)：是指：是指单单位位体体积积裂裂缝缝内所含内所含支撑支撑剂剂的的质质量。量。50.假假设设地面每注入体地面每注入体积积VF(mVF(m3 3)的含砂液体的含砂液体为为一个一个处处理理单单元，元，时间时间t t是注入此是注入此单单元所需的元所需的时间时间。单单元含砂液中元含砂液中滤滤失的体失的体积积百分数：百分数：经滤经滤失后的失后的缝缝内砂内砂浓浓度：度：滤滤失体失体积积百分数：百分数：51.（一）全（一）全悬悬浮型支撑浮型支撑剂剂分布分布使用完全使用完全悬悬浮液体作浮液体作为为携砂液体，适合于低渗透率地携砂液体，适合于低渗透率地层层，支支撑面撑面积积很大，能最大限度地将很大，能最大限度地将压压开的面开的面积积全部支撑起来。全部支撑起来。(二二)沉降型支撑沉降型支撑剂剂分布分布由于由于剪切剪切和和温度温度等等降解降解作用作用,携砂性能并不能达到全携砂性能并不能达到全悬悬浮浮,部部分支撑分支撑剂剂随携砂液一起向随携砂液一起向缝缝端运端运动动，部分可能沉降下来。，部分可能沉降下来。支撑支撑剂剂沉降速度、砂堤堆起高度等都与裂沉降速度、砂堤堆起高度等都与裂缝缝参数有关。参数有关。目前的研究仍是基于目前的研究仍是基于6060年代巴布年代巴布库库克的克的实验结实验结果。果。52.1.1.支撑支撑剂剂在在缝缝高度上的分布高度上的分布 进进入裂入裂缝缝的固体的固体颗颗粒主要受到粒主要受到水平方向液体携水平方向液体携带带力、力、垂直向下重力垂直向下重力以及以及向上浮力向上浮力的作用。的作用。颗颗粒相粒相对对于携于携带带液有液有沉降运沉降运动动和和粘滞阻力作用。粘滞阻力作用。平衡状平衡状态态:当液体的流速逐当液体的流速逐渐渐达到使达到使颗颗粒粒处处于于悬悬浮状浮状态态的能的能力力时时，颗颗粒粒处处于停止沉降的状于停止沉降的状态态。平衡流速：平衡流速：平衡平衡时时的流速，也即携的流速，也即携带颗带颗粒最小的流速。粒最小的流速。53.增加地面排量，增加地面排量，、与与区均将区均将变变薄薄，区区则则变变厚；厚；流速足流速足够够大，大，区可能区可能完全消失；完全消失；再增加排量，再增加排量，浓浓度梯度剖面度梯度剖面消失消失，成，成为为均均质质的的悬悬浮流。浮流。悬悬浮区浮区，颗颗粒分布不粒分布不均匀，存在均匀，存在浓浓度梯度度梯度砂堤面上的砂堤面上的颗颗粒粒滚滚流区流区沉降下来的的沉降下来的的砂堤砂堤，在平衡状在平衡状态态下砂堤的下砂堤的高度高度为为平衡高度平衡高度无砂区无砂区54.2.2.平衡流速平衡流速平衡流速平衡流速砂堤的平衡高度砂堤的平衡高度汤汤姆斯解法：姆斯解法：利用利用颗颗粒粒自由沉降速度自由沉降速度与与阻力速度阻力速度的比的比值值，先得到阻力速度，再求出平衡流速。先得到阻力速度，再求出平衡流速。h hEQEQ平衡平衡时时流流动动断面高度断面高度H H0 0t=0t=0时时流流动动断面高度断面高度55.3.3.砂堤的堆起速度砂堤的堆起速度当当缝缝中流速达到平衡流速中流速达到平衡流速时时，砂堤停止增高，砂堤停止增高，处处于平衡状于平衡状态态4.4.平衡平衡时间时间假假设设砂堤达到平衡高度的砂堤达到平衡高度的9595，认为认为已达到平衡高度已达到平衡高度56.四、支撑四、支撑剂剂的的选择选择支撑支撑剂剂的的选择选择主要是指主要是指选择选择其其类类型和粒径。型和粒径。选择选择的目的是的目的是为为了达到一定的了达到一定的裂裂缝导缝导流能力。流能力。影响支撑影响支撑剂选择剂选择的因素：的因素：1 1）支撑）支撑剂剂的的强强度度2 2）粒径及其分布）粒径及其分布3 3）支撑）支撑剂类剂类型与型与铺铺砂砂浓浓度度4 4）其它因素：支撑）其它因素：支撑剂剂的的质质量、密度以及量、密度以及颗颗粒园球度等粒园球度等57.石英砂与陶粒的石英砂与陶粒的导导流能力流能力对对比比图图 在在低低闭闭合合压压力下，力下，陶粒和石英砂支撑裂陶粒和石英砂支撑裂缝缝的的导导流能力相近；流能力相近；在在高高闭闭合合压压力下，力下，陶粒要比石英砂所支陶粒要比石英砂所支撑裂撑裂缝缝的的导导流能力大流能力大一个数量一个数量级级；铺铺砂砂浓浓度度愈大，愈大，导导流能力也愈大。流能力也愈大。这这也也是提高施工砂比的依是提高施工砂比的依据之一。据之一。58.第四第四节节 压压裂裂设计设计 Design of fracturing treatment压压裂裂设计设计的任的任务务：优选优选出出经济经济可行的增可行的增产产方案方案压压裂裂设计设计的原的原则则：最大限度最大限度发挥发挥油油层层潜能和裂潜能和裂缝缝的作用的作用使使压压裂后油气井和注入井达到最佳状裂后油气井和注入井达到最佳状态态压压裂井的有效期和裂井的有效期和稳产稳产期期长长压压裂裂设计设计的方法：的方法：根据油根据油层层特性和特性和设备设备能力，以能力，以获获取最大取最大产产量或量或经济经济效益效益为为目目标标，在，在优选优选裂裂缝缝几何参数基几何参数基础础上，上，设计设计合适的加砂方合适的加砂方案。案。59.压压裂裂设计设计方案的内容：方案的内容：裂裂缝缝几何参数几何参数优选优选及及设计设计；压压裂液裂液类类型、配方型、配方选择选择及注液程序；及注液程序；支撑支撑剂剂选择选择及加砂方案及加砂方案设计设计；压压裂效果裂效果预测预测和和经济经济分析等。分析等。区区块块整体整体压压裂裂设计还应设计还应包括包括采收率采收率和和开采开采动态动态分析分析等。等。60.一、影响一、影响压压裂井增裂井增产产幅度的因素幅度的因素裂裂缝缝几何参数：几何参数：填砂裂填砂裂缝缝的的长长、宽宽、高和、高和导导流能力流能力油油层层特性：特性：指指压压裂裂层层的渗透率、孔隙度、