1、油田增产措施酸化压裂基础知识培训,北方技术服务中心 程艳 2010-730,2,油气井产量低的主要原因,近井地带受伤害，导致渗透率严重下降油气层渗透性差地层压力低，油气层剩余能量不足地层原油粘度高,3,油气井增产途径,提高或恢复地层渗透率保持压力增加地层能量降低井底回压降低原油粘度,常用增产方法,水力压裂 Hydraulic Fracturing 酸化 Acidizing,酸化 Acidizing,常规酸化 Matrix Acidizing （基质酸化 、解堵酸化） 压裂酸化 Acid Fracturing （简称酸压 ） 前置液酸压 普通酸压或一般酸压 酸洗 Acid Wash,水力压裂 H
2、ydraulic Fracturing,常规水力压裂 Conventional Hydraulic Fracturing 巨型水力压裂 MHF-Massive Hydraulic Fracturing,各类储层中增产方法的使用,砂岩储层 Sandstone Formation 水力压裂、基质酸化 碳酸盐岩储层 水力压裂、基质酸化、酸压 特低渗储层 MHF 特低渗坚硬储层 高能气体压裂,水力压裂概念,水力压裂就是利用地面压裂车组将一定粘度的液体以足够高的压力和足够大的排量沿井筒注入井中。由于注入速度远远大于油气层的吸收速度，所以多余的液体在井底憋起高压，当压力超过岩石抗张强度后，油气层就会开始破
3、裂形成裂缝。当裂缝延伸一段时间后，继续注入携带有支撑剂的混砂液扩展延伸裂缝，并使之充填支撑剂。施工完成后,由于支撑剂的支撑作用，裂缝不致闭合或至少不完全闭合，因此即可在油气层中形成一条具有足够长度、宽度和高度的填砂裂缝。此裂缝具有很高的渗滤能力，并且扩大了油气水的渗滤面积，故油气可畅流入井，注入水可沿裂缝顺利进入地层，从而达到增产增注的目的。,(一 )压裂液组成,前置液 携砂液 顶替液,前置液,作用 造缝 降温 减少 携砂液滤失 防砂卡 要求 一定粘度 足够用量,携砂液,作用 将支撑剂代入裂缝 继续扩张裂缝 冷却地层 要求 粘度高 携砂能力强,顶替液,作用 中间顶替液 尾注顶替液 要求 用量适
4、当，避免过量顶替,（二） 压裂液性能要求,滤失低 携砂能力强 摩阻低、比重大 稳定性好 配伍性好 残渣少 易于返排 货源广、价格便宜、便于配制,造长、宽缝 用量小、压裂液效率高、成本低 防砂卡 污染小,深穿透、饱填砂 防止井筒沉积 防砂卡,热稳定性 抗剪切稳定性,与岩石矿物配伍 与储层流体配伍,(三) 压裂液类型,水基压裂液 油基压裂液 乳化压裂液 泡沫压裂液 液化汽压裂液 酸基压裂液,水基压裂液种类A,田箐胶水基压裂液 成胶剂：田箐 交链剂：硼砂、硼酸、重金属盐类 破胶剂：淀粉酶、氧化剂 特点A、丰富、配制方便B、摩阻低C、悬砂性能较好，砂比可达2025D、滤失低E、不溶物较多，水溶液易变质
5、,水基压裂液种类B,羧甲基田箐胶水基压裂液 成胶剂：羧甲基田箐 特点与前相比，不溶物较少，残渣含量由2030下降到510 羟丙基羧甲基速溶田箐胶水基压裂液 工艺复杂，成本高，货源缺,水基压裂液种类C,羧甲基纤维素（CMC）水基冻胶压裂液 流变性 热稳定性 残渣 2.59.7% 滤失量 6.5毫升/30分 破胶 摩阻,水基压裂液种类D,聚丙烯酰胺(PAM)与甲叉基聚丙烯酰胺(PAMM)水基压裂液 已成系列， 适应40150C 抗剪切性能强 低温时残渣低 90C以上不易破胶 不易溶解， 配制较难,水基压裂液种类E,羟丙基胍胶压裂液 热稳定性好 抗剪切性能强 残渣少,油基压裂液,适应: 水敏性地层
6、有些气层 发展: 矿场原油 稠化油 冻胶油,油基压裂液之 稠化油,基液: 原油 汽油 柴油 煤油 凝析油,稠化剂:脂肪酸皂 脂肪酸铝皂 磷酸脂铝盐等 特点: 遇地层水后会自动破乳。,油基压裂液之冻胶油,特点: 粘度高 摩阻低 滤失性类似于冻胶水 耐温性好 抗剪切能力强， 破胶水化彻底 施工简单,乳化压裂液,两份油 + 一份稠化水(聚合物)油相80%， 不稳定或粘度太高,外相为水冻胶 摩阻低 粘度高 热稳定性好 悬砂能力特别强 滤失低，压裂液效率高 伤害小 在某些地返排困难 在大多数情况下，易返排,泡沫压裂液,适用: K1MD， 粘土含量高的砂岩气藏 低压、低渗浅油气层压裂液相 + 气相 + 添
7、加剂泡沫液 液相: 清水、盐水、冻胶水、原油或成品油、酸液 气相 氮气、二氧化碳、空气、天然气等,泡沫质量： 泡沫质量泡沫中气体体积/泡沫总体积 特点: 在压裂时的井底压力和温度下，泡沫质量 一般为 随着泡沫质量的增加，泡沫压裂液的粘度增加、摩阻增大、滤失减少、压裂液效率增 滤失少（气体本身就是降滤剂） 排液较彻底，对地层伤害小 悬砂能力特别强，砂比可高达,液化汽压裂液,适用: 某些对水、残渣特别敏感的气层 特点: 悬砂能力较差 滤失大 费用高 配制困难,酸基压裂液,适用: 碳酸盐储层 种类: 常规酸 稠化酸 冻胶酸 乳化酸,(四 ) 压裂液添加剂,破胶剂 降滤剂 防膨剂 杀菌剂 表面活性剂
8、值调节剂 稳定剂,破胶剂,破胶机理: 与冻胶接触使其发生化学水解及氧化作用，造成聚合物断链降解而破胶。 常用破胶剂: 二硫酸铵 黑曲酶 破胶剂用量 依据冻胶的浓度、压裂液的用量、井底温度和裂缝中的温度以及破胶速度或时间而定。,降滤剂A,降滤剂有: 固体型 液体型 常用的降滤剂: 硅粉 硅粉和聚合物的混和物 天然聚合物 油溶性树脂,降滤剂B,泡沫 乳化液 烃类 的柴油等 降滤剂选择: 考虑颗粒大小与孔隙大小分布的适应性、对地层渗透率的伤害程度，在低浓度下是否有效以及成本等因素。,防膨剂,目的: 控制油气层中的粘土膨胀 粘土膨胀要降低流动通道 粘土种类: 蒙脱石 伊利石 高岭石 绿泥石,防膨剂种类
9、A,酸类防膨剂作用: 调节基液的值 将粘土的值控制在 盐类防膨剂: 氯化钾、氯化钠、氯化钙和氯化铵 稳定粘土，将浓度控制在13以内，可避免絮凝效应,防膨剂种类B,甲醇: 吸收粘土颗粒上的水份，防止粘土遇水膨胀，降低压裂液表面张力，从而减少基液在地层中的滞留量。此外，甲醇还可以起到助排剂的作用 油、泡沫和乳化液: 作为降滤剂，防止水向地层的渗透，并且作为水的代替液而减少水量来达到防膨目的,杀菌剂,目的: 防止细菌对冻胶的降解和变质 延缓钢材的腐蚀 防止细菌生成沉淀 细菌来源: 不干净罐 基液 地层,常用杀菌剂,氢氧化钠 次氯酸钠 阳离子表面活性剂 甲醛 硫酸铜,表面活性剂,加表面活性剂原因： 水
10、要降低地层对油的有效渗透率导致部分或完全水堵 原油与水要形成比原油粘度高得多的乳化液（有时高达几千倍），这些形成堵塞的水和油水乳化液大部分就存在于井筒附近，对压裂效果影响很大,表面活性剂作用,减少压裂液滞留量 提高返排速度和返排量 降低在形成油水乳化液的可能性 当使用乳化压裂液时，加入表面活性剂还能起到稳定乳化液的作用,表面活性剂作用机理,表面活性剂由亲油基团和亲水基团构成。表面活性剂通过在液气界面和在两种不混溶液体间界面上的吸附作用，可以降低界面张力；通过在液固界面上的吸附作用，可以减少湿润边界角。,表面活性剂种类,阴离子型活性剂 阳离子型活性剂 非离子型活性剂 两性活性剂,值调节剂,防止地
11、层伤害，含有泥质的地层在值为的范围内时伤害最轻 控制增粘速度，成胶剂的增粘速度直接取决于液体值的大小 值还可以控制细菌繁殖,稳定剂,作用：在高温下稳定冻胶，防止提前破胶 种类： 醇类，尤以甲醇用的最多 硫代硫酸钠（还原剂） 铁离子稳定剂主要是防止铁盐沉淀,二、压裂液的滤失性,压裂液滤失机理 1.滤饼与初滤失 滤饼: 压裂液的造壁性和降滤剂共同作用的结果 初滤失: 形成滤饼前的滤失,Pw,Pv,Pc,Ps,2.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性控制过程,压裂液滤失系数,造壁性影响的滤失系数 压裂液粘度影响的滤失
12、系数 地层流体的粘度和压缩性影响的滤失系数,压裂液粘度影响的滤失系数Cv,假设: 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，即侵入段地层流体被顶替； 压裂液和地层岩石均不可压缩； 压差v为常数。,滤失系数Cv,由达西定律:,实际滤失速度:,积分上式:,代入：,最终得到:,m2,MPa,mPa.S,四、压裂液对储层的伤害及保护,按压裂液作用位置分： 地层基质伤害 支撑裂缝伤害 按流体性质分： 液体伤害 固体伤害 压裂液滤饼和浓缩胶,压裂液对储层的伤害,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 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 压
13、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 压裂液滤饼和浓缩对地层的伤害,压裂液在地层中滞留产生液堵,在压裂施工中，压裂液沿缝壁渗滤入地层，改变了地层中原始含油饱和度，使水的饱度度增加，并产生两相流动，流动阻力加大。毛管力的作用致使压裂后返排困难和流体流动阻力增加。如果地层压力不能克服升高的毛细管力，水被束缚在地层中，则出现严重和持久的水锁。,压裂液滞留的地层保护,降低压裂流体的表面张力 注入或帮助排液 改善压裂液破胶性能 减少压裂液在地层中流动的粘滞阻力，加快压裂液在地层中破胶 强制排液，减少压裂液在地层的滞留时间,地层粘土矿物水化膨胀和分散运移产生的伤害,粘土矿物与水为基
14、液的压裂液接触，立即产生膨胀，使流动孔隙减小。松散粘附于孔道壁面的粘土颗粒与压裂液接触时分散、剥落，随压裂液滤入地层或沿裂缝运动，在孔喉处被卡住，形成桥堵，降低渗透率，从而引起伤害。,粘土矿物膨胀和运移的地层保护,在压裂液中添加粘土稳定剂 利用高分子材料的长链对粘土颗粒表面的“包被”作用，阻止水分子进入 采用油基压裂液,压裂液与原油乳化造成的地层伤害,用水基压裂液压裂时，压裂液与地层原油由于油水两相互不相溶，原油中有天然乳化剂如胶质、沥青和蜡等，压裂时压裂液的流动具有搅拌作用，因而当油水在地层孔隙中流动时就形成了油水乳化液。原油中的天然乳化剂附着在水滴上形成保护膜，使乳化液具有较高的稳定性。,
15、原油乳化的地层保护,慎用表面活性剂 使用优质压裂液，彻底破胶，减少压裂液残渣，降低破胶液粘度以及防止地层“微粒”生成，消除油水界面稳定因素 在压裂液中使用优质破乳剂，消除压裂液进入地层后潜在的乳化堵塞,润湿性发生反转造成的伤害,润湿性是指岩石表面具有被一层液膜选择性覆盖的能力。对于砂岩油藏，岩石表面一般为亲水性，即优先被水润湿。如果由于表面活性剂使用不当，使润湿性发生反转，即将亲水性转为亲油性，则油相渗透率将大大降低。正常是水湿的地层变成油湿后，一般会降低油相渗透率。,压裂液残渣对地层造成的损害,残渣对压裂效果的影响存在双重性，一是残渣在岩石表面形成滤饼，可降低压裂液的滤失，并且阻止大颗粒继续
16、流入地层内。 压裂结束后，这些残渣返流堵塞填砂裂缝，降低裂缝导流能力 ；另一方面较小颗粒残渣，穿过滤饼随压裂液一道进入地层深部，堵塞孔隙喉道增强乳化液的界面膜厚度，难于破乳，降低地层和裂缝渗透率。,压裂液残渣的地层保护,加强现场质量控制 选用低水不溶物成胶剂和易降解破胶的交链剂 优选破胶体系，实现压裂液彻底破胶、水化,压裂液对地层的冷却效应造成地层伤害,冷的压裂液进入地层，会使地层温度降低，从而使原油中的蜡及沥青等析出，造成地层伤害。此种伤害取决于地层原油的性质、地层原始温度、地层降温幅度及地层渗透率等因素。原油含蜡量高，降温幅度大，地层渗透率低和地层原始温度低的油层，“冷却效应”引起的地层伤
17、害就大,压裂液滤饼和浓缩对地层的伤害,在生产过程中滤饼阻碍地层流体向裂缝的流动，并且由于裂缝闭合，支撑剂嵌入，滤饼占据了部分以至整个支撑剂颗粒之间的孔隙，导致裂缝导流能力大大降低。压裂施工和裂缝闭合过程的压裂液滤失要导致交联聚合物在裂缝中的浓度升高即浓缩。对高度浓缩的压裂液，常规破胶剂用量不可能实现破胶降解，将会形成大量残胶，严重影响裂缝导流能力。,压裂液滤饼和浓缩的地层保护,提高破胶剂用量 胶囊破胶剂的研制与开发 压裂施工结束后以小排量挤入滤饼溶解剂,支撑剂及裂缝导流能力,支撑剂性质及种类 裂缝导流能力及其影响因素 支撑剂的选择 支撑剂颗粒的沉降,支撑剂性质及种类,基本概念 支撑剂特性要求
18、支撑剂种类,基本概念,闭合压力 支撑剂颗粒大小 支撑剂颗粒形状 支撑剂砂堆孔隙度 支撑剂强度和硬度,闭合压力 定义:停泵后作用在裂缝壁面上欲使之闭合的力为闭合压力。 计算: （） （）,支撑剂颗粒大小支撑剂颗粒大小一般用筛析法确定，并且大多使用美国材料试验协会即标准。 筛析法的筛孔表示方法通常有两种： 一种是以每英寸长的孔数来表示，称之为目或号； 另一种则是用毫米直接表示筛孔孔眼的大小。,支撑剂颗粒形状支撑剂的颗粒形状一般用圆度和球度描述。圆度是指颗粒表面光滑的程度，用表示；球度则是指颗粒接近球体的程度，用表示。、越大，颗粒和圆球度越好。,支撑剂砂堆孔隙度支撑剂砂堆孔隙度为砂堆中的孔隙体积孔与
19、砂堆总体积总之比，即 = 孔/总.支撑剂砂堆密度 砂堆质量/砂堆总体积（）,支撑剂强度和硬度支撑剂强度支撑剂抵抗闭合压力和上覆岩石重力的作用而不致发生破碎的能力为支撑剂的强度；支撑剂硬度抵抗闭合压力和上覆岩石重力的作用而不致被压实的能力为支撑剂的硬度。,支撑剂特性要求,强度高、硬度适中 粒径均匀圆球度好 化学温度稳定性好 质量高，杂质含量少 密度适中 货源广、价格低,支撑剂种类,现有的支撑剂按其力学性质例如强度和硬度可分为两大类：一类是脆性支撑剂，如石英砂、玻璃珠等，其特点是硬度大，变形很小；另一类是韧性支撑剂，如核桃壳、铝球等，其特点是变形大，在高压下不易破碎。,支撑剂种类,石英砂（砂子）
20、核桃壳 铝球 玻璃珠 陶粒 塑料包层支撑剂,石英砂（砂子）,石英砂货源广、价格便宜 部分压裂井使用石英砂做支撑剂基本满足要求，具有一定的成功率； 对于圆度较好的石英砂，在高闭合压力下仍能提供一定的或较高的渗透能力。 石英砂的最大弱点是强底低 砂子在筛选不好或清洗不好，含粉砂杂质时，导流能力都要明显降低,核桃壳,与砂子相比，它具有一定的韧性，在压力的作用下，承压面积可以稍许增加，因此不致象砂子一样在闭合压力和上覆岩石重力的作用下产生显著破碎，特别是用于松软地层效果较好。 但其货源受到很大限制,铝球,铝球与核桃壳具有相同的优点 但这种金属支撑剂在高温盐水（地层水）中极易腐蚀 密度大，不利输送， 价
21、格昂贵,玻璃珠,具有较高强度 致命的弱点：玻璃珠在表面上一旦有外伤或划痕及擦痕时，其强度会大大降低 在高温地层水中，玻璃珠的强度也要大大降低。 有时用作“尾砂”以提高井底附近的导流能力。 在控制缝高压裂工艺技术中，常用空心玻璃微珠作为上浮剂在裂缝上部形成人工遮挡层。,陶 粒,主要化学成分有、以及等 陶粒的强度很高 在承受高闭合压力和上覆岩石重力的作用时，陶粒的细粒结构可使颗粒变形而不致破碎，甚至在高温盐水的浸泡下也可以抵抗压碎破坏。,塑料包层支撑剂,在砂粒（有时也可用其它支撑剂）上用热固性塑料外包一层塑料膜，进入裂缝后，塑料膜先软化成玻璃状，然后在地层温度下硬化。这种支撑剂在高压下虽然破碎，但
22、碎屑少，能防止微粒运移，仍能提供一定的导流能力，并且密度低，利于输送，返排时不致吐砂。,国内现在普遍使用的支撑剂是石英砂和陶粒 石英砂的产地较多，应用最多的是兰州砂、福州砂、江西砂、岳阳砂、新疆砂、荣城砂等。 陶粒以唐山陶粒和成都陶粒使用的最为普遍。 石英砂主要用于米以内的浅井和中深井， 陶粒用于米以上的深井，或作为尾砂以提高缝口处的导流能力。,裂缝导流能力及其影响因素,裂缝导流能力定义：裂缝导流能力是指裂缝传导（输送）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率与支撑后的裂缝宽度之积。即填砂裂缝导流能力 （）或,裂缝导流能力的影响因素,地层的闭合压力 地层岩石硬度 支撑剂性质 支撑
23、剂在裂缝中分布 其它,地层的闭合压力,如果地层闭合压力大，则裂缝中的支撑剂容易破碎和压实， 破碎产生的粉粒将部分或全部堵塞裂缝的流动通道， 压实将降低填砂裂缝的渗透率和宽度。 对于脆性支撑剂，主要是破碎问题;对于韧性支撑剂，主要是压实问题。,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。,支撑剂性质,影响导流能力的支撑剂性质包括支撑剂的强度、硬度、圆球度、粒径以及支撑剂的质量等等 支撑剂强度越高，在闭合压力和上覆岩石重力的作用下抵抗破碎的能力越强
24、，因而提供的导流能力越高 支撑剂硬度越大，越容易嵌入地层而降低支撑裂缝宽度,在高闭合压力下，圆球度越好，导流能力愈高。 支撑剂粒径的影响也有待于进一步研究，在一定条件下粒径大的砂子提供的导流能力仍比粒径小的为高 支撑剂质量在闭合压力较高时对导流能力的影响尤为显著，杂质含量增加几倍，裂缝导流能力要降低几十倍甚至更大。,支撑剂在裂缝中分布,支撑剂在裂缝中的分布主要指排列层数和填砂浓度。 支撑剂排列层数越多，颗粒的受力面积越大，有利于降低破碎率，并且层数越多，一方面因为“饱填砂”，一方面因为减少了颗粒的嵌入而增加了支撑缝宽，所以多层排列的填砂方式能获得较高的裂缝导流能力。,其它因素,地层环境条件如地
25、层盐水的存在以及盐水的成分和含量 流动条件如缝中流动是达西渗流还是非达西渗流 压裂液残渣的伤害等等,支撑剂的选择,支撑剂强度 地岩岩石硬度 支撑剂颗粒大小 支撑剂密度 支撑剂浓度（排列方式）,支撑剂强度,在闭合压力较高时，应考虑使用高强度支撑剂如陶粒等等。 在闭合压力较低时，低强度支撑剂仍能起到支撑裂缝的作用，只要砂子不破碎，它在浅井浅层应用的特别广泛 当闭合压力达到时，原则上不再使用石英砂，应使用象陶粒等更高强度的支撑剂，陶粒在闭合压力为时也很少破碎。,地岩岩石硬度,如果地层岩石硬度较低，则该地层可以认为是软地层，支撑剂颗粒倾向嵌入岩石，减小裂缝宽度，甚至导致裂缝闭合。 很硬的地层，支撑剂不
26、易嵌入，但硬地层常常具有高的闭合压力，因而需要使用高强度支撑剂。,支撑剂颗粒大小A,软地层要求使用大颗粒的支撑剂以阻止颗粒的嵌入，较高渗透率的地层亦应使用大颗粒的支撑剂以提供适当的导流能力。 在硬地层，由于颗粒难以嵌入，并且硬地层常常具有较低的渗透率，不需要裂缝具有很高的导流能力，因此可使用小颗粒的支撑剂。,支撑剂颗粒大小B,对于泥质含量较高或其中细粉粒要发生运移的地层。不宜使用大颗粒支撑剂，因为这些泥质和细粒很容易堵塞孔隙空间，在这种情况下，较小颗粒的支撑剂更适宜。 支撑剂颗粒大小和支撑剂质量有关系。小颗粒含量过高就如同含有杂质一样，对裂缝导流能力的降低有同样的影响。,支撑剂密度,支撑剂密度
27、在一定的井况条件下是影响选择应用支撑剂的一个重要因素，高密度的支撑剂颗粒在裂缝中难以悬浮和携带，低密度的支撑剂颗粒难以铺置在希望的位置上。,支撑剂浓度（排列方式）,单层或部分单层支撑的裂缝在理论上具有最大的导流能力。但是由于在软地层容易发生嵌入现象，在硬地层容易发生破碎现象，这种单层或部分单层排列是不实际的。现在大多数压裂设计都采用支撑剂颗粒多层排列的填砂方式。,支撑剂颗粒的沉降,球形颗粒的自由沉降速度 砂粒沉降的影响因素 砂粒在幂律液体中的沉降,球形颗粒的自由沉降速度,颗粒的沉降有自由沉降与干扰沉降两种形式自由沉降是指单个颗粒在无限流体介质空间内的沉降。干扰沉降是粒群在有限流体空间内的沉降,
28、固体颗粒在流体中沉降时也有三种沉降状态：滞流、过渡流和湍流。 若圆球颗粒直径不大并以极慢的速度（如颗粒与流体的密度差较小时）在流体中沉降时，流体成为一层又一层地绕过颗粒，颗粒受到的阻力主要是粘附在颗粒表面上的流体膜与流体间因粘性所产生的摩擦力，这种沉降状态称滞流状态。,当固体的沉降速度较大时，圆球颗粒的背部出现尾迹，尾迹的生成是由于与圆球接触的边界层因相对速度较大而从球面脱开，滞流状态遭到破坏。流体质点在圆球颗粒后方形成旋涡，旋涡的产生使颗粒前后流体的压强不同，增大颗粒沉降的阻力（旋涡阻力）。当沉降速度大到某一程度时，球体后面和周围形成大量旋涡，沉降形态成为湍流，,颗粒的沉降规律，从滞流到湍流
29、状态（层流到紊流），不是突然完成的，而是有一个逐渐过渡的过程。在逐渐过渡这一阶段中，粘性阻力和旋涡阻力（湍流阻力）同时都起一定的作用，只是随着过渡阶段的逐渐深化，粘性阻力的作用愈来愈弱，而旋涡阻力的作用则愈来愈强，最后达到湍流状态时，粘性阻力已不起作用，而完全取决于旋涡阻力了。我们把这一阶段称为过渡阶段。,固体颗粒在流体中沉降时，受到三个力的作用：,）固体颗粒的重力,）流体对固体颗粒的浮力,）固体颗粒在流体中运动时所产生的阻力,砂粒沉降的影响因素,支撑剂浓度的影响 壁面的影响 颗粒形状的影响,颗粒形状的影响支撑剂颗粒都是不规则的颗粒，而不是规则的球体（有些接近于球形） （）颗粒的形状是不规则的
30、，比同体积的球体表面积大； （）颗粒的表面是粗糙的； （）颗粒的形状是不对称的不规则颗粒的这些特点都会引起颗粒运动时阻力的增大，因此不规则颗粒的沉降速度小于球形颗粒的沉降速度,第四节 压裂设计,裂缝几何尺寸的确定 增产倍比预测 砂子在裂缝中的运移分布 设计步骤 压裂设计,一、裂缝几何尺寸的确定,(一)几何模型及计算方法简介 1. 二维模型 2. 三维模型 3. 计算方法,1. 二维模型,卡特模型Carter， 1957年 GDK 模型Christianovich、Geertsma、Deklerk PKN 模型Perkins和Kern 提出, Norgren完善,2. 三维模型,拟三维模型三维扩
31、展，一维流体流动 真三维模型三维扩展，二维流体流动,典型的拟三维模型,1982年, Van Eekelen 模型 1978年1982年，Advani模型 1980年，Cleary, Settari模型 1982年1985年, Palmer模型,拟三维模型特点,由于拟三维模型中缝高是时间和位置的函数，因此较二维模型更准确反映了实际情况，计算结果精度更高。 几乎所有拟三维模型都忽略了岩石岩性的非均质性，且认为岩石为理想弹性体，流体在缝中呈稳定流动，因此与实际情况仍有一定距离。,拟三维模型特点,由于各模型的假设条件、推导方式不同，加上均不尽完善，因此计算结果一致性较差。,典型的真三维模型,Abe34
32、,35 的“便士形”模型 Mastrojannis的模型 Clifton、Abou-sayed模型 Cleary模型,真三维模型特点,真三维模型由于十分复杂，计算量大，费用昂贵； 需要很详细的关于地层机械特性及压裂液特性的资料，且结果又需专家解释； 真三维模型真实地反映了实际情况，所以可用它来检验拟三维模型的精度，进行理论研究。,3. 计算方法,解析方法仅用于二维模型 数值计算方法用于二维、三维模型,（二）裂缝延伸二维数学模型,卡特模型 GDK 模型 PKN 模型 非牛顿液裂缝几何尺寸的计算 实用公式,二、增产倍比预测,图版法 公式法 产能预测,增产倍比预测之 图版法,在闭合压力不太高的低渗地
33、层，一般容易获得较高的相对导流能力，其值常大于0.4。因此压开较长的裂缝能够大大提高增产倍数，这就是当前对于低渗透油气层主要采用大型压裂造长缝的依据。 对于闭合压力较大的高渗层，不易获得较高的相对导流能力，其值常小于104。这时要取得好的压裂效果，主要是靠提高裂缝的导流能力。 对于实际油气田，属于这两种情况的都有。因此，在水力压裂设计中，应解决它们的主要矛盾。根据油气层的特性具体分析，全局考虑，以最优为准则，对特低渗地层的压裂，应当增大施工规模，造缝要长；对于高闭合压力的中高渗透地层，应着眼于提高裂缝导流能力，在这种情况下片面追求施工规模和缝长，既不经济又得不到好的压裂效果,产能预测简介,前述
34、方法很少考虑实际油藏的诸多因素的影响，只能简单计算压后的增产倍比，无法预测压裂井在一段时间里生产动态的变化. 用数值模拟方法研究压裂井产能动态，可以考虑地层、流体等诸多因素的影响，将压裂井与油藏结合起来，较好油藏压裂井的增产效果。,五、压裂设计,单井压裂设计方案，对一口井的压裂施工来说是一个指导性的文件。它能在油气层与设备的条件下优化出经济而有效的压裂增产方案。一个好的压裂设计能更好地发挥压裂技术的潜在作用，最大可能地提高压裂效果，为改进压裂工艺提供途径和方向 。,五、压裂设计,单井压裂设计包括： 选井选层 确定施工参数 方案设计计算 经济技术分析和评价,水力压裂选井选层一,油气井产量低的主要
35、原因 近井地带受伤害，导致渗透率严重下降 油气层渗透性差 地层压力低，油气层剩余能量不足 地层原油粘度高,水力压裂选井选层二,试井确定地层参数 地层渗透率K 静压力Ps 表皮系数S S0 污染 S0 改善 地层系数Kh,水力压裂选井选层三,地层应有较高能量 油层井壁受污染、堵塞严重的油井，应采用小规模压裂解堵或酸化解堵 油层渗透率低，深穿透、饱填砂的大规模压裂 油层含油性好，含油饱和度要高，一般要求在以上,水力压裂选井选层四,一般认为孔隙度为时，才值得进行压裂。如果油层厚度较大，最低孔隙度极限为 地层渗透率越低，越要优先压裂，使低渗地区的井获得商业性的开采 含水饱和度1.510-4m2.m,水
36、力压裂选井选层五,如果怀疑有水层，完井时应当在水层上方至少米处射孔，特别是产层与水层间不存在坚密的页岩遮挡层时更应如此 经验表明，对于规模较大的压裂来说，如果页岩遮挡层的厚度不超过米，无论其坚密程度如何，它还是常常不能起到控制裂缝窜层的作用,不宜压裂的井一,油层压力衰竭不宜压裂 在压裂层与水层或气层间的夹层很薄时 附近有与水或气的接触面（如底水驱油藏或存在底水的油藏），而且位于裂缝可能通过的方向时 高含水井或高油气比井，除非出水或出气层可以堵住时,不宜压裂的井二,井下技术状况差，例如固井质量不好、或可能窜槽、套管变形或有严重损伤、井下有落物经过复杂措施处理过、或经过大修中的磨铣的井层均不宜压裂
37、。 注水效果明显，裂缝比较发育的井层，为了避免油井水淹，是否压裂需慎重。 高渗透地下亏空的井不宜压裂。稠油井不宜压裂，井底附近严重堵塞的除外,施工参数的确定,施工排量 施工泵压及水功率 压裂车台数的确定 压裂液和支撑剂用量,施工排量的确定,为了在井底有足够的流体憋起高压，选择施工排量要考虑的因素是： 地层的吸液速度。 施工排量必须大于地层吸液速度，即最小极限排量。,施工排量的确定,不同排量下所需的压裂液用量。 实践表明，当滤失系数一定时欲压开一定大小的裂缝，采用较高的施工排量可减少所需的压裂液用量；并且施工排量大时，可提高压裂液效率，亦有助于减少压裂液用量。 摩阻压力。 排量越大，产生的射孔孔
38、眼摩阻和井筒摩阻越高，因此所需的井底施工压力愈大，对设备的要求就越高。,施工排量的确定,裂缝高度。 施工排量太大，极有可能导致裂缝窜层。特别是对于产层与水层之间的遮挡层不足够坚密，其厚度不是足够大时，窜层是很危险的。施工排量太小时，又不能充分压开产层的有效厚度，特别是对于多产层的情况，施工排量高无疑是有利的。施工排量高还有利于输送支撑剂。,施工排量的确定,此外，要注意对设备能力的要求： 施工排量受管材和井口装置所能承受的压力的限制 施工排量受压裂设备处理支撑剂的能力的限制，施工排量大，易导致砂子传送带或混砂装置超过负荷 施工排量大，压裂车不易达到要求，即使满足要求，也需更多台压裂车,施工排量的
39、确定,最小极限排量选择施工排量时，必须首先考虑的是所选排量应大于地层吸液速度，否则无法憋起高压。地层吸液速度即施工最小极限排量为,施工排量的确定,最大极限排量压裂时的最大极限排量由井口和油套管的允许承受压力而定。压裂施工时，注液方式一般分为油管注液、套管注液、环空注液以及环空与油管同时注液（简称油套合注）几种方式。虽然注液方式不同，但确定最大极限排量的方法类似。,施工排量的确定,合压最大极限排量计算基本步骤 根据井底破裂压力、液柱压力、套管或采油树的允许承受压力确定套管极限摩阻压力。 用试算法确定最大极限排量。先假定油管及套管环空的排量，然后分别计算套管及油管摩阻，这两者必须等于或接近前一步计
40、算的套管极限摩阻压力或采油树允许承受的压力。,施工排量的确定,如果计算的油、套摩阻压力低于套管极限摩阻压力或采油树允许承受的压力时，应提高排量假定值进行二次计算；如果计算的油、套摩阻压力大于套管极限摩阻压力或采油树允许承受的压力时，降低排量假定值进行二次计算，直至油、套摩阻压力基本相等并且接近或等于套管极限摩阻压力时为止。这时两者的排量之和就是合压时的最大极限排量。,施工泵压及水功率的确定,井口施工泵压 设井底破裂压力为，井口施工泵压为，管柱摩阻为，孔眼摩阻为，井筒液柱压力为。根据压开裂缝的条件，必须,施工泵压及水功率的确定,施工水功率式中: 井口施工水功率,；施工泵压，；施工排量，,压裂车台
41、数的确定,按功率计算设压裂车的功率为，机械效率为，则所需压裂车台数为压裂车数,压裂车台数的确定,按排量计算设压裂车单车排量为，则所需压裂车台数为 压裂车数/（）,压裂液和支撑剂用量的确定,压裂液的选择基于一系列评价试验和工艺要求。 支撑剂类型、粒径和用量及压裂液用量的确定基于优化设计计算。,设计计算,确定储层及井基本参数 由Jf/J0确定(WK)f，Lf 预定排量、用液量、加砂量 动态裂缝几何尺寸计算 支撑剂沉降及运移计算 计算支撑缝长、导流能力、增产倍比 偏差计算,经济技术分析和评价,施工投资大，风险大 评价目的：确定经济上合理，技术上可行的方案,压裂工艺,多层压裂技术 暂堵剂分层压裂工艺
42、孔眼堵塞球法压裂工艺 限流法分层压裂技术 填砂法压裂技术 氮气压裂技术 控缝高压裂技术 端部脱砂压裂技术,多层压裂技术A,大多数油气田都具有多产层。在多层的情况下，压裂成功率低的原因之一就是压裂液不能按需要进入目的层段，从而导致该压开的压不开，不应压开的反而压开了。因此，对于多层的情况应进行分层压裂。,多层压裂技术B,在工艺上，分层的方法很多，包括: 使用封隔器的机械分层 暂堵剂分层 堵塞球分层 限流分层 填砂分层,暂堵剂分层压裂工艺,应用封隔器机械分层的压裂技术在大多数情况下是行之有效的方法，但是对于下列两种情况，此方法难以实施。 裸眼段井径过大，不能用封隔器隔开压裂层段； 管鞋附近或射孔段
43、之间固井质量差，无法封隔压裂层段。,暂堵剂分层压裂工艺,暂堵剂选择性压裂的原理一： 根据油层间或油层内不同部位吸水能力的差别，当向井内挤入液体时，液体就进入吸能力好的层，掺混在液体中的暂堵剂就随之被带到吸收层，暂堵剂有一定的粒度，进不到油层孔隙中，从而将吸收能力好的层或部位的射孔孔眼整个堵住，便其不再吸收液体，压裂过程中的高压压裂液进不去，只能压开吸水能力差的层或部位。,暂堵剂分层压裂工艺,暂堵剂选择性压裂的原理二： 当压裂液中添加有堵塞剂后，将在井壁处使已经压开并延伸的裂缝堵死，隔断压裂液进入裂缝，在井底蹩起高压，从而在流体封闭井壁较差的地方或是在地层显著薄弱的其它深度处压开新的裂缝，这样压
44、开的裂缝，暂时先不用临时堵塞剂封堵，而是用不含堵塞物质的压裂液加以延伸，重复这一过程，即能压出多条裂缝。,孔眼堵塞球法压裂工艺,将若干堵球随液体泵入井中，堵球将高渗层的孔眼堵住，待压力蹩起，即可将低渗层压开。这种方法的基本原理是堵球由压裂液带入井内，经压裂管柱，最后到达流体所进入的射孔孔眼。堵塞球接触孔眼后，必将阻止液体流进孔眼，因此，在孔眼内外出现压差，使堵塞球在压差的作用下牢牢地座在孔眼上，切断液体进入地层的通道。只要井筒压力超过周围的地层压力，堵塞球就会堵住孔眼。,孔眼堵塞球法压裂工艺,一次压裂两个或两个以上的射孔段，向井内泵注的压裂液将从渗透率最高的射孔段进入地层。第一层压裂完，将堵塞
45、球投入顶替液送入井内，由于这一射孔段容易吸收液体，堵塞球随注入液体，在压差作用下坐入孔眼，实现密封。由于井内仍然保持压力，在第一层段压裂完毕进行顶替后，紧接着就进行第二个层段的压裂。第一个层段的封堵使井内压力蹩高，从而压开第二射孔段，这一过程，视需要可重复进行，直到压开全部层段,孔眼堵塞球法压裂工艺,为了在多层压裂中实际而有效地封堵孔眼，堵塞球应满足以下条件： 堵球的大小和比重应保证在液体携带下进入并堵住孔眼； 堵球必须十分坚固，以免在现场实际压裂压差下从孔眼中挤出； 压裂时堵塞球能严密封住孔眼，压裂后容易从孔眼中脱落； 堵球的比重应能使堵球脱出孔眼后沉落井底,限流法分层压裂技术,通过控制各层
46、的射孔孔眼数及孔眼直径的办法限制各层的吸水能力以达到压开各层的目的，此即限流法。压开一个以上的射孔段，井底注入压力必须超过每一压裂层段的地层原始破裂压力，为此必须限制孔眼的大小和数目。孔眼摩阻大小直接与压裂液通过孔眼的流量有关，因此提高泵注排量，必将增大孔眼摩阻，每个射孔孔眼好象是一个井下油嘴，提高排量，井底压力随即上升，直到另一层压开。,限流法分层压裂技术,限流法的特点是在完井射孔时，要按照压裂的要求设计射孔方案，包括孔眼位置、孔眼密度及孔径，从而压裂成为完井的一个组成部分。由于压裂施工一开始就形成最高压力、最大排量，因此压裂层段很快相继压开。如果地面排量足够大，压裂过程可以进行到全部射孔层
47、段压开或者直至注入压力达到套管允许的最大压力为止。,限流法分层压裂技术,限流压裂法从施工角度讲比较方便简单，对于处理多层和薄层很有成效，虽然有时水功率费用较高，但由于能在一次施工中压开多层，总的压裂成本仍较低。对于厚层，配合采用堵塞球法更为有效。,填砂法压裂技术,填砂法是先射开最下部生产层段，压裂后用冲洗液将砂子送到井底形成砂柱封堵，重复上述过程，到全部层段选择性压裂结束为止。最后利用在井场的压裂车将砂子从井内反循环带出。,填砂法压裂技术,这种方法一是射开一层压裂一层，再射开一层再压裂一层。另一种不同的方法是一开始便射开全部层段，封隔器坐在最底部油层的上部进行压裂，然后用砂柱封堵，再将封隔器提
48、到上一层的上部，重复这一过程即可压开全部层段，最后通过反循环把砂柱冲出。,氮气压裂技术,在某些特殊地层，例如压力低（以下）、渗透率小（以内）、孔隙度低（以下）、泥质含量高、含有天然裂缝的致密地层，不注支撑剂仅用氮气作为压裂液会得到很好的效果。 氮气压裂前，一般常要借助于酸化手段清洗射孔孔眼，酸处理后，接着以小排量注氮气破裂地层，当施工压力稳定后，再提高排量以延伸扩展裂缝。,氮气压裂技术,与普通压裂相比，氮气压裂具有许多优点： （）没污染。氮气相对来讲具有可压缩性并且难溶解，所以对水敏性地层几乎没有污染。由于在氮气压裂中不需要使用降滤剂，所以也不会降低地层流体向井底的流动能力。此外，由于氮气的流动性好，因此可以有效地连通地层中的天然裂缝系统。,氮气压裂技术,注入液体在地层中的停留时间越长，对地层造成的污染越严重，对于水敏性地层尤其如此。使用氮气压裂，不需要高成本的返排抽汲装置，氮气压裂实际上最大限度地消除了污染问题，一旦施工结束，注入气体即可马上排出。 （）成本低。氮气压裂与普通压裂相比成本要低得多，一次氮气压裂的费用大约是普通压裂的四分之一，有时一口井压裂后，几星期的生产利润即可抵消施工成本。,
