第五章水力压裂技术可编辑修改word版.docx
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第五章水力压裂技术可编辑修改word版
第五章水力压裂技术
§5—1水力压裂力学
地层中形成水力裂缝的过程与液体流动特性及岩石的力学性质有关。
水力造缝的本质是岩石在液体压力作用下的破裂与变形问题，因此造缝特性与岩石的受力及力学性质有关。
一．地应力场
1.地应力场概念：
地应力是由于岩石变形引起的介质内部单位面积上的作用力。
地应力场：
是指地应力大小和方向在地层空间位置的分布。
2.地应力剖面概念
地应力剖面是指研究地应力大小在纵向上的变化。
二．地应力的类型
（1）原地应力：
开发之前地应力原始大小。
（2）扰动应力：
开发引起的地应力改变。
（3）构造应力：
由构造运动在岩体中引起的应力。
（4）残余应力：
除去外力后尚残存在岩石中的应力。
（5）重力应力：
由上覆岩层的质量引起的地应力。
（6）热应力：
由于地层温度发生变化在其内部引起的内应力增量。
（7）分层地应力：
按地层分层给出不同的地应力。
（8）古地应力和现今地应力：
某地质时期或重要地质事件前的地应力称古地应力。
目前存在或正在活动的称现今地应力。
石油工程关心的是现今地应力。
3.地应力测试
1）长源距声波与密度测井方法
该方法通过测井取得剖面上变化的岩石的纵波速度P和横波速度S，然后求出岩
石泊松比的纵向变化，利用下式求出最小水平主应力σh，而取得地应力剖面。
σh=
1-
（-P）+P
4—1
4—2
12-22
=PS
PS
22-2
式中：
σv—上覆层压力，通过密度测井得到。
图4—1水力压裂测试典型压力曲线
P—地层压力；
—孔隙弹性系数，通过实验测的。
2）测试压裂方法（现场常用）
测试压裂：
是将不含砂的压裂液注入地层，造缝后停泵侧压力降落曲线，待曲线上出现拐点后测试结束，出现拐点时相应的压力即裂缝闭合压力，其大小与岩层中垂直于裂缝面的应力值相等，也即就是地层最小主应力。
如图4—1所示。
上图中，产生人工裂缝后停泵，裂缝停止扩展处于临界闭合状态，闭合压力为Ps。
结论：
可以认为，裂缝临界闭合时，裂缝内的流体压力等于裂缝闭合的最小地应力。
由此可以计算出最小地应力。
4.地应力测量数据
根据国家地震局地质研究所收集整理的渤海湾盆地油田水力压裂地应力测量资
料，在测量深度的范围内，对地应力测量数据按深度进行线性回归得到：
辽河油田（497～3473m）
⎧H
⎪
=-2.34+0.0266D
=-0.777+0.0182D
⎨h
⎪=0.021D
⎩V
大港油田（0～4000m）
⎧H
⎪
=0.7+0.023D
=0.5+0.018D
⎨h
⎪=0.021D
⎩V
⎧H
华北油田（1500～3200m）⎪
=-10.5+0.03D
=-5.87+0.021D
⎨h
⎪=0.021D
⎩V
⎧H
胜利油田（1300～3300m）⎪
=-22.58+0.034D
=-11.65+0.022D
⎨h
中原油田（1830～3881）
⎪
⎩V
⎧H
⎪
=（0.0220.026）D
=-27.1+0.036D
=-16.6+0.024D
⎨h
⎪=0.022+0.026D
⎩V
式中：
σH、σh、σv—分别为最大、最小、垂向地应力，Mpa，
D—地层深度，m。
二．岩石力学参数
1.弹性模量（杨氏模量）E
弹性模量E就是虎克定律中的比例常数。
物理意义：
弹性体应力与应变的比值。
弹性体单位截面积上的弹性力称为应力，单位长度上的变形成为应变。
弹性模量对造缝宽度及压裂压力有较大影响。
弹性模量表达式：
静态：
ES
=∂Z
∂Z
动态：
ED
（32-42）
=SPS
PS
2-2
式中σz—轴向应力；εz—轴向应变；ρ—岩石密度；
p，s—岩石纵、横波速度。
进行压裂设计时，砂岩弹性模量的取值范围为1×104～4×104MPa。
2.泊松比
泊松比：
指岩石横向应变量与纵向应变量的比值，或叫横向变型系数。
岩石在外
力作用下，纵向上产生伸长的同时，横向上缩小。
其横向缩小应变量与纵向相对伸长
应变量之比。
泊松比表达式
s
静态：
=-∂
动态：
0.52-2
=
d22
ps
∂z-
式中—周向应变。
岩石的泊松比取值范围为0.15～0.35.
弹性模量E、泊松比都是反映岩石材料弹性特性的参数。
3.断裂韧性
模拟裂缝延伸时，引用了线弹性力学中应力强度因子的概念，它反映了裂纹尖端附
近区域内各点应力的强弱。
当应力强度因子增大到某一临界值时，岩石的裂缝将发生急
剧的不稳定扩展。
岩石应力强度因子的临界值称为岩石的断裂韧性。
它决定了裂缝在延伸过程中所需的力。
断裂韧性是水力压裂设计中一个关键参数，试验求得。
常温常压下求得的砂岩断裂韧性值一般在0.5～3.0MP·m1/2范围内。
4.孔隙弹性系数（毕奥特系数）
它反映了孔隙压力对岩石变形的影响，也是求水平地应力的一个重要参数。
定义为：
=1-Cg
Cb
式中Cb—岩石的体积压缩系数；
Cg—岩石颗粒（骨架）的压缩系数。
实验室中测得砂岩的孔隙弹性系数一般在0.6～0.9之间。
5.岩石抗张强度S
岩石抗张强度是岩石本身的一种性质。
岩石处在复杂的应力状态中，只要所受的拉
伸或剪切应力等于岩石材料本身的抗张强度时，岩石即发生破坏。
岩石的主要破坏类型有拉伸、剪切和塑性流动破坏。
对于脆性岩石主要发生拉伸和剪切破坏，对于塑性岩石主要发生塑性流动破坏。
石油工程中最常见的是脆性破坏。
作业思考题：
1.地应力是怎样概念的？
2．什么是岩石的弹性模量和泊松比？
写出数学表达式？
§5—2造缝机理
一．地应力及其分布
一般情况下，地层中的岩石处于压应力状态。
作用在地下岩石某单元体上的应力为
垂向主应力σz，及水平主应力σH（其中又分为互相垂直的σx及σy）。
（一）地应力
1.作用在单元体上的垂向应力来自上覆岩层的重量。
它的数值为：
H
Z=⎰0sgdz
式中σz——垂向主应力，Pa；
H——地层垂深，m；
g——重力加速度（9．81m/s2）；ρs——上覆层岩石密度，kg/m3。
（5—1）
由于油气层中有一定的孔隙压力Pp，故有效垂向应力可表示为：
z=z-Pp
（5—2）
2.作用在单元体上的水平主应力：
来自岩石处于弹性状态，考虑到构造应力等因素的影响。
最大水平主应力为：
=1⎡1E
-2（Z-PS）+2E⎤+P
（5—3）
H⎢⎥p
2⎣1-1-1+⎦
式中σH——最大水平主应力，Pa；
ξ1，ξ2——水平应力构造系数，可由室内测试试验结果推算，无因次；
——泊松比，无因次；E——岩石弹性模量，Pa；
——毕奥特（Biot）常数，无因次。
（二）地质构造对应力的影响
在逆断层或褶皱地带水平应力要比垂向应力大得多，甚至可大到3倍，在正断层地带，水平应力可能只有垂向应力的三分之一。
如果岩石单元体是均质的各向同性材料，岩石破裂时裂缝的方向总是垂直于最小主应力轴。
当已知地层中各应力的大小时，裂缝的形态或方向即可被确定。
如图4—3。
图4—3人工裂缝方向示意图
图4—1构造对应力的影响
a—逆断层区域σH=3σzb—正断层区域σz=3σH
（三）井壁上的应力
1.井筒对地应力及其分布的影响
钻井后，井壁及其周围地应力分布受到井筒的影响，很复杂。
简化起见，将地层中三维应力用二维方法来处理。
用无限大平板中钻有一个圆孔的受力情况来分析。
如图
5—2所示。
在无限大平板上钻了圆孔之后，使板内原来平衡的应力重新分布，造成圆孔附近的应力集中。
在双向应力状态下，弹性力学给出了平板为固体、各向同性、弹性材料的周向应力计算式：
=x+y⎛
a2⎫
x-y⎛
3a4⎫
2ç1+r2⎪-2ç1+r4⎪cos2
（5—4）（改错）
⎝⎭⎝⎭
式中σθ——圆孔周向应力，Pa；
a——圆孔半径，m；
r——距圆孔中心的距离，m；θ——任意径向与x轴的夹角；
yx—分别为x，y方向上分布的应力。
图4-2无限大平板中钻一圆孔的应力分布
定性分析井壁上应力大小：
（1）当r=a，σx>σy，θ=0°、180°时，（σθ）min=（σθ）0º，180º=3σy－σx
（2）当r=a，σx>σy，θ=90°、270°时，（σθ）max=（σθ）90º，270º=3σx－σy
说明最小周向应力发生在σx的方向上，而最大周向应力却在σy的方向上。
（3）随着r的增加，周向应力迅速降低，如图4—2（b）所示。
大约在几个圆孔直
径之外，即降为原地应力值。
这种应力分布表明，由于圆孔的存在，产生了圆孔周围的应力集中，孔壁上的应力比远处的大得多，这就是地层破裂压力大于裂缝延伸压力的重要原因。
2.井眼内压所引起的井壁应力
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。
可以把井筒周围的岩石看作是一个具有无限壁厚的厚壁圆筒，根据弹性力学中的拉梅公式（拉应力取负号）
pr2-pr2（p-p）r2r2
=eeia+eiea
（5—5）
r2-r2r2（r2-r2）
eaea
式中Pe——厚壁筒外边界压力，Pa；（井眼内压在外边界产生的压力）
re——厚壁筒外边界半径，m；
ra——厚壁筒内半径，m；
Pi——内压，Pa；
r——距井轴半径，cm。
当re=∞、Pe=0、r=ra时，井壁上的周向应力为：
σθ=－Pi
即：
由于井筒内压而导致的井壁周向应力与内压大小相等，但符号相反。
（利用无穷大定理推导）
3、压裂液径向渗入地层所产生的井壁应力：
由于注入井中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，它的作用是增大了井壁周围岩石中的应力。
增加的周向应力值为：
=（p
-p）1-2
（5—6）
is
=1-Cr
Cb
1-
（5—7）
式中Cr——岩石骨架压缩系数；Cb——岩石体积压缩系数。
——泊松比；
Ps——地层压力。
4、井壁上的总周向应力：
显然在地层破裂前，井壁上的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和，即：
=（3
-）-p
+
（p
-p）1-2
（5—8）
二．造缝的条件
yxiis
1-
油层破裂压力概念：
是指油层被压开的瞬间，被压层位所受的压力。
（一）形成垂直裂缝
1.
当存在液体渗滤时，如果岩石的破裂是纯张力破裂时，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σth时，岩石将在垂直于水平应力的方向上产生脆性破裂，即在与周向应力相垂直的方向上产生垂直裂缝。
此时有：
=-σth，
代入（5—8）式，并换为有效应力（x=x-ps，y=y-ps，=-pi），则可
得到垂直裂缝时的破裂压力，当产生垂直裂缝时，井筒内注入流体的压力Pi即为地层的破裂压力Pf，所以形成垂直裂缝的条件：
pF=Ps
+3y-x+th
2-1-2
（5—9）
1-
2.无液体渗滤时，地层渗滤应力等于零，井壁上岩石的空隙压力仍然为Ps，故，
=-ps，将其他应力一同代入（5—8）式，则：
PF=Ps+（3y-x+th）
由于最小总周向应力发生在θ=0º，180º的对称点上，垂直裂缝也产生在与井筒相对应的两个点上。
这就是为什么假定垂直裂缝以井轴为对称的两条缝的原因。
实际上由于地层的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。
（二）形成水平裂缝
当产生水平裂缝时，井筒内注人流体的压力等于地层的破裂压力，经过实验修正后
得到形成水平裂缝的条件：
pF=ps
+
z+th
1.94-1-2
（5—10）
式中σth——岩石垂向抗张强度。
（三）破裂压力梯度
1-
为了便于比较与预测各油田（油井）的破裂压力，常使用破裂梯度β来表示，其物
理意义：
=地层破裂压力PF
地层深度H
（kg/cm2·m）
即：
破裂压力梯度β是指地层破裂压力与地层深度的比值。
三．地面泵压的确定
（1）地层产生垂直裂缝时地面泵压的确定：
（产生垂直裂缝的油藏）
pB=pF-pm+pf
式中：
PB—井口施工泵压，MPa；
pF—地层破裂压力，MPa；
（5—11）
pm—井筒液柱压力，MPa；
pf—管线及管柱产生的压力损失，MPa。
（2）地层产生水平裂缝时地面泵压的确定：
（产生水平裂缝的油藏）
pB=pF-pm+pf
（5—12）式中参数同上。
结论：
无论产生垂直裂或水平裂缝，地面泵压值主要取决于地层破裂压力的大小。
四．裂缝几何模型
1.卡特模型（一维模型）
2.PKN模型（二维设计模型）
特点：
（1）裂缝高度一定（油层厚度）
（2）长和宽是变化的
（3）缝的几何形状：
长而窄的缝。
3.KGD模型（二维设计模型）
特点：
（1）裂缝高度一定（油层厚度）
（2）长和宽是变化的
（3）缝的几何形状：
短而宽的缝。
结论：
对于低渗油藏，需要压成长而窄的裂缝，对于高渗油藏，则压成一个短而宽的裂缝。
图4—5PKN模型图4—6KGD模型
从无因次裂缝导流能力来分析：
kfw裂缝的导流能力：
裂缝宽度与填砂裂缝渗透率的乘积。
无因次裂缝导流能力表达式：
CfD
=KfW
KX
f
要想使低渗层和高渗层有同样的高导流能力，从公式中变换两个参数W和Xf。
五．水力压裂增产增注原理
1.
压裂前流体从底层流向井底的流动形态
特点：
（1）流体流动过程复杂。
拟径向流过
程中，越靠近井底，渗流面积越小，渗流阻力越
大。
原因：
=Q，Q不变，A越小，V增大，f
A
增大。
（2）污染带和井底周围应力的集中，使近井地带的渗透率降低，井筒附近的渗流阻力增
加。
结论：
水力压裂前，由于各种阻力的影响，近井地带的渗透能力较差。
2.压裂后流体从地层流向井底的流动形态
压裂后，地层流体将经历四种不同的渗流阶段：
图4—7压裂前地层渗流示意图1—地层，2—井眼，3—污染带
1）拟径向流动阶段：
在供油边界，地层流体向井底流动以拟径向流为主。
2）地层线性流动阶段：
只能在裂缝导流能力很高时才能出现。
3）双线性流动阶段：
流体靠近裂缝时线性流入裂缝，裂缝中的流体线性流入井底。
4）裂缝线性流动阶段：
该流动阶段时间短，实际意义不大。
（a）拟径向流阶段（b）地层线性流
（c）双线性流（d）裂缝线性流
结论：
水力压裂结果，改变了渗流区的渗流方式，获得了双线性流动模式，提高了近井地带的渗透能力。
3.水力压裂增产、增注的基本原理
利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过油层吸收能力的排量泵入井中，在井底附近地层产生裂缝，将带有支撑剂的携砂液挤入裂缝中，从而在井底附近地层内形成一条具有一定长度、宽度和高度的高导流能力的填砂裂缝。
由于改变了井底附近流体的渗流状态，提高了油层的渗流能力，从而达到增产、增注的目的。
。
六．水力压裂造缝过程
1.裂缝起裂
水力裂缝起裂从点源开始，逐步连接成线源缝
裂缝沿井筒轴向扭曲起裂，在延伸过程中逐步扭曲
到与最小主应力垂直的方向上，然后沿该方向延伸并逐步形成一条主缝。
起裂首先克服岩石地应力和抗张强度，也就是破裂压力。
2.裂缝延伸
指岩石破裂形成裂缝后，在缝内液体压力作用
总是垂直于最小主应力方向，沿着最大主应力方向如图所示。
地层破裂在井筒附近较复杂，也可能是多条，逐步延伸形成一条主缝。
若天然裂缝发育好，可能会出现多条。
延伸压力指裂缝扩展所需压力，一般低于破裂压力。
3.裂缝闭合
裂缝闭合压力是指压裂施工停泵后，裂缝逐渐闭合的压力。
由于施工期间高压液体从裂缝壁面向地层虑失，是孔隙压力增高，引起地应力场变化，所以，裂缝闭合压力高于水平最小主应力。
课后小结：
通过学习本节课，了解造缝机理，掌握岩石的破裂机理和破裂压力概念，掌握表述
岩石裂缝的几种几何模型，掌握水力压裂增产增注原理。
作业：
1.简答水力压裂增产、增注的基本原理？
2．简答水力压裂造缝过程？
§5—3压裂设计
一．压裂设计的原则、方法、内容
压裂设计是压裂施工的指导性文件，它能根据地层条件和设备能力优选出经济可行的增产方案。
包括压裂地质设计和压裂施工设计。
压裂设计的原则：
是最大限度地发挥油层潜能和裂缝的作用，使压裂后油气井和注
入井达到最佳状态，同时还要求压裂井的有效期和稳产期长。
压裂设计的方法：
是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。
（主要利用系统软件设计）。
压裂设计方案的内容：
裂缝几何参数优选及设计；压裂液类型和配方的选择；支撑剂选择及加砂方案设计；压裂效果预测和经济效益分析等。
这里简单介绍压裂施工设计的有关内容。
二压裂施工设计
1.
优化设计程序（按系统要求输入参数）
压裂设计过程中，除利用计算机模拟计算外，还有一重要环节是在正式压裂施工前，现场进行小型压裂测试（破裂压力、闭合压力、压裂液滤失特性等）。
2.压裂施工泵注程序设计
1）注入方式选择
原则：
在满足泵注参数前提下，再限压以下尽可能选择最简单的注入方式。
通常有
油管注入、环空注入、油套混注和套管注入等。
常用油管注入。
2）加砂程序确定
采用线性加砂程序，即砂液比是以一条直线式增加，可实现较理想的支撑剖面。
试
验结果证明：
采用线性加砂程序裂缝导流能力沿缝长分布更加合理。
3.其他参数确定
1）油层破裂压力的计算
油层破裂压力是指油层被压开的瞬间被压裂层位所受的压力。
它取决于油层深度、
岩石强度、渗透率、油层原始裂缝发育情况及压裂所使用的液体性质等。
可以用理论公式计算，也可以用经验公式估算。
目前常用的经验公式为：
P破=β·H（5—37）式中：
P破—油层破裂压力，MPa；
H—压裂油层中部深度，m；
β—油层破裂压力梯度，MPa／m，它是由压裂工艺统计资料而得的经验常数。
2）施工排量的确定（先确定地层吸液量Q吸，满足Q排Q吸）
经验公式：
Q=q∙∆pB1
吸∆p破1400
式中：
ΔP——压裂前的地层压力与井底流动压力之差，MPa；
Q吸——地层的吸液量，m3／min；
q——压裂前油井的稳定日产量，t；
ΔP破——破裂压力与压前地层压力之差，MPa。
B——原油体积系数，m3（地下）／m3（地面）。
o——地面原油的密度。
地面排量按Q排Q吸来确定。
3）地面泵压的计算
确定地面泵压的目的是为了在满足裂缝需要的压力和排量的基础上，充分发挥设备
的能力，减少使用设备的台数。
压裂时地面泵压可由下列公式估算：
P泵压=P井口=P破+P摩阻+P局损-P液柱
（4—39）
式中：
P泵压——地面泵压，MPa；
P井口——井口压力，MPa；
P泵压
P摩阻——压裂液在管柱内流动时的摩阻压力降，MPa；
P局损——井下工具对流体的局部阻力损失，MPa；
P液柱——井筒内液柱压力，MPa。
4）压裂车台数的确定
①压裂时所需总功率
P=p泵压⋅Q=1⋅p⋅Q
123
②压裂车台数
n=Pp
P
（根据总功率和每台车发动机功率求出所需压裂车台数）
以上两式中Pp——压裂时所需的总功率，W；
p'p——每台压裂车的发动机功率，W；
Q——压裂时泵的排量，m3／s；
η1——发动机工作效率，取60％～80%；
η2——泵的上水效率，取50％～95％；η3——发动机工作时受海拔高度影响后的效率；η——功率因数，%；
n——所需压裂车台数。
5）支撑剂用量的确定
根据现场经验，大约每米油层加入1.5～3m3。
6）含砂比计算
含砂比是指单位体积压裂液内所含支撑剂的数量（体积比）。
含砂比的计算公式为：
c=V砂
Q⨯t
×100%（Qt就是携砂液的体积）
式中：
c——含砂比（体积比），％；V砂——加砂的总体积，m3。
；
Q——加砂时地面泵排量，m3／s；t——加砂总时间，s。
7）压裂液用量的确定
压裂液：
前置液、携砂液、顶替液统称为压裂液。
①前置液：
V前：
大约用量为：
8～10m3（适当多准备一些），有时按井筒容积的1.5～2倍来计算。
②携砂液：
V携
V=V砂
携C
式中：
W——携砂液用量，m3；
V砂——预计加砂体积，m3；
c——含砂比，％。
③顶替液：
V顶
确定方法：
一般为井筒容积的1.5～3倍，以够用就行。
④压裂液用量：
V总
V总=V前+V携+V顶+V附
注：
取下限时加V附，取上限时不加V附。
P102页例题：
自己做。
作业：
P1079。
补充题：
某井油层深度为3000m，采用63mm油管压裂（63mm油管1000m内容积为3m3）,
预计压裂泵压4×107Pa，排量0.025m3/s,支撑剂15m3,平均含砂比为10%，若用400型压裂车，其引擎功率为2．57×105w，总的效率为0．6，试计算400型压裂车台数及至少准备多少压裂液用量？
§5—4压裂设备、管柱及材料一．压裂设备、管柱
（一）地面设备
1.压裂井口
（1）采用采油树压裂的井口。
采油树型号：
250、350、600、700、1050型等。
250型即25MPa，用于浅井，其余用于中、深、超深井。
根据压裂层深度确定采油树型号。
（2）采用大弯管、投球器、井口球阀与井口控制器的专用压裂井口。
井口承受工作压力70MPa，最大过砂量150m3。
2.
压裂管汇。
目前压裂管汇种类很多，承压和最大过砂能力也不同。
常用的有压裂管汇车和专用的地面管会。
专用的地面管汇由8个接头，压裂车可任选一个连接。
高压管线外径Φ76mm，内径Φ60mm，最高压
力可达到100MPa。
3．投球器
投球器有两种：
一种是分层压裂时，压裂管柱中投钢球的投球器；一
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