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水力压裂技术基础水力压裂基本原理一、水力压裂工作原理二、水力压裂的产生和发展三、水力压裂增产机理四、水力压裂造缝机理五、水力压裂施工方式六、水力压裂施工方法一、水力压裂工作原理•近井解堵•储层改造•地层防砂•区块开发主要用途•第一次水力压裂试验：1947年，美国Kansas的Houghton油田，4个碳酸盐储层，压前进行过酸化，采用上、下封隔器逐级分层压裂，每层使用稠化凝固汽油并接着注入汽油作为破胶剂，不加支撑剂。•压裂效果较差，结论：压裂不如酸化有效。•同年，在美国东Teaxs油田Woodbine砂岩层进行水力压裂，使用胶化矿场原油，16目石英砂，破胶剂，取得了极大的成功。•1949年Halliburton获得了专利许可证，开始了商业化的水力压裂作业，使该技术得到迅速推广。•专利规定了携砂液为通过滤纸的粘度大于30cp的液体。•其它未获得许可证的公司水和砂进行水力压裂作业。二、水力压裂的产生和发展•第一代压裂(1940’-1970’)：小型压裂加砂量较小，在10m3左右，主要是解除近井地带污染•第二代压裂(1970’-1980’)：中型压裂加砂量迅速增加，主要是增加地层深部油流通道，提高低渗透油层导流能力•第三代压裂(1980’-1990’)：端部脱砂压裂将压裂增产措施应用到中、高渗储层，双倍缝宽，主要是大幅度提高储层导流能力•第四代压裂(1990’-)：大型压裂、开发压裂将压裂作为一种开发方式，从油藏系统出发，应用压裂技术Mr.哈里伯顿水力压裂技术发展三、水力压裂增产机理•解除污染•沟通储层•提高导流能力•改变流态PhkQ注水、注气调、补层蒸汽吞吐、蒸汽驱水力压裂裂缝线性流双线性流地层线性流拟径向流•产量来源于裂缝中流体的弹性膨胀，流动基本上是线性的，流动时间很短，意义不大。•流体自地层线性地流入裂缝，同时，裂缝中的流体再线性地流入井筒。•地层线性流阶段只能在裂缝导流能力较高时才出现。•由于裂缝的存在，相当于扩大了井筒半径，增加了渗流面积，渗流阻力比压前大幅度降低，所以产量也要比压前有较大的提高。径向流•渗流面积小、渗流阻力大，产量相对较低。四、水力压裂造缝机理1、裂缝形态2、裂缝方位3、裂缝尺寸在水力压裂中，了解裂缝的形成条件、裂缝形态、方向对有效地发挥压裂在增产、增注中的作用十分重要。在地层中造缝，形成裂缝的条件与地应力及其分布、岩石力学性质、压裂液性质、注入方式等都有密切关系。σZσYσX垂直裂缝当σZσH时，产生垂直裂缝，此垂直缝的方位又决定于两个水平应力σX和σY的大小，当σYσX，则裂缝处于垂直于最小主应力σX、平行于σY的方位；当σZσH，则裂缝处于垂直于最小主应力σY、平行于σX的方位。σYσZσX水平裂缝当σHσZ时，产生水平裂缝。当σX=σY时，平面上会产生均匀的圆形，当σX≠σY时，平面上会产生类似椭圆或呈不规则的分布。如何判断水力压裂产生的裂缝形态地应力测试法通过对三向应力值的测试来判断，这是最科学、最准确的判断方法。但成本高、速度慢、操作复杂。深度经验法一般来说，目的储层中深低于700m产生水平裂缝，超过800m产生垂直裂缝，700-800m两种情况都有可能。但这只是一种统计经验，每个地区情况会有所不同，有时差异还较大。破裂压力梯度经验法一般来说，破裂压力梯度小于0.018产生垂直裂缝，大于0.023产生水平裂缝，0.018-0.023两种情况都有可能。这也是一种统计经验，每个地区甚至每口井因其它因素的影响会有所不同。高角度裂缝在现场实际中，很少有绝对的水平或垂直裂缝产生。由于三向主应力的相对大小，在大多数情况下，会产生不同程度的偏离水平或垂直方向的高角度裂缝。地应力剖面多裂缝剖面而且由于地应力剖面的变化，在射孔区间涉及多个不同地应力值的情况下，还会产生多裂缝的情况。张开型滑开型裂缝的破裂模式Ⅰ称为张开型，裂缝前方有一法向张力；模式Ⅱ称为滑开型，伴随有一个纵向剪力；模式Ⅲ称为撕开型，伴随有一个横向剪力；通常，水力压裂产生的裂缝均为模式Ⅰ，即张开型。对于不是平面的或接近天然裂缝的复杂缝才为模式Ⅱ和模式Ⅲ。ppxyzppxyz撕开型ppxyzRegionofnear-wellboretortuosityConceptualsimplificationofnear-wellboretortuosityandmultiplefracturesModelingstrategyfornear-wellboretortuosityandmultiplefractures裂缝的延伸如何判断水力压裂的裂缝方位1、地面微地震方法2、井下微地震方法3、测斜仪方法4、电阻率层析成像方法通过测定微震震源辐射出的地震波运动学参数，反演微震震源的空间位置，微震震源的空间分布反映了人工裂缝的轮廓。可记录3000米以内深度的-2级地震。本次测试采用的是改进后的6点无线传输定位系统。通频带(Hz)最大偏频(%)信噪比(db)发射频率(MHz)传输距离(km)最大连续工作时间(h)50～250±2050150≦351、声发射定位裂缝监测与诊断技术****井压裂裂缝方位及长度最大水平主应力方向：北东32.2°左翼动态缝长：82.8m右翼动态缝长：82.1m2、井下微地震裂缝测试与诊断技术3、测斜仪裂缝方位测试与诊断技术地面测斜仪井下测斜仪4、可控源大地电阻率层析成像技术用高密度发射系统和接收系统对地下进行电场透视，利用大地电阻率的差异进行CT成像。压裂施工中，压裂液相对地层为良导体，压裂液沿裂缝进入储层，改变了储层的电阻率分布,电流在良导体压裂液的引导下进入裂缝区域，在地层中形成一个场源，由于压裂液的存在使原电场的分布形态发生变化，大部分电流集中到充满压裂液的低阻带，引起地表观测电场的变化，不同形态的裂缝形成不同的场源，在地表形成不同形态的大地电场分布，观测压裂前后地面电场的变化，经过数据处理，得到裂缝的几何参数。如何认识水力压裂的裂缝尺寸•应力剖面决定缝高延伸，特别是产、隔层间的应力差值；•一般缝宽为支撑剂粒径的4-10倍；•缝长与液量、砂量、砂比、排量有关，相对而言人为设计的空间较大；•岩性对裂缝尺寸影响较大。裂缝高度测试(温度、示踪剂)压裂层隔层隔层热鼻现象压后井温曲线压前井温基线五、水力压裂施工方式1、油管注入(1)优点：有利于保护套管，相对于套管注入和油套混注方式，在相同排量下，能保持较高的流速，减少或避免在井筒内脱砂，便于压后井下作业。(2)缺点：产生的高沿程摩阻将增加地面泵压，使泵注排量受到限制且要消耗大部分设备功率，以致降低压裂净收益。因此，油管的尺寸、规范、钢级、抗拉强度、抗内压、抗外挤等性能是确定泵注排量、地面泵压、井口装置、需用功率以及安全作业必须考虑的重要因素。2、油套环空注入/油套混合注入(1)优点：沿程摩阻小，地面泵压低，泵注排量大，在相同的地层条件下，同一排量可节约设备功率，降低施工成本。(2)缺点：套管的每一部分均需要承受最高的施工压力，因此，泵注排量的极限与地面泵压的极限取决于套管允许的抗内压强度及固井质量。六、水力压裂施工方法•常规压裂•分层压裂•投球法压裂•限流法压裂常规压裂工艺•管柱结构简单，施工比较安全，不易砂卡；•适用于较浅且上部无射开井段的储层压裂；分层压裂工艺1、单封单卡分层压裂工艺2、双封单卡分层压裂工艺3、封隔器+桥塞分层压裂工艺4、封隔器+填砂分层压裂工艺5、多级滑套封隔器分层压裂工艺•管柱结构简单，施工比较安全，不易砂卡；•适用于各类油气层，特别是深井和大型压裂；•水力锚的啮合力必须大于施工时作用于封隔器上的上顶力，以免顶弯油管；•施工时作用于封隔器上下的压差必须小于封隔器允许的最大压差；单封单卡分层压裂工艺双封单卡分层压裂工艺•控制压裂层位准确、可靠；•施工中两个封隔器之间拉力较大，对深井和破裂压力高的地层，不宜采用；•两个封隔器之间的所有井下工具、短节的本体和螺纹抗拉强度必须大于施工时的最大拉力；•喷砂器应紧接于下封隔器上部，以免施工时封隔器上形成沉砂；•起管柱前，应先反循环将下封隔器上部沉砂冲净，起管柱时，应先上下活动，不得猛提。封隔器+桥塞分层压裂工艺•施工比较安全，不易发生砂卡和拉断油管等事故；•控制压裂层段准确、可靠；•适用于深井压裂；•施工工艺较复杂，压裂前需先下入桥塞，压裂后，若桥塞下面有产层，则需打捞或钻掉桥塞；•施工时，桥塞上下压差不能超过允许的最大压差；•水力锚的啮合力必须大于施工时作用于封隔器的上顶力；•打捞桥塞时，应先将桥塞上沉砂冲净；•捞桥塞后，起管柱时应先上下活动将桥塞解封，卡瓦收回，再慢慢上起，不行猛提。封隔器+填砂分层压裂工艺•施工比较安全，不易发生砂卡和拉断油管等事故；•控制压裂层段准确、可靠；•适用于深井压裂；•施工工艺较复杂，压裂前需先进行填砂作业，压裂后，还需进行冲砂作业；•水力锚的啮合力必须大于施工时作用于封隔器的上顶力；•填砂时，应准确计算填砂量，并探砂面核实实际填砂深度；•为保证填砂封堵性，一般选择粉砂，或在砂面上再进行注灰塞作业。多级滑套封隔器分层压裂工艺•可以不动管柱、不压井、不放喷一次施工分压多层；•由于受管柱内径限制，一般最多只能用三级滑套，一次分压四层；•管柱结构复杂，容易造成砂卡，施工完后应立即起出管柱；•如逐层压裂求产完再打开滑套压上层，在打开滑套前应先反循环将管柱内外沉砂冲净，以免造成砂卡；•滑套外径应小于所通过的管柱最小内径，并与滑套坐落短节密封良好。压第一层压第二层投球法压裂工艺投球法压裂是将井中所有欲压裂的层段一次射开，利用各层间破裂压力不同，首先压开破裂压力较低的层段进行加砂，然后在注顶替液时投入堵球，将其射孔孔眼暂时堵塞，再提高压力压开破裂压力较高的层段。也可利用各层渗透率的差异，在泵注的适当时机投入堵球，改变液体进入产层的分配状况，在渗透率较低的层段建立起压力，直至破裂。如此反复进行，直到更多的层段被压开。投球法压裂工艺示意图封堵球分类按密度分：1、高密度堵球：球的密度大于压裂液的密度。2、低密度堵球：球的密度小于压裂液的密度。按材质分：1、塑料球：通体由塑料制成。2、尼龙橡胶球：核心为尼龙，外层为橡胶。选择堵球直径的经验公式：D≥1.25DP其中：D－堵球直径，cmDP－孔眼直径，cm选择堵球数量的经验公式：N＝（1.1－1.2）NP其中：D－堵球数量DP－孔眼数量压裂堵球设计投球封堵效率分析1、对于高密度堵球，封堵效率随密度差的减小或孔流量的增加而提高；2、对低密度堵球，只要液体流速大于堵球的上浮速度，能将球送至孔眼处，其封堵效率均可达到100%。封堵效率分析曲线204060801000100封堵效率，%总流量，L/minΔρ=0.11Δρ=0.39Δρ=1.17限流法压裂是通过控制各层的孔眼数量和直径，并尽可能提高注入排量，利用最先被压开层孔眼产生的摩阻，提高井底压力，使其它层相继被压开，从而达到一次分压几个层的目的。限流法压裂工艺24MPa20MPa22MPa20MPa24MPa20MPa22MPa22MPa24MPa20MPa22MPa24MPa限流法压裂工艺要点1、根据压裂要求设计射孔方案。即根据每个处理层的厚度、破裂压力和需要液量确定射孔位置、孔数和孔眼直径；2、必须保证每个孔眼畅通，可先用稀酸预处理疏通孔眼；3、为保证尽可能多的射孔层段被压开和每层有足够的排量，应在套管允许的条件下尽可能提高排量；4、在允许的最大排量下，孔眼摩阻必须大于各层间破裂压力的差值，即形成的井底压力应高于所有层的破裂压力；5、各层间不能串通，以达到分层压裂的目的。限流法压裂设计方法1、先按拟射开层数和油层厚度，选择一个注入排量；2、按该地区油层破裂压力梯度计算所需的井底处理压力；3、根据注入方式和排量计算油管和套管摩阻；4、根据设备能力、井口及油套管强度确定一个井口压力；5、计算孔眼摩阻，计算出的孔眼摩阻应大于射开油层的破裂压力差值，否则应重新确定井口压力；6、计算孔眼孔数，并将孔数合理分配到各层；7、若计算出的孔数不合理，则改变排量再重新计算，直到合理为止。清水摩阻曲线油管、套管