水力压裂设计

水力压裂设计HydraulicFracturing背景垂直井单相油流产量公式对具体井，地层条件(ko,h)、流体性质(o,Bo)和井特性(re,rw)已经确定。提高产量的措施:注水保持地层压力;人工举升降低井底流动压力;对于低渗透储层：水力压裂第一节水力压裂概述水力压裂示意图压裂材料：压裂液和支撑剂施工参数：排量和压力压裂设备：泵车(组)、液罐、砂车、仪表车力学观点：裂缝形成与延伸是力学行为。生产角度：裂缝方位与形态影响压裂改造效果问题：(1)储层应力环境—地应力场(2)水力裂缝方位(3)破裂压裂计算与预测基本思路：注水井采油井地应力存在于地壳内部的应力，是由于地壳内部的垂直运动和水平运动及其它因素综合作用引起介质内部单位面积上的作用力。地下岩石应力状态：为三向不等压压缩状态.x（x）y(y)z(z)主应力:x，y，z;应变:x，y，z第二节、地应力分析与破裂压力1地应力场原地应力：重力应力构造应力孔隙流体压力热应力地应力构成：原地应力+扰动应力。其中：r(h)为上覆岩层密度，由密度测井曲线获得。(1)重力应力（上覆压力）Hrzgdhh06)(10szzp为Boit孔隙弹性常数。有效垂向应力为)]([E1zyxxzxyxxx由广义虎克定律计算总应变研究对象：地层中任意单元体。)]([E1xzyyxyzyyy由于泊松效应，垂向应力产生的侧向压力zyxyx10岩石类型杨氏模量，104MPa泊松比岩石类型杨氏模量，104MPa泊松比硬砂岩4.40.15砾岩7.40.21中硬砂岩2.10.17白云岩4.0~8.40.25软砂岩0.30.20花岗岩2.0~6.00.25硬灰岩7.40.25泥岩2.0~5.00.35中硬灰岩-0.27页岩1.0~3.50.30软灰岩0.80.30煤1.0~2.00.30(2)构造应力定义：地壳的构造运动引起的岩体之间的相互作用力。是地应力的一个分量。来源：各种构造运动，包括：区域构造—巨大构造单元间的相互作用力；局部构造—产生于局部地区岩体之间。如断层、岩层弯曲等。ABC特点构造应力属于水平的平面应力状态挤压构造力引起挤压构造应力张性构造力引起拉张构造应力构造运动的边界影响使其在传播过程中逐渐衰减。•断层和裂缝发育区—正断层，水平应力x可能只有垂向应力z的1/3。右旋走向滑动断层正断层逆断层—逆断层或褶皱带的水平应力可大到z的3倍。(3)热应力原因：地层温度变化引起的内应力增量。计算方法1TETyx特点：与温度变化、岩石力学性质有关产生环境：火烧油层、注蒸汽开采、注水2人工裂缝方位原理：裂缝面垂直于最小主应力方向当z最小时，形成水平裂缝；当Y或xz，形成垂直裂缝。yxxyz显裂缝地层很难出现人工裂缝。微裂缝地层—垂直于最小主应力方向；—基本上沿微裂缝方向发展，把微裂缝串成显裂缝y二、水力压裂造缝机理1井壁最终应力分布rxrRwxy(4)井壁上的总周向应力(应力迭加原理)＝地应力+井筒内压+渗滤引起的周向应力121)()3(siixyPPP2水力压裂造缝条件(1)形成垂直缝岩石破坏条件ht－压为正，拉为负－最大有效周向应力大于水平方向抗拉强度有液体渗滤ixxyyPPsPshtsisixyPPPP121)()(23当破裂时，Pi=PFshtxyFPP12123无液体渗滤PshtsixyPP)(3当破裂时，Pi=PFshtxyFPP3htsisixyPPPP121)()(23(2)形成水平缝岩石破坏条件vt最大有效周向应力大于垂直方向抗拉强度有液体渗滤121)(sizzPP有效总垂向应力为：vtsizsiizizzPPPPPP121)(121)(－svtzFPP1211当破裂时，Pi=PF1.94无液体渗滤szzP有效总垂向应力为：vtsizizzPPP)(－vtsizsiizizzPPPPPP121)(121)(－svtzFPP1当破裂时，Pi=PF0.943破裂压力梯度定义HPF理论计算(垂直裂缝形态)HpvvHvvHpszFF13112矿场统计当αF0.015～0.018MPa/m,形成垂直裂缝当αF0.022～0.025MPa/m,形成水平裂缝三、地应力的测量及计算（1）矿场测量—水力压裂法—井眼椭圆法（井壁崩落法）（2）岩心分析（实验室）—滞弹性应变恢复（ASR）—微差应变分析（DSCA）（4）有限元计算（3）测井解释第三节压裂液压裂液及其性能要求压裂液添加剂压裂液的流动性压裂液的滤失性压裂液对储层的伤害压裂液选择压裂液的组成•前置液•携砂液•顶替液（完整的压裂泵注程序中还可以有清孔液、前垫液、预前置液）对压裂液的性能要求(1)与地层岩石和地下流体的配伍性；(2)有效地悬浮和输送支撑剂到裂缝深部；(3)滤失少；(4)低摩阻；(5)低残渣、易返排；(6)热稳定性和抗剪切稳定性。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液体污染(1)粘土水化与微粒运移(2)压裂液在孔隙中的滞留（3）润湿性压裂液固相堵塞来源—基液或成胶物质的不溶物—降滤剂或支撑剂中的微粒—压裂液对地层岩石浸泡而脱落下来的微粒—化学反应沉淀物等固相颗粒。作用—形成滤饼后阻止滤液侵入地层更远处，提高了压裂液效率，减少了对地层的伤害；—它又要堵塞地层及裂缝内孔隙和喉道，增强了乳化液的界面膜厚度而难破胶。压裂液浓缩压裂液的不断滤失和裂缝闭合，导致交联聚合物在支撑裂缝内的浓度提高（即浓缩）。支撑剂铺置浓度对压裂液浓缩因子有较大影响，随着铺砂浓度降低，压裂液浓缩因子提高，此时不可能用常规破胶剂用量实现高浓缩压裂液的彻底破胶，形成大量残胶而严重影响支撑裂缝导流能力。第四节水力压裂设计模型裂缝延伸二维模型卡特模型Carter，1957年GDK模型Christianovich、Geertsma、DeklerkPKN模型Perkins和Kern提出,Norgren完善裂缝延伸三维模型一、卡特模型1几何模型HfLfWf2主要假设(1)裂缝等宽。(2)压裂液从缝壁垂直而又线性地渗入地层;(3)地层中某点的滤失速度取决于此点暴露于液体中的时间,即:(4)地层中各点速度函数相同。(5)裂缝中各点压力相同,均等于井底的延伸压力。)(/)(xtctV3计算公式•忽略压缩性，由物质平衡：Q(t)=QL(t)+QF(t)•用拉氏变换,最终得裂缝面积公式:]12)([4)(22xXxerfceCQWtAxWtCX2SpWtCX22YYYYYxerfcex2552.00.2849-4235.14552.10629.1)(23452XY328.011HAL2二、GDK模型1几何模型Khristianovich、Geertsma、DeklerkDaneshyW(x,t)L(t)H2假设条件(1)岩石为均质各向同性。(2)岩石变形服从线弹性应力应变关系。(3)流体在缝内作一维层流流动,缝高方向裂缝呈矩形。(4)缝中X方向压降由摩阻产生,不考虑动能和势能影响。(5)裂缝高度和施工排量恒定。3理论基础•运用了体积平衡方程;•压降与宽度关系由泊稷叶理论导出;•用England和Green公式求缝宽时,还运用了裂缝平衡延伸理论。•此模型是现在最常用的两个二维延伸模型之一。4计算公式316133613])1([)168(),0(tGHQtW2)(1),0(),(LxtWtxW)](12[]8),0([3222erfceVtWHCQLSPSPVtWtC8),0(8式中三、PKN模型1几何模型Perkins&KernNorgrenL(t)W(x,z,t)H2假设条件(1)裂缝为垂直裂缝,其高度恒定。(2)裂缝高度方向上为椭圆面,其横截面最大宽度满足Sneddon方程:W(x,t)=2(1-υ2)(p-σ)H/E(3)施工排量恒定(4)长度方向的变化采用物质平衡原理求得(5)裂缝前端液体压力等于地层最小水平主应力。3计算公式•压降方程HWQdxdP364•最终得长度方程tHCQL2•宽度方程81412413])1([)128(),0(tGHCQtW412]2)(1)arcsin()[,0(),(LxLxLxLxtWtxW四、GDK和PKN模型的比较第五节支撑剂输送—支撑剂的沉降特性—沉降布砂设计—悬浮布砂设计受力分析—固体颗粒的重力—流体对固体颗粒的浮力—颗粒的运动阻力重力浮力阻力颗粒一、支撑剂的沉降特性1单颗粒自由沉降速度概念—自由沉降—干扰沉降重力浮力阻力gdFPPg36gdFfPb36222821PPfDPfDdUdCAUCF重力浮力阻力颗粒21]3)(4[fDfPpPCgdUF=Fg-Fb当F＝Fd时CD与雷诺数有关，雷诺数与UP有关fPpUdNReNovotny公式当NRe2时UH/UP=5.5当2Nre500时UH/UP=3.5当NRe500时UH/UP=22干扰沉降Brown公式)1(10/82.12PHUU3壁面影响543)(0644.0)(131.0)(147.0)(6526.01WdPWdPWdPWdPFW当NRe1当NRe10023)2(1WdPFW当1Nre100用内插法求FW4颗粒形状对沉降速度的影响支撑剂颗粒是不规则的颗粒，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，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沉降速度小于球形颗粒的沉降速度支撑剂在幂律液体中的沉降用视粘度a代替12118)(nfPPPnaDKgdUDK思路支撑剂在裂缝高度上的分布平衡流速、平衡高度的计算砂堤的堆起速度平衡时间二、沉降型布砂设计1支撑剂在裂缝高度上的分布概念：平衡状态平衡流速平衡高度颗粒浓度分布(垂向)区域I：砂堤区域II：砂堤上的滚流区区域III：悬浮区区域IV：无砂区分析2平衡流速与阻力流速平衡流速HEQhEQVEQ)2Q(QEQEQWhQVEQEQHHh0平衡高度67.160EQEQWVQHH问题1阻力速度的定义2区别牛顿流体和非牛顿流体的计算公式3复习湿周与过流面积的关系4区别层流和紊流下阻力速度与平衡流速的关系5砂堤堆起速度与流速和平衡流速的关系6砂堤堆起高度与时间的经验关系7平衡时间的计算方法•例6-3牛顿型压裂液粘度μf=30mPa.s，密度f=1000kg/m3；石英砂支撑剂颗粒密度s=2650kg/m3，平均粒径dp=1.14310-3m，砂比S=10%；裂缝高度Hf=10m，裂缝宽度w=4.7610-3m；试计算双翼裂缝中排量Q为0.8和2.0m3/min时的平衡高度和平衡时间。解(1)计算支撑剂沉降速度假设支撑剂沉降处于层流状态，按表6-8中公式计算自由沉降速度，vp=0.039m/s。校核流态：颗粒雷诺数NRep=1.492，与假设流态相符，故vp=0.0687m/s浓度校正系数：按