第十三章 油水井增产增注措施第一节定义,当地面高压泵组将液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中时，在井底附近蹩起超过井壁附近地层的最小地应力及岩石抗张强度的压力后，即在地层中形成裂缝。随带有支撑剂的液体注入缝中，裂缝逐渐向前延伸，这样，在地层中形成了具有一定长度、宽度及高度的填砂裂缝。
增产原理：油气向井的径向流从地层 裂缝从裂缝 井底作用由径向流变为两个单相流，节约了能耗。
连通地层深处解除近井地带污染一,
在压裂中，了解裂缝的形成条件，裂缝形态及方向对有效地发挥压裂在增产，增注中的作用是极为重要的。但由于地下条件的复杂性，虽然进行了大量的研究，但仍未得到较好的解决。
地层中造缝的影响因素 井底附近的地应力及其分布岩石力学性质及压裂液的渗滤性质注入方式
1,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 。 作用在地下某单元体上的力有垂向主应力 及水平主应力 (其中又分为互相垂直 的和 )。
(1) 应力
① 垂向应力,作用在单元体上的垂向应力来自上覆岩层的重量,其数值约为
z?
H?
x? y?
])1[( fma ΦρρΦHgz?
H：地层深度； φ,孔隙度；
由于油气层中均有一定的孔隙压力 pp(即地层压力或流体压力 )，部分上覆岩层的压力 σz被多孔介质中的流体压力支持。
② 故有效垂向应力可表示为：
③根据广义虎克定律，则可求出岩石的有效水平应力为：
=
pzze p
Zexe
1
推导：在 σxe,σye,σze 作用下，单元体在 x轴方向上的应变为：
)]([
1
1
zeyexe
zeye
xe
xzxyxxx
E
EEE
因为存在侧向应力的限制，侧向应变为 0，
令 得
yx
Zexe
1
(2)
受地质构造影响发生很大的变化，各个方向的应力也彼此不等。
如果岩石单元体是各向同性材料，岩石破裂时的 裂缝方向总是垂直于最小主应力轴 。
(3)
1)
在地层中钻井以后,破坏了原始应力的平衡状态,使得井壁上及其周围地层中的应力分布发生变化 。 为了简化,将地层中的三维应力问题用二维方法来处理,并近似地直接采用弹性力学中双向受力的无限大平板中钻有一个圆孔时的应力计算公式来分析井壁应力,
圆孔周向的应力分布,
2c o s)31(
2
)1(
2 4
4
2
2
r
a
r
a yxyx
A）当 r=a且 σx=σy=σH时,σφ=2σx=2σy=2σH
说明圆孔壁上各点的周向应力相等,与 φ值无关 。
B)当 r=a,σx >σy 时，
xy 3)()( m i n180,0
yx 3)()( m a x2 7 0,90
随着 r的增加,周向应力迅速降低,如图 13-2(b)
所示 。 大约在几个圆孔直径之外,即降为原地应力值,
孔壁上的应力比远处的大得多,这就是在压裂中地层破裂压力大于延伸压力的一个重要原因 。 即：
Hr)(
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。
简化,若把井筒周围的岩石看作是一个具有无限壁厚的厚壁圆筒,假设材料是弹性的,根据弹性力学中的拉梅公式 (拉应力取负号 ),当厚壁筒外边界半径 re→∞,厚壁筒外边界压力 Pe=0时,井壁上 r=a处的周向应力,
iw fp
)(
)(
222
22
22
22
ae
eaie
ae
aiee
rrr
rrpp
rr
rprp
式中 ——注入时的井底压力 。
即井筒内压引起的井壁周向应力与内压大小相等，符号相反。
iwfP
3) 压裂液径向渗入地层所引起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,形成了一个附加应力区,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：
1
21)(
Pi w f pp
f
fs
C
C 1?
岩石骨架压缩系数岩石体积压缩系数其中：
4)
显然在地层破裂前,井壁上 ( =0° 和 =180° 处 )
1
21)()3(
Pi w fi w fxy ppp
总周向应力：
总垂向应力：
1
21)(
pi w fzZ pp
2,造缝条件为使地层破裂,必须使井底压力高于井壁上的总应力及岩石的抗张强度 。
(1) 形成垂直裂缝条件,如果地层的破裂属于纯张力破坏,那么随井内注入压力 的不断增加,当 达到或超过井壁附近地层的最小周向应力及岩石水平方向的抗张强度时,在垂直于水平周向应力的方向上产生垂直裂缝,即：
iwfp iwfp
hT?
h
ti w fp
1
21
)()3( Pi w fi w fxy ppp其中：
即：
h
tPi w fi w fxyi w f pppp
1
21)(3
1）当有滤失时：用代入上式有：
pyye p pxxe p
1
21
2
3 hTxeye
pi w f pp
2）无滤失时：
有
0
1
21)(?
pi w f pp
2
3 hTxeye
pi w f pp
垂直裂缝产生于井筒相对应的两点上 ( =0° 和
180° ),这就是为什么在理论上假定垂直裂缝以井轴为对称的两条缝的原因 。 实际上多数情况是不对称的 。
(2) 形成水平裂缝条件,当注入压力达到或超过井壁附近地层的最小垂向应力及岩石的垂向抗张强度时,在垂直于垂向应力的方向上产生水平裂缝,其条件为：
v
Tze
1
21)(
pi w fzZ pp
1）存在滤失时：
v
T1
21)(
pi w fzi w f ppp
1
21
1
v
T
f
ze
ppp
2）无滤失时：
pzze p
)( vT zepi w f pp
***有滤失时小于无滤失时的。
i w fzze p
h
T zi w fp
v
Tze
二,
压裂液是为造缝与携砂使用的液体，是水力压裂的关键组成部分。
压裂液是一个总称,根据其在压裂过程中的任务不同可分为 前置液,携砂液 和 顶替液 。
1） 前置液,作用是破裂地层并造成一定几何尺寸的裂缝以备后面的携砂液进入,它还起到一定的降温作用 。
有时为了提高前置液的工作效率,在一部分前置液中加细砂以堵塞地层中的微隙,减少液体的滤失 。
2） 携砂液,作用是将支撑剂带入裂缝中并将砂子放到预定位置上去 。 在压裂液的总量中,这部分占的比重较大 。 有造缝及冷却地层的作用 。
3） 顶替液,作用是打完携砂液后,用于将井筒中全部携砂液替入裂缝中 。 中间顶替液用来将携砂液送到预定位置,并有预防砂卡的作用 。
对于占总液量绝大多数的前置液及携砂液,必须具备如下的性能要求：
1) 滤失少 压裂液的滤失性主要 取决于它的粘度与造壁性,粘度高则滤失少 。 在压裂液中 添加防滤失剂,能改善造壁性并大大减少滤失量 。
2) 悬砂能力强 压裂液的悬砂能力主要 取决于粘度,压裂液只要有足够高的粘度,砂子即可完全悬浮,这对砂子在缝中分布是非常有利的 。
3) 摩阻低 压裂液在管道中的摩阻愈小则在设备功率一定的条件下,利用造缝的有效功率愈大 。 摩阻过高不仅降低了有效功率的利用,且由于井口压力过高,排量降低 。
4) 稳定性 压裂液应具有 热稳定性,不能由于温度的升高而使粘度有较大的降低；液体还应有 抗机械剪切 的稳定性,不因流速的增加而发生大幅度的降解 。
5) 配伍性 压裂液进入地层后与各种岩石矿物及流体相接触,不应产生不利于油气渗滤的物理 —化学反应 。
6) 低残渣 要尽量降低压裂液中水不溶物的数量,以免降低岩石及填砂裂缝的渗透率 。
7) 易反排 施工结束后大部分注入液体反排出井外,排液愈完全,效果愈好 。
8) 货源广 便于配制,价钱便宜 。
1.
随着水力压裂技术的发展,压裂液由最初的原油和清水逐步发展为目前经常使用的水基,油基,酸基压裂液及泡沫压裂液等 。
(1) 水基压裂液水基压裂液主要是用水溶胀性聚合物作为成胶剂，
制成能悬浮支撑剂的稠化溶液，具有粘度高、摩阻低及悬砂能力强的优点。
缺点：但热稳定性和机械剪切稳定性较差。为了克服这
(2) 油基压裂液
a.矿场原油或炼厂粘性成品油
b.稠化油,稠化油 =油（原油、汽油、柴油、煤油、凝析油 ） +稠化剂（脂肪酸铝皂、磷酸酯铝盐 ）
(3) 多相压裂液
1） 泡沫压裂液外相,水,水基溶胶或水基冻胶内相：气体优点：对地层伤害小,携砂能力和造缝能力强,易于反排,摩阻低等特点 。
缺点：所需注入压力高 。
2) 乳化压裂液乳状液是用表面活性剂稳定的两相非混相液的一种分散体系 。
优点：携砂能力强、粘度高、热稳定性好、对地层损害小、排液快 。
缺点：摩阻大、成本高
(4) 酸基压裂液用植物胶或纤维素稠化酸液得到稠化酸或用非离子型聚丙烯酰胺在浓盐酸溶液中,以甲醛交链而得到酸冻胶 。
酸基压裂液适宜于碳酸盐类油气层的酸压 。
2.
压裂液滤失是指在裂缝与储层的压差作用下压裂液向储层中的滤失 。
主要受三种因素的控制压裂液的粘度地层岩石及流体的压缩性压裂液的造壁性 。
(1)
当压裂液的粘度大大超过地层油的粘度时 （ 即：
） 时,压裂液的滤失速度主要取决于压裂液的粘度,压裂液在多孔介质中的实际渗流速度 va
为：
oa
dt
dL
L
pKv
a
a?
dtpKL d L
L t
a
0 0
a
ptK
L
2
代入达西公式：
令 则
2
1
2
1
)
2
(
)
2
(
t
pK
ptK
pK
L
pK
v
a
a
a
a?
2
1
1 )2(
a
pK
C
t
Cv 1?
(2)
当压裂液的粘度接近于地层流体的粘度时,即
（ ） 时,压裂液的滤失主要取决于地层流体的压缩性 。 这是因为流体受到压缩,让出一部分空间,压裂液才得以滤失进来 。
Δq 以为因压力降低 Δp 所引起的液体的膨胀 dV(忽略岩石的体积膨胀 ),则单元地层体积内液体的体积 V为,
oa
dt
dp
AC
dx
dt
dv
Vd pCdVdxAV
l
l
)(
,,
t
p
x
p
C
K
x
pKA
t
p
AC
x
pKA
x
q
x
pKA
q
t
p
AC
x
q
t
p
xACq
la
a
l
aa
ll
1;,)(
2
2
2
2
2
2
令对无限地层,边界压力为常数的解为：
)
2
(
),(
t
x
e r f c
p
ptxp e
上式对 x求导得缝壁面上的压力梯度值：
t
p
x
p
x
0)(
t
C
v
KC
p
C
K
pKpK
C
t
pK
x
pK
v
x
pK
v
a
l
la
aa
a
x
a
x
a
2
2
1
2
00
)(
)(
)(
则令壁面处：
(3) 具有造壁性压裂液的滤失系数 C3
有的压裂液具有很好的造壁性，其中添加有防滤失剂 (硅粉或沥青粉等 )，能在壁面上形成滤饼，
有效地降低滤失速度，其滤失系数由实验方法确定 。
(4)综合滤失系数 C
根据水电相似原理 有
321
1111
CCCC
3,压裂液对地层渗透性的伤害及防止措施
1）对地层情况了解不够
2）对压裂液选择不当
3）用于改善压裂液性能的添加剂针对性不强压裂效果不理想或失败造成压裂液对地层渗透性的伤害主要有下述原因 。
(1)
压裂液配伍性：指压裂液与岩层和流体接触时，
无不利于油、气渗流的物理化学反应。
压裂液对岩石、胶结物等固体物质的溶解粘土膨胀小颗粒脱落堵塞孔隙与地层流体相遇后产生沉淀伤害措施对粘土地层，应添加防粘土膨胀剂用水基压裂液压裂油层时，使用活性剂来防止乳状液的形成。
(2) 压裂液在孔隙中的滞溜若高粘油基压裂液进入地层后,反排不完全或水基压裂液破胶不好,均发生对地层孔隙的滞溜损害 。
为了便于排液及减少乳状液，要保持地层岩石、小颗粒及压裂砂的亲水性降低液体的界面张力注入氮或二氧化碳，以增加液体的反排能力。
措施基液或成胶物质中的不溶物防滤失剂或支撑剂的微粒由于压裂液对地层岩石的浸泡作用而脱落下来的微粒。
残渣的来源措施 在制备过程中要使用低残渣或无残渣压裂液；
在基液,管线,液罐中不准有固形物；
支撑剂的粒径范围要求应严格；
要注意交链剂与金属离子钙,镁的沉淀作用及防滤失剂的不利作用 。
(3) 残渣及其它堵塞作用三,
支撑剂：储层形成裂缝后,由携砂液输送,
携带充填至裂缝中的具有一定强度与圆球度的固体颗粒 。
作用：泵注停止并且缝内液体排出后保持裂缝处于张开状态,地层流体可通过高导流能力的支撑剂由裂缝流向井底 。
支撑剂按其力学性质分为两大类：
1） 脆性支撑剂 (如石英砂,玻璃珠等 ),特点是硬度大,变形小；
2） 韧性支撑剂 (如核桃壳,铝球等 ),特点是变形大,承压面积随之加大,高压下不易破碎 。
1,
(1) 支撑剂类型
(2) 对支撑剂的要求对支撑剂的要求主要有下述几方面 。
1) 粒径均匀 。 支撑剂粒径均匀可提高支撑剂的承压能力及渗透性 。 目前使用的支撑剂直径多半是
0.42～ 0.84 mm(40～ 20目 ),有时也用少量直径为
0.84～ 2 mm(20～ 10目 )的 。
2) 强度高 。 支撑剂组成不同,其强度也不同,强度越高,承压能力越大 。
3) 杂质含量少 。 压裂砂中的杂质是指混在砂中的碳酸盐,长石,铁的氧化物及粘土等矿物质 。 常用酸溶解度来衡量存在于压裂砂中的碳酸盐,长石和氧化铁含量；用浊度来衡量存在于压裂砂中的粘土,淤泥或无机物质微粒的含量 。
4) 砂子圆球度要好 。 砂子的球度是指砂粒与球形相近的程度,圆度表示颗粒棱角的相对锐度 。 支撑剂颗粒圆且大小大致相同时,颗粒上应力分布比较均匀,可承受的载荷比较大 。
5) 密度小 。 若密度大,在压裂液中悬浮及在裂缝中充填较困难 。
6) 来源广,价廉 。
2,填砂裂缝导流能力填砂裂缝的导流能力：是裂缝闭合后，支撑剂充填带对储层流体的通过能力。值为：
fff bKKb?)(
fK
填砂裂缝渗透率
fb
裂缝宽度
(1)
1）在室内模拟地层条件下测得 ；
2）不稳定试井方法求得 ；
3）数值模拟方法加以估计 。
(2)
支撑剂的选择如下所述 。
1) 根据油层性质和埋藏深度经室内试验确定能满足压裂增产效果的石英砂粒径及浓度 。
一般在低闭合压力下浅层可选用大颗粒支撑剂；在高闭合压力下,选用粒径较小的支撑剂；裂缝面积上高浓度的支撑剂比低浓度的支撑剂有较高的导流能力 。
2) 根据实际需求量选货源广又符合要求的砂产地,做到既经济,又来源充足 。
3) 选择合适的加砂方式,不同加砂方式要选择不同的支撑剂 。
3.
支撑剂在压裂液中的沉降规律直接影响到填砂裂缝的几何尺寸,支撑剂在缝中的分布规律及填砂裂缝的导流能力 。
(1)
斯托克斯利用浮力与阻力相等的原理,得出了无限,静止牛顿液体中颗粒以稳定匀速沉降的基本关系 。
作用在颗粒上的重力：
g
d
F fss )(
6
3
1
颗粒稳定匀速沉降时的阻力：
由 F1=F2
24
22
2
sfss dCF
fs
fss
s C
gd
v
)(
3
42?
f
fss
se
vd
R
)(
1)当 时，2(Re)
s?
ss R
C )(24
e
f
fss
s
gd
v
18
)(2?
2）当 时，
3）当 时，
5 0 0( R e )2 s
6.0)(5.18
se
s RC?
4.1
1
6.04.0
6.1
s ]
)(072.0
[v
ff
sfs gd
500)(R se? 44.0?sC
f
sfs dg
)(
74.1
sv
对于非牛顿幂律压裂液以 代则：
1 na K f?
1
22
s
18
)(
18
)(
v
n
fss
f
fss
K
gdgd
(2)
此时压裂液受到两种剪切效应，即砂子沉降剪切和液体水平流动的剪切。因此，压裂液受到的总剪切速率为,
2
2
2
1
2
1
2
2
2
1
2
)(
18
)( nfss
s K
gd
v
由于砂子在缝中并不是孤立的单一颗粒,而是在一定的浓度下,此时,一颗砂子的沉降,受到其它砂子的影响,这种条件下的沉降称为 干扰沉降 。 常用的干扰沉降速度的计算式为：
)1(82.1
2
10 LC
L
ssi
C
vv
s
L CC
01
1其中：
式中 ——干扰沉降速度,m／ s
——携砂液中液体所占的体积百分数 。
—— 地面砂浓度,指单位体积携砂液中支撑剂的质量,kg／ m3 。
siv
LC
0C
(3) 影响颗粒沉降的因素液体中多颗粒沉降时，由于粒间相互干扰作用，使多粒中的单颗粒沉降速度低于多颗粒的沉降速度。
1） 单颗粒支撑剂的沉降引起周围液体的向上流动,
阻尼了周围颗粒的下沉,砂比愈高阻尼作用愈大；
2） 混有砂子的液体混合物的密度,粘度都有所增加,
其结果是增大了颗粒的浮力及沉降的阻力,这都使沉降速度变缓 。
3） 当支撑剂在裂缝中沉降时,壁面使颗粒沉降速度变缓 。
相互干扰包括四,裂缝扩展模型建立压裂裂缝延伸模型是个相当复杂的课题，对压裂裂缝延伸的研究经历了一个逐步发展和完善的过程，由最初的线性模型发展为二维、拟三维及全三维模型。
最初研究裂缝扩展的模型是假设裂缝被限制在储层内，即压裂过程中，裂缝始终具有与储层厚度相同的高度，只在长度和宽度两个方向延伸。
具有代表性的二维模型有卡特面积公式、
PKN和 KGD模型。
图 13-4裂缝形态理论模型示意图
1,卡特面积公式卡特 (Carter)利用霍华德 (Howard)和法斯特 (Fast)
假设的裂缝形态［图 13-4(a)］，考虑液体滤失而导出了裂缝面积公式。 基本假设为：
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该点暴露于液体中的时间；
4）地层中各点的速度函数都是相同的；
5）裂缝中各点的压力相同，等于井壁储层处的注入压力。
以排量 Q 注入到裂缝中的压裂液，一部分
1) 滤失于地层的液量因为滤失量是从两个缝面滤失出去的,所以：
面积是时间的函数,上式可写为：
LQ
f
tA
LL dAtvtQ
f )(
0
)(2)(
dddAtvtQ ft LL )/()(2)(
0
fL QQQ
式中,δ——压裂液到达裂缝中某点所需的时间,s
——压裂液到达缝中某点的时刻 δ起的滤失速度,
m／ s
t——注入时间,s
——裂缝的单面面积 。
)(tAf
)(tvL
2) 使裂缝体积增加的液量 fQ
dt
dAbQ
f
f
f?
dt
dA
bd
d
dA
tvQQQ fff
t
LfL ）（0 )(2
因此用拉氏变换处理,解得：
其中 ； erfc(α)可以查表或近似计算对于垂直裂缝,
对于水平裂缝,
]12)()[ e x p (
4
)( 22
e r f c
C
Qb
tA ff
fb
tC 2?
f
f
f h
A
L
2
f
f
A
r? 裂缝半径缝高缝长
2,PKN模型珀金斯 (Perkins)和克恩 (Kern)1966年建立了垂直缝扩展模型,诺尔准 (Nordgren)1972年做了进一步改进,
考虑了流量沿裂缝的变化 。
该模型的假设条件是：
1） 缝高为常量 ;
2） 岩石具有弹塑性性质；
3） 裂缝纵向,横向呈椭圆型；
4） 垂向上无流动,裂缝垂直截面中压力恒定；
5） 沿裂缝长度某点处的应力状态与其它位置的压力分布无关 。
缝宽方程压力方程连续性方程藕合迭代求解在计算过程中
3,KGD
吉尔兹玛 (Geertsma)和德克拉克 (Deklerk)
利用克里斯丹诺维奇 (Khristianovitch)和姚尔托夫 (Zheltov)提出 动平衡裂缝 的概念,提出了裂缝扩展和延伸模型,简称 KGD模型 。
动平衡裂缝,由于水力作用裂缝慢慢地扩展,而作用在缝壁上的液体正压力会使裂缝边界处的壁面光滑地闭合 。
假设,除了与 PKN相同之外，还有：
1）裂缝以矩形断面从一个线源向外线性地延伸；
2）沿缝长的压力分布遵循层流牛顿液在窄的矩形缝中的流动方程；
3）采用英格兰 (England)与格林 (Green)提出的平面应变条件下的岩石破裂方程；
4）考虑液体的滤失。
在实际压裂过程中,裂缝的高度,长度和宽度同时增加,因此二维模型与此不相符合 。 要真实地模拟垂直裂缝在垂向和横向上的扩展,应按三维空间求解 。
五,
水力压裂优化设计是以获得最大经济净现值为目标的压裂设计,一般包括三项内容：
1) 不同缝长及裂缝导流能力下的油,气日产量
2) 确保上述缝长及裂缝导流能力的作业设计
（ 压裂液用量,支撑剂用量及加砂程序 ） ；
3) 综合 1)与 2)可获得最高净现值条件下的缝长 。
这一概念模型如图 13-5所示 。
进行这样的经济优化设计，必须以油藏模拟、裂缝模拟与经济模型等为基本手段。优选出最高经济净现值的设计方案。
压裂设计基本过程：
1）收集压裂设计所需参数 ———— 预测产量；
2）优选压裂材料 (压裂液和支撑剂 )及施工方式和规模（包括尺寸，砂分布，压裂液和支撑剂用量）；
3）确定压裂效果和最佳缝长。（在最小风险和费用下能得到最大收益的最佳缝长）。
1.
压裂设计参数分为 不可控制参数 和 可控制参数 。
不可控制参数是指无法进行调整的储层特征参数,包括：储层渗透率和孔隙度；储层净厚度；储层应力状态；储层压力和温度；储层流体特性及其饱和度；邻近遮挡层的厚度及其延伸范围和应力状态。
可控制参数是指可以加以调整来进行优化压裂设计的完井特征参数,包括：井筒套管、油管及井口状况；井下设备；射孔位置和射孔数；压裂液和支撑剂；施工排量等。
1) 普拉兹 (Platz)认为如果裂缝的导流能力及填砂裂缝的长度是有限的,此时裂缝相当于增加了井的有效半径 。
如果井半径较小,填砂裂缝又具有较高的导流能力,井的有效半径可按缝长的 1／ 4来计算 。 压裂后井的增产倍数可表示为：
)
25.0
ln (
ln
0
f
e
w
e
f
L
r
r
r
q
q
压裂前的稳定产量压裂后的稳定产量
2.
(1) 垂直裂缝
2) 如裂缝的单翼缝长小于供油半径的 1／ 10，
即 时,可采用下式计算
ef rL 1.0?
f
e
f
f
f
w
e
o
f
L
r
K
bK
K
bK
L
r
r
q
q
ln]
)(
)(
ln [
)ln (
3) 麦克奎尔 (McGuire)与西克拉 (Sikora)作出了电模拟曲线，如图 13-6；该曲线的拟合方程为：
)
59
(a rc t a n1]
)4 7 2.0ln (
13.7
[
Mr
L
M
r
rJ
J
e
fe
w
eo
f
)]3/ln (5 2 4.0a r c t a n [09.627.7 XM
4
3
104 7 1.2
40)(
1028.3
FK
bK
X f
其中
***（ 1）低渗层（ K<10-3um2），因为容易得到较高的裂缝导流能力比值，欲提高压裂效果，应以增加裂缝长度为主。这是压裂低渗、特低透层采取大型压裂技术增加缝长的根据。
***（ 2）高渗层，不容易得到较高的裂缝导流能力比值，欲提高压裂效果，应提高 (Kb)f，片面追求长 Lf得不到好的效果。
***（ 3）对一定缝长，存在一个最佳裂缝导流能力，超过该值而增加裂缝导流能力的效果甚微。
***（ 4）无伤害井的最大增产比为 13.6倍。
(2) 水平裂缝比尔登 (Bearder)认为如果压出的是对称的水平裂缝,则可用下述两种方法预测产量 。
1) 相当于扩大的井径 压裂后的稳定生产能力,相当于将井径扩大到裂缝的半径,此时利用径向流动公式：
f
e
f
r
r
pKh
q
ln
2
2) 相当于在地层中存在不连续的径向渗透率如果在裂缝半径内的压降为,供油半径至裂缝半径处的压降为,则从供油半径到井底的总压降为,平均渗透率 为：
1p?
2p?
21 pp avK
f
e
w
f
f
w
e
av
r
r
Kr
r
K
r
r
K
ln
1
ln
1
ln
增产倍数可近似的表示为：
KKqq avf // 0?
3.
压裂设计所需裂缝参数是缝高、支撑缝长和平均支撑缝宽、或者支撑缝宽度剖面。如前所述，缝高是用目前技术只能做粗略测量的一个参数。
4,砂子在裂缝中的运移及分布砂子在缝中的移动,主要受重力与液流携带力的控制 。 重力企图使砂子沉降下来,携带力则将砂子送至裂缝深处 。
压裂液粘度高,砂子在液体中呈悬浮状态,
在相当长的施工过程中,砂子很少或基本上没有沉降,液体所到之处,皆有砂子 。
由于液体的滤失,离井轴愈远,该处的砂子浓度愈高 。 若压裂液粘度不足以使砂子悬浮,砂子进入裂缝后,逐渐沉降下来 。
(1)
裂缝中砂子的理论分布主要有全悬浮式和垂直缝沉降式两种 。
1)
压裂的要求：停泵时支撑剂在缝中仍呈悬浮状态，
缝内各处都有一定的导流能力。
若加砂浓度不变,由于压裂液的滤失，缝中的砂分布就会出现缝端部砂浓度 (砂比 )过高，甚至在缝内发生砂卡，而在近井地带的缝内砂浓度又不足以造成足够的导流能力。
措施,1） 应顺序地改变地面加砂浓度 (砂比 )，
以满足缝中砂浓度的分布；
2） 将携有砂子的液体的总体积分成若干个单元体积 (相当于分若干批加砂 ),改变每个单元体积的砂浓度,就可以大体上保证缝中出现近似相同的砂浓度 。
2) 垂直缝沉降式砂子分布水平方向携带力重力浮力砂子受力 若低粘液体重力 >>浮力则砂沉降形成砂堤携砂液的过流断面提高了流速 颗粒停止沉降平衡状态 在砂堤上面的混砂液流速为在此流速下 颗粒的沉积与被卷起处于动平衡状态当达到使砂悬浮时平衡流速减少达到
(2)
因为砂子粒径不是均等，流速在裂缝中是变化的，粘度也不能保持恒定，这样就出现了复杂的布砂现象。有的砂沉下来，有的砂还被携带着往远处流动，直到流速低于该粒径的平衡流速，砂子即下沉。
5.
（ 1）压裂液的选择（应考虑的五个技术因素 ）
即粘度、液体摩阻损失、滤失、返排及其与储层岩石和流体的配伍性，另需考虑的两个因素是费用和来源。
（ 2） 支持剂基本要求,是要能得到高导流能力 。 国内常用的支撑剂有石英砂和陶粒,可按压裂设计要求选择 。
6,油藏 (区块 )
低渗油藏总体优化压裂设计 是在某一设置的缝长情况下,研究该缝长对扫油效率的影响,最大限度地延长无水采油期,获得较长期的高产稳产 。
1) 把油藏总体作为一个 工作单元 (而不是以单井作为工作单元 ),优化的 目标函数 是 达到油藏总体的最高经济效益 。
2) 对实际上在地层中形成的裂缝是否达到优化 设计的预期结果进行量化分析,并评估一二次采油期的 产量 (注入量 )是否达到优化设计的预测结果 。
显然,具体的油藏应有其具体的优化方案,不存在一个通用的总体优化模式 。
对低渗油藏,压裂设计的基础应立足并满足油田开发方案的各项要求 。 如在吐哈鄯善油田,低渗油藏的总体压裂研究就是基于已有的五点法开发井网系统,使油藏总体在注水开发期取得最高的经济效益,满足最大限度地提高水驱油藏的扫油效率,达到较长时期的稳产,
高产 。
其设计步骤是：
① 对油藏地质资料进行压前地层评估与材料选择取得优化设计计算的基本输入数据；
② 再使用油藏模拟,水力压裂模拟与经济模型进行一次采油期的 经济优化缝长 设计与 产量预测 ；
③ 然后根据优化缝长 (包括已确定的导流力 )使用黑油模型进行二次采油期的扫油效率及其产量预测,若取得优化结果则可完成最终报告 。 但若处理后发现扫油效率下降,不能获得持续较长时间的无水采油期与长期的高产稳产 。
7.
以上介绍的压裂设计是一种针对常规均质油藏设计方法,人们可以此为基础,对所有的井进行施工设计 。 但对天然裂缝性油藏,不希望的缝高延伸和蔬松储层的压裂有许多限定条件,需特殊考虑 。
(1)
许多天然裂缝性油藏有很高产量，因而无需进行水力压裂即可增加开采量。但对有些具有中等的天然裂缝密度的油藏，为了经济开发，依然需要压裂。天然裂缝性油藏对加砂压裂施工有显著的影响，这些天然裂缝可大大增加压裂液滤失速度，从而导致砂堵。为了成功地进行泵注作业，需泵入足够量的前置液，从而产生大于支撑剂体积的裂缝体积，或有足够大的排量以弥补滤失掉的液体。
(2)
有时缝高的延伸并非是人们所希望的 。 有些压裂层段附近存在气或水,一旦与延伸的裂缝相遇就会被产出 。 另外,由于缝高增加,缝长受损,使作业费用增加 。 此时,为减少不希望的缝高延伸,可降低施工排量和井底施工压力 。
(3)
在松软或松散的岩层中压裂,由于支撑剂的嵌入或与油藏物质相混,使支撑缝导流能力下降 。 为减少这种可能性,可使用较高的支撑剂浓度,或者铺置一个平衡堤,以产生最大的支撑缝宽 。 另一种方法是使用环氧树脂涂层的石英砂,通过形成一个真正牢靠的支撑剂堤来保证裂缝的完整性 。 如果不可能出现垂向缝高延伸,可利用低粘液体来形成平衡的支撑砂提,
获得更宽的支撑缝 。
六,
压裂是靠在地层中造出高渗透能力的裂缝,
从而提高地层中流体的渗流能力 。 从一口井的增产来说,压裂主要解决有一定能量的低渗透地层的产量问题或井底堵塞而影响生产的井 。
选井要求,有足够的地层压力,油饱和度及适当地层系数的井； 另外选井要注意井况,包括套管强度,距边水,气顶的距离,有无较好的遮挡层等 。
在选井层的基础上,还要妥善地解决一些工艺技术的问题,保证压裂设计的顺利执行 。
1.
对多油层的油井压裂,在多层情况下,要进行分层压裂 。 利用封隔器的机械分层方法,暂堵剂的分层方法,
限流法或填砂法都可以进行分层压裂作业 。
(1)
方法：堵球法分层压裂是将若干堵球随液体泵入井中,
堵球将高渗透层的孔眼堵住,待压力蹩起,即可将低渗层压开 。
特点：可在一口井中多次使用,一次施工可压开多层 。
施工结束后,井底压力降低,堵球在压差的作用下,可以反排出来 。
优点是省钱省时,经济效果好 。
(2)
使用封隔器一次多层压裂的施工方法已被广泛采用 。 共有三种方法,即 憋压分层压裂,上提封隔器分层压裂,滑套分层压裂 。
憋压分层压裂 是用几个封隔器隔开欲压的各个层段，在每个上封隔器的下面接一个单流凡尔球座，在球座下面的封隔器上安一个带喷嘴的短节，
喷嘴用铜皮封隔。压裂时，先压最下面一层，然后投球封闭底层，再憋压将第二层压开，依次将各层压开。憋压法压裂一次可压 3层。
上提封隔器分层压裂 是用封隔器预先按施工设计卡开井下需要压裂的最下 1～ 2个层段，压完后停泵使封隔器胶筒收缩，然后再按预先设计好的上提深度起出部分油管，启泵再进行上一个层段的压裂施工。
滑套分层压裂 自下而上进行,首先压裂最下层,压完后不停泵,用井口投球器投一钢球,使之坐在最下面喷砂器的上一级喷砂器的滑套上,憋压剪断销钉后,滑套便会落入下一级喷砂器上,使出液通道封闭,从而压裂第二层,依次类推,可实现多层压裂 。
(3)
限流法分层压裂工艺 是当一口井中具有多层而各层之间的破裂压力有一定差别时,通过严格控制各层的孔眼数及孔径的办法,限制各层的吸水能力以达到逐层压开的目的,最后一次加砂同时支撑所有裂缝 。
特点,是在完井射孔时,按照压裂的要求设计射孔方案 (包括孔眼位置,孔密度及孔径 ),从而使压裂成为完井的一个组成部分 。 由于严格限制了炮眼的数量和直径以及层内局部射开和层间同时压开,使得该工艺对套管和水泥环的损害较小,一般不会导致串槽 。
2,高砂比,
高砂比,端部脱砂及重复压裂方式都与增加缝中的铺砂浓度有关,都属于高砂比压裂的范畴,
但是它们在施工工艺及理论上还有一定差别 。
(1)
所谓高砂比压裂 是指裂缝内砂浓度大于 10
kg/m3的压裂 。 主要用于 高渗油气层的压裂和重复压裂 。
目的,是要造成高导流能力的裂缝,从而提高压裂的增产效果 。
1) 大粒径高砂比压裂 。 大粒径高砂比压裂 基本思想 是先压入大量前置液,使地层形成较宽的裂缝,然后泵入携带有高浓度大粒径支撑剂的高粘携砂液,充满裂缝各处,形成具有较高导流能力的裂缝 。
2) 超高砂比压裂 。 超高砂比压裂程序是在压裂前首先对油井及附近地层进行 酸化预处理,以清除堵塞及井底附近钙质沉淀物,同时 扩大压裂井段孔眼直径,加密孔眼数 以防止注入的高砂比携砂液在井底形成砂堵 。 通过 增加前置液量产生较宽的裂缝,使高砂比携砂液在缝内形成高浓度支撑缝段,提高裂缝导流能力 。
超高砂比压裂方法的应用,使缝内支撑剂浓度由常规压裂的小于 10 kg/ m3增加到 35 kg/ m3 。
高砂比压裂设计的关键是要造成 高导流能力的裂缝 。 要达到这个目的,除了要有 良好的压裂设备和工艺条件外,还要根据高渗地层的特点,确定合适的加砂浓度,携砂液,支撑剂和前置液用量以及地面加砂程序 (防止砂堵 ),以保证施工的顺利进行 。
(2) 端部脱砂压裂端部脱砂压裂工艺技术的 特点 是有意在一定缝长的端部 (周边 )形成砂堵,阻止裂缝向前延伸,同时以一定的排量继续泵入不同支撑剂浓度的压裂液,迫使裂缝,膨胀,获得较宽的裂缝和较高的砂浓度,达到提高导流能力的目的 。
在 高渗层中进行压裂的原则 应是缝相对较短而导流能力要求很高 。
在一定闭合压力下,选择适当的支撑剂类型,粒径,并选用闭合后对填砂裂缝伤害最小的压裂液体系,有可能得到需要的填砂渗透率 。
如果考虑到支撑剂的嵌入,破碎及微粒迁移等各种因素增加支撑剂的层数,亦即增加缝内支撑剂的浓度,这将是保证高渗透率的有效措施,
但此时必然会导致缝宽增大 。 因此提高填砂裂缝导流能力必然是缝宽与填砂裂缝渗透率同时提高的结果 。
当缝长延伸到设计长度时，也正是前置液完全滤失于地层的时刻。后到的携砂液到达此处后，由于液体的迅速滤失，形成难以流动的砂堆，随即发生砂堵。继续泵入携砂液，由于缝端被堵没有出路，致使裂缝加宽、膨胀，并在缝中填满了支撑剂。图 13-10是比较典型的端部脱砂压裂过程中压力的变化。随着地层破裂，
裂缝延伸，压力不断升高之后，接着是压力下降，这是由于随着长度的增加，造成过多的滤失所致。前置液完全滤失后在端部形成砂堵，
图上出现在施工后期压力迅速上升即描述此过程，此时形成的动缝宽可能有常规压裂的 2倍。
常规开采的出砂井，由于井底附近径向流所引起的巨大压降，使液流作用在砂粒上的拖曳力超过砂子之间的粘着力而进入井中，砂层被破坏。这种不稳定性会导致井底附近渗透率变差、产量减少、作业工作量加大等一系列问题。端部脱砂技术能降低井底附近的压降梯度，
也能收到砾石充填支撑砂层的作用。端部脱砂技术的使用条件是被深度污染且酸化不可能有效解除的中高渗地层；不适于采用酸化处理的地层；存在底水、气顶或靠近注水井的地层或由于缝高及缝长的限制，不可能进行大规模压裂的油井；胶结疏松的易出砂地层。
(3) 重复压裂经初次压裂的井层，其增产能力在有效的年限内将会失效，为恢复或提高初次压裂井的生产能力，要采用重复压裂技术。重复压裂限于已经压裂地层的重复，不是指采用各种分层压裂措施，将井中的其它小层压开。在一定条件下,由于初次压裂的裂缝引起了近井地带孔隙压力的重新分布和支撑的裂缝使地应力场改变 。应力场的变化在一定范围内有可能使复压
1)
垂直于最小主应力的裂缝在两个水平主应力方向上都诱发压应力 。 最大的诱发应力的大小等于裂缝闭合后作用在支撑剂上的净压力 (超出闭合压力的值 )并垂直于缝面 。 裂缝的存在对应力场的影响,随着远离缝面而迅速减小 。
为了使复压裂缝与初压裂缝在方位上有差别,应使诱发的压应力足够大,致使两个水平应力分量发生变化,导致原最小主应力变成最大主应力 。 此时 重复压裂的裂缝方位则垂直于初压裂缝方位 。 如果作用在支撑剂上的净压力不大,上述机制只能在两个主应力差值相差不大的情况下才能发生 。 由于压应力离开裂缝后,随距离的增加迅速减小,有可能使新生的裂缝又重新转向,平行于初压裂缝 。
2) 生产诱发的应力场由于从初次压裂的裂缝中产出液体，在裂缝周围油藏中的压力梯度发生变化，也影响到应力场。如果应力场的某点单元岩石受到限制，
该点应力的降低值与该点的压降成正比。在裂缝附近，平行或垂直于缝面上都会有由于孔隙压力的变化而诱发出来的张应力。但此张应力被稍远于裂缝的压应力所抵销，如果由于孔隙压力诱发的应力差大于原先存在的两个平面上的最大与最小主应力差，那么这两个应力就要换向。此时的复压裂缝将垂直于初压裂缝。
如果生产时的井底流压不变,随着生产的继续,受压力影响的地区,将离裂缝向远处扩展 。 同时随着张应力在水平面上影响距离的增加,在缝面上诱发的应力,先是增加,然后减少 。 应力差改变所需的时间幅度取决于距井眼的距离与地层的性质 。 在诱发张应力影响区域之外,重复压裂的裂缝还要平行于初次压裂的裂缝延伸 。 随后压应力影响的范围已扩展到远离裂缝的地区,在裂缝转向平行于初压裂缝之前,已经延伸到相当远的位置 。
在以后的时间里,诱发的张应力可能已无力超过原先在离井某距离的最大最小主应力差,
在此位置上复压裂缝的方位将开始稍有转向 。
因此可以说原先两个主应力差比较小时,复压裂缝在垂直于初压裂缝的方向上得到最大延伸 。
在初次压裂后的 3.5～ 5年是复压裂缝转向的有利时机,此时压力差达到了改变符号的最大值,
复压裂缝在转向前一般可达 90 m长 。 从孔隙压力垂向分布上看,复压裂缝的端部已穿透到高孔隙压力区,这是提高产量的有利保证 。
3,用人造阻挡层控制裂缝高度人造阻挡控制缝高是指在压裂液中加入一种固体添加剂,在裂缝的上部形成一个人工阻挡条带,
用以起到阻挡层的作用 。 该工艺方法的基础是裂缝中的流体流动遵守沿阻力最小的流道流动的法则 。
如果要防止裂缝向下延伸,则使用较重的支撑剂输入到新生的裂缝底部,此后压裂液就能导向向裂缝上部流动 。 利用比重小的固体颗粒在裂缝的液体中靠浮力自动进入裂缝的高部位形成一条人造阻挡带,
以控制裂缝向上延伸 。 这种固体添加剂在泵入支撑剂之前泵入使它聚集在新生缝的顶部 。 由于这种人工阻挡条带部分阻挡了缝内高压向上部地层的传递,
因此可以适当地提高处理压力而不会招致裂缝向上延伸的风险 。
增产原理：油气向井的径向流从地层 裂缝从裂缝 井底作用由径向流变为两个单相流，节约了能耗。
连通地层深处解除近井地带污染一,
在压裂中，了解裂缝的形成条件，裂缝形态及方向对有效地发挥压裂在增产，增注中的作用是极为重要的。但由于地下条件的复杂性，虽然进行了大量的研究，但仍未得到较好的解决。
地层中造缝的影响因素 井底附近的地应力及其分布岩石力学性质及压裂液的渗滤性质注入方式
1,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 。 作用在地下某单元体上的力有垂向主应力 及水平主应力 (其中又分为互相垂直 的和 )。
(1) 应力
① 垂向应力,作用在单元体上的垂向应力来自上覆岩层的重量,其数值约为
z?
H?
x? y?
])1[( fma ΦρρΦHgz?
H：地层深度； φ,孔隙度；
由于油气层中均有一定的孔隙压力 pp(即地层压力或流体压力 )，部分上覆岩层的压力 σz被多孔介质中的流体压力支持。
② 故有效垂向应力可表示为：
③根据广义虎克定律，则可求出岩石的有效水平应力为：
=
pzze p
Zexe
1
推导：在 σxe,σye,σze 作用下，单元体在 x轴方向上的应变为：
)]([
1
1
zeyexe
zeye
xe
xzxyxxx
E
EEE
因为存在侧向应力的限制，侧向应变为 0，
令 得
yx
Zexe
1
(2)
受地质构造影响发生很大的变化，各个方向的应力也彼此不等。
如果岩石单元体是各向同性材料，岩石破裂时的 裂缝方向总是垂直于最小主应力轴 。
(3)
1)
在地层中钻井以后,破坏了原始应力的平衡状态,使得井壁上及其周围地层中的应力分布发生变化 。 为了简化,将地层中的三维应力问题用二维方法来处理,并近似地直接采用弹性力学中双向受力的无限大平板中钻有一个圆孔时的应力计算公式来分析井壁应力,
圆孔周向的应力分布,
2c o s)31(
2
)1(
2 4
4
2
2
r
a
r
a yxyx
A）当 r=a且 σx=σy=σH时,σφ=2σx=2σy=2σH
说明圆孔壁上各点的周向应力相等,与 φ值无关 。
B)当 r=a,σx >σy 时，
xy 3)()( m i n180,0
yx 3)()( m a x2 7 0,90
随着 r的增加,周向应力迅速降低,如图 13-2(b)
所示 。 大约在几个圆孔直径之外,即降为原地应力值,
孔壁上的应力比远处的大得多,这就是在压裂中地层破裂压力大于延伸压力的一个重要原因 。 即：
Hr)(
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。
简化,若把井筒周围的岩石看作是一个具有无限壁厚的厚壁圆筒,假设材料是弹性的,根据弹性力学中的拉梅公式 (拉应力取负号 ),当厚壁筒外边界半径 re→∞,厚壁筒外边界压力 Pe=0时,井壁上 r=a处的周向应力,
iw fp
)(
)(
222
22
22
22
ae
eaie
ae
aiee
rrr
rrpp
rr
rprp
式中 ——注入时的井底压力 。
即井筒内压引起的井壁周向应力与内压大小相等，符号相反。
iwfP
3) 压裂液径向渗入地层所引起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,形成了一个附加应力区,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：
1
21)(
Pi w f pp
f
fs
C
C 1?
岩石骨架压缩系数岩石体积压缩系数其中：
4)
显然在地层破裂前,井壁上 ( =0° 和 =180° 处 )
1
21)()3(
Pi w fi w fxy ppp
总周向应力：
总垂向应力：
1
21)(
pi w fzZ pp
2,造缝条件为使地层破裂,必须使井底压力高于井壁上的总应力及岩石的抗张强度 。
(1) 形成垂直裂缝条件,如果地层的破裂属于纯张力破坏,那么随井内注入压力 的不断增加,当 达到或超过井壁附近地层的最小周向应力及岩石水平方向的抗张强度时,在垂直于水平周向应力的方向上产生垂直裂缝,即：
iwfp iwfp
hT?
h
ti w fp
1
21
)()3( Pi w fi w fxy ppp其中：
即：
h
tPi w fi w fxyi w f pppp
1
21)(3
1）当有滤失时：用代入上式有：
pyye p pxxe p
1
21
2
3 hTxeye
pi w f pp
2）无滤失时：
有
0
1
21)(?
pi w f pp
2
3 hTxeye
pi w f pp
垂直裂缝产生于井筒相对应的两点上 ( =0° 和
180° ),这就是为什么在理论上假定垂直裂缝以井轴为对称的两条缝的原因 。 实际上多数情况是不对称的 。
(2) 形成水平裂缝条件,当注入压力达到或超过井壁附近地层的最小垂向应力及岩石的垂向抗张强度时,在垂直于垂向应力的方向上产生水平裂缝,其条件为：
v
Tze
1
21)(
pi w fzZ pp
1）存在滤失时：
v
T1
21)(
pi w fzi w f ppp
1
21
1
v
T
f
ze
ppp
2）无滤失时：
pzze p
)( vT zepi w f pp
***有滤失时小于无滤失时的。
i w fzze p
h
T zi w fp
v
Tze
二,
压裂液是为造缝与携砂使用的液体，是水力压裂的关键组成部分。
压裂液是一个总称,根据其在压裂过程中的任务不同可分为 前置液,携砂液 和 顶替液 。
1） 前置液,作用是破裂地层并造成一定几何尺寸的裂缝以备后面的携砂液进入,它还起到一定的降温作用 。
有时为了提高前置液的工作效率,在一部分前置液中加细砂以堵塞地层中的微隙,减少液体的滤失 。
2） 携砂液,作用是将支撑剂带入裂缝中并将砂子放到预定位置上去 。 在压裂液的总量中,这部分占的比重较大 。 有造缝及冷却地层的作用 。
3） 顶替液,作用是打完携砂液后,用于将井筒中全部携砂液替入裂缝中 。 中间顶替液用来将携砂液送到预定位置,并有预防砂卡的作用 。
对于占总液量绝大多数的前置液及携砂液,必须具备如下的性能要求：
1) 滤失少 压裂液的滤失性主要 取决于它的粘度与造壁性,粘度高则滤失少 。 在压裂液中 添加防滤失剂,能改善造壁性并大大减少滤失量 。
2) 悬砂能力强 压裂液的悬砂能力主要 取决于粘度,压裂液只要有足够高的粘度,砂子即可完全悬浮,这对砂子在缝中分布是非常有利的 。
3) 摩阻低 压裂液在管道中的摩阻愈小则在设备功率一定的条件下,利用造缝的有效功率愈大 。 摩阻过高不仅降低了有效功率的利用,且由于井口压力过高,排量降低 。
4) 稳定性 压裂液应具有 热稳定性,不能由于温度的升高而使粘度有较大的降低；液体还应有 抗机械剪切 的稳定性,不因流速的增加而发生大幅度的降解 。
5) 配伍性 压裂液进入地层后与各种岩石矿物及流体相接触,不应产生不利于油气渗滤的物理 —化学反应 。
6) 低残渣 要尽量降低压裂液中水不溶物的数量,以免降低岩石及填砂裂缝的渗透率 。
7) 易反排 施工结束后大部分注入液体反排出井外,排液愈完全,效果愈好 。
8) 货源广 便于配制,价钱便宜 。
1.
随着水力压裂技术的发展,压裂液由最初的原油和清水逐步发展为目前经常使用的水基,油基,酸基压裂液及泡沫压裂液等 。
(1) 水基压裂液水基压裂液主要是用水溶胀性聚合物作为成胶剂，
制成能悬浮支撑剂的稠化溶液，具有粘度高、摩阻低及悬砂能力强的优点。
缺点：但热稳定性和机械剪切稳定性较差。为了克服这
(2) 油基压裂液
a.矿场原油或炼厂粘性成品油
b.稠化油,稠化油 =油（原油、汽油、柴油、煤油、凝析油 ） +稠化剂（脂肪酸铝皂、磷酸酯铝盐 ）
(3) 多相压裂液
1） 泡沫压裂液外相,水,水基溶胶或水基冻胶内相：气体优点：对地层伤害小,携砂能力和造缝能力强,易于反排,摩阻低等特点 。
缺点：所需注入压力高 。
2) 乳化压裂液乳状液是用表面活性剂稳定的两相非混相液的一种分散体系 。
优点：携砂能力强、粘度高、热稳定性好、对地层损害小、排液快 。
缺点：摩阻大、成本高
(4) 酸基压裂液用植物胶或纤维素稠化酸液得到稠化酸或用非离子型聚丙烯酰胺在浓盐酸溶液中,以甲醛交链而得到酸冻胶 。
酸基压裂液适宜于碳酸盐类油气层的酸压 。
2.
压裂液滤失是指在裂缝与储层的压差作用下压裂液向储层中的滤失 。
主要受三种因素的控制压裂液的粘度地层岩石及流体的压缩性压裂液的造壁性 。
(1)
当压裂液的粘度大大超过地层油的粘度时 （ 即：
） 时,压裂液的滤失速度主要取决于压裂液的粘度,压裂液在多孔介质中的实际渗流速度 va
为：
oa
dt
dL
L
pKv
a
a?
dtpKL d L
L t
a
0 0
a
ptK
L
2
代入达西公式：
令 则
2
1
2
1
)
2
(
)
2
(
t
pK
ptK
pK
L
pK
v
a
a
a
a?
2
1
1 )2(
a
pK
C
t
Cv 1?
(2)
当压裂液的粘度接近于地层流体的粘度时,即
（ ） 时,压裂液的滤失主要取决于地层流体的压缩性 。 这是因为流体受到压缩,让出一部分空间,压裂液才得以滤失进来 。
Δq 以为因压力降低 Δp 所引起的液体的膨胀 dV(忽略岩石的体积膨胀 ),则单元地层体积内液体的体积 V为,
oa
dt
dp
AC
dx
dt
dv
Vd pCdVdxAV
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2
2
2
2
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2
令对无限地层,边界压力为常数的解为：
)
2
(
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t
x
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ptxp e
上式对 x求导得缝壁面上的压力梯度值：
t
p
x
p
x
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t
C
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KC
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x
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a
x
a
x
a
2
2
1
2
00
)(
)(
)(
则令壁面处：
(3) 具有造壁性压裂液的滤失系数 C3
有的压裂液具有很好的造壁性，其中添加有防滤失剂 (硅粉或沥青粉等 )，能在壁面上形成滤饼，
有效地降低滤失速度，其滤失系数由实验方法确定 。
(4)综合滤失系数 C
根据水电相似原理 有
321
1111
CCCC
3,压裂液对地层渗透性的伤害及防止措施
1）对地层情况了解不够
2）对压裂液选择不当
3）用于改善压裂液性能的添加剂针对性不强压裂效果不理想或失败造成压裂液对地层渗透性的伤害主要有下述原因 。
(1)
压裂液配伍性：指压裂液与岩层和流体接触时，
无不利于油、气渗流的物理化学反应。
压裂液对岩石、胶结物等固体物质的溶解粘土膨胀小颗粒脱落堵塞孔隙与地层流体相遇后产生沉淀伤害措施对粘土地层，应添加防粘土膨胀剂用水基压裂液压裂油层时，使用活性剂来防止乳状液的形成。
(2) 压裂液在孔隙中的滞溜若高粘油基压裂液进入地层后,反排不完全或水基压裂液破胶不好,均发生对地层孔隙的滞溜损害 。
为了便于排液及减少乳状液，要保持地层岩石、小颗粒及压裂砂的亲水性降低液体的界面张力注入氮或二氧化碳，以增加液体的反排能力。
措施基液或成胶物质中的不溶物防滤失剂或支撑剂的微粒由于压裂液对地层岩石的浸泡作用而脱落下来的微粒。
残渣的来源措施 在制备过程中要使用低残渣或无残渣压裂液；
在基液,管线,液罐中不准有固形物；
支撑剂的粒径范围要求应严格；
要注意交链剂与金属离子钙,镁的沉淀作用及防滤失剂的不利作用 。
(3) 残渣及其它堵塞作用三,
支撑剂：储层形成裂缝后,由携砂液输送,
携带充填至裂缝中的具有一定强度与圆球度的固体颗粒 。
作用：泵注停止并且缝内液体排出后保持裂缝处于张开状态,地层流体可通过高导流能力的支撑剂由裂缝流向井底 。
支撑剂按其力学性质分为两大类：
1） 脆性支撑剂 (如石英砂,玻璃珠等 ),特点是硬度大,变形小；
2） 韧性支撑剂 (如核桃壳,铝球等 ),特点是变形大,承压面积随之加大,高压下不易破碎 。
1,
(1) 支撑剂类型
(2) 对支撑剂的要求对支撑剂的要求主要有下述几方面 。
1) 粒径均匀 。 支撑剂粒径均匀可提高支撑剂的承压能力及渗透性 。 目前使用的支撑剂直径多半是
0.42～ 0.84 mm(40～ 20目 ),有时也用少量直径为
0.84～ 2 mm(20～ 10目 )的 。
2) 强度高 。 支撑剂组成不同,其强度也不同,强度越高,承压能力越大 。
3) 杂质含量少 。 压裂砂中的杂质是指混在砂中的碳酸盐,长石,铁的氧化物及粘土等矿物质 。 常用酸溶解度来衡量存在于压裂砂中的碳酸盐,长石和氧化铁含量；用浊度来衡量存在于压裂砂中的粘土,淤泥或无机物质微粒的含量 。
4) 砂子圆球度要好 。 砂子的球度是指砂粒与球形相近的程度,圆度表示颗粒棱角的相对锐度 。 支撑剂颗粒圆且大小大致相同时,颗粒上应力分布比较均匀,可承受的载荷比较大 。
5) 密度小 。 若密度大,在压裂液中悬浮及在裂缝中充填较困难 。
6) 来源广,价廉 。
2,填砂裂缝导流能力填砂裂缝的导流能力：是裂缝闭合后，支撑剂充填带对储层流体的通过能力。值为：
fff bKKb?)(
fK
填砂裂缝渗透率
fb
裂缝宽度
(1)
1）在室内模拟地层条件下测得 ；
2）不稳定试井方法求得 ；
3）数值模拟方法加以估计 。
(2)
支撑剂的选择如下所述 。
1) 根据油层性质和埋藏深度经室内试验确定能满足压裂增产效果的石英砂粒径及浓度 。
一般在低闭合压力下浅层可选用大颗粒支撑剂；在高闭合压力下,选用粒径较小的支撑剂；裂缝面积上高浓度的支撑剂比低浓度的支撑剂有较高的导流能力 。
2) 根据实际需求量选货源广又符合要求的砂产地,做到既经济,又来源充足 。
3) 选择合适的加砂方式,不同加砂方式要选择不同的支撑剂 。
3.
支撑剂在压裂液中的沉降规律直接影响到填砂裂缝的几何尺寸,支撑剂在缝中的分布规律及填砂裂缝的导流能力 。
(1)
斯托克斯利用浮力与阻力相等的原理,得出了无限,静止牛顿液体中颗粒以稳定匀速沉降的基本关系 。
作用在颗粒上的重力：
g
d
F fss )(
6
3
1
颗粒稳定匀速沉降时的阻力：
由 F1=F2
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22
2
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3
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2）当 时，
3）当 时，
5 0 0( R e )2 s
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1
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f
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)(
74.1
sv
对于非牛顿幂律压裂液以 代则：
1 na K f?
1
22
s
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)(
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)(
v
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f
fss
K
gdgd
(2)
此时压裂液受到两种剪切效应，即砂子沉降剪切和液体水平流动的剪切。因此，压裂液受到的总剪切速率为,
2
2
2
1
2
1
2
2
2
1
2
)(
18
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s K
gd
v
由于砂子在缝中并不是孤立的单一颗粒,而是在一定的浓度下,此时,一颗砂子的沉降,受到其它砂子的影响,这种条件下的沉降称为 干扰沉降 。 常用的干扰沉降速度的计算式为：
)1(82.1
2
10 LC
L
ssi
C
vv
s
L CC
01
1其中：
式中 ——干扰沉降速度,m／ s
——携砂液中液体所占的体积百分数 。
—— 地面砂浓度,指单位体积携砂液中支撑剂的质量,kg／ m3 。
siv
LC
0C
(3) 影响颗粒沉降的因素液体中多颗粒沉降时，由于粒间相互干扰作用，使多粒中的单颗粒沉降速度低于多颗粒的沉降速度。
1） 单颗粒支撑剂的沉降引起周围液体的向上流动,
阻尼了周围颗粒的下沉,砂比愈高阻尼作用愈大；
2） 混有砂子的液体混合物的密度,粘度都有所增加,
其结果是增大了颗粒的浮力及沉降的阻力,这都使沉降速度变缓 。
3） 当支撑剂在裂缝中沉降时,壁面使颗粒沉降速度变缓 。
相互干扰包括四,裂缝扩展模型建立压裂裂缝延伸模型是个相当复杂的课题，对压裂裂缝延伸的研究经历了一个逐步发展和完善的过程，由最初的线性模型发展为二维、拟三维及全三维模型。
最初研究裂缝扩展的模型是假设裂缝被限制在储层内，即压裂过程中，裂缝始终具有与储层厚度相同的高度，只在长度和宽度两个方向延伸。
具有代表性的二维模型有卡特面积公式、
PKN和 KGD模型。
图 13-4裂缝形态理论模型示意图
1,卡特面积公式卡特 (Carter)利用霍华德 (Howard)和法斯特 (Fast)
假设的裂缝形态［图 13-4(a)］，考虑液体滤失而导出了裂缝面积公式。 基本假设为：
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该点暴露于液体中的时间；
4）地层中各点的速度函数都是相同的；
5）裂缝中各点的压力相同，等于井壁储层处的注入压力。
以排量 Q 注入到裂缝中的压裂液，一部分
1) 滤失于地层的液量因为滤失量是从两个缝面滤失出去的,所以：
面积是时间的函数,上式可写为：
LQ
f
tA
LL dAtvtQ
f )(
0
)(2)(
dddAtvtQ ft LL )/()(2)(
0
fL QQQ
式中,δ——压裂液到达裂缝中某点所需的时间,s
——压裂液到达缝中某点的时刻 δ起的滤失速度,
m／ s
t——注入时间,s
——裂缝的单面面积 。
)(tAf
)(tvL
2) 使裂缝体积增加的液量 fQ
dt
dAbQ
f
f
f?
dt
dA
bd
d
dA
tvQQQ fff
t
LfL ）（0 )(2
因此用拉氏变换处理,解得：
其中 ； erfc(α)可以查表或近似计算对于垂直裂缝,
对于水平裂缝,
]12)()[ e x p (
4
)( 22
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C
Qb
tA ff
fb
tC 2?
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f
f h
A
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2
f
f
A
r? 裂缝半径缝高缝长
2,PKN模型珀金斯 (Perkins)和克恩 (Kern)1966年建立了垂直缝扩展模型,诺尔准 (Nordgren)1972年做了进一步改进,
考虑了流量沿裂缝的变化 。
该模型的假设条件是：
1） 缝高为常量 ;
2） 岩石具有弹塑性性质；
3） 裂缝纵向,横向呈椭圆型；
4） 垂向上无流动,裂缝垂直截面中压力恒定；
5） 沿裂缝长度某点处的应力状态与其它位置的压力分布无关 。
缝宽方程压力方程连续性方程藕合迭代求解在计算过程中
3,KGD
吉尔兹玛 (Geertsma)和德克拉克 (Deklerk)
利用克里斯丹诺维奇 (Khristianovitch)和姚尔托夫 (Zheltov)提出 动平衡裂缝 的概念,提出了裂缝扩展和延伸模型,简称 KGD模型 。
动平衡裂缝,由于水力作用裂缝慢慢地扩展,而作用在缝壁上的液体正压力会使裂缝边界处的壁面光滑地闭合 。
假设,除了与 PKN相同之外，还有：
1）裂缝以矩形断面从一个线源向外线性地延伸；
2）沿缝长的压力分布遵循层流牛顿液在窄的矩形缝中的流动方程；
3）采用英格兰 (England)与格林 (Green)提出的平面应变条件下的岩石破裂方程；
4）考虑液体的滤失。
在实际压裂过程中,裂缝的高度,长度和宽度同时增加,因此二维模型与此不相符合 。 要真实地模拟垂直裂缝在垂向和横向上的扩展,应按三维空间求解 。
五,
水力压裂优化设计是以获得最大经济净现值为目标的压裂设计,一般包括三项内容：
1) 不同缝长及裂缝导流能力下的油,气日产量
2) 确保上述缝长及裂缝导流能力的作业设计
（ 压裂液用量,支撑剂用量及加砂程序 ） ；
3) 综合 1)与 2)可获得最高净现值条件下的缝长 。
这一概念模型如图 13-5所示 。
进行这样的经济优化设计，必须以油藏模拟、裂缝模拟与经济模型等为基本手段。优选出最高经济净现值的设计方案。
压裂设计基本过程：
1）收集压裂设计所需参数 ———— 预测产量；
2）优选压裂材料 (压裂液和支撑剂 )及施工方式和规模（包括尺寸，砂分布，压裂液和支撑剂用量）；
3）确定压裂效果和最佳缝长。（在最小风险和费用下能得到最大收益的最佳缝长）。
1.
压裂设计参数分为 不可控制参数 和 可控制参数 。
不可控制参数是指无法进行调整的储层特征参数,包括：储层渗透率和孔隙度；储层净厚度；储层应力状态；储层压力和温度；储层流体特性及其饱和度；邻近遮挡层的厚度及其延伸范围和应力状态。
可控制参数是指可以加以调整来进行优化压裂设计的完井特征参数,包括：井筒套管、油管及井口状况；井下设备；射孔位置和射孔数；压裂液和支撑剂；施工排量等。
1) 普拉兹 (Platz)认为如果裂缝的导流能力及填砂裂缝的长度是有限的,此时裂缝相当于增加了井的有效半径 。
如果井半径较小,填砂裂缝又具有较高的导流能力,井的有效半径可按缝长的 1／ 4来计算 。 压裂后井的增产倍数可表示为：
)
25.0
ln (
ln
0
f
e
w
e
f
L
r
r
r
q
q
压裂前的稳定产量压裂后的稳定产量
2.
(1) 垂直裂缝
2) 如裂缝的单翼缝长小于供油半径的 1／ 10，
即 时,可采用下式计算
ef rL 1.0?
f
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L
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K
bK
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)(
)(
ln [
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3) 麦克奎尔 (McGuire)与西克拉 (Sikora)作出了电模拟曲线，如图 13-6；该曲线的拟合方程为：
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13.7
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J
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4
3
104 7 1.2
40)(
1028.3
FK
bK
X f
其中
***（ 1）低渗层（ K<10-3um2），因为容易得到较高的裂缝导流能力比值，欲提高压裂效果，应以增加裂缝长度为主。这是压裂低渗、特低透层采取大型压裂技术增加缝长的根据。
***（ 2）高渗层，不容易得到较高的裂缝导流能力比值，欲提高压裂效果，应提高 (Kb)f，片面追求长 Lf得不到好的效果。
***（ 3）对一定缝长，存在一个最佳裂缝导流能力，超过该值而增加裂缝导流能力的效果甚微。
***（ 4）无伤害井的最大增产比为 13.6倍。
(2) 水平裂缝比尔登 (Bearder)认为如果压出的是对称的水平裂缝,则可用下述两种方法预测产量 。
1) 相当于扩大的井径 压裂后的稳定生产能力,相当于将井径扩大到裂缝的半径,此时利用径向流动公式：
f
e
f
r
r
pKh
q
ln
2
2) 相当于在地层中存在不连续的径向渗透率如果在裂缝半径内的压降为,供油半径至裂缝半径处的压降为,则从供油半径到井底的总压降为,平均渗透率 为：
1p?
2p?
21 pp avK
f
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w
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av
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Kr
r
K
r
r
K
ln
1
ln
1
ln
增产倍数可近似的表示为：
KKqq avf // 0?
3.
压裂设计所需裂缝参数是缝高、支撑缝长和平均支撑缝宽、或者支撑缝宽度剖面。如前所述，缝高是用目前技术只能做粗略测量的一个参数。
4,砂子在裂缝中的运移及分布砂子在缝中的移动,主要受重力与液流携带力的控制 。 重力企图使砂子沉降下来,携带力则将砂子送至裂缝深处 。
压裂液粘度高,砂子在液体中呈悬浮状态,
在相当长的施工过程中,砂子很少或基本上没有沉降,液体所到之处,皆有砂子 。
由于液体的滤失,离井轴愈远,该处的砂子浓度愈高 。 若压裂液粘度不足以使砂子悬浮,砂子进入裂缝后,逐渐沉降下来 。
(1)
裂缝中砂子的理论分布主要有全悬浮式和垂直缝沉降式两种 。
1)
压裂的要求：停泵时支撑剂在缝中仍呈悬浮状态，
缝内各处都有一定的导流能力。
若加砂浓度不变,由于压裂液的滤失，缝中的砂分布就会出现缝端部砂浓度 (砂比 )过高，甚至在缝内发生砂卡，而在近井地带的缝内砂浓度又不足以造成足够的导流能力。
措施,1） 应顺序地改变地面加砂浓度 (砂比 )，
以满足缝中砂浓度的分布；
2） 将携有砂子的液体的总体积分成若干个单元体积 (相当于分若干批加砂 ),改变每个单元体积的砂浓度,就可以大体上保证缝中出现近似相同的砂浓度 。
2) 垂直缝沉降式砂子分布水平方向携带力重力浮力砂子受力 若低粘液体重力 >>浮力则砂沉降形成砂堤携砂液的过流断面提高了流速 颗粒停止沉降平衡状态 在砂堤上面的混砂液流速为在此流速下 颗粒的沉积与被卷起处于动平衡状态当达到使砂悬浮时平衡流速减少达到
(2)
因为砂子粒径不是均等，流速在裂缝中是变化的，粘度也不能保持恒定，这样就出现了复杂的布砂现象。有的砂沉下来，有的砂还被携带着往远处流动，直到流速低于该粒径的平衡流速，砂子即下沉。
5.
（ 1）压裂液的选择（应考虑的五个技术因素 ）
即粘度、液体摩阻损失、滤失、返排及其与储层岩石和流体的配伍性，另需考虑的两个因素是费用和来源。
（ 2） 支持剂基本要求,是要能得到高导流能力 。 国内常用的支撑剂有石英砂和陶粒,可按压裂设计要求选择 。
6,油藏 (区块 )
低渗油藏总体优化压裂设计 是在某一设置的缝长情况下,研究该缝长对扫油效率的影响,最大限度地延长无水采油期,获得较长期的高产稳产 。
1) 把油藏总体作为一个 工作单元 (而不是以单井作为工作单元 ),优化的 目标函数 是 达到油藏总体的最高经济效益 。
2) 对实际上在地层中形成的裂缝是否达到优化 设计的预期结果进行量化分析,并评估一二次采油期的 产量 (注入量 )是否达到优化设计的预测结果 。
显然,具体的油藏应有其具体的优化方案,不存在一个通用的总体优化模式 。
对低渗油藏,压裂设计的基础应立足并满足油田开发方案的各项要求 。 如在吐哈鄯善油田,低渗油藏的总体压裂研究就是基于已有的五点法开发井网系统,使油藏总体在注水开发期取得最高的经济效益,满足最大限度地提高水驱油藏的扫油效率,达到较长时期的稳产,
高产 。
其设计步骤是：
① 对油藏地质资料进行压前地层评估与材料选择取得优化设计计算的基本输入数据；
② 再使用油藏模拟,水力压裂模拟与经济模型进行一次采油期的 经济优化缝长 设计与 产量预测 ；
③ 然后根据优化缝长 (包括已确定的导流力 )使用黑油模型进行二次采油期的扫油效率及其产量预测,若取得优化结果则可完成最终报告 。 但若处理后发现扫油效率下降,不能获得持续较长时间的无水采油期与长期的高产稳产 。
7.
以上介绍的压裂设计是一种针对常规均质油藏设计方法,人们可以此为基础,对所有的井进行施工设计 。 但对天然裂缝性油藏,不希望的缝高延伸和蔬松储层的压裂有许多限定条件,需特殊考虑 。
(1)
许多天然裂缝性油藏有很高产量，因而无需进行水力压裂即可增加开采量。但对有些具有中等的天然裂缝密度的油藏，为了经济开发，依然需要压裂。天然裂缝性油藏对加砂压裂施工有显著的影响，这些天然裂缝可大大增加压裂液滤失速度，从而导致砂堵。为了成功地进行泵注作业，需泵入足够量的前置液，从而产生大于支撑剂体积的裂缝体积，或有足够大的排量以弥补滤失掉的液体。
(2)
有时缝高的延伸并非是人们所希望的 。 有些压裂层段附近存在气或水,一旦与延伸的裂缝相遇就会被产出 。 另外,由于缝高增加,缝长受损,使作业费用增加 。 此时,为减少不希望的缝高延伸,可降低施工排量和井底施工压力 。
(3)
在松软或松散的岩层中压裂,由于支撑剂的嵌入或与油藏物质相混,使支撑缝导流能力下降 。 为减少这种可能性,可使用较高的支撑剂浓度,或者铺置一个平衡堤,以产生最大的支撑缝宽 。 另一种方法是使用环氧树脂涂层的石英砂,通过形成一个真正牢靠的支撑剂堤来保证裂缝的完整性 。 如果不可能出现垂向缝高延伸,可利用低粘液体来形成平衡的支撑砂提,
获得更宽的支撑缝 。
六,
压裂是靠在地层中造出高渗透能力的裂缝,
从而提高地层中流体的渗流能力 。 从一口井的增产来说,压裂主要解决有一定能量的低渗透地层的产量问题或井底堵塞而影响生产的井 。
选井要求,有足够的地层压力,油饱和度及适当地层系数的井； 另外选井要注意井况,包括套管强度,距边水,气顶的距离,有无较好的遮挡层等 。
在选井层的基础上,还要妥善地解决一些工艺技术的问题,保证压裂设计的顺利执行 。
1.
对多油层的油井压裂,在多层情况下,要进行分层压裂 。 利用封隔器的机械分层方法,暂堵剂的分层方法,
限流法或填砂法都可以进行分层压裂作业 。
(1)
方法：堵球法分层压裂是将若干堵球随液体泵入井中,
堵球将高渗透层的孔眼堵住,待压力蹩起,即可将低渗层压开 。
特点：可在一口井中多次使用,一次施工可压开多层 。
施工结束后,井底压力降低,堵球在压差的作用下,可以反排出来 。
优点是省钱省时,经济效果好 。
(2)
使用封隔器一次多层压裂的施工方法已被广泛采用 。 共有三种方法,即 憋压分层压裂,上提封隔器分层压裂,滑套分层压裂 。
憋压分层压裂 是用几个封隔器隔开欲压的各个层段，在每个上封隔器的下面接一个单流凡尔球座，在球座下面的封隔器上安一个带喷嘴的短节，
喷嘴用铜皮封隔。压裂时，先压最下面一层，然后投球封闭底层，再憋压将第二层压开，依次将各层压开。憋压法压裂一次可压 3层。
上提封隔器分层压裂 是用封隔器预先按施工设计卡开井下需要压裂的最下 1～ 2个层段，压完后停泵使封隔器胶筒收缩，然后再按预先设计好的上提深度起出部分油管，启泵再进行上一个层段的压裂施工。
滑套分层压裂 自下而上进行,首先压裂最下层,压完后不停泵,用井口投球器投一钢球,使之坐在最下面喷砂器的上一级喷砂器的滑套上,憋压剪断销钉后,滑套便会落入下一级喷砂器上,使出液通道封闭,从而压裂第二层,依次类推,可实现多层压裂 。
(3)
限流法分层压裂工艺 是当一口井中具有多层而各层之间的破裂压力有一定差别时,通过严格控制各层的孔眼数及孔径的办法,限制各层的吸水能力以达到逐层压开的目的,最后一次加砂同时支撑所有裂缝 。
特点,是在完井射孔时,按照压裂的要求设计射孔方案 (包括孔眼位置,孔密度及孔径 ),从而使压裂成为完井的一个组成部分 。 由于严格限制了炮眼的数量和直径以及层内局部射开和层间同时压开,使得该工艺对套管和水泥环的损害较小,一般不会导致串槽 。
2,高砂比,
高砂比,端部脱砂及重复压裂方式都与增加缝中的铺砂浓度有关,都属于高砂比压裂的范畴,
但是它们在施工工艺及理论上还有一定差别 。
(1)
所谓高砂比压裂 是指裂缝内砂浓度大于 10
kg/m3的压裂 。 主要用于 高渗油气层的压裂和重复压裂 。
目的,是要造成高导流能力的裂缝,从而提高压裂的增产效果 。
1) 大粒径高砂比压裂 。 大粒径高砂比压裂 基本思想 是先压入大量前置液,使地层形成较宽的裂缝,然后泵入携带有高浓度大粒径支撑剂的高粘携砂液,充满裂缝各处,形成具有较高导流能力的裂缝 。
2) 超高砂比压裂 。 超高砂比压裂程序是在压裂前首先对油井及附近地层进行 酸化预处理,以清除堵塞及井底附近钙质沉淀物,同时 扩大压裂井段孔眼直径,加密孔眼数 以防止注入的高砂比携砂液在井底形成砂堵 。 通过 增加前置液量产生较宽的裂缝,使高砂比携砂液在缝内形成高浓度支撑缝段,提高裂缝导流能力 。
超高砂比压裂方法的应用,使缝内支撑剂浓度由常规压裂的小于 10 kg/ m3增加到 35 kg/ m3 。
高砂比压裂设计的关键是要造成 高导流能力的裂缝 。 要达到这个目的,除了要有 良好的压裂设备和工艺条件外,还要根据高渗地层的特点,确定合适的加砂浓度,携砂液,支撑剂和前置液用量以及地面加砂程序 (防止砂堵 ),以保证施工的顺利进行 。
(2) 端部脱砂压裂端部脱砂压裂工艺技术的 特点 是有意在一定缝长的端部 (周边 )形成砂堵,阻止裂缝向前延伸,同时以一定的排量继续泵入不同支撑剂浓度的压裂液,迫使裂缝,膨胀,获得较宽的裂缝和较高的砂浓度,达到提高导流能力的目的 。
在 高渗层中进行压裂的原则 应是缝相对较短而导流能力要求很高 。
在一定闭合压力下,选择适当的支撑剂类型,粒径,并选用闭合后对填砂裂缝伤害最小的压裂液体系,有可能得到需要的填砂渗透率 。
如果考虑到支撑剂的嵌入,破碎及微粒迁移等各种因素增加支撑剂的层数,亦即增加缝内支撑剂的浓度,这将是保证高渗透率的有效措施,
但此时必然会导致缝宽增大 。 因此提高填砂裂缝导流能力必然是缝宽与填砂裂缝渗透率同时提高的结果 。
当缝长延伸到设计长度时，也正是前置液完全滤失于地层的时刻。后到的携砂液到达此处后，由于液体的迅速滤失，形成难以流动的砂堆，随即发生砂堵。继续泵入携砂液，由于缝端被堵没有出路，致使裂缝加宽、膨胀，并在缝中填满了支撑剂。图 13-10是比较典型的端部脱砂压裂过程中压力的变化。随着地层破裂，
裂缝延伸，压力不断升高之后，接着是压力下降，这是由于随着长度的增加，造成过多的滤失所致。前置液完全滤失后在端部形成砂堵，
图上出现在施工后期压力迅速上升即描述此过程，此时形成的动缝宽可能有常规压裂的 2倍。
常规开采的出砂井，由于井底附近径向流所引起的巨大压降，使液流作用在砂粒上的拖曳力超过砂子之间的粘着力而进入井中，砂层被破坏。这种不稳定性会导致井底附近渗透率变差、产量减少、作业工作量加大等一系列问题。端部脱砂技术能降低井底附近的压降梯度，
也能收到砾石充填支撑砂层的作用。端部脱砂技术的使用条件是被深度污染且酸化不可能有效解除的中高渗地层；不适于采用酸化处理的地层；存在底水、气顶或靠近注水井的地层或由于缝高及缝长的限制，不可能进行大规模压裂的油井；胶结疏松的易出砂地层。
(3) 重复压裂经初次压裂的井层，其增产能力在有效的年限内将会失效，为恢复或提高初次压裂井的生产能力，要采用重复压裂技术。重复压裂限于已经压裂地层的重复，不是指采用各种分层压裂措施，将井中的其它小层压开。在一定条件下,由于初次压裂的裂缝引起了近井地带孔隙压力的重新分布和支撑的裂缝使地应力场改变 。应力场的变化在一定范围内有可能使复压
1)
垂直于最小主应力的裂缝在两个水平主应力方向上都诱发压应力 。 最大的诱发应力的大小等于裂缝闭合后作用在支撑剂上的净压力 (超出闭合压力的值 )并垂直于缝面 。 裂缝的存在对应力场的影响,随着远离缝面而迅速减小 。
为了使复压裂缝与初压裂缝在方位上有差别,应使诱发的压应力足够大,致使两个水平应力分量发生变化,导致原最小主应力变成最大主应力 。 此时 重复压裂的裂缝方位则垂直于初压裂缝方位 。 如果作用在支撑剂上的净压力不大,上述机制只能在两个主应力差值相差不大的情况下才能发生 。 由于压应力离开裂缝后,随距离的增加迅速减小,有可能使新生的裂缝又重新转向,平行于初压裂缝 。
2) 生产诱发的应力场由于从初次压裂的裂缝中产出液体，在裂缝周围油藏中的压力梯度发生变化，也影响到应力场。如果应力场的某点单元岩石受到限制，
该点应力的降低值与该点的压降成正比。在裂缝附近，平行或垂直于缝面上都会有由于孔隙压力的变化而诱发出来的张应力。但此张应力被稍远于裂缝的压应力所抵销，如果由于孔隙压力诱发的应力差大于原先存在的两个平面上的最大与最小主应力差，那么这两个应力就要换向。此时的复压裂缝将垂直于初压裂缝。
如果生产时的井底流压不变,随着生产的继续,受压力影响的地区,将离裂缝向远处扩展 。 同时随着张应力在水平面上影响距离的增加,在缝面上诱发的应力,先是增加,然后减少 。 应力差改变所需的时间幅度取决于距井眼的距离与地层的性质 。 在诱发张应力影响区域之外,重复压裂的裂缝还要平行于初次压裂的裂缝延伸 。 随后压应力影响的范围已扩展到远离裂缝的地区,在裂缝转向平行于初压裂缝之前,已经延伸到相当远的位置 。
在以后的时间里,诱发的张应力可能已无力超过原先在离井某距离的最大最小主应力差,
在此位置上复压裂缝的方位将开始稍有转向 。
因此可以说原先两个主应力差比较小时,复压裂缝在垂直于初压裂缝的方向上得到最大延伸 。
在初次压裂后的 3.5～ 5年是复压裂缝转向的有利时机,此时压力差达到了改变符号的最大值,
复压裂缝在转向前一般可达 90 m长 。 从孔隙压力垂向分布上看,复压裂缝的端部已穿透到高孔隙压力区,这是提高产量的有利保证 。
3,用人造阻挡层控制裂缝高度人造阻挡控制缝高是指在压裂液中加入一种固体添加剂,在裂缝的上部形成一个人工阻挡条带,
用以起到阻挡层的作用 。 该工艺方法的基础是裂缝中的流体流动遵守沿阻力最小的流道流动的法则 。
如果要防止裂缝向下延伸,则使用较重的支撑剂输入到新生的裂缝底部,此后压裂液就能导向向裂缝上部流动 。 利用比重小的固体颗粒在裂缝的液体中靠浮力自动进入裂缝的高部位形成一条人造阻挡带,
以控制裂缝向上延伸 。 这种固体添加剂在泵入支撑剂之前泵入使它聚集在新生缝的顶部 。 由于这种人工阻挡条带部分阻挡了缝内高压向上部地层的传递,
因此可以适当地提高处理压力而不会招致裂缝向上延伸的风险 。
