水力压裂技术ppt课件.pptx

水力压裂技术,汇报人：曲占庆中国石油大学(华东).石油工程学院2015年4月,汇 报 内 容,绪 论一、水力压裂造缝及增产机理二、水力压裂入井材料三、水力压裂裂缝扩展模型及几何参数计算四、水力压裂井效果预测及方案优化设计五、水力压裂裂缝监测及参数识别六、重复压裂技术七、水平井开发技术八、水力压裂存在的问题及新技术,绪 论,“水力压裂”是什么?利用液体传递压力在地层岩石中形成人工裂缝；液体连续注入使得人工裂缝变得更大；液体将高强度的固体颗粒（支撑剂）带入并充填裂缝；施工结束，液体返排出来，支撑剂留在裂缝中，形成高流通能力的油气通道，并扩大油气的渗流面积。,绪 论,1947年美国首次水力压裂增产作业第一代压裂(1940-1970)：小型压裂（Mini-fracturing）加砂量较小，主要是解除近井地带污染。第二代压裂(1970-1980)：中型压裂（Medium Fracturing）加砂量增加，压裂规模增大，提高低渗透油层导流能力。第三代压裂(1980-1990)：端部脱砂压裂（Tip Screen Out-TSO）应用到中、高渗储层，主要是大幅度提高储层导流能力。第四代压裂(1990-)：大型压裂（Massive Hydraulic Fracturing-MHF）、开发压裂作为一种开发方式，从油藏系统出发，应用压裂技术。,水力压裂发展历程,绪 论,1、工艺技术方面：压裂方式:笼统压裂（Commingled Hydraulic Fracturing）、分层压裂（Separate Layer Fracturing）压裂工艺:滑套式（Sliding Sleeve）分层压裂、选择性压裂（Selective Fracturing）、多裂缝压裂（Multi-fracture HF)、限流法压裂(Limited Entry Fracturing)、平衡限流法压裂(Balanced LEF)、端部脱砂压裂(TSO Fracturing)、热化学压裂工艺(Thermochemical Fracturing)、水平井压裂(Horizontal Well Fracturing)、斜直井压裂(Slant-Vertical Well Fracturing)、小井眼压裂(Slim Hole Fracturing)工艺、高能气体压裂(High Energy Gas FracturingHEGF）、2、设备方面：由初期的水泥车,人工加砂,发展到目前机械混砂、自动控制的K2000型及K1800型压裂车组。,绪 论,3、工具方面：先后研制了水力压差式、压缩式封隔器、导压喷砂器、分层滑套装置及井口投球装置、地面投蜡球管汇、不压井不放喷井口控制装置等。4、管柱方面：由初期的光油管喇叭口,发展到分层滑套、可返洗、55MPa、小井眼等压裂管柱。5、下井原材料方面：压裂液由初期的清水(Riverfrac Treatment)、原油，发展到海藻、田菁(Sesbania Gum)、胍胶(Guar Gum)、香豆、魔芋、泡沫、高聚物等，支撑剂由石英砂(Silica Sand)发展到陶粒(Ceramsite)、以及核桃壳(Walnut Shell)、树脂砂等。另外，在压裂机理（Fracture Mechanics）研究、设计软件开发方面也都取得了长足进步。,绪 论,压裂技术进步，确保低渗透油藏的有效开发低渗透油藏整体压裂和开发压裂技术低渗透气藏大幅度提高单井产量技术复杂岩性储层酸压裂技术深井、超深井压裂技术大型压裂技术裂缝性储层压裂技术页岩气水力压裂技术,二、低渗透油气藏水力压裂改造技术现状,工艺技术的基础：1）压前储层评价2）室内实验技术3）新型压裂材料4）裂缝诊断技术5）效果评估技术6）,绪 论,（一）国外水力压裂技术现状（总体：成熟、系统配套）,一、机理研究裂缝模拟研究支撑剂长期导流能力研究含砂液流变性压裂液伤害机理应力敏感性,二、新材料研究清洁压裂液低分子压裂液（可重复使用）缔合压裂液VDA（清洁自转向酸）改变相渗特性的压裂液超低密度支撑剂清洁泡沫压裂液,绪 论,（一）国外水力压裂技术现状（总体：成熟、系统配套）,三、现场应用研究裂缝诊断支撑剂回流控制技术新的压裂优化设计技术利用压裂压降曲线认识储层技术大型压裂控制缝高技术支撑剂段塞消除近井筒裂缝摩阻技术,目前的领先技术开发压裂技术重复压裂技术连续油管压裂酸化技术低伤害或无伤害压裂酸化技术压裂防砂与端部脱砂压裂技术人工裂缝诊断技术水平井压裂酸化技术压裂过程的计算机自动化控制与数据远传,绪 论,（二）国内水力压裂技术主体技术,国内发现的油气田越来越复杂，主要类型：（1）低压低渗致密气藏；（2）低渗特低渗透油藏；（3）深层火山岩气藏；（4）致密碳酸盐岩储层；（5）裂缝性储层；（6）页岩气藏。形成的压裂改造主体技术：（1）低渗透油藏开发压裂技术；（2）低渗透气藏大幅度提高单井产量技术；（3）复杂岩性储层改造技术；（4）新型压裂材料和新工艺技术。,一.水力压裂造缝及增产机理,1.1 水力压裂施工概述,压裂施工工艺流程 循环、试挤、压裂、加砂、顶替、压力扩散、施工结束,一.水力压裂造缝及增产机理,压裂施工时液体的流动过程,一.水力压裂造缝及增产机理,一.水力压裂造缝及增产机理,完成一口压裂井施工的几个基本要素要素1）施工设备 施工设备由地面设备和压裂车组两部分组成。地面设备包括压裂管汇、蜡球管汇、压裂井口装置；压裂车组包括泵车、混砂车、罐车（液罐车、砂罐车、添加剂罐车）、仪表车、水泥车。要素2）施工管柱 施工管柱由油管和下井工具(封隔器、喷砂器)等组成，其作用：一是为传送施工压力提供通道；二是实现分层。目前应用的施工管柱有普通滑套式分层压裂管柱、高砂比管柱等。要素3）下井原材料 包括压裂液和支撑剂两部分。压裂液的主要作用一是造缝，二是携砂。支撑剂的作用是支撑裂缝,增加裂缝的导流能力。,一.水力压裂造缝及增产机理,要素4）施工设计 是指导压裂施工的纲领性文件。其核心内容是根据井层参数、下井原材料参数来优化压裂施工参数（压力、排量、砂比、砂量、液量），最终给出合理的施工工序表。要素5）施工工艺 施工工艺是针对井层条件，为达到改造目的而采取的合理施工方法。根据不同施工井的改造要求，先后研究开发了普压、多裂缝、选压、限流法等十八项压裂工艺。要素6）施工评价 一是工艺评价：了评估压裂施工成功与否、检验实际施工与设计的符合程度和工艺的适应性,积累经验，指导下步施工。二是经济评价：评价压裂效益，既投入与产出的关系，判断经济合理性。,一.水力压裂造缝及增产机理,作用在地层岩石上的应力分两部分：一部分被地层流体承担，另一部分才是真正作用在岩石的骨架上。作用在岩石骨架上的应力为有效应力。其中 为有效应力(Effective Stress)；为总应力(Total Stress)；为孔隙压力(Pore Pressure)。裂缝形态及方位 人工裂缝的形态取决于油藏地应力的大小和方向。裂缝类型与地层中的垂向应力和水平应力的相对大小有关。一般认为，人工裂缝垂直于地层最小主应力，平行于地层最大主应力。但是裂缝形态也受断层、褶皱和天然裂缝等因素影响。,1.2 水力压裂造缝机理及裂缝形态,一.水力压裂造缝及增产机理,裂缝方向总是垂直于最小主应力 A 当 最小时，形成水平裂缝；B 当，形成垂直裂缝，裂缝面垂直于 方向；C 当，形成垂直裂缝，裂缝面垂直于 方向；A B C,一.水力压裂造缝及增产机理,理想形态垂直缝示意图,多油层条件下，压裂形成多条水平缝,理想形态水平裂缝示意图,一.水力压裂造缝及增产机理,一.水力压裂造缝及增产机理,降低井底附近地层渗流阻力，增加渗流面积；改变了流动形态，由径向流双线性流（地层线性流向裂缝，裂缝内流体线性流入井筒）。,1.3 水力压裂增产机理,影响裂缝导流能力的5个因素 1、支撑剂的嵌入（embedment）/破碎（crush）2、非达西效应（紊流效应Turbulant Flow）的影响 3、压裂液形成的滤饼（Gel Filter Cake）4、相对渗透率（多相流）(Multiphase flow)5、压裂液对充填裂缝的伤害（Gel Damage in Prop Pack）这些因素都会导致裂缝导流能力的下降或失效！,一.水力压裂造缝及增产机理,垂直缝油藏，压后生产过程中，四种不同渗流阶段：,进入井筒的流体大部分来源于裂缝中流体的弹性膨胀，流动基本上是线性的，该流动阶段时间很短，意义不大。,裂缝线性流（a）（Linear Fracture Flow）,裂缝和地层的双线性流（b）（Bilinear Flow）,裂缝线性流之后将出现双线性流，流体自地层线性流入裂缝，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。,拟径向流阶段，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。,地层线性流（c）（Linear Formation Flow）,拟径向流动阶段（d）（Pseudo-Radial Flow）,一.水力压裂造缝及增产机理,水平缝油藏，压后井生产过程中的渗流：,裂缝失效的原因 一是缝内支撑剂长期导流能力下降。二是生产过程裂缝内结垢、结蜡，堵塞裂缝。三是在压实作用下支撑剂嵌入裂缝壁面，使得壁面渗透率下降，同时导致地层岩石破碎产生碎屑，堵塞裂缝孔隙。,一.水力压裂造缝及增产机理,室内岩芯重复压实镶嵌试验,二.水力压裂入井材料,1、压裂液(Fracturing Fluid)的定义是压裂施工的工作液，其主要功能是传递能量，使油层张开裂缝，并沿裂缝输送支撑剂，从而在油层中条形成一高导流能力通道，以利油、气由地层远处流向井底，达到增产目的。2、压裂液的功能（1）前置液(Pad Fluid)：造缝、降温（2）携砂液(Carrying Fluid)：携带支撑剂进入裂缝，形成一定导流能力的填砂裂缝。（3）顶替液(Displacing Fluid)：用来顶替井筒里的携砂液，将携砂液送到预定位置。,2.1 压裂液,二.水力压裂入井材料,3、压裂液类型 水基压裂液(Water-based Fracturing Fluid)油基压裂液(Oil-based Fracturing Fluid)乳化压裂液(Emulsion-based Fracturing Fluid)泡沫压裂液(Foamed Fracturing Fluid)醇基压裂液(Alcohol-based Fracturing Fluid)酸基压裂液(Acid-based Fracturing Fluid)4、水基压裂液 是以水为分散介质，添加各种处理试剂，形成的具有压裂工艺所需的较强综合性能的工作液。（1）使用安全；（2）成本低；（3）与油基和泡沫压裂液相比，摩阻低；（4）静水柱压力高，节省地面水马力要求；（5）流体性质便于控制。,二.水力压裂入井材料,稠化剂压裂液主剂 交联剂 稠化剂分一下四类：（1）植物胶(Vegetable gum)及其衍生物：胍胶、田菁胶、皂仁胶、魔芋胶、香豆胶、海藻胶。（2）纤维素衍生物(Derivatived cellulose)：羧甲基纤维素钠盐、羟乙基纤维素。（3）生物聚多糖(Biologic polyose)：黄原胶（4）合成聚合物(Synthetic polymer)：聚丙烯酰胺、部分水解聚丙烯酰。,水溶性聚合物，提高水溶液粘度、降低液体滤失、悬浮和携带支撑剂。,能与聚合物线型大分子链形成新的化学键，使其联结成网状体型结构。,二.水力压裂入井材料,交联剂(Crosslinker):能与聚合物线型大分子链形成新的化学键，使其联结成网状体型结构。交联剂分以下四类：（1）两性金属（或非金属）含氧酸盐：如硼酸盐、铝酸盐、锑酸盐和钛酸盐等弱酸盐。（2）无机酸的两性金属盐：如硫酸铝、氯化铬、硫酸铜等强酸弱碱盐。（3）无机酸脂：钛酸酯、锆酸酯（4）醛类,二.水力压裂入井材料,添加剂：（1）缓冲剂(Buffer)(pH值调节剂)（2）杀菌剂（3）破胶剂（4）助排剂（5）破乳剂（6）粘土稳定剂（7）降滤失剂(Fluid-loss Additives)（8）温度稳定剂(Temperature Stabilizer)（9）其它添加剂(Other Additives)：起泡剂(foam agent)、消泡剂(anti-foam agent)、减阻剂(friction reducer)、转向剂(fiverting agent),二.水力压裂入井材料,压裂液的性能：流变性(Rheological Property)、滤失性(Loss Property)、破胶性(Viscosity Breaking Property)、配伍性(Compatibility Property)压裂液基本性能要求：（1）滤失量少;（2）悬砂性强：粘度高;（3）摩阻低：消耗动力少，排量大;（4）稳定性好：温度，抗剪切;（5）残渣低：清洁压裂液;（6）易返排：破胶（水化）;（7）配伍性好;（8）货源广，价格低。,二.水力压裂入井材料,流变性产生的影响：施工摩阻：用来计算油管及裂缝中的压降，考虑压力对于泵注费用、油管压力限制。支撑剂的输送 岩石基质滤失滤失产生的影响:裂缝几何尺寸、支撑剂在裂缝中的浓度变化和最终分布、裂缝的闭合时间、对地层的伤害程度、压裂施工成本降滤失技术：1、粉砂降滤失技术 2、油溶性降滤失技术 3、液体降滤失技术 室内实验表明，固体降滤失剂(粉砂/油溶性树脂)+液体降滤失剂效果最好，其次为固体降滤失剂（粉砂/油溶性树脂）。,二.水力压裂入井材料,压裂液优化设计：-目标函数：低成本、低伤害;-设计方法：油藏特点、工艺需要 水力压裂施工过程中压裂液的选择，必须从地质因素和工程因素上考虑。地质方面考虑的因素：储层类型储层温度渗透率 地层压力目的层厚度及天然裂缝粘土矿物含量及储层敏感性地下原油物性地层水类型及矿化度 工程方面考虑的因素：深度施工时间排量及管柱 施工规模压后温度恢复及压力扩散速度地应力分布压裂液对地层的伤害：永久性伤害：指压裂液滤失进入地层造成地层矿物水化膨胀、分散运移对地层的堵塞，以及压裂液残渣及其它碎屑对支撑剂充填层的堵塞。暂时伤害：指排驱阻力造成排液滞后的伤害。,二.水力压裂入井材料,产品要求：1.粒径均匀；2.强度大，破碎率小；3.圆度和球度高；4.密度小；5.杂质少。支撑剂的类型及性能特点：（一）天然砂：石英砂(silica sand)，如美国的Ottwa砂，我国的兰州砂。特点：强度低；适用条件：中浅层，深度小于2000m。优点：适用于低闭合压力的各类储层；圆球度较好的石英砂破碎后仍可保持一定的导流能力；相对密度低，便于施工泵送；价格便宜。,2.2 支撑剂,二.水力压裂入井材料,缺点：强度较低，不适于较高闭合压力的储层压裂；抗压强度低，破碎后将大大降低裂缝导流能力。（二）人造支撑剂：陶粒、核桃壳、铝球、玻璃球、包裹砂低密度：1800kg/m3；中密度：20003000kg/m3；高密度：3000kg/m3特点：强度高（56105MPa），密度大；适用条件：较深井。我国于1979年研制成功了铝矾土高强度支撑剂，以后，又生产出中高强度烧结铝矾土(sintered-bauxite)支撑剂。中等强度陶粒支撑剂(intermediate-strength proppant-ISP)高强度陶粒支撑剂(high-strength ceramic proppant)低密度支撑剂(low-density proppant)树脂包裹支撑剂(resin-coated proppant-RCP),二.水力压裂入井材料,优点：具有较高的强度，在相同的闭合压力下，与石英比较，具有破碎率低、导流能力高的性能。陶粒具有抗盐、耐温性能。随承压时间的延长，陶粒的导流能力的递减速率要慢得多，因此会获得较高的稳定产量和更长的有效期。缺点：陶粒的相对密度高，因此，对压裂液性能及泵送条件提出更高要求。陶粒的物料选择和生产工艺要求严格，成本较高。树脂包裹支撑剂 70年代末，人造支撑剂的树脂包裹支撑剂(resin-coated proppant-RCP)研制出来，树脂薄膜在原油、盐水及多数酸中，具有化学惰性，薄膜的厚约为0.0254mm，约占重量的5%以下。,二.水力压裂入井材料,包层砂可分为两种：固化与预固化砂预固化砂(precurable-resin-coated proppant)在地面已形成完好树脂薄膜包裹的砂子。固化砂(curable-resin-coated proppant)在地层温度下固结，对防止吐砂及防止地层出砂有一定的效果。特点：1.高强度。砂粒间由点接触变为面接触，支撑剂的外壳分散了作用在砂粒的压力。2.防止碎屑运移。每粒支撑剂均有的一层坚韧树脂外壳，被压碎支撑剂的碎屑包覆在树脂壳内，提高了导流能力。3.密度低。便于携砂。,二.水力压裂入井材料,陶粒,树脂砂,石英砂,核桃壳,二.水力压裂入井材料,压前陶粒,压前树脂砂,压后陶粒,压后树脂砂,二.水力压裂入井材料,未受压低倍放大,90MPa压力下,未受压高倍放大,90MPa压力下,二.水力压裂入井材料,实验前，未受压，表面光滑（砂岩）,90MPa发生嵌入（砂岩）,90MPa发生嵌入（泥岩）,实验前，未受压，表面光滑（泥岩）,二.水力压裂入井材料,支撑剂选择的依据和方法：以预期获得的压裂效果所需要的裂缝导流能力为根据对支撑剂进行选择。（1）地质条件（2）工程条件（3）支撑剂的性质（4）支撑剂的价格选择支撑剂的方法：首先通过产能预测，获得达到期望的增产效果所需的缝长和裂缝导流能力；根据以往测试压裂资料或测井资料分析，获得地层闭合压力；通过室内实验，获得各种支撑剂在不同闭合压力下的导流能力，选择与地层闭合压力和裂缝导流能力匹配的支撑剂。,二.水力压裂入井材料,导流能力的确定：（1）麦克奎尔曲线（2）辛科算法（3）无因次导流能力（4）实验测定实验测导流能力：FCES100型裂缝导流仪实物图,三.水力压裂裂缝扩展模型及几何参数计算,3.1 水力压裂的物理过程,压裂处理时间,裂缝长度,裂缝宽度,1 开始泵入压裂液，地层破裂；2 裂缝延伸；3 支撑剂随压裂液开始进入裂缝；4 随着泵注的继续，支撑剂进入裂 缝深处；5 支撑剂继续进入裂缝到达裂缝端 部，压裂液滤失；6 携砂液泵注完成，压裂液继续滤失；7 裂缝闭合，形成一定导流能力的支撑裂缝。,三.水力压裂裂缝扩展模型及几何参数计算,牛顿流体的抛物线流动剖面,流体的流变性决定流体的流动剖面,非牛顿流体的段塞流剖面,三.水力压裂裂缝扩展模型及几何参数计算,裂缝宽度：w1流体最大流速：v 1,max单位缝高的流量：qt,流体的流动与裂缝宽度的关系,裂缝宽度：w22w1流体最大流速：v 2,max4 v 1,max单位缝高的流量：q28qt,三.水力压裂裂缝扩展模型及几何参数计算,3.2 裂缝几何参数计算模型,描述水力压裂施工过程中人工裂缝形成的动态过程及最终结果，对压裂施工具有重要的意义，为控制裂缝几何尺寸的大小、决定施工规模和施工步骤等提供理论依据。,垂直缝压裂模拟技术：现在采用较普遍的裂缝扩展模型有二维的PKN模型、KGD模型、RADIAL模型，以及拟三维模型和全三维模型。这些模型都是在一定简化条件的假设下建立起来的，与所描述的实际过程有不同程度的偏离，尽管如此，其模拟的结果完全可以用于指导压裂施工设计的制定及实施。（一）卡特模型（裂缝面积公式）裂缝是等宽的；压裂液从缝壁面垂直而又线性地渗入地层；缝壁上某点的滤失速度取决于此点暴露于液体中的时间；缝壁上各点的速度函数是相同的；裂缝内各点压力相等，等于井底延伸压力。,三.水力压裂裂缝扩展模型及几何参数计算,（二）PKN模型岩石是弹性、脆性材料；缝高一定；裂缝断面为椭园形，最大缝宽在裂缝中部；缝内流体流动为层流；缝端部压力等于垂直于裂缝壁面的总应力；不考虑压裂液的滤失。（三）KGD模型地层均质，各向同性；线弹性应力一应变；裂缝内为层流，考虑滤失；缝宽截面为矩形，侧向为椭园形；缝高是固定的常数；裂缝宽度与缝高无关，但每单位缝高的流量影响裂缝的宽度，在垂直方向上裂缝宽度不变。,三.水力压裂裂缝扩展模型及几何参数计算,（四）径向裂缝扩展模型 PKN、KGD模型是假定水平应力小于垂向应力，还假定裂缝高度一定，裂缝沿垂直方向扩展。当垂向应力比水平应力小时，将导致裂缝沿水平或倾斜方向扩展，产生了径向裂缝扩展模型。（五）拟（假）三维裂缝扩展模型 假设地层是均质的,油层与盖底层具有相同的弹性模量及松比;裂缝的垂直剖面始终是椭圆形的；油层与盖底层间的应力差相等；缝内的流动是层流。并且还限定此计算方法适用于缝长与缝高比大于3.55倍。,三.水力压裂裂缝扩展模型及几何参数计算,（六）全（真）三维裂缝扩展模型 全三维模型假设缝高随注入量的增加而变化，并且考虑了液体的垂向流动分量。拟三维模型具有全三维模型的特征，但假设缝长大于缝高，并且计算量较少。不管是全三维模型还是拟三维模型，其基本方法都是将裂缝进行单元离散后通过数值方法来求解。,三.水力压裂裂缝扩展模型及几何参数计算,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,水力压裂井压裂效果预测,水力压裂后油气井的产量预测是压裂设计中的重要环节。它最终将评价压裂设计中裂缝的几何尺寸、导流能力等是否符合油气井压裂要求的效果。压裂井产量预测的方法很多，归纳起来有增产倍数法、典型曲线法和数值模拟法。4.1 压裂井效果预测的经典方法 从五、六十年代起，人们就开始研究压裂井的产量与裂缝参数和地层物性间的关系，最初的研究方法主要是电模拟实验，实验结果以曲线形式给出，即增产倍数曲线；七十年代后对压裂井的产量预测多采用数值计算方法，但是由于受当时计算机技术的限制，常把模拟结果以典型曲线表示。一、电模拟实验,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,在电压作用下电流的流动规律与油层压差作用下的油层内流体的渗流规律相同，二者之间存在相似关系。因此，在全部相似条件满足后，就可以用稳定电流的流动来模拟不可压缩流体的稳定渗流。相似要素对应关系表二、增产倍数法1、麦克奎西克拉(McGuire-Sikora)增产倍数曲线2、污染井增产倍数计算方法3、水平缝压裂井增产倍数计算,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,三、典型曲线法 70年代中后期和80年代初，针对增产倍数确定压裂井动态的局限性，Agarwal等人利用油藏模拟方法分别绘制了不同条件下的压裂井无因次产量（压力）与无因次时间和裂缝几何参数之间的典型曲线，从而可以确定不稳定生产阶段油气井压裂后的产量变化，更直接和准确地确定压裂井动态，根据预测的日产量或累积产量可以确定最佳的裂缝参数，同时也可以分析裂缝参数对压后初期产量和长期稳产的影响。4.2 水力压裂的数值模拟方法 随着计算机技术的发展，目前已广泛应用数值模拟方法在更接近油藏实际的条件下，通过建立不同条件下油层和裂缝关系物理模型和数学模型，利用数值计算求解的方法，进行有裂缝油井的生产动态的研究。包括单井、多井、不同边界条件和注采井网、油气水多相流等。一、水平缝压裂井产量预测,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,二、垂直缝压裂井产量预测三、气井压裂井产量预测4.3 水力压裂裂缝参数优化 在给定井、层的基础上，根据储层、流体特性和边界、井网条件，对措施井的压后生产动态与裂缝参数的关系进行模拟计算，分为以追求采收率最大化、采油速度（累积增油量）最大化为目标，优选最佳的裂缝长度（半径）和导流能力等裂缝参数过程。是压裂工艺方案优化中的核心内容。有裂缝存在情况下的油井产量预测是裂缝参数优化的基础。把水力压裂后产生的人工支撑裂缝简化为：水平裂缝 垂直裂缝,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,水平裂缝的产量预测 扩大井径法 相当于在地层中存在不连续的径向渗透率法 油藏数值模拟方法垂直裂缝的产量预测 曲线法 油藏数值模拟方法 在有裂缝井生产动态预测的基础上，对给定油藏和井网条件下的多组裂缝穿透比和导流能力进行计算，可得到不同方案下的油井生产动态变化规律，然后根据不同优化目标（采出程度、采油量或经济效益），通过优化评价模型，优选确定合理的裂缝参数。如果将裂缝参数控制在有利范围内，水力压裂可以提高油藏的采收率。但水力压裂更重要的作用，是可以大幅度地提高采油速度，从而降低整个油田的开发成本，这一作用对于低渗油藏优为突出。,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,4.4 水力压裂方案优化设计 压裂设计书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。由于地下条件的复杂性以及受目前理论研究的水平所限，压裂设计结果(效果预测和参数优选)与实际情况还有一定的差别，随着压裂设计的理论水平的不断提高、对地层破裂机理和流体在裂缝中流动规律认识的进一步深入，压裂设计方案对压裂井施工的指导意义逐步得到改善。压裂设计的基础是正确认识压裂层，包括油藏压力、渗透性、水敏性、油藏流体物性以及岩石抗张强度等，并以它们为基础设计裂缝几何参数、确定压裂规模以及压裂液与支撑剂类型等。施工加砂方案设计及排量等受压裂设备能力的限制，特别是深井，其破裂压力高，要求有较高的施工压力，对设备的要求很高。,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,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，使压裂后的生产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(增产比)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。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、配方选择及注液程序；支撑剂选择及加砂方案设计；压裂效果预测和经济分析等。对区块整体压裂设计还应包括采收率和开采动态分析等内容。压裂设计包括选井选层、裂缝参数优化和压裂施工过程模拟等部分。在方案设计过程中，这几个部分分别在压裂地质方案、压裂工艺方案和压裂施工设计中得以实现。要完成后两个部分的工作则必须依靠计算机软件来进行。,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,水力压裂设计流程图,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,一、水力压裂选井选层 为了使油气井在水力压裂以后取得稳产高产，需要保持地层中有足够的压力，使油气通过压开的高导流能力裂缝流入井底，必须重视压裂的选井选层。在确定油气井压裂前，应找出其目前低产的原因，如果是新井则应根据油气层和井的资料确定油气水含量及油层压力。（一）油气井低产的原因 1、近井地带渗透率严重下降。油气进入井内必须经过近井地层，当井底附近的渗透率下降时，即使油气层仍有大量可采油气，生产井也会失去开采能力。2、油气层内虽有大量可采油气，但由于地层渗透低，用一般完井方法不能获得有经济价值的油气产量，在这种情况下压开深穿透裂缝，扩大油气渗透面积，提高产量。,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,3、地层中油气压力都己枯竭，即油气层剩余能量不足以驱替出更多的原油，这时仅靠压裂增产效果一般不佳。（二）压裂选井的一般原则 1、低渗透致密储层需要进行较大规模的压裂处理 2、油层压力衰竭时不宜压裂 3、用渗透比值预测压裂效果，确定是否压裂 4、通过确定污染比，确定是否压裂 选层主要方法是基于裸眼测井的评价、预处理流动试验和邻井资料。,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,二、压裂施工参数优化 压裂施工参数优化设计是利用压裂施工模拟软件，以实现油藏模拟结果（裂缝穿透比和导流能力）为目的，以获得最大经济效益为目标，对压裂施工参数（施工排量、压裂液和支撑剂数量、泵注程序以及压裂车组水马力）和下井原材料进行优化选择的过程。其具体过程是：把不同的压裂施工参数和下井原材料参数及其它必要的参数输入计算机程序进行模拟计算，应用流体流动力学结合岩石力学等不同物理、数学模型，模拟裂缝扩展、支撑剂在裂缝中的分布及施工结束时裂缝闭合的情况。并预测油井生产动态，并进行经济效益评价，确定产生最大净收益的最优化压裂施工方案，其书面形式即压裂施工作业指导书。施工参数选择主要包括：施工排量、压裂液、支撑剂的类型和数量、压裂车辆的确定,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,（一）施工排量的选择 根据造缝机理，压开地层是因为压裂液在井底憋起高压造成的，因此，选择施工排量时，必须首先考虑的是所选排量应大于地层的吸液量：选择施工排量必须考虑的第二个因素是在不同的排量下所需的压裂液用量。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，可提高液体效率，并有利于保护地层，提高效果。,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,选择压裂施工排量时要考虑的第三个因素是摩阻压力。排量越大，射孔孔眼产生的摩阻和井筒摩阻越高，因此所需的井底施工压力越高，对施工设备的要求也就越高。要考虑的第四个因素是裂缝的高度。施工排量太大，极有可能导致裂缝窜层，特别是产层和水层之间的遮挡层不足够致密，其厚度不够大时，高排量是很危险的。施工排量太小，又不能充分压开产层的有效厚度，特别是对于多产层时，施工排量高无疑是有利的。此外，施工排量高也有利于支撑剂输送。（二）压裂车辆的选择 压裂车辆的选样主要是根据功率大小井底破裂压力为PF;井口施工压力为pp;管中摩阻总压降pf;孔眼摩阻压降为pm;井筒液柱压力Ph;h为压裂层深度;压裂泵车的马力为H;机械效率为。,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,根据压开裂缝的条件，必须 Pp+PH-pf-pmPf 井口总功率Hp：Hp=2.22PpQ 压裂车数Hp/H/+(12)台（三）压裂优化设计步骤 第一步：对具体井网及地层情况，应用油藏模拟技术进行裂缝参数的优化（水平缝和垂直缝），确定出最佳的裂缝半径（缝长）和导流能力，编制压裂工艺方案。第二步：在裂缝参数优化结果的基础上，应用压裂施工模拟技术，对不同施工时间、不同排量下的造缝情况进行模拟，从中可确定筛选多组适合的施工参数方案。,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,第三步：根据压裂模型给出的不同施工参数，进行综合经济指标评价，选取净现值（NPV）最大的方案施工，从而保证措施效果、降低施工成本和提高施工经济效益。第四步：根据经济评价模型给出的最优支撑剂、压裂液及施工参数，编制压裂施工作业指导书。4.5 水力压裂优化设计软件 主要的压裂设计软件,Pinnacle公司的FracproPT,Meyer公司的Mfrac,Marathon公司的GOHFER,Terra Tek公司的TerraFrac,NS公司的StimPlan,国产软件,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,主要特点：基于离散方法论、采用全三维模型；考虑各种复杂的地层因素；能模拟非对称裂缝、复杂裂缝形状不足：软件操作非常复杂；要求操作人员需要丰富的操作经验应用情况：国外主要用于研究、理论分析；国内使用很少,Marathon公司的GOHFER,1、全三维压裂模拟软件；2、模块较少、功能较单一 压裂实时数据分析 产量预测模块 压力递减分析模块 经济优化分析模块 3、国内很少应用该软件,Terra Tek公司的TerraFrac,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,Meyer公司的Mfrac,该软件为：三维实时水力压裂软件软件模型特点：采用拟三维裂缝几何模型自动内部网格生成器,考虑裂缝柔性系数在时间和空间上的变化考虑了影响裂缝延伸和支撑剂输送的耦合参数考虑了多层非对称应力差考虑了多层流体滤失考虑了变排量注入工艺Mfrac软件主要功能模块 Real-Time/Replay 实时模拟及压后回放；Multi-Layer 多层压裂 Foam Fracturing 泡沫压裂 CO2 N2；Frac Pack 压裂充填技术 TSO 端部脱砂技术；Acid Fracturing 酸化压裂,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,Meyer公司的Mfrac,Mfrac软件最大的特色在于：能够实现对压裂填充和端部脱砂的自动设计，在疏松油层的压裂填充和端部脱砂技术的相关应用软件中处于领先地位。,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,Meyer公司的Mfrac,Mfrac软件主要用户在国外得到了广泛应用：BJ Services Corp.BJ 石油技术服务公司 Chevron 雪佛龙石油公司 Phillips Petroleum 菲利普石油公司 Saudi Aramco 阿莫科公司在国内应用的油田：新疆油田、吐哈油田,Pinnacle公司的FracproPT,目前成为国内压裂设计、分析的主力软件，为中国油气井压裂设计水平的提高发挥了重要作用。,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,功能强大：可用于压裂的各个环节上模拟、设计、分析、优化、产量预测、经济评价和实时监测。特色：具有实时的数据管理和分析功能，其中包括根据实时数据，灵活的、进行校正压裂模型。不断更新：结合先进的裂缝形状实际监测设备和技术以及其它最新压裂技术不断完善和提高。全球得到广泛应用：全球大约有100家公司应该软件、Halliburton更是将其作为公司压裂设计的标准软件。国内普遍认为：PT软件可操作性强、使用方便、功能强大用户反映存在的问题：提供的模型多，包括：FracproPT 3D 压裂模型、拟三维裂缝扩展模型、PKN、KGD和径向模型，但不同模型计算结果差异非常大、用户选择困难。对模拟结果影响较大的个别参数（如产层错层效应）无法获取。该软件的酸压计算模块较弱，且不能模拟多条裂缝的延伸。,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,Pinnacle公司的FracproPT,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,主要特点：采用拟三维裂缝模型（新版增加了全三维模块）采用有限元网格算法，使结果更接近真实状态主要功能：压裂裂缝模拟设计 压裂前后单井油藏模拟(产量评价)经济评价及优化 压裂压力分析 测试数据解释（压裂试井解释）生产历史数据处理（压前生产数据拟合）,NS公司的StimPlan,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,StimPlan软件特色在于：功能强大对含有不同油层特性的层间地层结构进行严格计算直接利用测井曲线得到：地层岩石类型、剖面结构参数、分层应力,NS公司的StimPlan,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,油田研究单位，特别是石油院校也研发一些软件。与国外软件的差距：国产软件在功能度、实时数据分析、输入输出处理等方面与国外软件有较大差距。主要问题：几乎未进行现场验证完善工作、升级更新速度慢。主要原因：投入的人力、物力不够；目前油田普遍倾向直接购买国外软件，对国产软件开发投入的资金少；由于难以产生直接经济效益，软件立项困难，更难注入资金进行滚动开发。与此形成鲜明对比的是，美国天然气研究所(GRI)共耗资2,000万美元用于PT软件的开发、实验验证、现场验证。作用、贡献：曾经为提升我国压裂、酸化设计水平起到促进作用,国产软件,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,产生了重大影响、巨大的经济效益（大庆油田、华北油田、新疆油田）国产软件使用较为简便、符合国人习惯，目前部分软件仍受到油田用户的青睐。目前的处境：可以说，国产软件是在“夹缝中求生存”，竭力地在纵多国外软件的围攻下，坚守着一小片领域，确保特色。,国产软件,4.6 水力压裂的物理优化 过去常用方法：NPV(Net Present Value)方法 新的优化方法：采油指数最大化（物理优化）压裂井动态可以由穿透比和无因次裂缝导流能力这两个无因次数的组合来表示。对正方形泄油面积油藏导出支撑剂数,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,X 轴方向的穿透比无因次裂缝导流能力为穿透比平方和无因次裂缝导流能力的乘积是裂缝宽度的函数:,四.水力压裂井效果预测及方案优化设计,其物理意义是裂缝渗流能力的改善及裂缝支撑体积的影响范围在整个油藏中所占的比例。支撑剂数的概念既反映储层的物性特征,又反映了工程因素。在压裂优化过程中兼顾的因素较为丰富,更为贴近工程实际。无因次采油指数、最优的无因次导流能力都可表示为无因次支撑剂系数的函数。由此，得到无因次导流能力无因次采油指数图版。给定无因次支撑剂系数Nprop时，存在一个最佳的无因次裂缝导流能力，使采油指数最大。确定了最佳无因次裂缝导流能力，就可以确定最佳裂缝长