混合水压裂

2、混合水压裂（混合清水压裂）

所谓清水压裂，是在低渗透油气藏改造中，应用在清水中加入降阻剂、活性剂、防膨剂等或线性胶作为工作液进行的压裂作业。作业液中一般只带有少量支撑剂(早期用清水不加支撑剂)，但也有加砂量较多的。

清水压裂主要有以下特点：

①较大的施工间隔段；②工作液效率低、用量大；③工作液粘度低、形成的裂缝宽度较窄；④携砂能力差；⑤要求较高的泵注排量，以补偿工作液的高滤失；⑥形成的裂缝几何形状较复杂。 2.1清水压裂的增产机理

清水压裂增产依靠以下几种机理相互作用： (1)由于岩石中天然裂缝具一定表面粗糙度，

闭合后仍能保持一定的缝隙，就可以形成对低渗储层来说已经足够的导流能力。

(2)清水压裂基本上不存在残渣伤害问题，与聚合物压裂液相比裂缝的导流能力受残渣伤害有所降低。

(3)清水(线性胶)携砂能力弱，支撑剂易沉降到较细垂直天然裂缝中，使微裂缝处于张开状态。

(4)压裂过程中，岩石脱落下来的碎屑(特别是在页岩地层中)它们可能形成“自撑”式支撑。

(5)剪切力使裂缝壁面产生剪切滑移，在裂缝延伸过程中使已存在的微隙裂开，并使断层面及其它弱面张开。

总之，当裂缝周边的岩石在压力超过“门槛”压力后，即发生“滑移”破坏，两个裂缝粗糙面的滑动，使垂直于缝面的缝隙膨胀。停泵后，张开了的粗糙面使它们不能再滑回到原来的位置，从而剪切产生的裂缝渗透率得到保持。 2.2清水压裂剪切破裂机理

清水压裂过程中，当岩石破裂后，剪切力使裂缝壁产生剪切滑移，两个裂缝粗糙面发生相对滑动，停泵后，张开了的粗糙面使它们不能再滑回到原来的位置，从而使剪切产生的裂缝渗透率得到保持，提高了近井地带的裂缝导流能力。

（1）剪切裂缝应力强度因子模型

应力强度因子是反映裂缝端部应力场强弱程度的力学量，压裂裂缝的几何形状与应力强度因子联系紧密，应力强度因子的大小与裂缝尖端的应力场密切相

关，因此在分析裂缝尖端的应力场的基础上，进行裂缝尖端应力强度因子的研究。

地层中岩石受三向压应力作用，当岩石发生剪切破坏后，形成的Ⅱ型裂缝也受三向压应力作用，将该裂缝看成为无限大地层中的剪切裂缝。 引入一个侧压系数λ来研究一般压应力情况下的剪切裂缝，根据线弹性断裂力学中的叠加原理，三向压应力作用下的剪切裂缝受力由双向等应力和非等应力叠加而成。

当侧压系数λ=1时，裂缝受的力变为等压应力，由Melin研究成果得到等压应力加载下剪切型裂缝应力强度因子表达式为：

Kb???cos2??a

非等应力加载情况可以看成两个单轴加载情况的叠加，由Jehudad等人提出的单轴压载荷和Sih提出的公式推导出的Ⅱ型应力强度因子为：

KK（2）剪切破裂准则

c????1????asin?cos?

所以，剪切型裂缝应力强度因子为式上两式的叠加：

???cos2??a??1????asin?cos?

剪切破坏是指岩石表面发生破坏引起了岩石变形，根据Mohr-Coulomb的剪切破坏线性理论，运用最大剪切应力作为判断剪切强度的依据。 假设剪切破坏后的两裂缝面为锯齿型裂缝，根据Patton的锯齿型裂缝模型，由Mohr-Coulomb准则可以得到最大剪切应力为：

?变化； ?数。

effdilmax??efftan??basic??effdil?

其中：基本摩擦角?basic是一种裂缝表面的物质特征，通常在30°～40°之间

是有效剪切膨胀角，反映了裂缝面的粗糙度，等同于裂缝粗糙度系

在清水压裂过程中， 当作用在裂缝平面上的剪切应力超过岩石破坏的最大剪切应力时， 裂缝发生剪切破坏，引起两裂缝面的剪切滑移和裂缝的膨胀，即：

?n??max??efftan??basic??effdil?

（3）清水压裂临界破裂压力计算模型

随着清水压裂液不断注入地层中， 剪切应力使裂缝两壁面发生相对滑动， 设发生剪切滑移瞬间的临界压力为

pc，由前面的分析可知，两裂缝面发生剪

切滑移时裂缝面上的有效剪切应力为：

????n???n?p??cb?tan??basic??effdil?

在断裂力学中，剪切型裂缝的扩展判据为：

K??K?C

式中：K?C为剪切型裂缝断裂韧度值。

根据以上所述得到裂缝两壁面发生剪切滑移时的临界压力为：

Pc?K?1????C??n?acos2?asin?cos?tan??basic??effdil???n??b

（4）剪切位移

当裂缝闭合后，由于剪切位移不同，因剪切滑移引起的裂缝宽度也不一样， 从而使压裂后裂缝渗透率及裂缝导流能力不同。 为了进一步说明剪切位移与剪切裂缝宽度之间的关系， 下面用锯齿状剪切裂缝模型来描述。

剪切滑移剪切位移是地层岩石剪切破坏后发生剪切滑移的结果，根据线弹性理论，剪切位移与作用于两裂缝面上的有效剪切应力成正比， 与剪切刚度成反比，剪切位移的表达式为：

U得到剪切位移为：

s?24??Lf7?G

式中：G为岩石剪切模量；Lf为剪切裂缝半长。

eff?24?n??efftan????Lfbasicdil???? ?Us7?G??可知，在地应力一定的情况下，当裂缝中流体压力很高时，压裂储层中裂缝的有效正应力可能为负。 在这种条件下，剪切裂缝保持张开，两个剪切裂缝面不相互接触，称为剪切顶起，此时剪切应力全部用于裂缝的剪切滑移，于是剪切

位移为：

U2.3清水压裂增产的适应性

s?24??Lf7?G?24?nLf7?G

清水压裂由于携砂能力差，砂浓度低，故清水压裂施工的效果取决于是否存在着有利的天然裂缝系统以及它们对压力及原有就地应力的响应程度。 清水压裂一般适用于以下条件的地层。

（1）低渗透地层。 油气藏渗透率越低，裂缝所要求的裂缝导流能力就越低。 适合清水压裂的油藏渗透率划分界限为：该压裂技术主要应用于渗透率低于0.05×10-3μm2的油气藏，同时也可以用于渗透率为0.05×10-3～0.1×10-3μm2的油气藏和渗透率大于0.1×10-3μm2的天然裂缝性油气藏。

（2）高强度岩石地层。 岩石的杨氏模量越高，岩石越坚硬，压裂易形成粗糙的节理，就越有利于保持裂缝张开，从而裂缝导流能力得到保持。该压裂技术主要应用于杨氏模量大于3.4475×104MPa的油气藏，杨氏模量为6.892×104～3.4475×104MPa的油气藏中也可以使用。

（3）具低闭合应力地层。 低应力有利于使残余的裂缝保持张开，一般要求闭合应力梯 度小于0.0176MPa/m；而闭合应力越低，压差越大的地层 ，越有利于清水压裂。

（4）具天然裂缝的地层。 天然裂缝的储层，水力压裂可以沿天然裂缝网络延伸，增强裂缝的导流能力，并有利于天然裂缝网络和井筒之间的连通性。

（5）压力较低的地层。 压力较低的地层采用传统的冻胶压裂返排比较困难，凝胶滞留于地层对储层伤害大，而清水压裂有助于加速返排，可以避免凝胶造成的储层损害。

清水压裂机理与常规加砂压裂机理有较大的区别，清水压裂满足剪切破裂准则，地层发生剪切破裂后，两个粗糙缝面在剪应力作用下发生剪切滑移，剪切加宽的裂缝使渗透率得到保持。清水压裂形成的剪切裂缝导流能力低，该技术在低渗透储层、高强度岩石储层、低闭合应力储层等能取得更好的压裂增产效果。

然而，微地震研究表明：清水压裂能形成长裂缝，但是支撑裂缝的有效长度将随着支撑剂的浓度和铺置的有效性发生很大的变化。清水压裂中不使用支撑剂

会导致低的裂缝导流能力，鉴于清水压裂得到的裂缝导流能力较低， 90年代中期，为增加裂缝的导流能力，避免因清水压裂得到的裂缝导流能力较低，提出了冻胶与滑溜水联合的混合水压裂技术。 2.4混合清水压裂

混合清水压裂结合了冻胶压裂和清水压裂的优点，短期压力恢复测试和长期产量数据曲线下降类型表明，混合清水压裂能获得更长的有效裂缝半长和更高的裂缝导流能力。混合清水压裂一般工艺是用清水造一定的缝长及缝宽后，继以聚合物压裂液携带20/40目、40/70目砂子，从而产生较高导流能力的水力裂缝。

（1）混合清水压裂与清水压裂的不同点 ? 滑溜水作前置液；

? 线性凝胶或胶联液用于输送支撑剂； ? 20/40～40/70支撑剂浓度达到480Kg/m3。 （2）3种压裂工艺效果对比分析（见表1）

表1 冻胶压裂、清水压裂与混合清水压裂对比分析

对比项目 冻胶压裂 胍胶浓度 4.8 Kg/m~6Kg/m 33支撑剂 20/40目上百吨 施工目的 形成理想的裂缝导特点 昂贵 流能力 得到与冻胶压裂近似的效果，9.1m ~ 清水压裂 较少 18.3m缝长，3md/m导流能力。但形成的裂缝宽度较小。 初期产量提高，30.5m~70.1m缝长，混合清水压裂 3·6Kg/m~4·2Kg/m 目30t~90t 增加。 裂缝半长。 33便宜 20/40目或40/70导流能力不会明显生产井性能提高，得到更长的通过表1中所列出项目对比可得，混合清水压裂能比小型或大型清水压裂产生更长的有效裂缝半长和更高的有效裂缝导流能力，小型的清水压裂得到的平均有效裂缝半长低于21m，使用更多支撑剂后的较大型清水压裂得到的平均有效裂

缝半长增加30%，大约是33.5m。混合清水压裂得到的平均有效裂缝半长是71.6m，分别比小型清水压裂和大型清水压裂增加2倍和3.5倍。所以，混合水压裂相比于清水压裂来说，在低渗储层用在低渗透油气藏更能达到有效的增产效果，为低渗透油气藏油田的高效开发提供有力的技术支撑。

综合来说，混合水压裂具有：①配方简单、残渣伤害低、经济有效；②适用于较低应力、高扬氏摸量的低渗油气层中；③其增产机理是在低渗油气层中通过压裂使裂缝发生剪切位移，结合裂缝壁面粗糙和低砂浓度支撑使裂缝保持满足低渗油气层的导流能力，同时只有很低的残渣伤害；④可以获得相比于清水压裂更长的有效裂缝半长和更高的裂缝导流能力。

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