采油工程6--水力压裂--汤.

第六章水力压裂技术主要内容：(4)压裂设计(1)造缝机理(2)压裂液(3)支撑剂压裂的定义：用压力将地层压开一条或几条水平的或垂直的裂缝，并用支撑剂将裂缝支撑起来，减小油、气、水的流动阻力，沟通油、气、水的流动通道，从而达到增产增注的效果。压裂的种类：(根据造缝介质不同)干法压裂利用特定的发射药或推进剂在油气井的目的层段高速燃烧，产生高温高压气体，压裂地层形成多条自井眼呈放射状的径向裂缝，清除油气层污染及堵塞物，有效地降低表皮系数，从而达到油气井增产的目的的一种工艺技术。利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高压；当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层产生裂缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，使井达到增产增注目的工艺措施。水力压裂：利用100%的液体二氧化碳和石英砂进行压裂，无水无任何添加剂，压后压裂液几乎完全排出地层，可避免地层伤害。其关键技术是混合砂子进入液体二氧化碳中的二氧化碳混合器。适用于对驱替液、冻胶或表面活性剂的伤害敏感的地层，适合的储层包括渗水层、低压层及有微粒运移的储层以及水敏性储层。高能气体压裂(2)降低了井底附近地层中流体的渗流阻力：裂缝内流体流动阻力小。水力压裂增产增注的原理:(1)改变流体的渗流状态：使原来径向流动改变为油层与裂缝近似的单向流动和裂缝与井筒间的单向流动，消除了径向节流损失，降低了能量消耗。水力压裂的工艺过程：憋压造缝裂缝延伸充填支撑剂裂缝闭合压裂液携砂液支撑裂缝动态裂缝水力压裂工艺过程第一节造缝机理裂缝形成条件裂缝的形态裂缝的方位井网部署提高采油速度提高原油采收率有利的裂缝状态及参数能够充分发挥其在增产、增注的作用。造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层的地应力及其分布、岩石的力学性质、压裂液的渗滤性质及注入方式有密切关系。图6-1压裂过程井底压力变化曲线a—致密岩石b—微缝高渗岩石破裂压力延伸压力地层压力一、油井应力状况(一)地应力dzgHSZ0sZZP垂向应力：上覆层的岩石重量。由于油气层中有一定比例的孔隙压力，故有效垂向应力为：如果岩石处于弹性状态，考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大、最小水平主应力分别为：yzxZHx一般情况下，地层中的岩石处于压应力的状态，作用在地下岩石某单元体上的应力为垂直主应力和水平主应力（可分为两个相互垂直的主应力，）。yHSSZHSSZHPEPEPEPE11212111212121min21max裂缝的形态取决于地应力的大小和方向。压裂时，在油层中形成何种裂缝，取决于地层中垂向应力何水平应力的相对大小。当σzσxσy时，裂缝面垂直于σy当σzσyσx时，裂缝面垂直于σx当σyσxσz时，将出现水平缝yzx(二)井壁上的应力1.井筒对地应力及其分布的影响在地层上钻井以后，井壁上及其周围地层中的应力分布受到井筒的影响，这种影响非常的复杂，为了简化考虑，将地层中三维应力问题改为二维方法来处理。在这种情况下，与弹性力学中双向受力的无限大平板中钻有一个圆孔的受力情况是很相近的。图6-2无限大平板中钻一圆孔的应力分布2cos312124422rarayxyx弹性力学给出了平板为固体的、各向同性与弹性材料周向应力的计算等式：图6-2无限大平板中钻一圆孔的应力分布(1)当，时，，说明圆孔壁上各点的周向应力相等，且与角度无关。arHyxHyx222(2)当，时，说明最小周向应力发生在的方向上，而最大周向应力却在的方向上。aryxxy3180,0min。yx3270,90max。xy(3)随着的增加，周向应力迅速降低。如图6-2（b）所示。这种应力分布表明，由于圆孔的存在，产生了圆孔周围的应力集中，孔壁上的应力比远处的大得多，则就是地层破裂压力大于裂缝延伸压力的一个主要原因。r图6-2无限大平板中钻一圆孔的应力分布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。井筒内压必然导致井壁上产生周向应力。根据弹性力学中的拉梅公式(拉应力取负号)：222222222aeaeieaeaieerrrrrPPrrrPrP当re=∞、Pe=0及r=ra时，井壁上的周向应力为：iP即由于井筒内压而导致的周向应力与内压大小相等，方向相反。121siPPbrCC11213siixyPPP3.压裂液径向渗入地层所引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，形成了另外一个应力区，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：4.井壁上的最小总周向应力在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力应为地应力、井筒内压及液体渗滤所引起的周向应力之和：ht二、造缝条件(一)形成垂直裂缝的条件当井壁上存在的周向应力达到或超过井壁岩石的水平方向的抗拉强度时，岩石将在垂直于水平应力的方向上产生脆性破裂，即在与周向应力相垂直的方向上产生垂直裂缝。造缝条件为：当产生裂缝时，井筒内注入流体的压力即为地层的破裂压力：12123htxySFPP由于最小总周向应力发生在00和1800的对称点上，垂直裂缝也产生在于井筒对应的这两个点上，所以理论上一般假定垂直裂缝是以井轴为对称的两条缝，但实际情况由于各种因素的影响，产生的裂缝往往不对称。(二)形成水平裂缝的条件当井壁上存在的垂向应力超过井壁岩石的垂向的抗张强度时，岩石将在垂直于垂向应力的方向上产生脆性破裂，即在与垂向应力相垂直的方向上产生水平裂缝。造缝条件为：vtZ当产生水平裂缝时，井筒内注入流体的压力等于地层的破裂压力：1211PPvtzsF12194.1vtzsFPP实验修正：(三)破裂压力梯度(破裂梯度)破裂梯度β：地层破裂压力与地层深度的比值。各油田根据大量压裂施工资料统计出来的破裂梯度值为：(15～18)～(22～25)深地层——垂直裂缝浅地层——水平裂缝根据破裂梯度的大小估计裂缝的形态：小于15～18时形成垂直裂缝大于23时形成水平裂缝第二节压裂液破裂地层、造缝、降温作用。一般用未交联的溶胶。携带支撑剂、充填裂缝、造缝及冷却地层作用。必须使用交联的压裂液(如冻胶等)。末尾顶替液：替液入缝，提高携砂液效率和防止井筒沉砂。前置液携砂液顶替液中间顶替液：携砂液、防砂卡；影响压裂施工成败的诸多因素中，压裂液的性能是其中的主演性质之一。压裂液的性能要求：①滤失少②悬砂能力强③摩阻低这是造长缝、造宽缝的重要条件。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，大大减少滤失量。悬砂能力主要取决于粘度。只要有较高的粘度，支撑剂（砂粒或陶粒）即可悬浮于其中。这对支撑剂的分布有利。压裂液在管道中的摩阻愈小，则在设备功率一定的条件下，用于造缝的有效功率也就愈大。摩阻过高会导致井口施工压力过高，从而降低排量甚至限制压裂施工。⑤配伍性好⑥低残渣⑦易返排压裂液进入油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流的物理-化学反应。如不会引起粘土膨胀或产生沉淀而堵塞地层。要尽量降低压裂液中水不溶物（残渣）的数量，以免降低油气层和填砂裂缝的渗透率。施工结束后大部分注入液体应能返排出井外，以减少压裂液的损害。④稳定性好压裂液应具备热稳定性，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，不会因流速的增加而发生大幅度的降解。⑧货源广、便于配制、价钱便宜。压裂液类型目前常用的压裂液有水基、酸基、油基、乳状及泡沫压裂液等。50年代初多采用原油、清水做压裂液，近十几年来发展了水基冻胶压裂液，它具有粘度高、摩阻低级悬砂能力好等优点，已成为矿场主要使用的压裂液，约占总用量的2/3。◆水基压裂液：用水溶胀性聚合物(称为成胶剂)经交链剂（交联剂）交链后形成的冻胶。施工结束后，为了使冻胶破胶还需要加入破胶剂。不适用于水敏性地层。◆油基压裂液：多用稠化油，遇地层水后自动破胶。缺点是悬砂能力差、性能达不到要求、价格昂贵、施工困难和易燃等。◆泡沫压裂液：基液多用淡水、盐水、聚合物水溶液；气相为二氧化碳、氮气、天然气；发泡剂用非离子型活性剂。特点是易于返排、滤失少以及摩阻低等。缺点是砂比不能过高、井深不能过大。◆聚合物乳状液、酸基压裂液、醇基压裂液2/13104.5fPKCtCv压裂液的滤失性压裂液滤失到地层受三种机理控制：压裂液的粘度、油藏岩石和流体的压缩性、压裂液的造壁性(一)受压裂液粘度控制的滤失系数CⅠ当压裂液粘度大大超过油藏流体的粘度时，压裂液的滤失速度主要取决于压裂液的粘度，由达西方程可以导出滤失系数C1为：滤失速度为：压裂液的滤失使得压裂液效率降低，造缝体积减小滤失系数C1与储层参数k、φ、缝内外的压力差和压裂液粘度有关。当这些参数不变时，C1为常数，但滤失速度却是滤失时间的函数，时间愈长，滤失速度愈小。(二)受储层岩石和流体压缩性控制的滤失系数CⅡ当压裂液粘度接近于油藏流体粘度时，控制压裂液滤失的是储层岩石和流体的压缩性。这是因为储层岩石和流体受到压缩，让出一部分空间压裂液才得以滤失进去。由体积平衡方程可得到CⅡ表达式：2/13103.4ffKCPCCf—油藏综合压缩系数图6-3滤失后地层中压力分布示意图使压裂液滤失于储层内的压差压缩并使油藏流体流动的压差裂缝壁面滤饼的压力差（三）具有造壁性压裂液滤失系数CⅢ滤失系数CⅢ是由实验方法测定的。图6-4静滤失仪示意图加压口筛座（含滤纸或岩心片）出液口具有固相颗粒及添加有防滤失剂（如硅粉或沥青粉等）的压裂液，施工过程中将会在裂缝壁面上形成滤饼，它会有效地降低滤失速度，此时压裂液的滤失速度将受造壁性控制。右边是一个高温高压静滤失仪的示意图，滤筒底下有一个带孔的塞座，其上有滤纸或岩心片，筒内有压裂液，在恒温下加压，在下端出口处放一个量筒计量滤失量，并记录时间。数据处理后得到了一个曲线。tmVVspαmtgVsp滤失量ml时间，min01234图6-5静滤失曲线tAmv005.0滤失速度AmC005.0造壁液体的滤失系数tC即如图6-5所示曲线。形成滤饼前，液体滤失较快；形成滤饼以后，滤失受滤饼的控制，滤失量比较稳定。将Vsp记成形成滤饼前的滤失量，称为初滤失量。滤失量与时间的关系曲线，可用以下方程表示：2/1PPCCf实验压差与实际施工过程中裂缝内外压力差不一致，则应进行修正：图6-6动滤失仪示意图图6-7动静滤失曲线比较图CCCC11112222242CCCCCCCCCCC(四)综合滤失系数压裂液的滤失同时受三种机理控制，综合滤失系数如下：CⅠ由滤失带压力差控制的，CⅡ是由压缩带压力差控制的，CⅢ由滤饼内外压力差控制的。根据分压降公式可以得到综合滤失系数的另一表达式：DDDKn11naDK三、压裂液流变性(一)各类压裂液的流变曲线1.牛顿压裂液(A曲线)图6-8压裂液流变曲线剪切速度剪切应力2.假塑型压裂液(B曲线)假塑型流体也称为幂律流体，随剪切速率的增加，其斜率变小。说明压裂液结构被破坏，粘度随之降低。nDK1n视粘度压裂液中未经稠化的水、油等均属于此类流体。n小于1，所以剪切速率愈大，视粘度愈小。因此假