第06章水力压裂.

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。水力压裂压裂材料压裂液支撑剂水力压裂的工艺过程：憋压造逢裂缝延伸充填支撑剂裂缝闭合0102030405060708005101520253035404550556065时间/(分钟)压力/砂比/(MPa/%)00.511.522.533.54排量/(方/分)油压套压砂比排量intro.ppt10/26/98slide6水力压裂的设备设备仪表车混砂车压裂车管汇车仪表车混砂车压裂车管汇水力压裂的地面设备图（一）沟通油气储集区，扩大供油面积由于地层构造的非均质性，地层中有产能的部分地区并末与油井沟通，生产潜能不能充分发挥，如碳酸盐岩的裂缝带、砂岩中的透镜体等。水力压裂形成的人工裂缝可以这些储油气区，从而扩大供油面积，实现油气增产。压裂的增产原理（二）改变流型减少地层能量损失压裂前，地层中的流体沿径向流向井底。尤其是低渗透储层，近井地带的压降很大，导致产量很低。压裂后形成的高导流能力的填砂裂缝，从井底延伸到地层深处，大大改善了近井地带的油气渗流条件，由原来的径向流改变为线性流，大大降低了地层能量的损耗。径向流从裂缝井底从地层裂缝（三）克服井底附近污染带在钻井、完井和生产作业各环节中不可避免地会对储层造成损害，使产量降低。压裂形成的人工裂缝可以解除近井地带的污染而恢复和提高油气产量。解堵压裂的规模较小，只需穿透污染带即可，但对裂缝的导流能力要求很高。第一节造缝机理1.裂缝形成条件2.裂缝形态(垂直、水平缝)3.裂缝方位在压裂中，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。造缝条件及裂缝形态、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。裂缝方位与应力关系图yxzzxyyxzzyxyxzxyz或yxz从岩石力学的观点，裂缝总是产生于强度最弱、阻力最小的方向，岩石破裂面总是垂直于最小主应力轴方向。因此，在没有天然裂缝的地方形成的压裂裂缝形态取决于储层的应力状态，即主应力之间的相对大小与方向，一定垂直于最小主应力方向。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:zHxy②有效垂向应力一、油井应力状况dzgHSZ0sZZPxyzxyz如果岩石处于弹性状态，可根据广义虎克定律建立岩石的有效水平应力与有效垂向应力的关系：xxE11yxE2zxE3在三向应力作用下，x轴方向上的应变分别为:③有效水平主应力SSZHSSZHPEPEPEPE11212111212121min21max01321zyxxxxxE得yxzyx1由于存在侧向应力的约束，则：侧压系数考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大、最小水平主应力为：令1)井筒对地应力及其分布的影响圆孔周向的应力分布：2cos)31(2)1(24422rarayxyx(二)井壁上的应力A）当r=a且σx=σy=σH时，σφ=2σx=2σy=2σHxy3)()(min180,0yx3)()(max270,902cos)31(2)1(24422rarayxyxB)当r=a,σxσy时，c)当r=∝,σφ=σH,破裂压力大于延伸压力说明最小周向应力发生在x方向上，而最大周向应力却在Y方向上。圆孔周向应力：2.井眼内压所引起的井壁应力裂过程中，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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：1）当有滤失时：syypsxxp1213siixyPPPsxxpsyypipip123()21yxispp12123htxySFPPht当产生裂缝时，井筒内注入流体的压力等于地层的破裂压力：2）无滤失时：0121)(piwfppixyP3syypsxxpsxxpsyypspsp3yxsipp3hFsyxtppht当产生裂缝时，井筒内注入流体的压力等于地层的破裂压力：(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1）存在滤失时：vtF1211zspp121)(sizZtppszzpszzpiZtZtpiZtZtp12()11ZtzisppvtZ当产生裂缝时，井筒内注入流体的压力等于地层的破裂压力：2）无滤失时：vtFszppzZtszzpszzpvtizp当产生裂缝时，井筒内注入流体的压力等于地层的破裂压力：无滤失时：12194.1vtzsFPP实验修正：存在滤失时：vt0.94zFspp(三)破裂压力梯度(破裂梯度)破裂梯度: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)kPa/m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时形成水平裂缝破裂压力延伸压力地层压力压裂过程井底压力变化曲线三、压裂施工曲线a—致密岩石b—微缝高渗岩石0102030405060708005101520253035404550556065时间/(分钟)压力/砂比/(MPa/%)00.511.522.533.54排量/(方/分)油压套压砂比排量压裂施工曲线（地面曲线）三、压裂施工曲线压裂施工曲线是指施工压力、排量、砂比等参数与时间的变化关系曲线。压裂施工过程中，压力与时间的变化关系反映了压裂液与地层的相互作用和裂缝的延伸状况。压裂施工曲线是指施工压力、排量、砂比等参数与时间的变化关系曲线。压裂施工过程中，压力与时间的变化关系反映了压裂液与地层的相互作用和裂缝的延伸状况。压裂施工曲线（地面曲线）三、压裂施工曲线P摩阻＝P管柱+P孔眼施工摩阻P（井底）=P（地面）+PH-PFrPH—井筒中的静液柱压力，MPaPFr—井筒中的摩阻损失，MPa三、压裂施工曲线压裂施工过程中，压力与时间的变化关系反映了压裂液与地层的相互作用和裂缝的延伸状况。三、压裂施工曲线典型压裂施工曲线（地面曲线）Pt表示缝高稳定增长到应力遮挡层内或是地层内天然裂缝张开,使得滤失量与注入量持平。表示裂缝端部受阻,缝内压力急剧上升,如果斜率大于1则表示裂缝内发生堵塞。表示裂缝穿过低应力层，缝高发生不稳定增长，直到遇到高应力层或加入支撑剂后压力曲线才变缓，另一种可能是沟通了天然裂缝，使滤失量大大增加，此结果会导致裂缝内砂堵，压力又将很快上升。表示裂缝在高度方向延伸受阻,这是正常的施工曲线。压裂施工延伸压力分析压力曲线分析010203040506001020304050时间/分压力/砂比(MPa/%)012345678排量(方/分）油压套压砂比排量压裂施工曲线（地面曲线）压力曲线分析01020304050600102030405060时间/(分钟)压力/砂比/(MPa/%)00.511.522.53排量/(方/分)油压套压砂比排量压裂施工曲线（地面曲线）压力曲线分析0102030405060708005101520253035404550556065时间/(分钟)压力/砂比/(MPa/%)00.511.522.533.54排量/(方/分)油压套压砂比排量压裂施工曲线（地面曲线）0102030405060020406080100120时间，min压力，MPa-0.500.511.522.5油压MPa砂比％排量m3/分压力曲线分析压裂施工曲线（地面曲线）第二节压裂液压裂液任务：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；压裂液的性能要求：①滤失少：②悬砂能力强：③摩阻低：④稳定性好：⑤配伍性好:⑥低残渣:⑦易返排:⑧货源广、便于配制、价钱便宜。造长缝、宽缝取决于它的粘度与造壁性取决于粘度摩阻愈小,用于造缝的有效功率愈大热稳定性和抗机械剪切稳定性不应引起粘土膨胀或产生沉淀而堵塞油层以免降低油气层和填砂裂缝渗透率减少压裂液的损害一、压裂液类型◆水基压裂液:◆油基压裂液：◆泡沫压裂液：用水溶胀性聚合物(称为成胶剂)经交链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。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。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。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。压裂液的粘度地层岩石及流体的压缩性压裂液的造壁性。主要受三种因素的控制二、压裂液滤失性2/13104.5fPKCtCv(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为：滤失速度为：当压裂液的粘度大大超过地层油的粘度时，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：受压裂液粘度控制的滤失系数dtdLLpKvfadtpKLdLLtf00fptKL2代入达西公式：2121)2()2(tpKptKpKLpKvffff