西南石油采油工程课件 第六章 水力压裂

与2000年相比，2005年我国原油产量增加11.6%，年均增长率为2.2%进口量增加80.8%，年均增长率12.6%净进口量增加98.9%，年均增长率14.7%油品净进口量增加78.1%，年均增长率12.2%原油和油品净进口量增加96.0%，年均增长率14.4%石油表观消费量增加36.8%，年均增长率6.5%石油对外依存度由29.6%上升到42.9%根据预测2010年中国石油消费总量：3.5亿吨石油产量：1.8亿吨对外依存度：50%2020年中国石油消费总量：4.5亿吨石油产量：1.8亿吨对外依存度：60%如果2030年至2040年经济持续增长，需要进口5亿吨以上，对外依存度将达到80%以上。我国未来15年的经济增长将维持在7%以上，原油需求将至少以4%左右的速度增加，但原油产量增长速度难以超过9%，原油供需缺口逐年加大，我国原油的生命线将越来越脆弱。一旦世界风云突变，我国的石油安全将首当其冲地受到极大威胁。第三次资源调查初步表明：•我国石油资源量1110亿吨；•天然气资源量53万亿立方米；•可采石油储量150亿吨；•可采天然气储量14万亿立方米；•探明石油地质储量255亿吨；•探明可采石油储量67.91亿吨；•探明天然气地质储量5.6万亿立方米；•探明可采天然气储量2.77万亿立方米。因此，尚有十分广阔的油气资源等待进一步勘探发现，这也是我国降低石油对为依存度的希望所在和根本战略。降低我国石油对外依存度的另一战略●下大力气进行老油区老油田的增产挖潜、增储上产、进一步提高采收率处于高含水期的老油田有60%的剩余油未被开采出来。●重视和加强低品位石油资源开发油质差、储层条件复杂、开采难度叫大的石油地质储量（稠油、低渗透等难动用储量）占用我国总探明储量的一半以上。增产措施Reservoirstimulation绪论•油气井增产方法•酸化水力压裂历史•各类储层中增产方法的使用•增产措施在勘探开发中的作用1油气井增产方法1.1油气井低产的主要原因近井地带受伤害，导致渗透率严重下降油气层渗透性差地层压力低，油气层剩余能量不足地层原油粘度高)43(ln)(2srrBppkhaqweoowfro1.2油气井增产途径提高或恢复地层渗透率保持压力增加地层能量降低井底回压降低原油粘度1.3油气井增产方法水力压裂酸化、酸压爆炸（高能气体压裂）物理法井下超声波增产技术油水井水力振荡增产技术井下低频电脉冲增产技术微波处理1.4油气井主流增产方法水力加砂压裂基质酸化酸压2各类储层中增产方法的使用砂岩储层水力压裂、基质酸化碳酸盐岩储层酸压、基质酸化、水力压裂特低渗储层MHF特低渗坚硬储层高能气体压裂、高能气体压裂+水力压裂…...3水力压裂、酸化的作用在勘探阶段增加工业可采储量在开发阶段油气井增产水井增注调整层间矛盾，改善吸水剖面二次和三次采油中应用其它方面煤层气开采，工业排污，废核处理等。第六章水力压裂水力压裂历史•1947年美国Hｏｇｏｔｏｎ气田——4LimestonGasPayZones（2340to2580ft）——BHTP=420psi——Fluid=1000galofNapalm+2000galsofGaslion——Proppant=ArkansasRiverSand（2000lbs）•1949年美国Aｍｏｃｏ公司•1952年延长油矿•1955年玉门油田基本概念用地面高压泵组，以超过地层吸收能力的排量将高粘液体（压裂液）泵入井内，而在井底憋起高压，当该压力克服井壁附近地应力达到岩石抗张强度后，就在井底产生裂缝。继续将带有支撑剂的携砂液注入压裂液，裂缝继续延伸并在裂缝中充填支撑剂。停泵后，由于支撑剂对裂缝的支撑作用，可在地层中形成足够长、有一定导流能力的填砂裂缝。增产机理洞穴～裂缝型孔洞～裂缝型裂缝型沟通井筒附近的高渗透带、储层深部裂缝系统及油气区，扩大供油面积。改善油气流动方式。Wellbore地层、裂缝双线性流地层线性流裂缝线性流pppwfWell距井筒位置压力距井筒位置压前压后降低井附近的渗流阻力:酸蚀裂缝增大渗流面积：wp2xfh正常投产向井渗流面积：A0=2×3.14×rw×H=2×3.14×0.1m×10m=6.28m2形成长度为Xf,高度为H的裂缝后渗流面积：Af=4×Xf×H＝4×100m×10m=4000m2解除井底附近污染。发展阶段(1)一般性的单井增产、增注措施(2)大型压裂工艺技术的发展和应用(3)优化压裂设计技术的发展和应用(4)低渗油藏整体压裂开发技术的研究和应用(5)中高渗油藏端部脱砂压裂技术研究和应用(6)复杂油气藏的改造技术研究和应用第六章水力压裂（HydraulicFracturing)—水力压裂力学—水力压裂材料性能与评价—水力压裂裂缝延伸模拟—支撑剂在裂缝中运移分布—水力压裂效果分析—水力压裂工艺技术—水力压裂诊断评估技术图6-1压裂施工曲线PF—破裂压力PE—延伸压力PS—地层压力P井底=PF时第一节水力压裂造缝机理C压力时间排量不变，提高砂比，压力升高反映了正常的裂缝延伸裂缝闭合压力（静）裂缝延伸压力（静)净裂缝延伸压力管内摩阻地层压力（静）破裂前置液携砂液裂缝闭合加砂停泵baa—致密岩石b—微缝高渗岩石FHSE一、地应力分析1地应力场重力应力构造应力孔隙流体压力原地应力诱导应力扰动应力地应力=+xzyyxz地层岩石三维应力状况+1.1重力应力主应力:x，y，z应变:x，y，zH0r6zgdh)h(10z—垂向主应力,MPar—随深度变化的上覆岩体密度，Kg/m3h—深度，mg—重力加速度，m/s2szzP注意：的物理意义=1-Cr/Cb由广义虎克定律:总应变:EEEzxyxxx321,,1)]([E1321zyxxxxx同理:)]([E1)]([E1yxzzzxyy由于周围岩石的围限作用:zyxyx10考虑孔隙流体压力后的地层水平应力:SSzyxpp1(2)构造应力•定义与来源•特点—构造应力属于水平的平面应力状态—挤压构造力引起挤压构造应力—张性构造力引起拉张构造应力—构造运动的边界影响使其在传播过程中逐渐衰减。•在断层和裂缝发育区是应力释放区。—正断层，水平应力x可能只有垂向应力z的1/3，—逆断层或褶皱带的水平应力可大到z的3倍。(3)热应力•产生原因•特点•计算方法1TETyx2人工裂缝方位•显裂缝地层很难出现人工裂缝。•微裂缝地层—垂直于最小主应力方向；—基本上沿微裂缝的方向发展，把微裂缝串成显裂缝。裂缝方向总是垂直于最小主应力•地应力分布十分复杂，既与区域动力场和局部构造应力有关，又与现代活动应力场联系密切。假设地层岩石为线弹性体，首先针对裸眼井分析井壁最终应力分布，结合岩石破裂准则讨论水力压裂诱发人工裂缝的造缝条件。二、水力压裂造缝机理y1井壁最终应力分布rxrrwxy（1）井筒处应力分布2sin32122cos312122cos34121244224422442222rrrrrrrrrrrrrrwwyxrwyxwyxwwyxwyxrx、y—x方向和y方向上应力，Pa；r、—径向和周向（切向）应力，Pa；，r—任意径向与x轴的极角和极径，m；r—计算点剪切应力，Pa。当r=rw，＝0及180时，＝3y－x当r=rw，＝90及270时，＝3x－y当x=y＝2y=2x说明周向应力相等，与无关当xy()0,180=()min()90，270=()max分析•随r增加，迅速降低(平方次)•应力集中(周向应力在井壁处最大,这是破裂压力大于延伸压力的根本原因.)•PFPE对称双翼裂缝（2）向井筒注液产生的应力分布eewwiweeprrrrprrrr22222222/1/11/1/当re，Pe=0于是r=rw时，＝-Pi弹性力学拉梅公式(拉应力为负)A.注入压裂液在井壁周围各个方向上所产生的应力方向一致;B.注液产生的压力为张应力，向井筒注液有利于撕开地层;C.注液产生的应力沿井轴半径是衰减的。离井轴越远，应力越小。(3)压裂液渗入地层引起的井壁应力121)(siPP(4)井壁上的总周向应力(应力迭加原理)＝地应力+井筒内压+渗滤引起的周向应力121)()3(siixyPPP井壁最终应力分布•根据最小主应力原理—当z最小时，形成水平裂缝;—当Y或x最小时，形成垂直裂缝。zxyyxzxzy2水力压裂造缝条件(1)形成垂直缝岩石破坏条件ht－压为正，拉为负－最大有效周向应力大于水平方向抗拉强度（最大张应力原则）有液体渗滤isxxsyyPPPhtsisixyPPPP121)()(23当破裂时，Pi=PFshtxyFPP12123无液体渗滤sPhtsixyPP)(3当破裂时，Pi=PFshtxyFPP3(2)形成水平缝岩石破坏条件vtz－最大有效周向应力大于垂直方向抗拉强度有液体渗滤121)(sizzPP有效总垂向应力为：vtsisizsiizizzPPPPPPPP121)()(121)(－svtzFPP1211当破裂时，Pi=PF1.94无液体渗滤szzP有效总垂向应力为：vtsizizzPPP)(－svtzFPP1当破裂时，Pi=PF0.94•无论是形成垂直裂缝或水平裂缝,压裂液向地层滤失时，由于流体传递了该压力而使破裂压力有所降低。•压裂液向地层滤失增加了地层污染可能性。3破裂压力梯度定义HPF理论计算HpvvHvvHpszFF13112矿场统计当αF0.015～0.018MPa/m,形成垂直裂缝当αF0.022～0.025MPa/m,形成水平裂缝降低破裂压力措施•酸化预处理•密集射孔•高能气体压裂•水力喷砂射孔三、地应力的测量及计算（1）矿场测量—水力压裂法—井眼椭圆法（2）实验室分析—滞弹性应变恢复（ASR）—微差应变分析（DSCA）（3）有限元计算第二节压裂液—压裂液及其性能要求—压裂液添加剂—压裂液的流动性—压裂液的滤失性—压裂液对储层的伤害—压裂液选择压裂液的组成•前置液•携砂液•顶替液（完整的压裂泵注程序中还可以有清孔液、前垫液、预前置液）对压裂液的性能要求(1)与地层岩石和地下流体的配伍性；(2)有效地悬浮和输送支撑剂到裂缝深部；(3)滤失少；(4)低摩阻；(5)低残渣、易返排；(6)热稳定性和抗剪切稳定性。压裂液性能要求1.滤失低—滤失量小是造长、宽缝的重要条件—压裂液体积平衡：Qt=Vf+VL—压裂液效率：=Vf/(Qt)—滤失性取决于粘度和造壁性—对储层的伤害小—必须防止砂卡压裂液性能要求2.携砂能力强—要求形成“深穿透、饱填砂”支撑裂缝—携砂能力取决于粘度—防止井筒沉积—必须防止砂卡—实施MHF，要求高排量、大砂比—砂比=加砂体积/压裂液体积压裂液性能要求3.摩阻低、比重大—四种流动过程：地面管线、井筒流动、射孔孔眼和人工裂缝。——PfmfmFHPPPPPPPPP：提高排量，有利压裂液性能要求4.稳定性好—热稳定性—抗剪切稳定性5.配伍性好—与岩