压裂工艺

第1页定义：当地面高压泵组将液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中时，在井底附近蹩起超过井壁附近地层的最小地应力及岩石抗张强度的压力后，即在地层中形成裂缝。随带有支撑剂的液体注入缝中，裂缝逐渐向前延伸，这样，在地层中形成了具有一定长度、宽度及高度的填砂裂缝。水力压裂基础知识第2页1）岩石的泊松比1、岩石力学相关知识当岩石受到压应力时,在弹性范围内,岩石侧向应变和轴向应变的比值称之为泊松比,单位:无因次。水力压裂基础知识第3页当岩石受到拉应力或压应力时,轴向应力与应变的比值为一常数E（A到B),这个常数称之为岩石弹性模量(应力和应变成线性关系),单位MPa。2）岩石的弹性模量1、岩石力学相关知识水力压裂基础知识第4页影响因素：最小水平地应力及地应力非均匀性渗透性，孔隙度，泊松比，抗拉强度，孔隙压力地层孔隙连通性的系数破裂压力和深度的比值称之为破裂压力梯度，单位MPa/m。HPF2、相关压力概念1）破裂压力使地层产生水力裂缝或张开原有裂缝时井底流体压力。2）破裂压力梯度水力压裂基础知识第5页破裂压力的作用：地层破裂压力是确定井下管柱、井下工具、井口装置压力极限的主要依据；根据破裂压力可以确定压裂施工时的最高地面泵压、泵注排量以及需用设备功率。水力压裂基础知识第6页地层破裂压力高的原因：地应力大（井深）；非均匀性弱（高温高压下塑性强，泊松比大）,地层破裂压力高。地层渗透性低，破裂压力高，高渗透和非渗透层间的破裂压力差值可达30％以上。地层塑性大，可变形性强，不易压裂。酸化预处理、高效射孔（包括射孔方式、方位）、密集射孔对破裂压力过高地层处理方法：水力压裂基础知识第7页水力裂缝在长宽高三个方向扩展所需缝内流体压力。一般它比闭合压力大,且与裂缝大小急压裂施工有关,单位MPa。地面延伸压力计算井底延伸压力：瞬时停泵压力计算井底延伸压力：2、相关压力概念3）延伸压力水力压裂基础知识第8页开始张开一条已存在的裂缝所需流体压力或是裂缝恰好保持不闭合所需的流体压力。这一压力与地层中垂直于裂缝面上的最小主应力大小相等方向相反。闭合压力小于开始形成裂缝所需破裂压力,并始终小于裂缝延伸压力(岩石的抗拉强度)。2、相关压力概念4）闭合压力水力压裂基础知识第9页裂缝闭合压力（静）裂缝延伸压力（静）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FECS2、相关压力概念PF—破裂压力PE—延伸压力PS—地层压力水力压裂基础知识第10页不同构造区域、不同性质地层地应力大小不同。3、地应力相关知识1）概念：地下某深度处岩石受到的周围岩体对它的挤压力。2）地应力的表示：用三个主地应力来表示，一个为垂直向主地应力；另二个为相互垂直的二个水平主地应力。3）地应力的来源：上覆岩体的自重；地质构造运动产生的构造应力。水力压裂基础知识第11页如果岩石单元体是各向同性材料，岩石破裂时的裂缝方向总是垂直于最小主应力轴。3、地应力相关知识水力压裂基础知识第12页应用构造地质力学方法研究地应力的相对大小及大致方位古地磁分析Kaiser效应试验确定水平主地应力大小应用水力压裂法确定最小水平主地应力大小3、地应力相关知识5）地应力研究方法水力压裂基础知识第13页地应力研究方法--根据断层特点及走向确定地应力的大小及方向3、地应力相关知识水力压裂基础知识第14页五3中区克下组水平最大应力方向古地磁分析结果表井号深度（m）岩性磁偏角（°）水平最大应力方向（°）J2082239.5砂砾岩176.57135.95J2671904.19砂砾岩172.19131.5757312375.65砂砾岩167.66127.03五3中区克下组油藏最大水平应力梯度0.0134MPa/m～0.0169MPa/m，平均为0.0153MPa/m。井号深度（m）岩性垂向应力（MPa）水平最大应力水平最小应力应力(MPa)梯度(MPa/m)应力(MPa)梯度(MPa/m)检2082239.5砂砾岩51.530.050.013429.510.0132检2671904.19砂砾岩49.3732.140.016924.040.012657312375.65砂砾岩54.6337.260.015732.650.0137地应力研究方法--古地磁分析3、地应力相关知识水力压裂基础知识第15页声发射数压应力凯塞尔效应点地应力研究方法--凯塞尔效应法测定地应力3、地应力相关知识水力压裂基础知识第16页监测裂缝扩展和关井后的压力，准确确定最小主应力地应力研究方法--地层破裂压力试验水力压裂基础知识3、地应力相关知识第17页4、压裂模型-KGD模型KGD二维裂缝延伸模型水力压裂基础知识第18页4、压裂模型-KGD模型水力压裂基础知识第19页4、压裂模型-KGD与PKN模型的比较1)裂缝形状KGD:垂直剖面为矩形，平面应变主要发生于水平剖面，层间有滑动。PKN:垂直剖面为椭圆形，平面应变发生于垂直剖面，层间无滑动。2)净压力变化KGD:随时间降低PKN:随时间增加3)适用范围KGD:浅层或块状厚油气层;PKN:目的层较薄且上下有致密页岩、泥岩等作为遮挡层或油层较深、层间的摩擦力较大不易产生滑动的情况。水力压裂基础知识实际观察表明：KGD:长高比较小PKN:长高比较大。第20页1）裂缝破裂模式水力压裂基础知识5、破裂模式裂缝延伸准则第21页水力压裂基础知识2）裂缝延伸准则5、破裂模式裂缝延伸准则第22页1）概念：压裂液是为造缝与携砂使用的液体，是水力压裂的关键组成部分。水力压裂基础知识6、压裂液前置液：作用是破裂地层并造成一定几何尺寸的裂缝以备后面的携砂液进入，它还起到一定的降温作用。有时为了提高前置液的工作效率，在一部分前置液中加细砂以堵塞地层中的微隙，减少液体的滤失。携砂液：作用是将支撑剂带入裂缝中并将砂子放到预定位置上去。在压裂液的总量中，这部分占的比重较大。有造缝及冷却地层的作用。顶替液：作用是打完携砂液后，用于将井筒中全部携砂液替入裂缝中。压裂液是一个总称，根据其在压裂过程中的任务不同可分为前置液、携砂液和顶替液。2）压裂液分类及作用第23页水基压裂液水基压裂液主要是用水溶胀性聚合物作为成胶剂，制成能悬浮支撑剂的稠化溶液，具有粘度高、摩阻低及悬砂能力强的优点。缺点：但热稳定性和机械剪切稳定性较差。为了克服这一缺点，又发展了交链压裂液和延迟交链压裂液。油基压裂液a.矿场原油或炼厂粘性成品油b.稠化油，稠化油=油（原油、汽油、柴油、煤油、凝析油）+稠化剂（脂肪酸铝皂、磷酸酯铝盐）酸基压裂液用植物胶或纤维素稠化酸液得到稠化酸或用非离子型聚丙烯酰胺在浓盐酸溶液中，以甲醛交链而得到酸冻胶。酸基压裂液适宜于碳酸盐类油气层的酸压。水力压裂基础知识6、压裂液2）压裂液分类及作用第24页滤失少压裂液的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，能改善造壁性并大大减少滤失量。悬砂能力强压裂液的悬砂能力主要取决于粘度，压裂液只要有足够高的粘度，砂子即可完全悬浮，这对砂子在缝中分布是非常有利的。摩阻低压裂液的摩阻愈小则在设备功率一定的条件下，利用造缝的有效功率愈大。摩阻过稳定性压裂液应具有热稳定性，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，不因流速的增加而发生大幅度的降解。配伍性压裂液进入地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滤的物理—低残渣要尽量降低压裂液中水不溶物的数量，以免降低岩石及填砂裂缝的渗透率。易反排施工结束后大部分注入液体反排出井外，排液愈完全，效果愈好。货源广便于配制，价钱便宜。水力压裂基础知识3）压裂液性能要求6、压裂液第25页储层形成裂缝后,由携砂液输送、携带充填至裂缝中的具有一定强度与圆球度的固体颗粒。水力压裂基础知识7、支撑剂1）概念泵注停止且缝内液体排出后保持裂缝处于张开状态，地层流体可通过支撑剂由裂缝流向井底。2）作用按其力学性质分为两大类脆性支撑剂(如石英砂、玻璃珠等)，特点是硬度大，变形小韧性支撑剂(如核桃壳、铝球等)，特点是变形大，承压面积随之加大，高压下不易破碎。3）支撑剂分类第26页粒径均匀。支撑剂粒径均匀可提高支撑剂的承压能力及渗透性。目前使用的支撑剂直径多半是0.42～0.84mm(40～20目)，有时也用少量直径为0.84～2mm(20～10目)的。强度高。支撑剂组成不同，其强度也不同，强度越高，承压能力越大。杂质含量少。压裂砂中的杂质是指混在砂中的碳酸盐、长石、铁的氧化物及粘土等矿物质。常用酸溶解度来衡量存在于压裂砂中的碳酸盐、长石和氧化铁含量；用浊度来衡量存在于压裂砂中的粘土、淤泥或无机物质微粒的含量。水力压裂基础知识4）支撑剂要求7、支撑剂压前储层评价第二部分第28页1、储层地质特征分析2、储层岩石力学参数评价3、储层敏感性分析及流体特征分析4、储层地应力特征分析内容提要第29页1)储层四性分析四性：岩性、电性、物性、含油性2)储集空间类型及组合特征裂缝型、孔隙型、多重介质型3)砂泥岩组合特征及开发现状分析1、储层地质特征分析压前储层评价第30页1）地质沉积及韵律特征主要从沉积相及沉积微相来分析。结合物源的方向，从宏观上掌握砂体在平面上的岩性、物性分布情况。结合就地应力的方位，如裂缝走向与砂体岩性及物性变好的方向一致，对压裂的效果就非常有利，此时可根据储层的有效渗透率大小定性确定施工规模的大小。如砂体分布不连续的透镜状储层，如通过长缝连成一体，也可望获得理想的增产效果。其次，小层在纵向上的分布特点及岩性、物性差异也须值得关注。如小层纵向上分布集中，岩性、物性差异较小，可统一作为压裂对象。另外，地层沉积的韵律特征也同样值得关注。一般而言，反韵律储层对压裂较为有利，而正韵律或复合韵律油层就不太适合。但如见到注水效果，韵律油层都没有非韵律油层理想1、储层地质特征分析压前储层评价砂泥岩组合特征及开发现状分析第31页2）剩余油分布集中区陆相沉积的特点就是储层的纵横向非均质性较强。即使在一次采油期，在纵向上也存在产出较少而地层压力系数相对较高的潜力层；如储层的连通性相对较好，则在二次采油期，潜力层产出及注入量都较小。因此，即使全井的综合含水率较高，有的甚至达80%以上，但仍可对其潜力层进行分层压裂，并达到增油降水的显著效果。3）物质基础与能量基础压裂要有效，首先必须有物质前提，也就是剩余可采储量的多少。能量基础就是目前储层压力系数的高低。矿场经验表明，压力系数过高或过低都难以获得理想的增产效果。一般而言，压力系数以0.7-1.3范围为好。1、储层地质特征分析压前储层评价砂泥岩组合特征及开发现状分析第32页储层岩石基础数据室内实验：岩石三轴压力试验机能够完成如下参数测定（100Mpa、70Mpa、180℃）。1）不同围压下，测量岩石的弹性参数；2）全应力——应变试验，获得峰值强度和残余强度（三轴抗压强度）；3）测试岩石的断裂韧性；4）围压下声发射Kairsir实验（测试地层原地应力实验）；5）巴西实验（单轴抗拉强度）；6）岩石动态弹性参数测定试验（超声波)。2、储层岩石力学参数评价压前储层评价第33页1）岩石的泊松比当岩石受到压应力时,在弹性范围内,岩石侧向应变和轴向应变的比值称之为泊松比,单位:无因次。2、储层岩石力学参数评价压前储层评价第34页-3600-3580-3560-3540-3520-3500-3480-3460-3440-3420-3400020406080100120扩展前沿(m)地层深度(m)bsb=0.15bsb=0.3泊桑比对裂缝尺寸影响不大2、储层岩石力学参数评价压前储层评价岩石力学参数对裂缝的影响第35页当岩石受到拉应力或压应力时,轴向应力与应变的比值为一常数E（A到B),这个常数称之为岩石弹性模量(应力和应变成线性关系),单位MPa。2）岩石的弹性模量2、储层岩石力学参数评价压前储层评价第36页-3560-3550-35