压裂工艺技术基本理论

压裂工艺技术基本理论谢玲玲水力压裂（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水力压裂概念压裂：若液体被泵入井中的速度快于液体在地层中的扩散速度，将不可避免地使地层压力升高并在某些点发生破裂。所谓压裂就是利用水力作用，使油层形成裂缝的一种方法，又称油层水力压裂。油层压裂工艺过程是用压裂车，把高压大排量具有一定粘度的液体挤入油层，当把油层压出许多裂缝后，加入支撑剂(如石英砂等)充填进裂缝，提高油层的渗透能力，以增加注水量(注水井)或产量(油气井)。常用的压裂液有水基压裂液、油基压裂液、乳状压裂液、泡沫压裂液及酸基压裂液多种基本类型。压裂井场地面布置流程1.作业机；2.油井；3.排污池4.平衡车5.消防车6.压裂车7.拉砂车8.混砂车9.大罐10.仪表车水力压裂作用开发阶段–油气井增产–水井增注–调整层间矛盾改善吸水剖面–提高采收率勘探阶段增加工业可采储量，扩大勘探成果；其它方面：井网结构调整三种原因：1、穿透近井地带的伤害，使井恢复其自然产能；2、在地层中延伸有高导流的通道，使产量超过自然水平；3、改变在地层中的液体流动。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FECS第一节水力压裂造缝机理应力状态：主应力:x，y，z;应变:x，y，zHrzgdhh06)(10szzP(1)重力应力一、地应力分析1地应力场(2)构造应力•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2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y二、水力压裂造缝机理1井壁最终应力分布rxrRwxy（1）井筒处应力分布（2）向井筒注液产生的应力分布（3）压裂液渗入地层引起的井壁应力（4）井壁上的总周向应力(应力迭加原理)(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•根据最小主应力原理—当z最小时，形成水平裂缝;—当Y或xz，形成垂直裂缝。zxyyxz121)()3(siixyPPP2水力压裂造缝条件(1)形成垂直缝（有液体渗滤、无液体渗滤）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(2)形成水平缝（有液体渗滤、无液体渗滤）岩石破坏条件vt－最大有效周向应力大于垂直方向抗拉强度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（1）矿场测量—水力压裂法—井眼椭圆法三、地应力的测量及计算（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。一、压裂液类型•水基压裂液•油基压裂液••泡沫压裂液•液化汽压裂液•酸基压裂液1水基压裂液•发展活性水压裂液稠化水压裂液水基冻胶压裂液•水基冻胶压裂液组成–水＋稠化剂（成胶剂）＋添加剂成胶液–水＋添加剂＋交联剂交联液•水基压裂液种类：植物胶、聚合物、纤维素衍生物•生物聚多糖(1)稠化剂植物胶及衍生物—胍胶—田菁、—香豆胶、—槐树豆胶、—魔芋胶、—龙胶稠化剂等纤维素衍生物—羧甲基纤维素钠盐（CMC）—羟乙基纤维素（HEC）—羧甲基羟乙基纤维素（CMHEC）。生物聚多糖工业合成聚合物—聚丙烯酰胺（PAM）—部分水解聚丙酰胺（PHPAM）—甲叉基聚丙烯酰胺（MPAM）(2)交联剂两性金属（非金属）含氧酸盐—硼酸盐、铝酸盐、铬酸盐、锑酸盐和钛酸盐等弱酸强碱盐无机盐类两性金属盐—如硫酸铝、氯化铬、硫酸铜、氯化锆等强酸弱碱盐无机酸脂—如钛酸脂、锆酸脂醛类—甲醛、乙醛、乙二醛等(3)破胶剂生物酶体系适用温度21~54℃，pH值范围pH=3~8，最佳pH=5。氧化破胶剂适用于pH=3~14。普通氧化破胶剂适用温度54~93℃，延迟活化氧化破胶剂适用温度83~116℃。常用氧化破胶剂是过硫酸盐（过硫酸氨）、过氧化物（H202)有机弱酸很少用作水基压裂液的破胶剂适用温度大于93。油基压裂液中典型的破胶剂是碳酸铵盐、氧化钙和/或氨水溶液。2油基压裂液适应性:水敏性地层、有些气层发展:矿场原油稠化油冻胶油基液:原油、汽油、柴油、煤油、凝析油稠化剂:脂肪酸皂(脂肪酸铝皂、磷酸脂铝盐等)特点：配伍性好、对储层伤害小、易返排，但施工成本高、难度大，对设备要求高。3乳化压裂液常用：两份油+一份稠化水(聚合物)油相50%，压裂液粘度太低80%，不稳定或粘度太高类型：水外相型（水包油）油外相型（油包水）4泡沫压裂液组成液相+气相+添加剂泡沫液液相:–清水、盐水、冻胶水、原油或成品油、酸液气相：–氮气、二氧化碳、空气、天然气等适用范围K1mD，粘土含量高的砂岩气藏–低压、低渗浅油气层压裂泡沫质量：泡沫质量＝泡沫中气体体积/特点：–在压裂时的井底压力和温度下，泡沫质量一般为６０％～８５％–随着泡沫质量的增加，泡沫压裂液的粘度增–滤失少（气体本身就是降滤剂）–排液较彻底，对地层伤害小–5酸基压裂液适用范围；–碳酸盐储层种类：–常规酸–稠化酸–冻胶酸–乳化酸–变粘酸胶联酸：通过对盐酸的稠化胶联，形成胶联酸，使用其作为携砂载体进行酸化加砂压裂。二、压裂液添加剂•降滤剂（粉沙、粉陶、玻璃悬珠）•防膨剂（粘土稳定剂、KCL、聚季氨盐等）•杀菌剂（甲醛等）•助排剂（CF-5B）•防乳破乳剂•表面活性剂•ｐＨ值调节剂•稳定剂三、压裂液的流变性•各类压裂液的流变曲线•幂律液的视粘度•摩阻计算1压裂液的流变曲线(1)牛顿型液：流体任一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体流变模型或称本构方程D(2)非牛顿型液体定义：凡是流动时剪切应力与剪切速率之间的关系不是线性关系的液体，统称为非牛顿型液体。主要特征：粘度随剪切速率的变化而改变，剪切应力与剪切速率之间有多个参数。假塑性（幂律）液体•假塑性液体的特征是：在很小的剪切应力作用下就能流动，并且随着剪切速率的增加，剪切应力的增大速度有所降低。nDK•本构方程宾汉型液体在一定的剪切应力作用下才能流动，并且流动以后，随着剪切速率的增大，剪切应力增加的程度逐渐降低，最后接近牛顿液体，剪切应力与剪切速率成线性关系。•本构方程DPY•典型压裂液:泡沫压裂液粘弹性液体•流体特征：当除掉剪切力时，这种流体会恢复或部分恢复原来受到剪切作用期间所具有的形变。这种具有部分弹性恢复效应，也具有非牛顿性和与时间有关的全部粘性性质的流体称为粘弹性流体。•目前使用的水基冻胶压裂液大部分都表现出具有部分或全部粘弹特征2幂律液的视粘度管流–地面管线–井筒–孔眼缝流–裂缝中流动3流变性测定•旋转粘度计、小直径管道、盘管式粘度计、摆动式流变仪。•RV系列或FANN系列旋转粘度计应用最广泛4摩阻计算•圆管中压降•眼中压降•裂缝中压降四、压裂液滤失的三个过程滤饼区的流动滤饼控制过程侵入区的流动压裂液粘度控制过程地层流体的压缩地层流体粘度及压缩控制过程压裂液滤失系数••压裂液粘度影响的滤失系数•地层流体的粘度和压缩性影响的滤失系数1压裂液粘度影响的滤失系数Cv––压裂液呈活塞式侵入，即侵入段地层流体被––压差ΔＰv＝Ｐｗ－Ｐｃ为常数。理论基础达西定律计算实际滤失速度2地层流体压缩性影响的滤失系数Cc–地层流体可压缩，其压缩系数为ＣＲ–ΔＰＣ＝ＰＣ－ＰＲ为常数；–渗滤前缘的位置不随时间变化。3造壁性影响的滤失系数Cw–滤饼的沉积厚度ΔＬｗ与通过缝壁的滤失量成比例关系，即α＝Ｖｗ／ΔＬｗ，α为累积–滤饼对压裂液的渗透率Ｋｗ与其厚度的大小无关，亦即Ｋｗ–滤饼内压裂液的渗滤流动服从达西定律。方法：静态法动态法4动态滤失与静态滤失的比较4综合滤失系数PwPvPcPssCcVVwCVwPPPPPPPPPP通常，用P代替PW，PV，PC(1)调和平均法3211111CCCC综合滤失系数(2)压力平衡法：–非造壁性压裂液–造壁性压裂液五、压裂液对储层的伤害及保护•按压裂液作用位置分：–地层基质伤害（配伍性、敏感性、颗粒运移、油藏储层本身孔喉细小，束缚水饱和度高，泥质含量高，泥质絮状体易运移堵塞孔喉造成油井低产）–支撑裂缝伤害（滤失、残渣、滤饼、支撑剂镶嵌）•按流体性质分：–液体伤害（残渣、配伍性、乳化等）–固体伤害（残渣、颗粒运移）–压裂液滤饼和浓缩压裂液液体污染(1)粘土水化与微粒运移(2)压裂液在孔隙中的滞留（3）润湿性。压裂液固相堵塞来源—基液或成胶物质的不溶物—降滤剂或支撑剂中的微粒—压裂液对地层岩石浸泡而脱落下来的微粒—化学反应沉淀物等固相颗粒。作用—形成滤饼后阻止滤液侵入地层更远处，提高了压裂液效率，减少了对地层的伤害；—它又要堵塞地层及裂缝内孔隙和喉道，增强了乳化液的界面膜厚度而难破胶。压裂液浓缩•压裂液的不断滤失和裂缝闭合，导致交联聚合物在支撑裂缝内的浓度提高（即浓缩）。•支撑剂铺置浓度对压裂液浓缩因子有较大影响，随着铺砂浓度降低，压裂液浓缩因子提高，此时不可能用常规破胶剂用量实现高浓缩压裂液的彻底破胶，形成大量残胶而严重影响支撑裂缝导流能力。第三节支撑剂•支撑剂性质及种类•裂缝导流能力及其影响因素•支撑剂的选择•支撑剂颗粒的沉降支撑剂特性要求••••••一、支撑剂类型硬脆性支撑剂其特点是硬度大，变形很小；——石英砂（砂子）——陶粒——铝球——韧性支撑剂其特点是变形大，在高压下不易破碎——核桃壳——树脂包层支撑剂1石英砂（砂子）主要成分：SiO2和少量杂质主要特点1)园球度较好的石英砂破碎后，仍可保持一定的导流能力。2)石英砂密度相对低，便于泵送。3)石英砂的强度较低，适用于低闭合压力储层。4)砂子在筛选不好或清洗不好，含粉砂杂质时，导流能力都要明显降低5)石英砂货源广、价格便宜。主要产地长庆昌润砂、甘肃兰州砂、江西永修砂、福建福州砂、湖南岳阳砂、湖北蒲圻砂、山东荣城砂、河北承德砂、吉林农安砂、陕西定边砂及新疆和丰砂等。2陶粒主要化学成分类型—中强度支撑剂(ISP)—高强度陶粒支撑剂：山西、唐山、成都和垣曲，国外CARBO陶粒。特点a.强度很高。b.高温碱性液中陶粒失重率底（3.5%），而石英溶解率达50%c.长期导流能力高。d.密度较高(2700~3600kg/m3)，泵送困难。e.加工工艺困难，价格昂贵。3塑料包层支撑剂工艺：特殊工艺将酸性苯酚甲醛树脂包裹在石英砂表面，并经热固处理而成，比重略为2.55。种类：预固化树脂包层砂(可)固化树脂包层砂二、支撑剂物理性质评价(1)支撑剂粒度组成及分布(2)园球度和表面光滑度。(3)浊度(4)密度真密度(或颗粒密度)视密度(或体积密度)(5)酸溶解度(6)抗压强度。我国支撑剂物理性