第1章-水力压裂

《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈1第一章水力压裂内容提要水力压裂造缝机理压裂液支撑剂水力压裂延伸模拟支撑剂输送水力压裂评价与设计压裂工艺技术《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈2压裂:分类:水力压裂:利用地面高压泵组，以超过地层吸收能力的排量将高粘压裂泵入井内而在井底产生高压，当压力克服井壁附近地应力并达到岩石抗张强度时，就在地层产生裂缝。继续泵注带有支撑剂的压裂液，使裂缝继续延伸并在其中充填支撑剂。停泵后，由于支撑剂对裂缝的支撑作用，在地层中形成足够长的、有一定导流能力的填砂裂缝，从而实现油气井增产和水井增注。hydraulicfracturing《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈3增产增注机理：沟通非均质性构造油气储集区，扩大供油面积；将原来的径向流改变为线性流和拟径向流，从而改善近地带的油气渗流条件；解除近井地带污染《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈4&1水力压裂造缝机理破裂加砂停泵裂缝延伸压力裂缝闭合压力前置液携砂液裂缝闭合井筒摩阻净裂缝延伸压力地层压力致密地层天然裂缝地层《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈5一、地应力场分析与测量地应力场原地应力场扰动应力场重力应力构造应力热应力孔隙流体压力《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈61.重力应力场上覆岩层重力：gdhhHrz)(0610有效垂向应力：pszz（一）地应力场水平主应力分量：)(1zyxxvE)(1xzyyvE《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈7因岩体水平方向上应变收到限制，εx=0，εy=0。则泊松效应引起的水平主应力场为。考虑孔隙流体压力后的地层水平主应力为：。ppsszyxvv12.构造应力场定义：构造运动引起的地应力增量。它以矢量形式叠加在地层重力应力场，使得水平主应力场不均匀。zyx1《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈83.热应力场定义：指由于底层温度变化在其内部引起的内应力增量，与温度变化量和岩石性质有关。将油气藏边界视为无穷大，考虑其侧向应变收到约束，温度变化引起的水平应力增量σx，σz为。vTETyx1《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈9确定方法水力压裂法实验室分析方法测井解释方法有限元模拟滞弹性应变恢复ASR微差应变分析DSCA（二）地应力场的确定《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈10（三）人工裂缝方位原理：根据最小主应力原理，岩石破裂面垂直于最小主应力方向如图所示：当σz最小时，形成水平裂缝当σy最小时，形成垂直裂缝第一大节《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈11二、破裂压力1.井筒应力分布（一）井壁最终应力分布《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈122cos341212442222rrrrrrwwyxwyxr2cos312124422rrrrwyxwyx2sin32124422rrrrwyxr由上式知，可以得出什么结论？问题：最大最小周向应力在什么地方？《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈132.向井筒注液产生的应力分布按弹性力学理论计算应力分布：prrrrrrrreewwiweeP222222221111结论？《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈143.注入液径向渗入地层引起的应力周向应力值近视为：vvppsi1)(4.井壁最终应力分布将上述几种周向应力叠加总存在两个方向受到的周向应力最小：vvppprrrrrrsiiwwyxwyxt13121222222,井壁处的周向应力简化为：vvpppsiixyt13,《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈15（二）水力压裂造缝条件准则:最小主应力达到物体的抗张强度σt就会破坏。t1.形成垂直裂缝存在压裂液滤失ittp,,最大张应力准则:当井壁岩石的有效周向应力达到井壁岩石水平方向的最小抗张强度σht，有效周向应力：破裂压力：shtxyFpp12123ht《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈16无压裂液滤失sttp,,有效周向应力：破裂压力：shtyyFpp32.形成水平裂缝条件:井壁岩石的有效垂向应力达到井壁岩石垂直方向的最小抗张强度σVt,形成水平缝。Vt,zt有压裂液滤失isiZZppp121有效垂向应力：《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈17破裂压力：sVtzFpp1211修正破裂压力：sVtzFpp12194.1无压裂液滤失破裂压力：sVtzFpp修正破裂压力：sVtzFpp94.0《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈18（三）破裂压力梯度定义:某点破裂压力与该点深度的比值。计算？理论计算统计范围:0.015~0.025MPa/m与裂缝形态的关系:0.015~0.018MPa/m，垂直缝；＞0.022~0.025MPa/18m，水平缝fracturepressuregradient《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈19三、降低破裂压力的途径主要途径改善射孔参数高能气体压裂酸化预处理解除射孔污染增加孔眼有效深度溶解胶结物成分《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈20&2压裂液fracturingfluid作用:传递压力；起裂和延伸裂缝；携砂。按作用分前置液携砂液顶替液起缝、延伸裂缝、冷却延伸裂缝、悬砂顶替砂浆压裂液：压裂施工过程中所用的工作液的总称。fracturingfluid《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈21对压裂液的要求:与地层配伍；有效悬浮和输送支撑剂；滤失少；摩阻低；低残渣；易返排；热稳定性；抗剪切稳定性。《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈22一、压裂液类型各种压裂液所占的比例水基,70%油基,5%增能气体,25%《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈231.水基压裂液类型水稠化水水基冻胶清水+稠化剂等清水+稠化剂+交联剂+破胶剂等稠化剂作用:增加粘度；降低滤失；悬浮和携带支撑剂。种类:植物胶；植物胶衍生物；纤维素衍生物；工业合成聚合物。《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈24交联剂作用:交联聚合物线性大分子，形成网状体型结构种类:两性金属、含氧金属破胶剂作用:使冻胶压裂液降解（化水）种类:氧化破胶剂、生物酶体系、有机弱酸油基压裂液:碳酸铵盐、氧化钙、氨水《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈25水基压裂液的适用性:大多数储层；不适宜于低压储层；不宜用于油湿地层；不能用于强水敏地层。优点:成本低；安全；缺点:伤害（水敏、油水乳化、残渣）；《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈262.油基压裂液组成:油+增稠剂+交联剂等油:原油、柴油、煤油及凝析油优点:避免水敏；自动破胶；缺点:摩阻高；风险大；高温稳定性差；适用性:《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈273.乳化压裂液组成:油+水+表面活性剂等水相水盐水稠化水水冻胶酸类醇类油相原油成品油凝析油乳化类型油包水水包油优点:地层伤害小；摩阻较高；抗温性较差；成本高；《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈284.泡沫压裂液定义:气体分散于液体的分散体系。组成:水相+气相+气泡剂水相稠化水水冻胶酸液气相CO2N2醇液空气泡沫液总体积气体体积泡沫干度特点:地层伤害小，摩阻小，效率高，抗温性差。《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈29二、压裂液添加剂additive1.pH调节剂作用:控制交联剂和交联时间所要求的pH值；加速/延缓聚合物的水合作用；保证压裂液处于破胶剂的有效作用范围。常用pH调节剂:氢氧化纳、碳酸氢纳、磷酸氢钠、醋酸钠、甲酸、醋酸等《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈302.杀菌剂3.粘土稳定剂KCl稳定机理:通过阳离子防止阳离子交换阻止粘土颗粒扩散。特点:效果好，但有效期短。季胺稳定机理:带正电的基吸附在带负电的粘土质点，其烃链从质点向外伸展形成“有机屏障”保持粘土颗粒呈不分散状态。《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈31阳离子型稳定机理:吸附粘土表面，束缚微粒迁移和膨胀。特点:作用时间长。4.破乳剂5.降滤剂类型:硅粉、乳状液、油溶性树脂。5.其它添加剂抗温剂、气泡剂、减阻剂、转向剂等第二大节《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈32三、压裂液流变性rheologicalproperty压裂液流变性:指压裂液在外力作用下产生运动和变形特性的关系。水、活性水、稠化水、油冻胶、粘弹性聚合物、泡沫压裂液泡沫压裂液《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈331.压裂液的流变性牛顿型：非牛顿型幂律型：nK视粘度：1naK圆管稠度系数：npnnKK413裂缝稠度系数：npnnKK312宾汉型：y2.压裂液流变性的测定方法《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈343.压裂液的摩阻计算管路摩阻射孔孔眼摩阻Esso公司公式：242291025.2dppfperCDNQpAmoco公司公式：ppfperDNQp241079.1缝流摩阻《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈35四、压裂液的滤失性滤失过程:压裂液造壁性控制的压裂液经过滤饼向地层滤失（滤饼区），然后是压裂液粘度控制的滤液侵入地层过程（侵入区），最后是受地层流体压缩性和流动控制的第三个区域（压缩区）。《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈361.压裂液的造壁性滤失系数Amcw5.0'静态造壁性滤失系数：修正：21'afwwppcc用途:静态滤失系数用于筛选评价压裂液《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈37用途:动态滤失系数为压裂设计提供参数《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈382.受压裂液粘度控制的滤失系数假设条件:侵入符合达西定律；活塞驱动压裂液的实际滤失速度：LpKdtdLvfa058.0积分求L，回代达西定律2117.0058.0tpKLpKvff滤失系数：2117.0fvpKc《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈393.受地层流体压缩性控制的滤失系数21136.0RfcKcpc4.综合滤失系数调和法：分压降法：cvwcccc11112242cvvcvcccccc2222242wvcwvwvwcvccccccccccc非造壁液：造壁液：《油气井增产增注措施》水力压裂石油与天然气工程学院焦国盈40例:已知油层渗透率K=2.5×10-3μm2，孔隙度φ=0.2，地层流体粘度μR=2mPa∙s，综