水力压裂技术概述

水力压裂工程HydraulicFractureEngineering1.概念利用地面高压泵组，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，就在井底产生一条或几条水平或垂直裂缝。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，可在地层中形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝。一、水力压裂及发展历程“水力压裂”是什么?液体连续注入使得人工裂缝变得更大。液体将高强度的固体颗粒（支撑剂）带入并充填裂缝。施工结束，液体返排，支撑剂留在裂缝中，形成高流通能力的油气通道，并扩大油气的渗流面积。利用液体传递压力在地层岩石中形成人工裂缝。从油藏工程的观点出发单井压裂整体压裂以研究单井渗流方式与渗流阻力的变化实现单井产能提高为目的。它以建立的油藏注水开发井网与水力裂缝优化组合的渗流系统实现单井产能与扫油效率的提高为其主要内容。2.水力压裂的发展历程我国从五十年代起已开始进行水力压裂技术的研究，1952年在延长油矿开始的。50、60年代1949.3在美国俄克拉荷马州的维尔玛进行了第一次商业性的压裂施工。压裂主要作为单井的增产、增注措施，以追求单井增产增注效果为目标，没有考虑实施压裂措施后，对油田开采动态和开发效果的影响。2.水力压裂的发展历程水力压裂技术发展迅速，在压裂材料、工艺技术和设计方法等方面都取得了新的进展。力压裂已不再仅仅被孤立地作为单井的增产、增注措施来考虑，而是与油藏工程紧密结合起来，用于调整层间矛盾、改善驱油效率，成为提高动用储量、原油采收率和油田开发效益的有力技术措施。70年代进入低渗透油田的勘探开发领域，由于压裂技术的应用，大大增加了油气的可采储量，使本来没有工业开采价值的低渗透油气藏，成为具有相当工业储量和开发规模的大油气田。80年代2.水力压裂的发展历程90年代水力压裂逐渐成为决定低渗透油田开发方案的主导因素。在研究制定低渗透油田开发方案时，按水力裂缝处于有利方位确定井排方位，通过确定井网类型、布井密度和压裂施工规模，使水力压裂与油藏工程结合的更加紧密，使低渗透油田的高效开发成为可能。近年来国内外在开发极低渗（以微达西计）的油气田中，水力压裂起到了关键性的作用。本来没有开采价值的油气田，经大型压裂后成为有相当储量及开发规模很大的油气田。水力压裂造缝及增产机理二、水力压裂的主要研究内容压前评估（压裂选井选层）压裂材料的优化选择水力压裂设计水力裂缝诊断压后评估压裂是中、低渗透油气田勘探、开发过程中的重要环节三、水力压裂在勘探开发中的作用压裂是非均质、多油层油田调整层间矛盾、平面矛盾，实现分层开采的重要措施。压裂是低渗透油水井实现增产、增注技术的重要措施。压裂是对油层伤害解堵的有效方法。勘探阶段开发阶段压裂是实现低渗透、低孔隙度、低丰度油田经济开发的有效手段。三、水力压裂在勘探开发中的作用压裂是出砂油井进行防砂的有效方法压裂是煤层气开采或煤层采掘过程中排气的一种安全技术措施。开发阶段其他方面第一章岩石力学基础第一节岩石力学参数一、弹性模量定义岩石弹性模量是指岩石受拉应力或压应力时岩石将产生变形，当负荷增加到一定程度后，应力与应变即呈线性关系，应力与应变的比值称为岩石的弹性模量。E一、弹性模量作用岩石弹性模量的大小反映了储集层岩石的致密程度，它与压开缝宽成反比，与施工泵压成正比。在裂缝高度假设为恒定的二维模型中对牛顿流体，裂缝宽度与弹性模量的四分之一成反比.对牛顿流体，裂缝宽度与弹性模量的关系是：411EW2211nEW水力裂缝模型PKN模型：宽度剖面及水平剖面均为一椭圆，垂直剖面为矩形，裂缝高度恒定水力裂缝模型GDK模型：宽度剖面为矩形，水平剖面为椭圆形二、弹性模量定义岩石泊松比是指岩石受岩应力时，在弹性范围内岩石的侧向应变与轴向应变的比值。21二、弹性模量作用岩石泊松比则关系到压开的裂缝高度在纵向上的延伸程度与地应力剖面的解释。需注意：弹性模量值和泊松比值的大小反映了岩石的软硬程度。对砂岩而言，当岩石由软变硬时，弹性模量值由小至大，而泊松比恰恰相反。现场测试方法利用长源距声波测井（LSDS）取得纵波速度和横波速度，利用密度测井求得岩石密度，可获得岩石力学参数的动态值。2222243spspsbdE2222221spspd三、孔隙弹性系数定义它是反映孔隙压力对岩石变形影响系数作用它是求取水平地应力的一个重要参数.bsCC1第二节压裂压力一、岩石的断裂韧性应力强度因子定义应力强度因子是指裂缝端部附近的应力大小。根据弹性理论，应力场是以原点位于裂缝端部的坐标系坐标系表示的。一、岩石的断裂韧性对于任意一个三维均匀体来说，裂缝加载有张开型、滑开型和撕开型3种基本模式。应力模型I称为张开型，裂缝前方有一法向张力。模型II称为滑开型，伴随有一个纵向剪力。模型III称为撕开型，伴随有一横向剪力。水力压裂产生的裂缝只适用于模型I。一、岩石的断裂韧性岩石断裂韧性定义为了扩展裂缝，净压力为正，在裂缝端部之前诱发一个张开的张应力为。该应力在端部趋向无限大，离开端部逐渐降低，在无限远处为零。当裂缝端部的应力值达到最大，即张开型应力强度因子达到临界值，岩石应力强度因子的临界值称为岩石的断裂韧性，它决定了裂缝在延伸过程中所需要的力。记作yyIKICK一、岩石的断裂韧性作用压裂岩石的断裂韧性是阻止裂缝向前扩展的一个量度。裂缝在扩展过程中，受周围岩石的断裂韧性的控制。根据能量条件，内压（或通常所说的破裂载荷）会在裂缝边缘某一点上诱发一个应力强度因子当它大于岩石的断裂韧性时，裂缝向前扩展。即：ICKIKICIKK岩石断裂韧性的大小与施工泵压（即破裂压力和裂缝延伸压力）的高低呈正比，与水力裂缝缝长的长短呈反比。在一定条件下，岩石断裂韧性的大小可使水力裂缝方位不再沿水平最大主应力方位延伸而发生转向。第二节压裂压力二、地层破裂压力地层破裂压力定义应地层破裂压力定义为使地层产生水力裂缝时的井底流体压力。地层破裂压力的高低与岩石弹性性质、孔隙压力、天然裂缝的发育情况以及该地区的地应力等因素有关。地层破裂压力与地层中部深度的比值称为破裂压力梯度。二、地层破裂压力作用地层破裂压力是确定井下管柱、井下工具、井口装置与泵注设备压力极限的依据。根据破裂压力确定压裂施工时的地面最高泵压、泵注排量以及需用设备功率。根据破裂压力梯度可以大致推断水力裂缝的形态。一般认为，在压力系数为1.0的正常油藏中。①地如果破裂压力梯度小于0.0150.018／时，多为水平裂缝；MPam②如果破裂压力梯度大于0.023／时，多为垂直裂缝。MPam二、地层破裂压力采集方法理论计算方法—Eaton法该理论认为，地下岩层处于均匀水平地应力状态，其中充满着层理、微裂隙和（张开或隐形的）天然裂缝，流体在压力作用下将沿这些薄弱面侵入，使其张开并向岩层延伸，且张开裂缝的流体压力只需克服垂直裂缝面的地应力。pPP1f二、地层破裂压力采集方法测井分析法利用测井资料得出泊松比后，按下式计算地层破裂压力：ppzPPP12f对于多数沉积岩，可取=1，于是ppzPPP12f二、地层破裂压力采集方法利用现场施工参数计算MFHWPPPPPf—施工泵注前置液使的最高井底压裂压力（此时，可认为是压开地层时的井底破裂压力）；—泵注前置液时最高地面泵注压力；—井筒的静液柱压力；—井筒管柱的沿程摩阻；—射孔孔眼的孔眼摩阻；—瞬时停泵压力；—地层破裂压力梯度；fPWPHPFPMPIPDFGHIPPPf三、裂缝延伸压力和裂缝净压力定义裂缝延伸压力是指一旦产生水力裂缝，该缝欲在长、宽、高三方位扩展所需的初始流体压力。一般，裂缝延伸压力小于地层破裂压力而大于裂缝的闭合压力。该值的高低与储集层岩石断裂韧性、压开的裂缝体积，即与施工规模的大小有关。裂由图可见，地层破裂后，裂缝在较破裂压力低的压力下向地层深处延伸。在这一过程中，由于流体在缝中流动阻力的增加，使裂缝延伸压力随之稍有增大。作用施工中，裂缝延伸压力与裂缝净压力随时间的变化，是判断裂缝延伸状态的重要依据，用来进行压裂设计和指导现场压裂施工。三、裂缝延伸压力和裂缝净压力裂缝延伸压力采集进行现场阶梯式泵注试验是确认裂缝延伸压力最可靠的方法。如果井底未下压力计，应将地面上测定的裂缝延伸压力换算到井底条件：FHEPPPP-E地面井底—井底裂缝延伸压力；—地面测量的裂缝延伸压力。井底EP地面EP试验中或试验结束后，如取得地面瞬时关井压力，则井底的裂缝延伸压力为：HIEPPP关井井底—瞬时停泵延伸压力；—地面瞬时关井压力。关井井底EPIP四、裂缝闭合压力定义裂缝闭合压力有两种不同的定义，但其实质一样。（1）开始张开一条已存在的水力裂缝所必须的流体压力。（2）使裂缝恰好保持不至于闭合所需要的流体压力。这一流体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水力裂缝所需要的破裂压力，并始终小于裂缝的延伸压力，即使产层存在天然裂缝也是如此。四、裂缝闭合压力作用（1）裂缝闭合压力是所有压裂压力分析的参考，或作为基准压力。该压力相当于油藏渗流分析中的原始地层压力。因此，它是压裂设计与压裂效果评价的重要参数。（2）裂缝闭合压力是选择支撑剂类型、粒径尺寸、铺置浓度和确定导流能力的主要依据。四、裂缝闭合压力采集方法现场进行微型压裂、注入—返排试验或注入—关井试验可直接求取裂缝闭合压力，计算式如下：试在微型压裂中有：IHPmin试最大水平主应力估算为：prHHPPminmax3在小型测试压裂注入—返排试验中：pHcPPmin由于：pHHPminmin所以minminHppHcPPP—微型压裂中再次开泵后重新张开裂缝的压力；—微型压裂中第一次瞬时关井压力（井底）。rPIP第三节就地应力场课程内容就地应力场影响就地应力场的因素就地应力场在水力压裂中的作用第三节就地应力场就地应力场作用在地壳任一深度下某一岩石质点（单元体）上实时的三维地应力及其方位（走向）称之为就地应力场。就地应力场（1）它是控制水力裂缝几何形态、方位与扩展的主要因素。（2）在注水开发的油藏中压裂，这一参数决定了水里裂缝的缝长及其施工规模，以便与给定的注采井网相匹配（3）它而对尚待压裂开发的油藏而言，它又是部署注采井网和制定压裂措施的根本依据。第三节就地应力场就地应力场地应力存在于地壳中的内应力称之为地应力。它是地壳岩石受垂向上的重力、水平方向上的各种构造动力和其他动力作用，在岩石内部某一深处质点（单元体）上引起相应变形的一个岩石力学参数。油气储集层岩石的地应力主要由重力应力、构造应力、孔隙压力和热应力耦合而成。地应力随储集层所在构造、埋藏深度、岩石性质和孔隙压力的不同而变化，是以变量。第三节就地应力场就地应力场地应力分布地应力呈三维分布，即在x、y和z轴上各有一个地应力存在，统称为主应力。其中一个基本上是垂直的，称之为垂向主应力（或），另两个主应力和则呈水平状，相互垂直地分布在360°平面的任一区间上，它们均称为水平主应力。这三个主应力相互垂直，又不相等，有≠≠的关系。zvxyxyz第三节就地应力场就地应力场地应力大小（1）三个主应力值大小不等。垂向主应力（或）来自上覆岩石的重力；两个水平主应力和则由构造应力构成。在两个水平主应力中，量值大的称为最大水平主应力，记作（或），小的叫做最小水平主应力（或）。zvxymaxHHminHh（2））垂向主应力值是其上覆岩石密度与其埋藏深度的函数。对给定的油气储集层，该值可视为常数。两个水平主应力除受储集层构造、埋深、岩性等因素的影响之外，更受制于储集层孔隙压力因注水、采油所带来的变化，并与之共增减。第三节就地应力场就地应力场地