压裂技术_精品文档Word格式.docx

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水力压裂、基质酸化

碳酸盐岩储层 

水力压裂、基质酸化、酸压

特低渗坚硬储层

高能气体压裂

五、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

控制井喷 

其它--煤层气开采 

--工业排污

第一节造缝机理

在压裂中，了解裂缝的形成条件，裂缝形态及方向对有效地发挥压裂在增产，增注中的作用是极为重要的。

但由于地下条件的复杂性，虽然进行了大量的研究，但仍未得到较好的解决。

地层中造缝的影响因素

①岩石力学性质及压裂液渗滤性质

②井底附近的地应力及其分布

③注入方式

1.地应力及其分布

一般情况下，地层中的岩石处于压应力状态。

作用在地下某单元体上的力有垂向主应力及水平主应力。

（1）应力

①垂向应力：

作用在单元体上的垂向应力来自上覆岩层的重量，其数值约为

由于油气层中均有一定的孔隙压力pp（即地层压力或流体压力），部分上覆岩层的压力σz被多孔介质中的流体压力支持。

②有效垂向应力：

σze=σ2-Pp

③岩石的有效水平应力为：

单元体在x轴方向上的应变为：

侧向应变为0，令σx=σy则得

（2）地质构造对应力的影响

受地质构造影响发生很大的变化，各个方向的应力也彼此不等。

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）井壁上的应力

1）井筒对地应力及其分布的影响

采用弹性力学中双向受力的无限大平板中钻有一个圆孔模型来分析井壁应力：

圆孔周向的应力分布：

A）当r=a且σx=σy=σH时，σφ=2σx=2σy=2σH

说明圆孔壁上各点的周向应力相等，与φ值无关。

B）当r=a,σx>

σy 

时，

2）井眼内压所引起的井壁应力

简化：

根据拉梅公式（拉应力取负号）,当厚壁筒外边界半径re→∞，厚壁筒外边界压力Pe=0时，井壁上r=a处的周向应力:



井筒内压引起的井壁周向应力与内压大小相等，符号相反。

3）压裂液径向渗入地层所引起的井壁应力

由于注入井中的高压液体在地层破裂前，渗入井筒周围地层中，形成了一个附加应力区，它的作用是增大了井壁周围岩石中的应力。

增加的周向应力值为：

其中：

Cfs--岩石骨架压缩系数

Cf--岩石体积压缩系数

4）井壁上的总应力

总周向应力：

总垂向应力：

2.造缝条件

为使地层破裂，必须使井底压力高于井壁上的总应力及岩石的抗张强度。

（1）形成垂直裂缝

条件：

如果地层的破裂属于纯张力破坏，那么随井内注入压力Piwf的不断增加，当Piwf达到或超过井壁附近地层的最小周向应力及岩石水平方向的抗张强度σth时，在垂直于水平周向应力的方向上产生垂直裂缝，即：

即：

1）当有滤失时：

用σye=σy-Pp 

、σxe=σx-Pp 

代入上式有：

2）无滤失时：

有:

（2）形成水平裂缝

当注入压力达到或超过井壁附近地层的最小垂向应力及岩石的垂向抗张强度时，在垂直于垂向应力的方向上产生水平裂缝，其条件为：

1）存在滤失时：

第二节压裂液

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。

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

一、压裂液分类及作用

1）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。



2）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。

3）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。

中间顶替液用来将携砂液送到预定位置，并有预防砂卡的作用。

 

二、性能要求

前置液及携砂液必须具备的性能要求：

1）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。

2）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。

3）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。

摩阻过高不仅降低了有效功率的利用，且由于井口压力过高，排量降低。

4）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。

5）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—化学反应。

6）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。

7）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。

8）货源广:

便于配制，价钱便宜。

三、压裂液的类型

随着水力压裂技术的发展，压裂液由最初的原油和清水逐步发展为目前经常使用的水基、油基、酸基压裂液及泡沫压裂液等。

（1）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。

（2）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

（3）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。

（4）多相压裂液

1）泡沫压裂液

外相：

水、水基溶胶或水基冻胶

内相：

气体

优点：

对地层伤害小、携砂能力和造缝能力强、易于反排、摩阻低等特点。

所需注入压力高。

2）乳化压裂液

乳状液是用表面活性剂稳定的两相非混相液的一种分散体系。

携砂能力强、粘度高、热稳定性好、对地层损害小、排液快。

摩阻大、成本高

四、压裂液的滤失性

压裂液滤失是指在裂缝与储层的压差作用下压裂液向储层中的滤失。

主要受三种因素的控制

①压裂液的粘度

②地层岩石及流体的压缩性

③压裂液的造壁性。

（1）受压裂液粘度控制的滤失系数

当压裂液的粘度大大超过地层油的粘度时（即：

μa＜μo）时，压裂液的滤失速度主要取决于压裂液的粘度，压裂液在多孔介质中的实际渗流速度va为:

受压裂液粘度控制的滤失系数

入达西公代式:

（2）受地层流体压缩性控制的滤失系数

当压裂液的粘度接近于地层流体的粘度时，即（μa≈μo）时，压裂液的滤失主要取决于地层流体的压缩性。

这是因为流体受到压缩，让出一部分空间，压裂液才得以滤失进来。

Δq以为因压力降低Δp所引起的液体的膨胀dV（忽略岩石的体积膨胀）,则单元地层体积内液体的体积V为:

上式对x求导得缝壁面上的压力梯度值:

（3）具有造壁性压裂液的滤失系数C3

有的压裂液具有很好的造壁性，其中添加有防滤失剂（硅粉或沥青粉等），能在壁面上形成滤饼，有效地降低滤失速度，其滤失系数由实验方法确定。

（4）综合滤失系数C

根据水电相似原理有

第三节 

支撑剂

一、支撑剂的种类

1.概念：

压裂地层后用来支撑裂缝壁面，使之在地应力作用下不再重新闭合的固体颗粒。

2.作用：

支撑裂缝，增大地层孔隙度，提高渗透率。

3.种类:

根据其机械性质，一般可分为两大类：

（1）脆性支撑剂

如石英砂、陶粒、玻璃球等。

特点：

硬度大，变形小。

（2）韧性支撑剂

如各种塑料球、核桃壳、铝合金球等。

变形大，在高压下不易被压碎或嵌入。

支撑剂使用情况

1、目前最广泛使用的支撑剂仍然是石英砂。

原因：

采集方便、分选设备简单，来源广，成本低。

强度较低，开始破碎压力约为21～35MPa，不适宜在高闭合压力的井使用。

２．人造陶粒支撑剂

人造支撑剂最常用的是烧结铝钒土，即陶粒。

密度3800kg/m3，强度105MPa。

强度高，破碎率低，导流能力高，性能稳定。

相对密度大，对压裂液提出了更高要求；

制造过程比石英砂复杂，成本高，限制了陶粒的使用。

（只能少量使用）

３．树脂包层支撑剂

它的制作方法是用树脂把砂子包裹起来，树脂薄膜的厚度约为0.127~0.25mm。

①树脂薄膜包裹起来的砂子，增加了砂粒间的接触面积，从而提高了抵抗闭合压力的能力；

②树脂薄膜可将压碎的砂粒小块、粉砂包裹起来，减少了微粒间的运移与堵塞孔道的机会，从而改善了填砂裂缝导流能力；

③树脂包层砂总的体积密度比上述中强度与高强工陶粒要低很多，便于悬浮，因而降低了对携砂液的要求；

④包层砂具有可变形的特点，使其接触面积有所增加，防止了支撑剂在软地层的嵌入。

制作加工较复杂，其成本较高。

（因此大量使用还有困难。

）

二、压裂施工对支撑剂的性能要求

一般说来比较理想的支撑剂应具有：

①粒径均匀，密度小

　　相对密度低，最好低于2，以便于携砂液携带。

②强度大，破碎率小

　　能承受高闭合压力的作用，以满足深井压裂的要求。

③圆度和球度高

④杂质含量少

⑤来源广、价廉

　　按体积计算，价格与石英砂同价。

三、支撑剂在裂缝中的运移沉降规律

1.支撑剂在裂缝中的受力分析

支撑剂在裂缝中运动时，共受三个力的作用