采油工程6--水力压裂--汤.ppt

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第六章第六章水力压裂技术水力压裂技术主要内容：

主要内容：

（4）（4）压裂设计压裂设计

（1）

（1）造缝机理造缝机理

（2）

（2）压裂液压裂液（3）（3）支撑剂支撑剂压裂的定义：

压裂的定义：

用用压力压力将地层将地层压开压开一条或几条水平的或垂直的一条或几条水平的或垂直的裂缝裂缝，并用，并用支撑剂支撑剂将裂缝将裂缝支撑支撑起来，起来，减小减小油、气、油、气、水的水的流动阻力流动阻力，沟通油、气、水的流动通道，从而，沟通油、气、水的流动通道，从而达到达到增产增注增产增注的效果。

的效果。

压裂的种类：

压裂的种类：

（根据造缝介质不同根据造缝介质不同）干法压裂干法压裂利用特定的发射药或推进剂在油气井的目的利用特定的发射药或推进剂在油气井的目的层段高速燃烧，产生高温高压气体，压裂地层形层段高速燃烧，产生高温高压气体，压裂地层形成多条自井眼呈放射状的径向裂缝，清除油气层成多条自井眼呈放射状的径向裂缝，清除油气层污染及堵塞物，有效地降低表皮系数，从而达到污染及堵塞物，有效地降低表皮系数，从而达到油气井增产的目的的一种工艺技术。

油气井增产的目的的一种工艺技术。

利用地面高压泵组，将利用地面高压泵组，将高粘液体高粘液体以大大超过地层吸收能力以大大超过地层吸收能力的排量的排量注入井中注入井中，在井底，在井底憋起高压憋起高压；当此；当此压力大于压力大于井壁附近的井壁附近的地应力地应力和和地层岩石抗张强度地层岩石抗张强度时，在井底附近地层时，在井底附近地层产生裂缝产生裂缝；继；继续续注入带有支撑剂的携砂液注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并，裂缝向前延伸并填以支撑剂填以支撑剂，关，关井后裂缝闭合在井后裂缝闭合在支撑剂上支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有，从而在井底附近地层内形成具有一一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，使井达到增产增注目的工，使井达到增产增注目的工艺措施。

艺措施。

水力压裂：

水力压裂：

利用利用100%100%的液体二氧化碳和石英砂进行压裂，无水无任何的液体二氧化碳和石英砂进行压裂，无水无任何添加剂，压后压裂液几乎完全排出地层，可避免地层伤害。

其添加剂，压后压裂液几乎完全排出地层，可避免地层伤害。

其关键技术是混合砂子进入液体二氧化碳中的二氧化碳混合器。

关键技术是混合砂子进入液体二氧化碳中的二氧化碳混合器。

适用于对驱替液、冻胶或表面活性剂的伤害敏感的地层，适合适用于对驱替液、冻胶或表面活性剂的伤害敏感的地层，适合的储层包括渗水层、低压层及有微粒运移的储层以及水敏性储的储层包括渗水层、低压层及有微粒运移的储层以及水敏性储层。

层。

高能气体压裂高能气体压裂

（2）

（2）降低了井底附近地层中流体的渗流阻力：

降低了井底附近地层中流体的渗流阻力：

裂缝内流体裂缝内流体流动阻力小。

流动阻力小。

水力压裂增产增注的原理水力压裂增产增注的原理:

（1）

（1）改变流体的渗流状态：

改变流体的渗流状态：

使原来径向流动改变为油层与使原来径向流动改变为油层与裂缝近似的单向流动和裂缝与井筒间的单向流动，消除了裂缝近似的单向流动和裂缝与井筒间的单向流动，消除了径向节流损失，降低了能量消耗。

径向节流损失，降低了能量消耗。

水力压裂的工艺过程：

水力压裂的工艺过程：

憋压憋压造缝造缝裂缝延伸裂缝延伸充填支撑剂充填支撑剂裂缝闭合裂缝闭合压裂液压裂液携砂液携砂液支撑裂缝支撑裂缝动态裂缝动态裂缝水力压裂工艺过程水力压裂工艺过程第一节第一节造缝机理造缝机理裂缝形成条件裂缝形成条件裂缝的形态裂缝的形态裂缝的方位裂缝的方位井网部署井网部署提高采油速度提高采油速度提高原油采收率提高原油采收率有利的裂缝状态及参数能够充分发挥其有利的裂缝状态及参数能够充分发挥其在增产、增注的作用。

在增产、增注的作用。

造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层的的地应力及其分布、岩石的力学性质、压裂液的渗滤地应力及其分布、岩石的力学性质、压裂液的渗滤性质性质及及注入方式注入方式有密切关系。

有密切关系。

图图6-16-1压裂过程井底压力变化曲线压裂过程井底压力变化曲线aa致密岩石致密岩石bb微缝高渗岩石微缝高渗岩石破裂压力破裂压力延伸压力延伸压力地层压力地层压力一、油井应力状况一、油井应力状况（一一）地应力地应力垂向应力：

上覆层的岩石重量。

垂向应力：

上覆层的岩石重量。

由于油气层中有一定比例的孔隙压力，故有效垂向应力由于油气层中有一定比例的孔隙压力，故有效垂向应力为：

为：

如果岩石处于弹性状态，考虑到构造应力等因素的影响，如果岩石处于弹性状态，考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大、最小水平主应力分别为：

可以得到最大、最小水平主应力分别为：

一般情况下，地层中的岩石处于压应力的状态，作用在一般情况下，地层中的岩石处于压应力的状态，作用在地下岩石某单元体上的应力为垂直主应力地下岩石某单元体上的应力为垂直主应力和水平主应力和水平主应力（可分为两个相互垂直的主应力可分为两个相互垂直的主应力，）。

）。

裂缝的形态取决于地应力的大小和方向。

压裂缝的形态取决于地应力的大小和方向。

压裂时，在油层中形成何种裂缝，取决于地层裂时，在油层中形成何种裂缝，取决于地层中垂向应力何水平应力的相对大小。

中垂向应力何水平应力的相对大小。

当当zzxxyy时，裂缝面垂直于时，裂缝面垂直于yy当当zzyyxx时，裂缝面垂直于时，裂缝面垂直于xx当当yyxxzz时，将出现水平缝时，将出现水平缝（二二）井壁上的应力井壁上的应力1.1.井筒对地应力及其分布的影响井筒对地应力及其分布的影响在地层上钻井以后，井壁上及在地层上钻井以后，井壁上及其周围地层中的应力分布受到井筒其周围地层中的应力分布受到井筒的影响，这种影响非常的复杂，为的影响，这种影响非常的复杂，为了简化考虑，将地层中了简化考虑，将地层中三维应力问三维应力问题改为二维方法来处理。

题改为二维方法来处理。

在这种情在这种情况下，与弹性力学中双向受力的无况下，与弹性力学中双向受力的无限大平板中钻有一个圆孔的受力情限大平板中钻有一个圆孔的受力情况是很相近的。

况是很相近的。

图图6-26-2无限大平板中钻一圆孔无限大平板中钻一圆孔的应力分布的应力分布弹性力学给出了平板为固体的、各向同性与弹性材料周弹性力学给出了平板为固体的、各向同性与弹性材料周向应力的计算等式：

向应力的计算等式：

图图6-26-2无限大平板中钻一圆孔无限大平板中钻一圆孔的应力分布的应力分布

（1）

（1）当当，时，时，说明圆孔壁上各点的说明圆孔壁上各点的周向应力相等，且与周向应力相等，且与角度无关。

角度无关。

（2）

（2）当当，时，时，说明最小周向应力发生在说明最小周向应力发生在的方向的方向上，而最大周向应力却在上，而最大周向应力却在的方向的方向上。

上。

（3）（3）随着随着的增加，周向应力迅的增加，周向应力迅速降低。

如图速降低。

如图6-26-2（bb）所示。

这种）所示。

这种应力分布表明，由于圆孔的存在，应力分布表明，由于圆孔的存在，产生了圆孔周围的应力集中，产生了圆孔周围的应力集中，孔壁孔壁上的应力比远处的大得多，则就是上的应力比远处的大得多，则就是地层破裂压力大于裂缝延伸压力的地层破裂压力大于裂缝延伸压力的一个主要原因。

一个主要原因。

图图6-26-2无限大平板中钻一圆孔无限大平板中钻一圆孔的应力分布的应力分布2.2.井眼内压所引起的井壁应力井眼内压所引起的井壁应力压裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内压力很压裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内压力很快升高。

井筒内压必然导致井壁上产生周向应力。

根据弹快升高。

井筒内压必然导致井壁上产生周向应力。

根据弹性力学中的拉梅公式性力学中的拉梅公式（拉应力取负号拉应力取负号）：

当当rree=、PPee=0=0及及r=rr=raa时，井壁上的周向应力为：

时，井壁上的周向应力为：

即由于井筒内压而导致的周向应力与内压大小相等，方即由于井筒内压而导致的周向应力与内压大小相等，方向相反。

向相反。

3.3.压裂液径向渗入地层所引的井壁应力压裂液径向渗入地层所引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，形成了另外一个应力区，它的作用是增大周围地层中，形成了另外一个应力区，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：

了井壁周围岩石中的应力。

增加的周向应力值为：

4.4.井壁上的最小总周向应力井壁上的最小总周向应力在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力应为地应在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力应为地应力、井筒内压及液体渗滤所引起的周向应力之和：

力、井筒内压及液体渗滤所引起的周向应力之和：

二、造缝条件二、造缝条件（一一）形成垂直裂缝的条件形成垂直裂缝的条件当井壁上存在的周向应力达到或超过井壁岩石的水平方当井壁上存在的周向应力达到或超过井壁岩石的水平方向的抗拉强度时，岩石将在向的抗拉强度时，岩石将在垂直于水平应力垂直于水平应力的方向上产生脆的方向上产生脆性破裂，即在与周向应力相垂直的方向上产生垂直裂缝。

造性破裂，即在与周向应力相垂直的方向上产生垂直裂缝。

造缝条件为：

缝条件为：

当产生裂缝时，井筒内注入流体的压力即为地层的破当产生裂缝时，井筒内注入流体的压力即为地层的破裂压力：

裂压力：

由于最小总周向应力发生在由于最小总周向应力发生在0000和和18018000的对称点的对称点上，垂直上，垂直裂缝也产生在于井筒对应的这两个点上，所以理论上裂缝也产生在于井筒对应的这两个点上，所以理论上一般一般假定垂直裂缝是以井轴为对称的两条缝假定垂直裂缝是以井轴为对称的两条缝，但实际情况由于，但实际情况由于各种因素的影响，产生的各种因素的影响，产生的裂缝往往不对称裂缝往往不对称。

（二二）形成水平裂缝的条件形成水平裂缝的条件当井壁上存在的垂向应力超过井壁岩石的垂向的抗张强当井壁上存在的垂向应力超过井壁岩石的垂向的抗张强度时，岩石将在度时，岩石将在垂直于垂向应力垂直于垂向应力的方向上产生脆性破裂，即的方向上产生脆性破裂，即在与垂向应力相垂直的方向上产生水平裂缝。

造缝条件为：

在与垂向应力相垂直的方向上产生水平裂缝。

造缝条件为：

当当产产生生水水平平裂裂缝缝时时，井井筒筒内内注注入入流流体体的的压压力力等等于于地地层层的的破裂压力：

破裂压力：

实验修正：

实验修正：

（三三）破裂压力梯度破裂压力梯度（破裂梯度破裂梯度）破裂梯度破裂梯度：

地层破裂压力与地层深度的比值。

：

地层破裂压力与地层深度的比值。

各油田根据大量压裂施工资料统计出来的破裂梯度值为：

各油田根据大量压裂施工资料统计出来的破裂梯度值为：

（15（1518）18）（22（2225）25）深地层深地层垂直裂缝垂直裂缝浅地层浅地层水平裂缝水平裂缝根据破裂梯度的大小估计根据破裂梯度的大小估计裂缝的形态裂缝的形态：

小于小于15151818时形成时形成垂直裂缝垂直裂缝大于大于2323时形成时形成水平裂缝水平裂缝第二节第二节压裂液压裂液破裂地层、造缝、降温作用破裂地层、造缝、降温作用。

一般用未交联。

一般用未交联的溶胶。

的溶胶。

携带支撑剂、充填裂缝、造缝及冷却地层作携带支撑剂、充填裂缝、造缝及冷却地层作用用。

必须使用交联的压裂液。

必须使用交联的压裂液（如冻胶等如冻胶等）。

末尾顶替液：

末尾顶替液：

替液入缝替液入缝，提高携砂液效率和提高携砂液效率和防止井筒沉砂防止井筒沉砂。

前置液前置液携砂液携砂液顶替液顶替液中间顶替液：

中间顶替液：

携砂液、防砂卡携砂液、防砂卡；影响压裂施工成败的诸多因素中，压裂液影响压裂施工成败的诸多因素中，压裂液的性能是其中的主演性质之一。

的性能是其中的主演性质之一。

压裂液的性能要求：

压裂液的性能要求：

滤失少滤失少悬砂能力强悬砂能力强摩阻低摩阻低这是造长缝、造宽缝的重要条件。

这是造长缝、造宽缝的重要条件。

滤失性主要取决于它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，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，大大减少