第1章-水力压裂PPT资料.ppt

1、当z最小时，形成水平裂缝 当y最小时，形成垂直裂缝,第一大节,二、破裂压力,1.井筒应力分布,（一）井壁最终应力分布,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？,2.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：,结论？,3.注入液径向渗入地层引起的应力,周向应力值近视为：,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：,井壁处的周向应力简化为：,（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t就会破坏。,1.形成垂直裂缝,存在压裂液滤失,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ht，,有

2、效周向应力：,破裂压力：,无压裂液滤失,有效周向应力：,2.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Vt,形成水平缝。,有压裂液滤失,有效垂向应力：,修正破裂压力：,无压裂液滤失,破裂压力：,（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:0.0150.025MPa/m,与裂缝形态的关系:0.0150.018MPa/m，垂直缝；0.0220.025MPa/18m，水平缝,fracture pressure gradient,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

3、有效深度,溶解胶结物成分,&2 压裂液,fracturing fluid,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。,fracturing fluid,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。,一、压裂液类型,1.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

4、。,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,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）；,2.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；摩阻高；风险大；高温稳定性差；,适用性:,3.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,

5、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；,4.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,CO2,N2,醇液,空气,特点:地层伤害小，摩阻小，效率高，抗温性差。,二、压裂液添加剂,additive,1.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,2.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

6、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。,阳离子型,稳定机理:吸附粘土表面，束缚微粒迁移和膨胀。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,三、压裂液流变性,rheological property,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,1.压裂液的流变性,牛顿型：,非牛顿型,幂律型：,视粘度：,圆管稠度系数：,裂缝稠度系数：,宾汉型

7、：,2.压裂液流变性的测定方法,3.压裂液的摩阻计算,管路摩阻,射孔孔眼摩阻,Esso公司公式：,Amoco公司公式：,缝流摩阻,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）。,1.压裂液的造壁性滤失系数,静态造壁性滤失系数：,修正：,用途:静态滤失系数用于筛选评价压裂液,用途:动态滤失系数为压裂设计提供参数,2.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：,积分求L，回代达西定律,滤失系数：,3.受地层流体

8、压缩性控制的滤失系数,4.综合滤失系数,调和法：,分压降法：,非造壁液：,造壁液：,例:已知油层渗透率K=2.510-3m2，孔隙度=0.2，地层流体粘度R=2mPas，综合压缩系数cf=610-3MPa-1，压裂液粘度f=2mPas，压裂液造壁性滤失系数cw=1.810-3mmin0.5，裂缝壁面内外压差p=18MPa。求综合滤失系数c。,五、压裂液对储层的伤害与保护,液体污染:粘土水化和微粒运移；压裂液滞留；润湿性。,固相堵塞,压裂液浓缩,作业,作业1：已知油层渗透率K=2.510-3m2，孔隙度=0.2，地层流体粘度R=3mPas，综合压缩系数cf=610-3MPa-1，压裂液粘度f=2

9、mPas，压裂液造壁性滤失系数cw=1.810-3mmin0.5，裂缝壁面内外压差p=18MPa。,&3 支撑剂,proppant,支撑剂：,作用：,要求:承受高闭合应力；密度低；化学惰性；粒度均匀、圆球度好，粒径尽量大；杂质少；货源充足，价格便宜。,140MPa,2g/cm3,200盐水,一、支撑剂类型,1.硬脆性支撑剂,硬脆性支撑剂:指支撑剂硬度大，在闭合应力下不宜变形的支撑剂。,类型:石英砂、陶粒。,石英：,应用比重:,石英砂的特点:破碎后仍具有一定的导流能力；密度相对较低；可作为降滤剂；适合于低闭合应力地层；价格便宜。,产地:新疆、兰州、福州、岳阳、内蒙,中强度陶粒：,制造:铝矾土或铝

10、质陶土,组成:铝质+硅质+其它氧化物,产地:宜兴,高强度陶粒：铝矾土或氧化铝,组成:氧化铝+氧化硅+氧化铁+氧化钛,产地:成都、唐山,陶粒的特点:强度高；导流能力高；导流能力递减慢；密度高；价格高。,2.韧性支撑剂,韧性支撑剂:在较高闭合压力作用下相对容易变形而不破碎的支撑剂。树脂砂、核桃壳。,树脂砂,预固化树脂砂,可固化树脂砂,3.支撑剂在闭合应力下的状态,嵌入岩层,破碎,受压变形,二、支撑剂性能,1.支撑剂物理性质,粒度组成及分布；圆球度及表面光滑度；浊度；密度；酸溶度；抗压强度。,真密度、视密度,？测定支撑剂性能,2.支撑剂导流能力,定义:支撑剂在储层闭合压力下通过或输送储层流体的能力，

11、表示为Kfw，单位m2cm。,FRCD,fracture conductivity,分类,短期导流能力,长期导流能力,评价和选择支撑剂,压裂效果评价,支撑剂类型和形状对导流能力的影响,表1 我国部分支撑剂导流能力（铺砂浓度5.0kg/m2）,支撑剂粒度组成的影响,铺砂浓度的影响,铺砂浓度,支撑剂质量的影响,地层条件的影响:闭合压力；岩石硬度；环境条件（地层流体介质和地层温度）。,压裂液的影响,流动条件的影响:非达西效应；多相流效应；承压时间。,三、支撑剂选择,1.裂缝导流能力确定原则,图版法,辛科准则,垂直缝：,水平缝：,2.支撑剂类型,闭合应力法,石英砂,40MPa：,高强度陶粒,40MPa

12、：,井深法,石英砂,3000m,陶粒,3000m：,3.支撑剂粒径的选择,考虑因素:裂缝宽度；输送要求。,4.支撑剂铺砂浓度,缝长,导流能力,支撑剂粒径,铺砂浓度,闭合压力,第三大节,&4 水力压裂裂缝延伸模拟,压裂模型的分类,集总参数模型,拟三维模型,全三维模型,二维模型,一、卡特面积公式,假设条件：压裂液沿裂缝面垂直、线性向地层流失；滤失速度取决于该点暴露于压裂液的时间；忽略流体压缩性；裂缝中各点压力相同，等于井底注入压力。,原理：物质平衡原理，注入裂缝的液量等于裂缝体积增量与滤失量之和。,根据Carter模型的几何假设，上式改写成：,进行Laplace变换，可解出裂缝壁面面积：,erfc

13、（x）为x的误差补偿函数：,对于垂直对称双翼裂缝，如果已知缝高Hf，则单翼缝长为：,对于水平裂缝，裂缝半径为：,二、PKN模型,PKN模型是由Perkins&Kern提出，Nordgren加以完善。其几何模型如图所示。,假设条件：裂缝高度为常数，垂直于缝长方向横截面为椭圆；压裂液沿缝长作稳定的一维层流流动，且沿裂缝壁面线性流失；沿缝长方向的压降完全由流体的流动阻力引起，在裂缝延伸前缘，流体压力等于地层最小水平主应力；t时刻x断面上悬浮最大宽度与缝中静压力成正比；注液排量保持恒定。,对于注入时间t，基于物质平衡原理，可得到裂缝中x断面处流体流动连续性方程：,基于弹性力学理论，可得到裂缝张开宽度方程：,1.牛顿型压裂液,Lamb研究了压裂液在椭圆裂缝中流动时的压力梯度为：,1）不滤失情形（qL=0）,Perkins&Kern忽略面积A随时间的增加而引起的流量降低，导出下面计算公式：,对于单翼缝：,对于双翼缝：,2）滤失情形,当滤失系数相当大的时候A/t qL。忽略A/t的影响，Nordgren按Laplace变换求解裂缝几何尺寸：,思考：计算裂缝尺寸的步骤？,2.幂律型压裂液不滤失,由幂律型压裂液在两平行裂缝壁面间的流变学特征，流体视粘度为：,