水力压裂技术

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第六章水力压裂技术第六章水力压裂技术第一节造缝机理一、教学目的了解压裂含义，和各种压裂的种类，熟练掌握油井的应力状况，能够计算简单的地应力，掌握形成裂缝的条件以及破裂压力梯度，会对压裂施工曲线进行分析与应用，了解裂缝方位的判断方法。二、教学重点、难点教学重点1、地应力的计算2、压裂过程中井壁的周向应力3、形成水平裂缝、垂直裂缝的条件教学难点1、压裂施工曲线的分析与应用2、有裂缝和无裂缝时的破裂压力梯度计算三、教法说明课堂讲授并辅助以多媒体课件展示相关的数据和图表四、教学内容本节主要介绍四个方面的问题：一、油井应力状况二、造缝条件三、压裂施工曲线的分析与应用四、裂缝方位的判断第一节造缝机理 第六章水力压裂技术压裂：用压力将地层压开一条或几条水平的或垂直的裂缝，并用支撑剂将裂缝支撑起来，减小油、气、水的流动阻力，沟通油、气、水的流动通道，从而达到增产增注的效果。水力压裂压裂的种类(根据造缝介质不同)高能气体压裂干法压裂水力压裂：利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高压；当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层产生裂缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一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艺措施。高能气体压裂：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，从而达到油气井增产的目的的一种工艺技术。干法压裂：利用100%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。水力压裂的工艺过程：第一节造缝机理 第六章水力压裂技术裂缝延伸憋压造缝裂缝闭合充填支撑剂水力压裂增产增注的原理:(1)改变流体的渗流状态：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，消除了径向节流损失，降低了能量消耗。(2)降低了井底附近地层中流体的渗流阻力：裂缝内流体流动阻力小。裂缝形成条件井网部署造缝机理：裂缝的形态提高采油速度裂缝的方位提高原油采收率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。造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层的地应力及其分布、岩石的力学性质、压裂液的渗滤性质及注入方式有密切关系。图6-1压裂过程井底压力变化曲线a—致密岩石b—微缝高渗岩石（一）油井应力状况第一节造缝机理 第六章水力压裂技术1、地应力在上覆岩层的作用下，地下任一岩石单元体均受到三个方向上的x应力作用，即位于水平面上的水平主应力Hy位于垂直方向上的垂直主应力z（1）垂向应力z：上覆层的岩石重量。HSgdzZ0一般浅层：s2.0103kg/m3深层（<300m）：s2.6103kg/m3取s2.3103kg/m3∴z23H（KPa）z0.023H（MPa）z的大小因油田而异，统计得到的z的分布范围为：z=（21～25）H（KPa）。对于海上油田，仍以海平面为基准，则z要小些（∵ws）（2）水平应力H（x、y）如果岩石处于弹性状态，可根据广义虎克定律建立岩石的有效水平应力与有效垂向应力的关系：在三向应力作用下，x轴方向上的应变分别为：x1x/L/L（规定压缩为正）x2y/y的作用是使岩石在x方向伸长，故为负x3z/由于单元体处于地层之中，侧向上是无限连续介质，存在侧向应第一节造缝机理 第六章水力压裂技术力的限制，所以不能产生侧向变形，即侧向应变为0，即1xyz0xx1x2x3E令：xy得：xyz1注意：这里的、是指岩石骨架的泊松比和杨氏模量。对于砂岩：=0.15～0.17则xy（0.08～0.37）z对于盐岩层：=0.5则x、y=z（套管易于损坏）当>0.5时，x>z，则会出现把地层拉起来的现象。考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大、最小水平主应力为：11E2ZPS2EHmax11PS2111E2ZPS2EHmin11PS21（3）有效应力在油气层中均有一定的孔隙压力Ps（即地层压力或流体压力），在P的作用下，x、y与z均会变小，故引入有效水平应力x、ys和有效垂向应力z。x=x－Psy=y－Psz=z－Ps假定：①孔隙中的流体是化学惰性第一节造缝机理 第六章水力压裂技术②岩石的渗透性保证传压是处处相等③流体中的压力完全由岩石骨架所承受应用虎克定律得：xyz1这里的泊松比是含有流体，实际应用时并没有分清。2、地质构造对地应力的影响可见，受地质构造力的影响，应力之间的关系变化很大。3、主应力大小与裂缝形态的关系从力学的观点来看，裂缝总是产生于强度最弱、抗力最小的地方，在地层中出现裂缝也是这样的。结论：岩石破裂时，裂缝面总是垂直于最小主应力轴（假设前提：岩石单元体是均质的，各向同性材料）——判断准则①由于浅地层的z相对小些，且近地表地层中构造运动也较多，H>z的几率也多，且浅地层中层理发育，所以浅地层多出现水平裂缝。②深地层z相对大些，z>H的几率多，所以深地层压开的多好垂直裂缝。4、压裂过程中井壁上的周向应力钻井以后，井底处的应力分布受井筒的影响，在井筒附近产生应力集中，为简便起见，将三维应力问题简化为二维来处理。对油层的几个假设：①油层为弹性体第一节造缝机理 第六章水力压裂技术②油层均质③油层各向同性在上述假设下，井筒对地应力及其分布的影响可用弹性力学中无限大平板上钻一孔眼的理论来加以分析。（1）地应力在井壁上形成的周向应力（1）图6-2无限大平板中钻一圆孔的应力分布如图有一无限大平板上钻一孔眼，在x、y方向上分布着压应力x、y，假设x>y，则根据弹性力学理论可得出孔眼壁上的周向应力1为：xy1a2xy13a412224cos2式中：——距孔眼中心线的距离a——孔眼半径——任意径向与x轴夹角当=a时，1xy2xycos2讨论（分析圆孔周边的应力分布）：①当x=y时，（r=a）12y2x2H第一节造缝机理 第六章水力压裂技术②当x≠y时，（r=a）a.当=0°、180°时（A、B）13yx①b.当=90°、270°时（C、D）23xy`c.当x=y时1min10、1801max190、27033yxxyd.当x延伸压力（PE）。（2）注入压力所引起的井壁周向应力2第一节造缝机理 第六章水力压裂技术简化处理：把井筒周围的岩石看成是一个厚壁圆筒（壁厚）根据弹性力学中的厚壁筒理论由拉梅公式（压应力Pe取正号，拉压力Pi取负号）得Pr2Pr2PPr2r2eeiaeiae2ra2r2re2ra2re2当rra，Pe=0时rera2即：PePiPePi②2limre22Pire1ra1rarere负号：表示拉应力②式表明井筒内压产生2与内压大小相等，符号相反，即内压在井壁周围产生拉应力，正是它的作用才造成地层岩石破裂。（3）压裂液径向滤失所引起的井壁周向应力3在地层破裂前，压裂液径向渗入井底附近地层中，形成滤失应力区，会增大井壁上的周向应力3，其值为：pi12③3ps1式中：——Biot常数（多孔弹性介质常数）=1cr1cbcr——岩石骨架压缩系数cb——岩石体积压缩系数一般取=0.82（4）井壁上的总的周向应力第一节造缝机理 第六章水力压裂技术在地层破裂前，井壁上的总周向应力应为由于井眼存在，井筒内压及压裂液渗滤所引起的周向应力之和，即：=1+2+3假定：x>y时1min10、180由于2、3在周向上各点是相等的，因此，1为最小值时即为最小值。3yxPiPiPs12④1考虑实际地层岩石孔隙中有液体作用，所以④式中应用有效应力代入，分两种情况考虑。a.压裂液无滤失（孔隙压力ps）：xxPsyyPsPs代入④式得3yxPsPi⑤b.压裂液有滤失：井壁附近孔隙压力Pi地层深部孔隙压力PsxxPsyyPsPi代入④式得第一节造缝机理 第六章水力压裂技术3yxPiPs12⑥21（二）造缝条件要使地层破裂，必须使井底压力>+t。1、形成垂直裂缝（1）有滤失时假设地层的破裂属于纯张力破坏，那么随着压裂液的不断不入，使井壁上的稍大于th时，岩石将发生破裂，即有滤失时形成垂直裂缝的条件为：htPiPF即有：3yPP12x2is1由于破裂时PPiF所以得：P3yxhtPF212s1式中01211破裂压力为破裂时的注入压力Pi。（2）无滤失时h地层破裂时tPiPF代入得：PF3hPsyxt分析：ht⑦⑧a.公式⑦、⑧计算点为A、B两点，此时x>y，如以、D为C第一节造缝机理 第六章水力压裂技术计算点，此时y>x，则有：PFPsxyhPs（有滤失）3t2121PF3xyhPs（无滤失）tb.由分析知：地层将产生两翼对称的垂直缝。c.两条缝产生于A、B两点，还是C、D两点，视x与y的大小而定。若x>y若y>x产生于A、B两点产生C、D两点d.当液体有渗滤时，其破裂压力要小（121）。因为带01压力的液体进入地层后，增加了受压面积，从而降低了pF，在裸眼井中，滤失使PF降低25～40%。e.PF与h有关（一般h较小，不超过）tt0.5MPaf.公式⑦、⑧适用于裸眼井2、形成水平裂缝其理论要简单一些，它不象垂直裂缝那样要克服周向应力，而只须将地层向上拉。（1）有滤失时有滤失时增加的垂向应力为：12PiPs1因此总的垂向应力为：第一节造缝机理 第六章水力压裂技术12ZzPiPsZZPizzPs代入后得：1zPiPs12Z11有滤失时形成水平裂缝条件：hZtPiPF从而可得：PFPszt⑨121112这里011（2）无滤失时具有水平裂面条件：①Pi能克服垂向应力z②Pi能克服垂向抗拉强度tP=z+ti因zzPsPi=PF所以P-P=zt⑩Fs公式分析：a.PF>z（注入压力必须能把地层抬举起来，否则无法形成水平第一节造缝机理 第六章水力压裂技术裂缝b.PF与x、y无关，主要取决于Zc.有滤失时的PF大于无滤失时的PF而HullevtWillis两人研究的结果表明：有滤失时可以降低破裂压力，这样就与公式⑨发生了矛盾，其原因就是应力区的问题，其研究结果为：有滤失时：PFPszt111○1.9421无滤失时：PFPszt○0.9412实际应用时多采用○11○12两式。d.公式仅适用裸眼井3、套管射孔空井的破裂压力其破裂压力大于裸眼井的破裂压力。射孔的方位不影响裂缝的方位，但影响破裂压力的大小。（P）射孔井=k（P）裸眼井（k=1.3～2.0）FF4、形成水平缝与垂直缝的深度界线估算：考虑无滤失的情况，令x=y，由于在此深度界线上出现两种裂缝的可能性都存在，所以可令⑧=⑩式，有：zt2xt第一节造缝机理 第六章水力压裂技术即：zPst2zPsh13t○1假设：z=23HPs=10Hth=5000kPa=0.17由于沉积岩的t一般很小，所以可令t=0，代入○式得：H=5000/7.67=652m13计算说明652m是水平缝与垂直缝的深度界线，但这浅层理论上的估算，由于地下的应力状态是复杂的，有些因素也是上述方程式所考虑不到的，因此652m仅作为参考。5、破裂压力梯度（破裂梯度）（1）定义：指在某地区为造成裂缝，单位深度所需要的破裂压力：PF/H（kPa/m）（2）破裂梯度的确定a.理论计算以垂直裂缝为例假定：无滤失x=yth=0利用公式⑧得：PF32hyxtPsyPs2zPs1由于zzPs∴PF21zPsPs第一节造缝机理 第六章水力压裂技术2z13Ps1411○∴P2z13PsFH1H1HPs——目前地层压力z=rsH=23H——泊松比由于作了过多的简化，因此上式在使用中与实际可能有差别。上式应用的条件为：①垂直裂缝、②无液体渗滤、③x=y、④忽略岩石的抗张强度（th=0）。若在○式的基础上考虑地区性的影响水平应力的构造力T，则：14PF213zPsT11T——小型压裂测试得到假定T与z成比例关系定义：应力mTz（m1）∴T=（z-Ps）·m∴213PFmz11mPs可见，由于地质构造力T的存在，↗。b.统计法现场使用的值都是统计出来的，根据大量的压裂实验，可以找出本地区的。在右图中，直线的斜点即为（=tg）第一节造缝机理 第六章水力压裂技术一般范围=（15～18）～（22～25）（kPa/m）江汉油田=15～23（kPa/m）（3）值的应用①判断裂缝类型a.<（15～18）形成垂直裂缝（深地区）b.>（22～25）（或>23）形成水平裂缝（浅地区）②估算PF，以便进行工程计算根据PF，确定为压开地层所需的注入速度、注入量、注入压力等。③判断预处理的必要性若PF过高，难以正常施工，就必须进行预处理，以降低PF，预处理的实质是降低井底附近地层的应力，破坏应力集中，如聚能射孔、密集射孔、小规模配化等（一般>0.28时需进行预处理）。④压裂时有些地层特高，有些地层破裂时没有明显破裂峰值。特高的原因：a.可能是由于构造关系或岩石抗张强度特大的缘故。b.也可能是一种假象，当井底附近地层严重堵塞时，可能很大。没有明显破裂峰值的可能原因：a.两个水平应力的比值大，井壁上的小（当x/y=3时，=0），此时PF就低，而不出现明显的破裂峰值。b.地层中有微隙（t低，甚至为0）或井经过预处理，地层的K很高。第一节造缝机理 第六章水力压裂技术（三）压裂施工曲线的分析与应用1、有关参数（1）破裂压力（PF）：开始形成裂缝时的最高压力（2）延伸压力（PE）：地层一旦被压开，高压液体进入裂缝，而井筒附近地层应力集中消失，然后裂缝在此压力的作用下，一直向外扩张，其缝面垂直于最小主应力，一般都把井壁处裂缝中的压力称为裂缝的延伸压力。（3）闭合压力（PC）：停泵后作用在裂缝上欲使之闭合的压力（4）有效（净）压裂压力（Pef）：裂缝中的压力超过闭合压力的那一部分压力，有效压裂压力在抗拒岩石的弹性下更宽的打开裂缝，在有效压裂压力下裂缝一直向前延伸。2、压裂施工曲线的分析与应用（1）分析：C点：瞬时关井压力PI（地面压力）D点：裂缝开始闭合时的地面压力（Pcs）E点：地面的地层压力PssPfr：压裂液沿井筒的摩阻力Pef：有效（净）压裂压力（2）应用：①求破裂压力：PF=PFS-Pfr+PH式中PH——井筒液柱压力第一节造缝机理 第六章水力压裂技术②求延伸压力：PE=PES-Pfr+PH=PI+PH③估算地应力：假定形成垂直裂缝PE=min假定停泵后裂缝停止延伸，若min=y，则y=PE假定无滤失，则PF-Ps=3y-x即：PF-Ps=3y-x-2Ps∴x=3y-PF-Ps=3PE-PF-Ps垂向地应力：z=23H对于水平裂缝：PE→min→z（四）裂缝方位的判断1、地面电测法V压前电位差V压后电位差V压后