《水力压裂技术》PPT课件

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1、第五章水力压裂技术一、水力压裂增产、增注的基本原理二、压裂设计三、压裂设备、管柱及材料四、压裂工艺及现场施工水力压裂技术：利用地面高压泵注设备将高粘度的流体以大大超过地层吸收能力的量注入井筒，憋起高压，在地层中形成裂缝并向前延伸。利用携砂液将支撑剂带入裂缝中，形成高导流能力的支撑裂缝的一系列工艺过程。§5~1水力压裂增产增注的基本原理一．造缝机理（地应力及其分布）（一）地应力[σz、σH(σx及σy)]1．作用在单元体上的垂向应力来自上覆岩层的重量其大小：式中σz——垂向主应力，Pa；H——地层垂深，m；g——重力加速度(9．81m/s²)；ρ

2、s——上覆层岩石密度，kg/m³。油气层中有一定的孔隙压力Pp，故有效垂向应力可表示为：作用在地下岩石某单元体上的应力为垂向主应力σz，及水平主应力σH(其中又分为互相垂直的σx及σy)。2、水平主应力来自岩石处于弹性状态（考虑构造应力由广义虎克定律推导）式中σH——最大水平主应力，Pa；ξ1，ξ2——水平应力构造系数，可由室内测试试验结果推算，无因次；——泊松比，无因次；E——岩石弹性模量，Pa；——毕奥特(Biot)常数，无因次。（二）地质构造对应力的影响在逆断层或褶皱地带水平应力要比垂向应力大得多，甚至可大到3倍，在正断层地带，水平应力可

3、能只有垂向应力的三分之一。如果岩石单元体是均质的各向同性材料，岩石破裂时裂缝的方向总是垂直于最小主应力轴。当已知地层中各应力的大小时，裂缝的形态或方向即可被确定。构造对应力的影响a—逆断层区域σH=3σzb—正断层区域σz=3σH人工裂缝方向示意图（三）井壁上的应力1．井筒对地应力及其分布的影响在双向应力状态下，弹性力学给出了平板为固体、各向同性、弹性材料的周向应力计算式：钻井后，井壁及其周围地应力分布受到井筒的影响，很复杂。简化起见，将地层中三维应力用二维方法来处理。用无限大平板中钻有一个圆孔的受力情况来分析。如图5—2所示。在无限大平板上钻

4、了圆孔之后，使板内原来平衡的应力重新分布，造成圆孔附近的应力集中。式中σθ——圆孔周向应力，Pa；a——圆孔半径，m；r——距圆孔中心的距离，m；θ——任意径向与x轴的夹角；——分别为x，y方向上分布的应力。定性分析井壁上应力大小：（1）当r=a，σx>σy，θ=0°、180°时，(σθ)min=(σθ)0º，180º=3σy－σx（2）当r=a，σx>σy，θ=90°、270°时，(σθ)max=(σθ)90º，270º=3σx－σy说明最小周向应力发生在σx的方向上，而最大周向应力却在σy的方向上。（3）随着r的增加，周向应力迅速降低，如图

5、4—2(b)所示。大约在几个圆孔直径之外，即降为原地应力值。结论：这种应力分布表明，由于圆孔的存在，产生了圆孔周围的应力集中，孔壁上的应力比远处的大得多，这就是地层破裂压力大于裂缝延伸压力的重要原因。2．井眼内压所引起的井壁应力式中Pe——厚壁筒外边界压力，Pa；（井眼内压在外边界产生的压力）re——厚壁筒外边界半径，m；ra——厚壁筒内半径，m；Pi——内压，Par——距井轴半径，cm。压裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内压力很快上升。井筒内压必然产生井壁上的周向应力。可以把井筒周围的岩石看作是一个具有无限壁厚的厚壁圆筒，根据弹性力学中的

6、拉梅公式(拉应力取负号)当re=∞、Pe=0、r=ra时，井壁上的周向应力为：σθ=－Pi即：由于井筒内压而导致的井壁周向应力与内压大小相等，但符号相反。（利用无穷大定理推导）3、压裂液径向渗入地层所产生的井壁应力：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：式中Cr——岩石骨架压缩系数；Cb——岩石体积压缩系数。ν——泊松比；Ps——地层压力。——毕奥特(Biot)常数，无因次。4、井壁上的总周向应力：显然在地层破裂前，井壁上的总周向应力应为地应力、井

7、筒内压及液体渗滤所引起的周向应力之和，即：5—8二．造缝的条件(破裂压力p破)破裂压力：是指油层被压开的瞬间，被压层位所受的压力。（一）形成垂直裂缝的条件：1．当存在液体渗滤时如果岩石的破裂是纯张力破裂，当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的水平方向的抗拉强度σth时，岩石将在垂直于水平应力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。此时有：=-σth，代入（5—8）式，并换为有效应力(,,),则可得到垂直裂缝时的破裂压力，当产生垂直裂缝时，井筒内注入流体的压力Pi即为地层的破裂压力Pf，所以形成垂直裂缝的条件：2．无液体渗滤

8、时地层渗滤应力等于零，井壁上岩石的空隙压力仍然为Ps，故,，将其他应力一同代入（5—8）式，则：由于最小总周向应力发生在θ=0º，180º的对称点上，