水力压裂影响因素研究

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1、i 中国石油大学（北京）现代远程教育中国石油大学（北京）现代远程教育 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 水力压裂影响因素研究 水力压裂影响因素研究 摘 要 水力压裂一直以来就是低渗透率油气藏增产的主要措施之一。为了提高 压裂措施的增产效果，以尽可能小的投资获得最大的回报，本文在调研了国 内外大量水力压裂资料，总结了水力压裂的基本理论知识与基础原理，在此 基础上，对影响水力压裂效果的因素进行了分析与优化。分析认为影响水力 压裂的因素主要可分为四大类：一是改造油层选择不当;二是压裂参数设计不 合理;三是压裂液体系选择不合理;四是压后油层处理方法不正确。最后，针 对因素分析结果提出了水力压裂优

2、化措施，实践表明，这些措施使得水力压 裂效果得到了很好的改善与提高。 关键词：关键词：水力压裂；影响；因素；研究 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） ii 目 录 第一章第一章 引引 言言1 1.1 问题的提出1 1.2 研究概况1 第二章第二章 水力压裂基本原理水力压裂基本原理3 2.1 地应力及其分布3 2.2 井壁应力4 2.3 造缝条件6 2.4 裂缝形态判别 6 2.5 水力压裂二维几何模型7 第三章第三章 水力压裂影响因素分析及优化水力压裂影响因素分析及优化.10 3.1 油层选择不当.10 3.2 压裂参数设计不合理.

3、12 3.3 压裂液体系选择不合理.13 3.4 压后油层处理方法不当.14 3.5 水力压裂优化.14 第四章第四章 总总 结结.17 参考文献参考文献18 1 第一章第一章 引引 言言 1.11.1 问题的提出问题的提出 近年来，低渗透油气田的开发已经越来越引起人们的关注。低渗透油气 资源在我国相当丰富。低渗透油气田的开发在我国有很长的历史，也有特别 重要的意义。统计数据表明，目前我国已发现的渗透率小于 50 毫达西的低渗 透油田的地质储量约占全国石油总储量的 25%，而低渗透气田的天然气储量 所占比例还远高于这一比例。这说明低渗透油气资源在我国油气资源中占有 重要的地位。开发好低渗透油气

4、田对我国油气工业今后的持续发展具有十分 重要的意义。 低渗透油气藏的主要特点是岩性致密、渗透率低、渗流阻力大、自然产 量低、沉积环境复杂、开采难度大。因此，对于低渗透油气藏，一般需要采 取改造措施才能获得较高产能，若不经过储层改造就很难具有工业产能。 水力压裂是对渗油层改造的一种有效的方法。它是利用大于地层破裂压 力的高压液流,对油层压开一条或多条具有一定方向和几何形状的裂缝并注入 支撑颗粒,形成具有高导流能力的填砂裂缝,极大的改善油气层液体向井筒的 渗流能力,从而提高油气产能的一种油层改造方法。利用水力压裂方法改造低 渗油藏,在提高油气产能、增产增效方面见到了显著效果。但在许多井次的水 力压

5、裂措施中,仍存在许多无效或低效措施,造成一定的资金浪费甚至负面影 响。因此,系统的分析压裂影响的各个因素,从而找出解决办法,对水力压裂措 施的设计和实施具有重要指导意义。 1.21.2 研究概况研究概况 水力压裂自 1947 年在美国试验成功至今，已经由简单的低液量、低排量 压裂增产方法发展成为一项成熟的开采工艺技术。由 60 年代的以解堵和增产 为目的的水力压裂发展到 90 年代的“压裂开采”，即在部署开发井网前就考 虑水力裂缝的方位、长度和导流能力等对油藏生产动态可能造成的影响，通 过研究开发井网系统和水力裂缝系统的优化组合，获得较高的经济效益和最 终采收率。在此发展过程中，由于压裂液和支

6、撑剂、压裂设计等方面的迅速 发展，水力压裂技术在缝高控制技术、端部脱砂压裂和重复压裂等方面都取 得了较大的突破。 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 2 目前，国内外为提高油藏开发效果及其采收率，为了提高压裂措施的增 产效果，以尽可能小的投资获得最大的回报，对影响水力压裂效果的因素进 行了大量分析。劳斌斌等人以理论油藏模型和某油田实际油藏模型为基础， 引进了敏感系数，通过比较敏感系数绝对值的大小，对压裂井增产效果的影 响因素进行了敏感性分析。李金洪等人将影响压力效果的因素分为了四个方 面：一是改造油层选择不当；二是压裂参数设计不合理

7、；三是压裂液体系选 择不合理；四是压后油层处理方法不正确。马新仿等人指出为了保证好的压 裂施工效果，提高压裂施工经济效益，要从压裂液、支撑剂和压裂设计方面 深入研究，采用高性能压裂液与支撑剂，同时需要设计合理的压裂施工步骤， 采用恰当的压裂施工参数等，在整体上形成统一的协调的压裂施工作业流程。 杜伊芳等人提出压裂检测技术、压裂逢高技术的应用同样会对水力压裂施工 效果造成影响，逢高控制是保证水力压裂获得成功的关键因素之一。 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 3 第二章第二章 水力压裂基本原理水力压裂基本原理 水力压裂是油气井增产，水

8、井增注的一项重要技术措施。当地面高压泵 组将高粘液体已大大超过地层吸收能力的排量注入到井中，在井底憋起超过 井壁附近地应力及岩石抗张强度的压力后，即在地层中形成裂缝。随着带有 支撑剂的液体注入缝中，裂缝逐渐向前延伸。这样在地层中形成了足够长度、 一定宽度和高度的填砂裂缝。由于它具有很高的渗滤能力，使油气能够畅流 入井，起到增产增注的作用。 压裂作业的第一阶段是形成裂缝。为此，把液体住入井内直到压力超过 岩层阻力在该处产生水力破裂。过程的第二阶段是把形成裂缝的进行扩展。 即把液体注入已形成的裂缝，迫使其扩展。裂缝扩展的范围，取决于注入到 岩层液体的量和性质。 2.12.1 地应力及其分布地应力及

9、其分布 地应力是客观存在的一种自然力，它影响着油气勘探和开发的过程，在 水力压裂施工中，影响着油气储集区域的构造应力的大小和方位，对最终人 工裂缝方位与大小起着不可忽视的作用。地应力有三个主方向的主应力构成， 分别为垂向主应力，最大水平地应力以及最小水平地应力。 v maxh minh 通常，地下地层承受上覆岩层的自重，垂向主应力的表达式如下： (2-1) 0 H vsgdz 式中 垂向主应力，Pa； v 地层垂深，m； H 重力加速度，； g 2 m/s 上覆层岩石密度，。 s 3 kg / m 由于地层具有一定的孔隙压力，部分上覆岩层的压力由孔隙中流体承担， s p 因此有效垂向应力为：

10、(2-2) vvs p 倘若岩石处于弹性状态，考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大、 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 4 最小水平主应力为： (2-3) 12 max 2 ()1 2 111 vs hs pEE p (2-4) 12 min 2 ()1 2 111 vs hs pEE p 式中 、水平应力构造系数，无因次； 1 2 泊松比，无因次； 岩石弹性模量，Pa； E 毕奥特(Biot)常数，无因次。 2.22.2 井壁应力井壁应力 井壁上的应力是由地应力、井筒内压、以及液体渗滤所引起的应力之和。 (1)地应力在井壁上

11、产生应力 x r 图 2-2 地应力对井壁应力影响示意图 取井筒附近一块单元作为分析模型（如图 2-2 所示） ，其在两个相互垂直 的方向受到与作用。仿照弹性力学无限大平板中间钻一圆孔时孔边应力 x y 分布情况，给出井壁应力计算公式： (2-5) 224 224 43 11cos2 22 xyxy r aaa rrr y 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 5 (2-6) 24 24 3 (1)(1)cos2 22 xyxy aa rr (2-7) 24 24 23 1sin2 2 xy r aa rr 式中 圆孔周向应力，Pa；

12、 圆孔径向应力，Pa； r 圆孔切向应力，Pa； r 圆孔半径，m； a 距圆孔中心的距离，m； r 任意径向与方向的夹角。 x (2)井眼内压引起的井壁应力 压裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内压力很快升高。井筒内压必 然产生井壁上的周向应力。将地层看做是无限厚壁的厚壁圆筒，内压为井筒 液柱压力，外压为 0，厚壁筒外边界半径为无限大，井壁上的周向应力（拉 应力为负）为： (2-8) i p (3)压裂液渗入地层引起的井壁应力 压裂液渗入井筒周围地层中，会形成一个附加应力区，它的作用是增大了 井壁周围岩石中的应力，其值为： (2-9) 1 2 () 1 is pp 其中 1 r b C C

13、 式中 岩石骨架压缩系数，； r C 1 MPa 岩石体积压缩系数，。 b C 1 MPa 因此，井壁上的周向总应力为以上三者之和，即 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 6 (2-10) 1 2 (3)() 1 yxiis ppp 2.32.3 造缝条件造缝条件 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时， h t 将产生垂直缝；当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的竖直方向的抗拉 强度时，将产生水平缝。由于地层为多孔介质，存在孔隙压力，计算中各 v t 应力应为有效应力。当地层刚好产生裂缝时，井筒内注入流体的压力即为

14、 i p 地层的破裂压力。竖直缝破裂压力为： F p (2-11) 3 1 2 2 1 h yxt Fs pp 式中 地层破裂压力，Pa； F p y 方向有效应力，Pa； y yys p x 方向有效应力，Pa； x xxs p 水平方向岩石破裂压力，Pa； h t 比奥特常数，无因次； 岩石泊松比，无因次； 孔隙压力，Pa。 s p 水平缝破裂压力为： (2-12) 1 2 1 1 v zt Fs pp 式中 地层垂向有效应力，Pa； z zvs p 岩石垂向抗拉强度，Pa。 v t 2.42.4 裂缝形态判别裂缝形态判别 在天然裂缝不发育的地层，压裂裂缝形态（垂直缝或水平缝）取决于其 三

15、向应力状态。根据最小主应力原理，水力压裂裂缝总是产生于强度最弱、 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 7 y x z 阻力最小的方向，即岩石破裂面垂直于最小主应力轴方向。具体如图 2-3 所 示。当，形成垂直裂缝，裂缝面垂直于方向；当，形 zxy y zyx 成垂直裂缝，裂缝面垂直于方向；当最小时，形成水平裂缝。 x z y x z y x z zxy zyx zyx 或 图 2-3 人工裂缝形态图示 2.52.5 水力压裂二维几何模型水力压裂二维几何模型 人们利用各种假设，相继开发出了多种设计模型，二维几何模型主要是 PKN 模型、KGD 模型以及卡特模型。它们都假设裂缝高度是常数，即流体 沿缝长方向流动。 2.5.12.5.1 PKNPKN 模型模型 图 2-4 PKN 二维裂缝延伸模型 中国石油大学（北京