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1、第六章 水力压裂 Ch.6 Hydraulic Fracturing 背景 垂直井单相油流 产量公式 对具体井，地层条件( ko, h)、流体性质( o, Bo)和井特性( re, rw )已经确定。提高产量 的措施: 注水保持地层压力; 人工举升降低井底流动压力; 对于低渗透储层：水力压裂 水力压裂概述 水力压裂示意图 压裂材料：压裂 液和支撑剂 施工参数：排量 和压力 压裂设备：泵车 (组)、液罐、砂 车、仪表车 水力压裂作用 (2) 油气井增产、水井增注 (1) 提高勘探含油气评价，增加可采储量 Wattenberg气田 陕北安塞特低渗油田 H=1000-1300m，h=12.2m，=1
2、2.4%, kair=1-2md, ke= pF时 第一节 水力压裂造缝机理 力学观点：裂缝形成与延伸是力学行为。 生产角度：裂缝方位与形态影响压裂改造效果 问题： (1) 储层应力环境地应力场 (2) 水力裂缝方位 (3) 破裂压裂计算与预测 基本思路： 注水井 采油井 地应力 存在于地壳内部的应力，是由于地 壳内部的垂直运动和水平运动及其它因素综 合作用引起介质内部单位面积上的作用力。 地下岩石应力状态：为三向不等压压缩状态. x（x ） y (y) z (z) 主应力: x ， y， z ; 应变: x， y， z 一、地应力分析 1 地应力场 原地应力：重力应力 构造应力 孔隙流体压力
3、 热应力 。 地应力构成：原地应力 + 扰动应力。 其中：r(h) 为上覆岩层密度，由密度测 井曲线获得。 (1) 重力应力（上覆压力 ） 为Boit孔隙弹性常数。 有效垂向应力为 由广义虎克定律计算总应变 研究对象：地层中任意单元体。 由于泊松效应，垂向应力产生的侧向压力 (2) 构造应力 定义：地壳的构造运动引起的岩体之间的相 互作用力。是地应力的一个分量。 来源：各种构造运动，包括： 区域构造巨大构造单元间的相互作用力； 局部构造产生于局部地区岩体之间。如断 层、岩层弯曲等。 A B C 特点 构造应力属于水平的平面应力状态 挤压构造力引起挤压构造应力 张性构造力引起拉张构造应力 构造运
4、动的边界影响使其在传播过程 中逐渐衰减。 断层和裂缝发育区 正断层，水平应力x可能只 有垂向应力z的1/3。 右旋走向滑动断层 正断层 逆断层 逆断层或褶皱带的水平应力 可大到 z的3倍。 (3) 热应力 原因：地层温度变化引起的内应力增量。 计算方法 特点：与温度变化、岩石力学性质有关 产生环境：火烧油层、注蒸汽开采、注水 2 人工裂缝方位 原理：裂缝面垂直于最小主应力方向 当z最小时，形成水平裂缝； 当Y或xz，形成垂直裂缝。 y x x y z 显裂缝地层很难出现人工裂缝。 微裂缝地层 垂直于最小主应力方向； 基本上沿微裂缝方向发展，把微裂缝串成显裂缝 y 二、水力压裂造缝机理 1 井壁
5、最终应力分布 rx r Rw x y （1）井筒处应力分布 当r =rw，0及180时， 3y x 当r =rw，90及270时， 3x y 当 x = y 2y=2 x 说明周向应力相等，与无关 当 x y ()0,180= ()min ()90，270= ()max 分析 随r增加， 迅速降低(平方次) 应力集中 Pf PE 图6-3 钻井引起的井壁诱导应力场 （2）向井筒注液产生的应力分布 弹性力学拉梅公式(拉应力为负) 当 re， Pe =0 且re rw 于是 r= ra时， - Pi (3) 压裂液渗入地层引起的井壁应力 (4)井壁上的总周向应力(应力迭加原理) 地应力+井筒内压+
6、渗滤引起的周向应力 2 水力压裂造缝条件 (1) 形成垂直缝 岩石破坏条件 压为正，拉为负 最大有效周向应力大于水平方向抗拉强度 有液体渗滤 当破裂时，Pi=PF 无液体渗滤 当破裂时，Pi=PF (2) 形成水平缝 岩石破坏条件 最大有效周向应力大于垂直方向抗拉强度 有液体渗滤 有效总垂向应力为： 当破裂时，Pi=PF 1.94 无液体渗滤 有效总垂向应力为： 当破裂时，Pi=PF 0.94 例6-1 已知某砂岩油藏岩石平均密度r=2300kg/m3 ，泊松比=0.20，地层压力系数1.05，孔隙 弹性常数=0.72。并假设水平方向地应力均 匀分布，抗张强度为th,=3.5MPa, 忽略沉积
7、 岩的垂向抗张强度。试计算无滤失条件下形成 垂直裂缝和水平裂缝的深度界限HC。 3 破裂压力梯度 定义 理论计算 (垂直裂缝形态) 矿场统计 当F 0.0220.025 MPa/m, 形成水平裂缝 三、 地应力的测量及计算 （1） 矿场测量 水力压裂法(Page 245 ) 井眼椭圆法（井壁崩落法） （2）岩心分析（实验室） 滞弹性应变恢复 （ASR） 微差应变分析 （DSCA） （4） 有限元计算 （3） 测井解释 第二节 压裂液 压裂液及其性能要求 压裂液添加剂 压裂液的流动性 压裂液的滤失性 压裂液对储层的伤害 压裂液选择 压裂液的组成 前置液 携砂液 顶替液 （完整的压裂泵注程序中还可
8、以有 清孔液、前垫液、预前置液） 对压裂液的性能要求 (1) 与地层岩石和地下流体的配伍性； (2) 有效地悬浮和输送支撑剂到裂缝深部； (3) 滤失少 ； (4) 低摩阻 ； (5) 低残渣、易返排 ； (6) 热稳定性和抗剪切稳定性 。 一、 压裂液类型 水基压裂液 油基压裂液 乳化压裂液 泡沫压裂液 液化汽压裂液 酸基压裂液 1 水基压裂液 发展 活性水压裂液稠化水压裂液水基冻胶压裂液 水基冻胶压裂液组成 水稠化剂（成胶剂） 成胶液（基液） 水交联剂 添加剂 交联液 (冻胶) 水基压裂液种类 (1) 稠化剂 植物胶及衍生物 胍胶 Guar (G HPG CMHPG) 田菁 Sesbani
9、a (T HPT HPCMT) 纤维素衍生物 羧甲基纤维素钠盐（CMC） 羟乙基纤维素（HEC） 羧甲基羟乙基纤维素（CMHEC） 工业合成聚合物 聚丙烯酰胺(PAM)：有胶体、乳液、粉剂三种 部分水解聚丙酰胺（PHPAM） 甲叉基聚丙烯酰胺（MPAM） 生物聚多糖(黄原胶) (2) 交联剂 两性金属（非金属）含氧酸盐 硼酸盐、铝酸盐、锑酸盐和钛酸盐等弱酸强 碱盐 无机盐类两性金属盐 如硫酸铝、氯化铬、硫酸铜、氯化锆等强酸 弱碱盐 无机酸脂 如钛酸脂、锆酸脂 醛类 甲醛、乙醛、乙二醛等 (3) 破胶剂 生物酶体系 适用温度2154，pH值范围pH=38，最佳 pH=5。 氧化破胶剂 适用于pH
10、=314。普通氧化破胶剂适用温度 5493，延迟活化氧化破胶剂适用温度 83116。常用氧化破胶剂是过硫酸盐 有机弱酸 很少用作水基压裂液的破胶剂 适用温度大于93。 油基压裂液中典型的破胶剂是碳酸铵盐、氧 化钙和/或氨水溶液。 2 油基压裂液 适应性: 水敏性地层、有些气层 发展: 矿场原油 稠化油 冻胶油 基液: 原油、汽油、柴油、煤油、凝析油 稠化剂: 脂肪酸皂(脂肪酸铝皂、磷酸脂铝盐等) 特点 3 乳化压裂液 常用： 两份油 + 一份稠化水(聚合物) 油相80%， 不稳定或粘度太高 类型：水外相型 油外相型 特点 4 泡沫压裂液 组成 液相 + 气相 + 添加剂泡沫液 液相: 清水、盐
11、水、冻胶水、原油或成品油、酸液 气相 氮气、二氧化碳、空气、天然气等 适用范围 K1mD， 粘土含量高的砂岩气藏 低压、低渗浅油气层压裂 泡沫质量 泡沫质量泡沫中气体体积/泡沫总体积 特点 在压裂时的井底压力和温度下，泡沫质量 一 般为 随着泡沫质量的增加，泡沫压裂液的粘度增 加、摩阻增大、滤失减少、压裂液效率增 滤失少（气体本身就是降滤剂） 排液较彻底，对地层伤害小 悬砂能力强，砂比可高达 5 酸基压裂液 适用范围 碳酸盐储层 种类 常规酸 稠化酸 冻胶酸 乳化酸 二 、压裂液添加剂 降滤剂 防膨剂 杀菌剂 表面活性剂 值调节剂 稳定剂 三、压裂液的流变性 各类压裂液的流变曲线 幂律液的视粘
12、度 摩阻计算 1 压裂液的流变曲线 牛顿型液体 非牛顿型液体 假塑性液体 宾汉型液体 屈服假塑性液体 胀流型液体 触变性液体 流凝性液体 粘弹性液体 (1) 牛顿型液体 流变模型或称本构方程 (2) 非牛顿型液体 定义 凡是流动时剪切应力与剪切速率之间 的关系不是线性关系的液体，统称为 非牛顿型液体。 主要特征 粘度随剪切速率的变化而改变，剪切 应力与剪切速率之间有多个参数。 假塑性（幂律）液体 假塑性液体的特征： 在很小的剪切应力作用下就能流动，并且随 着剪切速率的增加，剪切应力的增大速度 有所降低。 本构方程 宾汉型液体 在一定的剪切应力作用下才能流动，并且流动 以后，随着剪切速率的增大，
13、剪切应力增加的程 度逐渐降低，最后接近牛顿液体，剪切应力与剪 切速率成线性关系。 本构方程 典型压裂液: 泡沫压裂液 粘弹性液体 流体特征： 当除掉剪切力时，这种流体会恢复或部分恢 复原来受到剪切作用期间所具有的形变。这种具 有部分弹性恢复效应，也具有非牛顿性和与时间 有关的全部粘性性质的流体称为粘弹性流体。 目前使用的水基冻胶压裂液大部分都表现出 具有部分或全部粘弹特征 2 幂律液的视粘度 管流 地面管线 井筒 缝流 裂缝中流动 孔眼 3 流变性测定 旋转粘度计、小直径管道、盘管式粘度 计、摆动式流变仪。 RV系列或FANN系列旋转粘度计应用最 广泛 4 摩阻计算 圆管中压降-摩阻 裂缝中压
14、降-摩阻 孔眼中压降-摩阻 四、压裂液滤失的三个过程 滤饼区的流动 滤饼控制过程 侵入区的流动 压裂液粘度控制过程 地层流体的压缩 地层流体粘度及压缩控 制过程 压裂液滤失系数 造壁性影响的滤失系数 压裂液粘度影响的滤失系数 地层流体的粘度和压缩性影响的滤失系数 1 压裂液粘度影响的滤失系数Cv 假设 压裂液为牛顿型液体且作线性层流流动； 压裂液活塞式侵入，即侵入段地层流体被顶替； 压裂液和地层岩石均不可压缩； 压差v为常数。 理论基础 达西定律计算实际滤失速度 最终得到: m2 MPa mPa.S 2 地层流体压缩性影响的滤失系数Cc 假设 地层流体可压缩，其压缩系数为 （等于常数）； 为常数； 渗滤前缘的位置不随时间变化。 地层中的渗流方程为： 边界条件： 初始条件： 最终解得： MPa mPaS m2 MPa-1 3 造壁性影响的滤失系数Cw 假设 滤饼的
