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1、第六章 水力压裂 Ch 6 Hydraulic Fracturing 1 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 2 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 3 4 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 12 4 kair 1
2、 2md ke pF时 第一节 水力压裂造缝机理 9 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 2 水力裂缝方位 3 3 破裂压裂计算与预测 4 基本思路 注水井 采油井 10 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 11 原地应力 重力应力 构造应力 孔隙流体压力 热应力 地应力构成 原地应力 扰动应力 12 其
3、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 13 由广义虎克定律计算总应变 研究对象 地层中任意单元体 14 由于泊松效应 垂向应力产生的侧向压力 15 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 16 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 构造运动的边界影响使其在传播过程 中逐渐衰减 17 断层和裂
4、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 18 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 19 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 x z 形成垂直裂缝 y x x y z 20 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 21 y 二 水力压裂造缝机理 1 井壁最终应力分布 rx r Rw x
5、 y 22 1 井筒处应力分布 当r rw 0 及180 时 3 y x 当r rw 90 及270 时 3 x y 23 当 x y 2 y 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 24 图6 3 钻井引起的井壁诱导应力场 25 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 26 3 压裂液渗入地层引起的井壁应力 27 4 井壁上的总周向应力 应力迭加原理 地应力 井筒内压 渗滤引起的周向应力 28 2 水力压裂造缝
6、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 29 有液体渗滤 当破裂时 Pi PF 30 无液体渗滤 当破裂时 Pi PF 31 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 32 有液体渗滤 有效总垂向应力为 33 当破裂时 Pi PF 1 94 34 无液体渗滤 有效总垂向应力为 35 当破裂时 Pi PF 0 94 36 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 37 38 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 0 022 0 025 MPa m 形成水平裂缝 39 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 40 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 41 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以有 清孔
8、液 前垫液 预前置液 42 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 43 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 44 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 45 1 稠化剂 植物胶及衍生物 胍胶 Guar G HPG CMHPG 田菁 Sesbania T HPT HPCMT 纤维素衍生物
9、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 46 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 47 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 48 3 破胶剂 生物酶体系 适用温度21 54 pH值范围pH 3 8 最佳 pH 5 氧化破胶剂 适用于pH 3 14 普通氧化破胶剂适用温度 54 93
10、延迟活化氧化破胶剂适用温度 83 116 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 49 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 50 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 51 4 泡沫压裂液 组成 液相 气相 添加剂 泡沫液 液相 清水 盐水 冻胶水 原油或成品油 酸液 气相 氮气 二氧化碳 空气
11、 天然气等 适用范围 K 1mD 粘土含量高的砂岩气藏 低压 低渗浅油气层压裂 52 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 53 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 54 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 55 三 压裂液的流变性 各类压裂液的流变曲线 幂律液的视粘度 摩阻计算 56 1 压裂液的流变
12、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 57 1 牛顿型液体 流变模型或称本构方程 58 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 59 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 60 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 剪切应力增加的程 度
13、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 61 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 62 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 63 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 64 4 摩阻计算 圆管中压降 摩阻 裂缝中压降 摩
14、阻 孔眼中压降 摩阻 65 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 66 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 67 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 68 最终得到 m2 MPa mPa S 69 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
15、于常数 为常数 渗滤前缘的位置不随时间变化 70 地层中的渗流方程为 边界条件 初始条件 71 最终解得 MPa mPaS m2 MPa 1 72 3 造壁性影响的滤失系数Cw 假设 滤饼的沉积厚度 与通过缝壁的滤失量 成比例关系 即 为累积滤 失量与滤饼体积之比 滤饼对压裂液的渗透率 与其厚度的大小 无关 亦即 不随时间而变化 滤饼内压裂液的渗滤流动服从达西定律 73 数据处理 74 当 P试验 P真实时 75 4 综合滤失系数 PwPv PcPs 通常 用 P代替 PW PV PC 76 77 综合滤失系数计算 调和平均法 电容串联 压力平衡法 非造壁性压裂液 造壁性压裂液 78 调和平均
16、法 79 压力平衡法 非造壁性压裂液 P PV PC 将CV CC求出 PV PC 代入 80 81 造壁性压裂液 P Pw PV PC 82 通常 计算时可用C C3 83 例6 2 已知油层渗透率k 2 5 10 3 m2 孔隙度 0 2 地层流体粘度 r 2mPa s 综合压缩系 数cf 6 10 3MPa 1 压裂液粘度 f 30mPa s 压裂液造壁性滤失系数cw 1 8 10 3m 裂缝壁 面面内外压差 p 18MPa 试按调和法计算综 合滤失系数c 84 85 86 五 压裂液对储层的伤害及保护 按压裂液作用位置分 地层基质伤害 支撑裂缝伤害 按流体性质分 液体伤害 固体伤害 压裂液滤饼和浓缩胶 87 压裂液对储层的伤害 压裂液在地层中滞留产生液堵 地层粘土矿物水化膨胀和分散运移产生 的伤害 压裂液与原油乳化造成的地层伤害 润湿性发生反转造成的伤害 压裂液残渣对地层造成的损害 压裂液对地层的冷却效应造成地层伤害 压裂液滤饼和浓缩对地层的伤害 88 压裂液液体污染 1 粘土水化与微粒运移 2 压裂液在孔隙中的滞留 3 润湿性 89 压裂液固相堵塞 来源 基液或成胶物质的不溶
