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1、1,第一节 概 述 一、定义 当井眼压力(borehole pressure)足够高时，井壁(borehole wall)会劈开一条裂缝(crack)，这一过程称为水力压裂(hydraulic fracture )。,第九章 水力压裂,2,二、水力压裂裂缝扩展规律 裂缝(crack)总是沿着最有利的方向扩展(extended )和传播，一般的情况下裂缝沿垂直于最小主地应力(minor principal stress )的方向扩展。由于最小主地应力一般都是水平方向，因此裂缝一般是垂直缝，对于直井，裂缝如下图所示。,3,图9-1 直井水力压裂垂直裂缝,4,井眼中，水力压裂(hydraulic f
2、racture )会在垂直于最小地应力(minor in site stress )的方向产生两个对称的裂缝翼。如果两个水平地应力(horizontal in site stress )相等，裂缝( crack)方向就很难确定。,5,三、水力压裂(hydraulic fracture )的作用 1、钻井(drilling)过程中的水力压裂 在钻井过程中，意想不到的水力压裂会导致井漏(lost circulation )，这是一个经常出现又很难对付的问题。严重时会造成井眼失控而发生井下井喷(blowout )。,6,2、开发(oil production )过程中的水力压裂 在生产过程中，为了扩
3、大油藏与井眼的通道，要主动压裂地层，这是一项非常有效的增产措施，既水力压裂(hydraulic fracture )是开发生产过程中的重要增产措施。 在流体压力（fluid pressure ）作用下裂缝( crack)张开，如果井眼压力减小裂缝会重新闭合、而利用裂缝来增加油流通道，就应该使裂缝保持张开。通常用泵泵入砂粒或其他支撑剂使裂缝张开，形成高渗透性的油流通道，如图9-2所示。,7,图9-2 被支撑的裂缝,8,3、利用水力压裂进行地应力现场测量 分析水力压裂(hydraulic fracture )过程可获得许多地层的力学信息，尤其是地应力(in site stresses )的大小与方
4、向。,9,一、 漏失试验(leak-off test ) 在钻井过程中最容易出现破裂的层位是套管鞋附近。因此漏失试验(leak-off test )是在下套管固井后，钻十几米后做，以确定地层的最小破裂压力梯度(minor break-down pressure gradient )。 漏失试验(leak-off test )过程：关井，用水泥车通过钻杆泵入泥浆，记录压力和时间或泵入量。当压力偏离直线时，停泵。 典型的漏失实验曲线如下图(图93)所示。,第二节 钻井过程中的地层破裂压力,10,图9-3 漏失试验曲线,漏失压力,开裂压力,11,如果想从漏失实验中获取更多的地层信息，实验过程应如下图
5、（图9-4）所示：,12,13,（1）破裂压力(fracture pressure ) Pf ，压力最高点，反映液柱压力克服地层的强度使其破裂，形成裂缝，泥浆向裂缝( crack)中充填，其后压力下降。 （2）传播压力Ppro，压力趋于稳定，使裂缝向远处延伸。,14,（3）瞬时停泵压力Ps ，当裂缝延伸到离开井壁应力集中（ stress concentration ）区，即6倍井眼半径以远时（估计以破裂点起约经历1分钟左右），进行瞬时停泵。记录下停泵时瞬时停泵压力Ps（ instantaneous shut in pressure ）。由于此时裂缝( crack)仍张开，应与最小地应力值相平衡
6、，即Ps = 。此时随着停泵时间的延长，泥浆向裂缝两壁渗滤，液压下降。由于地应力的作用，裂缝将闭合。,15,（4）裂缝重张压力Pr，瞬时停泵后启动注入泵，从而使闭合的裂缝重新张开。由于张开闭合裂缝(crack)所需的压力Pr与破裂压力(fracture pressure ) Pf相比不需要克服岩石抗拉强度(tensile strength ) ，因此可以近似认为破裂层抗拉强度等于这两个压力的差。即： 当地层存在大量微裂隙时，地层破裂压力(fracture pressure )并不比传播压力有明显升高。,16,二、地层破裂压力预测 通过漏失试验(leak-off test )只能确定套管鞋下某一
7、段地层的最小破裂压力值。但对整个井身剖面来说，并不总是遵循井深从上到下，地层破裂压力(fracture pressure )由小变大的规律。井下深部发生井漏也是不罕见的。因此在钻井之前能够预测出地层破裂压力，是实际工程的需要。 到目前为止，国内外在研究地层破裂压力(fracture pressure )的预测方法上已经提出过许多模式。由于他们所考虑的因素和假设地条件不同，模式之间也存在较大的别差。 下面介绍几个有影响的方法。,17,1、 Eaton法（1969） Eaton法在美国海湾地区应用比较广泛。该方法的前提条件是： （1） 岩层处于均匀水平地应力状态(horizontal in sit
8、e stress state )； （2）地下岩体充满节理、层理和微裂隙； （3）钻井液在压力作用下沿裂隙侵入，张开裂缝( crack)只需克服垂直裂缝面的地应力。,18,在以上假设的前提条件下，Eaton得到破裂压力预测模式为：,Eaton法适用于地层沉积较新，受构造影响小的连续沉积盆地。而对于地层年代较老，构造运动影响大的区域，其预测效果欠佳。,19,2、Stephtn法（1982） Stephtn法的基本假设和 Eaton法一样，不同的是Stephon认为地层中存在水平均匀构造应力。其表达式如下：,20,Stephon法和Eaton法的区别在于Stephon法把构造应力所产生的影响从地层
9、泊松比中分离出来。这样就有可能在计算时采用岩层的实际泊松比，而不象Eaton那样是靠破裂压力(fracture pressure )反算出来的。 无论是Eaton法还是Stephon法都没有考虑井眼围岩的应力集中。,21,3、黄荣樽法（1984） 在上世纪80年代，石油大学黄荣樽教授提出了新的预测地层破裂压力(fracture pressure )的方法，其基本假设如下： （1）地层处于非均匀构造应力的作用之下； （2）井眼附近存在应力效应； （3）井壁破裂的原因是井壁应力超过岩层抗拉强度。,22,在上述假设条件下，考虑井眼的应力集中(borehole stress concentration
10、 )，得出直井的破裂压力(fracture pressure )表达式：,23,其中：,式中， 、 分别为 方向和 方向的构造应力关系数。,24,根据上两式，可以把黄荣樽法的表达式改写为：,其中,25,一、水力压裂的作用 水力压裂(hydraulic fracture )作为一项增产措施自50年代出现以来，得到了广泛的应用。概括起来水力压裂有如下四种基本用途。,第三节 采油过程的水力压裂,26,1、克服近井地带污阻 目前的钻井技术不可避免的造成近井地带的污染，它包括钻井液的液相污染和固相污染，这些污染常使油气从地层流入井内的能力大为减弱。 水力压裂(hydraulic fracture )可以
11、改造污染带，提高其渗透性，建立良好的油流通道。 水力压裂后的油气产量可增加几倍到几十倍。,27,2、压开深远裂缝，提高井的产能 利用深穿透裂缝(crack)可以从一般油层中采出更多的石油，使油井的控制面积增大。对于渗透性极低、能慢慢渗油的地层提供大的泄油面积，从而最大限度油井的控制面积增大。使原来被认为无开采价值的地区，现在也能进行有经济意义的开采。 同时，深穿透裂缝能够恢复并延长油井寿命。,28,3、协助二次采油 压裂对于二次采油的油田有两个重要作用：一是在一定压力下提高注水井的吸水量；二是为生产井提供高流通能力的流通通道，增大注气或注水效率。,29,4、排除油田盐水 油井大量产出盐水，严重
12、限制了原油的生产。通过水力压裂(hydraulic fracture )便可以在任何一个地方打出低压高注入量得井，供回注盐水使用。 为了实现上述功能，采油中的水力压裂不仅关心形成裂缝(crack)的初始条件，更关心裂缝的走向和几何形状。,30,二、裂缝方位和几何形状 前面讲过裂缝( crack)总是沿垂直于最小主应力方向起裂并扩展，这一结论无论对任何一种原有地应力条件都是成立的。 井的几何形状会限制裂缝几何形状(fracture geometry )，如下图所示。 在射孔井中由于重力降低效应，裂缝有向上倾斜的趋势，如图9-6c所示。,31,图9-6 裂缝几何形态,32,图9-7示意了一个砂岩层
13、在上下均有一个页岩盖层。 图9-7c给出了各层地水平地应力大小。砂岩层与液岩层水平应力差足以阻碍裂缝向页岩层扩展，结果形成椭圆形裂缝。这种裂缝进一步扩展，由于缝壁受到向外的力会使缝宽变大。这种约束并不是绝对的，它取决于岩石的强度和应力差的大小。穿越不同层位的裂缝几何形状(fracture geometry )将更加复杂。,33,图9-7 上下层对裂缝的限制,34,二、压裂过程中的压力变化 为了从压裂过程中获取地层的力学性质和原地应力状态(in site stress state )等信息，应该正确的观察记录压裂过程中压力的变化。最好在井下压裂附近测量压力，这将消除沿程水力压耗的影响。,35,考
14、虑致密，非渗透性地层，水力压裂(hydraulic fracture )曲线如图9-8所示。在形成裂缝之前产生峰值压力，称为breakdown pressure。裂缝形成后压力将保持恒定或略有增加，此时的压力是裂缝传播压力(fracture propagation pressure )。如果此时停泵并关井，压力下降到一定水平与地应力平衡，此时的压力称为瞬时停泵压力(instantaneous shut in pressure)ISIP，从原理上讲裂缝闭合时，裂缝内流体压力是可以测量的。 一般认为瞬时停泵压力(ISIP)等于裂缝闭和压力(crack closure pressure)。,36,图
15、9-8 致密地层的压裂曲线,37,对于渗透性地层，由于流体渗入地层使得压力曲线的形状发生了变化。如果我们忽略峰值压力，则曲线形状如图9-9所示。 曲线的前面两段为裂缝的扩展压力(fracture propagation pressure )，第一段近似恒定的压力表示裂缝( crack)的扩展没有受到约束，而第二段表示受到了上下层的限制（如图9-7）。,38,图9-9 渗透地层的压裂曲线,39,从这个例子可以看出曲线能够反映裂缝( crack)生长的形式。如果停泵并关井，压力将逐渐下降，直到接近油藏的孔隙压力。但是当裂缝闭合时，由于改变了流体的流型使压力下降速率发生了变化。,40,微破裂试验是一
16、种注入少量流体的压裂试验。 这类试验的主要的目的是获取地层的破裂压力(fracture pressure )和原地应力状态信息。 试验所用流体的体积取决于被压裂的地层的类型，一般小于1 。但是也有用到10 的情况。典型的流体是2%kcl水溶液。为了减少流体的渗滤可向其中加些粘胶。压力有压力传感器在井下测量。,第四节 微破裂试验 (mini-frac tests),41,裂缝闭和压力(crack closure pressure)是最重要的测量参数。对于低渗透性低层可用ISIP值代替裂缝闭合压力，但是准确的ISIP值也不宜确定，应通过多次重复试验搞准此值。 对于渗透性地层最好的办法是做一系列的泵入/倒流试验。在泵入/倒流试验(pump-in/flow-back test )中，先以压裂时的流速泵入一定量的流体，然后停泵让流体以一恒定速率倒流，直到测出闭合点为止。如果倒流速率在一合理的范围内，那么压力时
