压裂工艺技术基本理论

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1、压裂工艺技术基本理论压裂工艺技术基本理论谢玲玲谢玲玲水力压裂 （Hydraulic Fracturing) 水力压裂力学 水力压裂材料性能与评价 水力压裂裂缝延伸模拟 支撑剂在裂缝中运移分布 水力压裂效果分析 水力压裂工艺技术 水力压裂诊断评估技术水力压裂概念压裂：若液体被泵入井中的速度快于液体在地层中的扩散速度，将不可避免地使地层压力升高并在某些点发生破裂。所谓压裂就是利用水力作用，使油层形成裂 缝的一种方法，又称油层水力压裂。油层压裂 工艺过程是用压裂车，把高压大排量具有一定 粘度的液体挤入油层，当把油层压出许多裂缝 后，加入支撑剂(如石英砂等)充填进裂缝，提高 油层的渗透能力，以增加注水

2、量(注水井)或产量( 油气井)。常用的压裂液有水基压裂液、油基压 裂液、乳状压裂液、泡沫压裂液及酸基压裂液多 种基本类型。压裂井场地面布置流程1.作业机；2.油井；3.排污池4.平衡车5.消防车6.压裂车7.拉砂车8.混砂车9.大罐10.仪表车水力压裂作用开发阶段 油气井增产 水井增注 调整层间矛盾 改善吸水剖面 提高采收率勘探阶段 增加工业可采储量，扩大勘探成果；其它方面：井网结构调整三种原因： 1、穿透近井地带的伤害，使井恢复其自然产能； 2、在地层中延伸有高导流的通道，使产量超过自然水平； 3、改变在地层中的液体流动。图6-1 压裂施工曲线PF破裂压力 PE 延伸压力PS 地层压力 P井

3、底= PF时压力时间排量不变，提高砂比，压力升高 反映了正常的裂缝延伸裂缝闭合压力（静）裂缝延伸压力（静）净裂缝延伸压力管内摩阻地层压力（静）破裂前置液携砂液裂缝闭合加砂停泵baa致密岩石b微缝高渗岩石FECS第一节 水力压裂造缝机理应力状态： 主应力: x ， y， z ;应变: x， y， z(1) 重力应力一、地应力分析1 地应力场(2) 构造应力 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。 在断层和裂缝发育区是应力释放区。 正断层，水平应力x可能只有垂向应力z的1/3， 逆断层或褶皱带的水平应力可大

4、到 z的3倍。 (3) 热应力2 人工裂缝方位 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；基本上沿微裂缝的方向发展，把微裂缝串成显裂缝。裂缝方向总是垂直于最小主应力y二、 水力压裂造缝机理 1 井壁最终应力分布rxrRwxy（1）井筒处应力分布（2）向井筒注液产生的应力分布（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)(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 根据最小主应力原理当z最小时，形成水平裂缝; 当Y或xz，形成垂直裂缝。zxyyxz2 水力压裂造缝条件 形成垂直缝（有液体渗滤、无液体渗滤）岩石破

5、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(2) 形成水平缝（有液体渗滤、无液体渗滤）岩石破坏条件最大有效周向应力大于垂直方向抗拉强度3 破裂压力梯度定义理论计算矿场统计当F 0.0220.025 MPa/m, 形成水平裂缝（1） 矿场测量 水力压裂法 井眼椭圆法三、 地应力的测量及计算（2）实验室分析滞弹性应变恢复 （ASR）微差应变分析 （DSCA）（3） 有限元计算第二节 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以有清孔液、前垫液、预前置液）对压裂液

6、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） 添加剂 成胶液 水添加剂交联剂 交联液 水基压裂液种类：植物胶、聚合物、纤维素衍生物 生物聚多糖(1) 稠化剂 植物胶及衍生物 胍胶田菁、 香豆胶、 槐树豆胶、 魔芋胶、 龙胶稠化剂等 纤维素衍生物 羧甲基纤维素钠盐（CMC

7、） 羟乙基纤维素（HEC） 羧甲基羟乙基纤维素（CMHEC）。 生物聚多糖 工业合成聚合物 聚丙烯酰胺（PAM） 部分水解聚丙酰胺（PHPAM） 甲叉基聚丙烯酰胺（MPAM）(2) 交联剂 两性金属（非金属）含氧酸盐硼酸盐、铝酸盐、铬酸盐、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=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（过硫酸

8、氨）、过氧化物（H202) 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：配伍性好、对储层伤害小、易返排，但施工成本高、难度大，对设备要求高。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（水包油）油外相型（油包水）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

9、 气相： 氮气、二氧化碳、空气、天然气等适用范围K0.510-3m2. m。3) 含油饱和度：含油饱和度一般应大于35%。4) 孔隙度：一般孔隙度为615%才值得压裂；若储层厚度大，最低孔隙度为67%。5) 高污染井：压裂作业只能改善受污染的表皮效应。二、确定入井材料1优选压裂液体系(1) 筛选基本添加剂（增稠剂、交联剂、破胶剂），配制适合本井的冻胶交 联体系。 (2) 筛选与目的层配伍性好的粘土稳定剂、润湿剂、破乳剂、防蜡剂等添加 剂系列。 (3) 筛选适合现场施工的耐温剂、防腐剂、消泡剂、降阻剂、降滤剂、助排 剂、pH值调节剂、发泡剂和转向剂等。 (4) 对选择的压裂液，在室内模拟井下温度

10、、剪切速率、剪切历程、阶段携 砂液浓度来测定其流变性及摩阻系数，并按石油行业标准进行全面评定。 2选择支撑剂依据目的层闭合压力选择支撑剂类型，并按石油行业标准对其性能进行全面 评定，通过选择支撑剂粒径，铺砂浓度和加砂方式满足闭合压力下无因次 导流能力要求。三、水力压裂设计计算任务： （1）在给定的储层与井网条件下，根据不同缝长和导流能力 预测压后生产动态； （2）根据储层条件选择压裂液、支撑剂和加砂浓度，并确定 合理用量； （3）根据井下管柱与井口装置的压力极限选择合理的泵注排 量与泵注方式、地面泵压和压裂车数； （4）确定压裂泵注程序； （5）进行压裂经济评价，使压裂作业最优化。 1、水力压

11、裂设计基本参数(1) 注入方式选择 (2) 施工排量 必须大于地层的吸液能力Q吸 考虑所需压裂液量 考虑摩阻压力 考虑设备能力这个约束条件 支撑剂输送2、水力压裂设计内容(3) 液量与砂量 (4) 井口施工压力(5) 施工功率(6) 压裂车数按单车功率计算按单车排量计算3 压裂施工设计计算步骤（正设计） 正设计:根据压裂施工规模预测增产倍数a.确定前置液量、混砂液量以及砂量；b.选择适当的施工排量、计算施工时间；c.计算动态裂缝几何尺寸；d.支撑剂在裂缝中的运移分布，确定支撑裂缝几何尺寸；e.预测增产倍比。4 压裂施工设计计算步骤（逆设计）a.根据增产要求确定裂缝长度和导流能力； b. 预选施

12、工排量、前置液量和携砂液量；c. 计算动态裂缝几何尺寸；d. 支撑剂在裂缝中的运移与分布，确定支撑裂缝几何尺寸；e. 计算支撑裂缝长度和导流能力以及增产倍比；f. 如果满足增产要求则结束，否则重选液量、砂量，返回（c）重新计算。 5） 确定用液量 按PKN模型计算裂缝宽度 w=0.0038m 平均缝宽 wAVG = 0.785w = 0.003m 铺砂浓度为5kg/m2时要求的裂缝宽度为 0.0028m 比较计算平均缝宽和要求缝宽，二者相近； 否则重新计算。 压裂液滤失系数 由于造壁性滤失系数较小， 近似取为 c=8.6210-4 长庆油田压裂、酸化设计软件：长庆油田压裂、酸化设计软件：西方公

13、司西方公司2424套压裂设计软件（二维套压裂设计软件（二维 ）西南石油学院压裂设计软件；西南石油学院压裂设计软件；MFRC-11 拟三维压裂设计软件；FracproPTFracproPT三维压裂设计软件；三维压裂设计软件；FracCADEFracCADE三维压裂设计软件；三维压裂设计软件；西峰油田压裂优化设计软件等。西峰油田压裂优化设计软件等。常用的压裂设计软件第八节 压裂工艺技术长庆试油压裂工艺特色技术 1、低渗砂岩油层压裂工艺技术2、低渗砂岩气层压裂工艺技术3、碳酸盐岩储层酸化工艺技术4、试油压裂地质综合研究技术5、浅油层试油压裂工艺技术6、水平井分段试油压裂工艺技术7、堵老缝压新缝老井复

14、压工艺技术8、 CO2泡沫压裂工艺技术9、双级高能气体压裂工艺技术10、产能试井资料综合处理技术11、低渗油气层压力恢复资料综合解释技术12、连续油管作业技术除特殊情况外，压裂施工程序大都相同，一般分为以下七道工序：除特殊情况外，压裂施工程序大都相同，一般分为以下七道工序：n n 循环：目的是鉴定各种设备性能，检查管线是否畅通，就是将压裂液由液循环：目的是鉴定各种设备性能，检查管线是否畅通，就是将压裂液由液 罐车打到压裂车再返回液罐车。循环路线是液罐车罐车打到压裂车再返回液罐车。循环路线是液罐车混砂车混砂车压裂泵压裂泵高压管汇高压管汇 液罐车。目的是检查压裂泵上水情况以及管线连接情况。液罐车。

15、目的是检查压裂泵上水情况以及管线连接情况。n n 试压：关死井口总闸，对地面高压管线、井口、连接丝扣、由壬等憋压检试压：关死井口总闸，对地面高压管线、井口、连接丝扣、由壬等憋压检 验。验。n n 试挤：试压合格后，打开总闸门，用试挤：试压合格后，打开总闸门，用1 12 2台压裂车将试剂液挤入油层，直台压裂车将试剂液挤入油层，直 到压力稳定为止。目的是检查井下管柱及井下工具是否正常，掌握油层的吸水能力到压力稳定为止。目的是检查井下管柱及井下工具是否正常，掌握油层的吸水能力 。n n 压裂：在试挤压力与排量稳定后，同时启动全部车辆向井内高速注入压裂压裂：在试挤压力与排量稳定后，同时启动全部车辆向井内高速注入压裂 液，使井底压力迅速升高，当井底压力超过地层破裂压力时，地层就会形成裂缝。液，使井底压力迅速升高，当井底压力超过地层破裂压力时，地层就会形成裂缝。n n 加支撑剂：当地层已被压开裂缝，待压力、排量稳定后即可加支撑剂。加支撑剂：当地层已被压开裂缝，待压力、排量稳定后即可加支撑剂。n n 顶替：预计加砂量全部