精品课程石油工程13

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1、第十三章,油水井增产增注措施,第一节 水力压裂,第二节 酸 化,第十三章 油水井增产增注措施,定义：当地面高压泵组将液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中时，在井底附近蹩起超过井壁附近地层的最小地应力及岩石抗张强度的压力后，即在地层中形成裂缝。随带有支撑剂的液体注入缝中，裂缝逐渐向前延伸，这样，在地层中形成了具有一定长度、宽度及高度的填砂裂缝。,第一节 水力压裂,增产原理：径向流,作用,在压裂中，了解裂缝的形成条件，裂缝形态及方向对有效地发挥压裂在增产，增注中的作用是极为重要的。但由于地下条件的复杂性，虽然进行了大量的研究，但仍未得到较好的解决。,地层中造缝的影响因素,井底附近的地应力及其分

2、布,岩石力学性质及压裂液渗滤性质,注入方式,一、 造缝机理, 一般情况下，地层中的岩石处于压应力状态。作用在地下某单元体上的力有垂向主应力 及水平主应力 (其中又分为互相垂直 的和 )。 (1) 应力 垂向应力：作用在单元体上的垂向应力来自上覆岩层的重量，其数值约为,1. 地应力及其分布,有效垂向应力,岩石的有效水平应力为：,推导：单元体在x轴方向上的应变为,侧向应变为0，令,则得,如果岩石单元体是各向同性材料，岩石破裂时的裂缝方向总是垂直于最小主应力轴。,(2) 地质构造对应力的影响,(3) 井壁上的应力,1) 井筒对地应力及其分布的影响,圆孔周向的应力分布 ：,A）当r=a且x=y=H时，

3、=2x=2y=2H,B) 当r=a, x y 时，,c) 当r=, =2H , 破裂压力大于延伸压力,简化：根据拉梅公式, 当厚壁筒外边界半径re，厚壁筒外边界压力Pe=0时，井壁上r=a处的周向应力:,2) 井眼内压所引起的井壁应力,由于注入井中的高压液体在地层破裂前，渗入井筒周围地层中，形成了一个附加应力区，它的作用是增大了井壁周围岩石中的应力。增加的周向应力值为：,岩石骨架压缩系数,岩石体积压缩系数,其中：,3) 压裂液径向渗入地层所引起的井壁应力,总周向应力：,总垂向应力：,4) 井壁上的总应力, 为使地层破裂，必须使井底压力高于井壁上的总应力及岩石的抗张强度。,条件：如果地层的破裂属

4、于纯张力破坏，那么随井内注入压力 的不断增加， 当 达到或超过井壁附近地层的最小周向应力及岩石水平方向的抗张强度 时，在垂直于水平周向应力的方向上产生垂直裂缝，即：,2. 造缝条件,(1) 形成垂直裂缝,其中：,即：,1）当有滤失时：,2）无滤失时：,条件：当注入压力达到或超过井壁附近地层的最小垂向应力及岩石的垂向抗张强度时，在垂直于垂向应力的方向上产生水平裂缝，其条件为：,(2) 形成水平裂缝,1）存在滤失时：,2）无滤失时：, 压裂液是为造缝与携砂使用的液体，是水力压裂的关键组成部分。 压裂液是一个总称，根据其在压裂过程中的任务不同可分为前置液、携砂液和顶替液。,二、 压裂液,1）前置液：

5、作用是破裂地层并造成一定几何尺寸的裂缝以备后面的携砂液进入，它还起到一定的降温作用。有时为了提高前置液的工作效率，在一部分前置液中加细砂以堵塞地层中的微隙，减少液体的滤失。 2）携砂液：作用是将支撑剂带入裂缝中并将砂子放到预定位置上去。在压裂液的总量中，这部分占的比重较大。有造缝及冷却地层的作用。 3）顶替液：作用是打完携砂液后，用于将井筒中全部携砂液替入裂缝中。中间顶替液用来将携砂液送到预定位置，并有预防砂卡的作用。,压裂液分类及作用,前置液及携砂液必须具备的性能要求： 1) 滤失少 压裂液的滤失性主要取决于它的粘度与造壁性，粘度高则滤失少。在压裂液中添加防滤失剂，能改善造壁性并大大减少滤失

6、量。 2) 悬砂能力强 压裂液的悬砂能力主要取决于粘度，压裂液只要有足够高的粘度，砂子即可完全悬浮，这对砂子在缝中分布是非常有利的。 3) 摩阻低 压裂液的摩阻愈小则在设备功率一定的条件下，利用造缝的有效功率愈大。摩阻过高不仅降低了有效功率的利用，且由于井口压力过高，排量降低。,性能要求,4) 稳定性 压裂液应具有热稳定性，不能由于温度的升高而使粘度有较大的降低；液体还应有抗机械剪切的稳定性，不因流速的增加而发生大幅度的降解。 5) 配伍性 压裂液进入地层后与各种岩石矿物及流体相接触，不应产生不利于油气渗滤的物理化学反应。 6) 低残渣 要尽量降低压裂液中水不溶物的数量，以免降低岩石及填砂裂缝

7、的渗透率。 7) 易反排 施工结束后大部分注入液体反排出井外，排液愈完全，效果愈好。 8) 货源广 便于配制，价钱便宜。,性能要求, 随着水力压裂技术的发展，压裂液由最初的原油和清水逐步发展为目前经常使用的水基、油基、酸基压裂液及多相压裂液等。 (1) 水基压裂液 水基压裂液主要是用水溶胀性聚合物作为成胶剂，制成能悬浮支撑剂的稠化溶液，具有粘度高、摩阻低及悬砂能力强的优点。 缺点：但热稳定性和机械剪切稳定性较差。为了克服这一缺点，又发展了交链压裂液和延迟交链压裂液。,1. 压裂液的类型,a.矿场原油或炼厂粘性成品油 b.稠化油 ，稠化油 =油（原油、汽油、柴油、煤油、凝析油 ）+稠化剂（脂肪酸

8、铝皂、磷酸酯铝盐,压裂液的类型,(3) 酸基压裂液 用植物胶或纤维素稠化酸液得到稠化酸或用非离子型聚丙烯酰胺在浓盐酸溶液中，以甲醛交链而得到酸冻胶。 酸基压裂液适宜于碳酸盐类油气层的酸压。,(2) 油基压裂液,1）泡沫压裂液 外相： 水、水基溶胶或水基冻胶 内相：气体 优点：对地层伤害小、携砂能力和造缝能力强、易于 反排、摩阻低等特点。 缺点：所需注入压力高。 2) 乳化压裂液 乳状液是用表面活性剂稳定的两相非混相液的一种分散体系 。 优点：携砂能力强、粘度高、热稳定性好、对地层损 害小、排液快 。 缺点：摩阻大、成本高,(4) 多相压裂液,压裂液滤失是指在裂缝与储层的压差作用下压裂液向储层中

9、的滤失。,压裂液的粘度 地层岩石及流体的压缩性 压裂液的造壁性。,2. 压裂液的滤失性,主要受三种因素的控制,当压裂液的粘度大大超过地层油的粘度时（即： ）时，压裂液的滤失速度主要取决于压裂液的粘度，压裂液在多孔介质中的实际渗流速度va为：,(1) 受压裂液粘度控制的滤失系数,代入达西公式：,令,则得：,受压裂液粘度控制的滤失系数,当压裂液的粘度接近于地层流体的粘度时，即（ ）时，压裂液的滤失主要取决于地层流体的压缩性。这是因为流体受到压缩，让出一部分空间，压裂液才得以滤失进来。 q 以为因压力降低p 所引起的液体的膨胀dV(忽略岩石的体积膨胀 ),则单元地层体积内液体的体积V为:,(2) 受

10、地层流体压缩性控制的滤失系数,对无限地层，边界压力为常数的解为：,上式对x求导得缝壁面上的压力梯度值：,滤失系数, 有的压裂液具有很好的造壁性，其中添加有防滤失剂(硅粉或沥青粉等)，能在壁面上形成滤饼，有效地降低滤失速度，其滤失系数由实验方法确定 。 （4）综合滤失系数 C 根据水电相似原理 有,(3) 具有造壁性压裂液的滤失系数C3, 支撑剂：储层形成裂缝后,由携砂液输送、携带充填至裂缝中的具有一定强度与圆球度的固体颗粒。 作用：泵注停止且缝内液体排出后保持裂缝处于张开状态，地层流体可通过支撑剂由裂缝流向井底。,三、 支撑剂及支撑剂输送,1. 支撑剂 (1) 支撑剂类型,支撑剂按其力学性质分

11、为两大类： 1）脆性支撑剂(如石英砂、玻璃珠等)，特点是硬度 大，变形小； 2）韧性支撑剂(如核桃壳、铝球等)，特点是变形大， 承压面积随之加大，高压下不易破碎。,1) 粒径均匀。支撑剂粒径均匀可提高支撑剂的承压能力及渗透性。目前使用的支撑剂直径多半是0.420.84 mm(4020目)，有时也用少量直径为0.842 mm(2010目)的。 2) 强度高。支撑剂组成不同，其强度也不同，强度越高，承压能力越大。 3) 杂质含量少。压裂砂中的杂质是指混在砂中的碳酸盐、长石、铁的氧化物及粘土等矿物质。常用酸溶解度来衡量存在于压裂砂中的碳酸盐、长石和氧化铁含量；用浊度来衡量存在于压裂砂中的粘土、淤泥或

12、无机物质微粒的含量。 ,(2) 对支撑剂的要求,4) 砂子圆球度要好。砂子的球度是指砂粒与球形相近的程度，圆度表示颗粒棱角的相对锐度。支撑剂颗粒圆且大小大致相同时，颗粒上应力分布比较均匀，可承受的载荷比较大。 5) 密度小。若密度大，在压裂液中悬浮及在裂缝中充填较困难。 6) 来源广、价廉。,(2) 对支撑剂的要求,填砂裂缝的导流能力：是裂缝闭合后，支撑剂充填带对储层流体的通过能力。值为：,(1) 导流能力确定 1）在室内模拟地层条件下测得 ； 2）不稳定试井方法求得 ； 3）数值模拟方法加以估计 。,2. 填砂裂缝导流能力,1) 根据油层性质和埋藏深度经室内试验确定能满足压裂增产效果的石英砂

13、粒径及浓度。 一般在低闭合压力下浅层可选用大颗粒支撑剂；在高闭合压力下，选用粒径较小的支撑剂；裂缝面积上高浓度的支撑剂比低浓度的支撑剂有较高的导流能力。 2) 根据实际需求量选货源广又符合要求的砂产地，做到既经济，又来源充足。 3) 选择合适的加砂方式，不同加砂方式要选择不同的支撑剂。,(2) 支撑剂的选择,支撑剂在压裂液中的沉降规律直接影响到填砂裂缝的几何尺寸、支撑剂在缝中的分布规律及填砂裂缝的导流能力。 (1) 单颗粒支撑剂在静止压裂液中的自由沉降 斯托克斯利用浮力与阻力相等的原理，得出了无限、静止牛顿液体中颗粒以稳定匀速沉降的基本关系。 作用在颗粒上的重力：,3. 支撑剂输送,1)当 时

14、，,颗粒稳定匀速沉降时的阻力：,由F1=F2,2)当,3)当,时，,时，,对于非牛顿幂律压裂液以 代 则：,(2) 支撑剂在裂缝中的沉降 此时压裂液受到两种剪切效应，即砂子沉降剪切和液体水平流动的剪切。因此，压裂液受到的总剪切速率为 ：,由于砂子在缝中并不是孤立的单一颗粒，而是在一定的浓度下，此时，一颗砂子的沉降，受到其它砂子的影响，这种条件下的沉降称为干扰沉降。常用的干扰沉降速度的计算式为：,其中：,式中 干扰沉降速度， ms； 携砂液中液体所占的体积百分数。 地面砂浓度，指单位体积携砂液中支撑剂的质量，kgm3 。,液体中多颗粒沉降时，由于粒间相互干扰作用，使多粒中的单颗粒沉降速度低于多颗

15、粒的沉降速度。,1）单颗粒支撑剂的沉降引起周围液体的向上流动，阻尼了周围颗粒的下沉，砂比愈高阻尼作用愈大； 2）混有砂子的液体混合物的密度、粘度都有所增加，其结果是增大了颗粒的浮力及沉降的阻力，这都使沉降速度变缓。 3）当支撑剂在裂缝中沉降时，壁面使颗粒沉降速度变缓。,相互干扰包括,(3) 影响颗粒沉降的因素,建立压裂裂缝延伸模型是个相当复杂的课题，对压裂裂缝延伸的研究经历了一个逐步发展和完善的过程，由最初的线性模型发展为二维、拟三维及全三维模型。,四、 裂缝扩展模型, 最初研究裂缝扩展的模型是假设裂缝被限制在储层内，即压裂过程中，裂缝始终具有与储层厚度相同的高度，只在长度和宽度两个方向延伸。

16、 具有代表性的二维模型有卡特面积公式、PKN和KGD模型。,裂缝扩展模型示意图, 卡特(Carter)利用霍华德(Howard)和法斯特(Fast)假设的裂缝形态，考虑液体滤失而导出了裂缝面积公式。基本假设为： 1）裂缝等宽； 2）压裂液从缝壁垂直而又线性地渗入地层； 3）地层中某点的滤失速度取决于该点暴露于液体中的时间； 4）地层中各点的速度函数都是相同的； 5）裂缝中各点压力相同，等于井壁储层处的注入压力。,1. 卡特面积公式,以排量 Q 注入到裂缝中的压裂液，一部分滤失于地层，一部分使裂缝体积增加。,1) 滤失于地层的液量 因为滤失量是从两个缝面滤失出去的，所以： 面积是时间的函数，上式可写为：,式中:压裂液到达裂缝中某点所需的时间， s； 压裂液到达缝中某点的时刻