水力压裂原理周六.pptx

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1、水力压裂原理（Hydraulic Fracturing principle）(1)(1)在钻井、固井和完井过程中。一些外在钻井、固井和完井过程中。一些外来液体和固体颗粒进入井壁附近地层中，来液体和固体颗粒进入井壁附近地层中，形成难以渗透的表皮形成难以渗透的表皮(Skin)(Skin)；(2)(2)油气层渗透性很差，油气难以流出。油气层渗透性很差，油气难以流出。第1页/共90页水力压裂作用(2)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(1)勘探阶段增加工业可采储量第2页/共90页第3页/共90页第4页/共90页 用用高高压压泵泵组组将将高高粘粘液液体体以以大大大大超超过过地

2、地层层吸吸收收能能力力的的排排液液量量注注入入井井中中，在在井井底底憋憋起起高高压压，使使地地层层产产生生裂裂缝缝。然然后后继继续续将将带带有有支支撑撑剂剂的的压压裂裂液液注注入入缝缝中中，停停泵泵后后即即可可在在地地层层中中形形成成足足够够长长度度、一一定定宽宽度度和和高高度度的的填填砂砂裂裂缝缝。它它具具有有很很高高的的渗渗透透能能力力，大大大大改改善善了了油油气气层层的的渗渗透透能能力力，使使油油气气畅畅通通流流入入井井中中，可可起起到到增产的作用。增产的作用。第5页/共90页压裂作业第6页/共90页垂 直 裂 缝 示 意 图第7页/共90页压裂施工曲线压裂施工曲线第一节 造缝机理a致密

3、岩石b微缝高渗岩石压力时间地层压力ba破裂压力延伸压力图 典型的施工压力曲线第8页/共90页应力状态：主应力:x，y，z ;应变:x，y，z(1)重力应力1、地应力分析孔隙弹性常数第9页/共90页由广义虎克定律计算总应变由于泊松效应，垂向负荷产生的侧向压力第10页/共90页(2)构造应力 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到 z的3倍。(3)热应力第11页/共90页2 2、人工裂缝方位、人工裂缝方位 裂缝方向总是垂直于最小主应力裂缝方向总是垂直于最小主应力显裂缝地层很难出现人工裂缝。显裂缝地层很难出现人工裂缝。微裂缝地层微

4、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。第12页/共90页l根据最小主应力（x，y，z）原理 当z最小时，形成水平裂缝;当Y或x最小时，形成垂直裂缝。zxyyxz第13页/共90页y3 3、井筒处应力分布井筒处应力分布rxrrwxy应力集中，应力集中，PF PE第14页/共90页（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第15页/共90页当 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第1

5、6页/共90页（2）向井筒注液产生的应力分布当 re，Pe=0于是 r=rw时，-Pi弹性力学拉梅公式(拉应力为负)第17页/共90页(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+渗滤引起的周向应力第18页/共90页4 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第19页/共90页有液体渗滤无液体渗滤第20页/共90页(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第21页/共90页有液体渗滤无液体渗滤1.940.94第22页/共90页5 5、破裂压力梯度、破裂压力梯度定义：定义：

6、理论计算和理论计算和矿场统计矿场统计当F 0.0220.025 MPa/m,形成水平裂缝第23页/共90页第二节、压裂液l 压压裂裂液液是是一一个个总总称称。在在压压裂裂过过程程中中，注注入入井井内内的的压压裂裂液液在在不不同同施施工工阶阶段段有有各各自自的任务，可以分为：的任务，可以分为：l 前置液前置液l 携砂液携砂液l 顶替液顶替液第24页/共90页对压裂液的性能要求：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。第25页/共90页1 1、压裂液类型、压裂液类

7、型水基压裂液油基压裂液乳化压裂液泡沫压裂液酸基压裂液液化汽压裂液第26页/共90页(1)(1)水基压裂液水基压裂液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 交联液水基压裂液添加剂:稠化剂、稠化剂、交联剂、交联剂、破胶剂。破胶剂。第27页/共90页(1)稠化剂 植物胶及衍生物 胍胶 田箐 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）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）第28页/共90页(2)交联剂两性金属（非金属）

8、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、乙二醛等第29页/共90页(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。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 碳酸铵盐、氧化钙和/或氨水溶液第30页/共90页(2)(2)油基压裂液油基压裂液适应性:水敏性地层、有些气层发展:矿场原油

9、 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:污染小、遇地层水自动破乳；易燃、成本高、热稳定性较差。第31页/共90页(3)(3)乳化压裂液乳化压裂液常用：两份油+一份稠化水(聚合物)油相(内相)80%，不稳定或粘度太高类型：水外相型 油外相型特点:破乳快、污染小；热稳定性差、成本高第32页/共90页(4)(4)泡沫压裂液泡沫压裂液适用范围适用范围 K1mDK1mD，粘土含量高的砂岩气藏粘土含量高的砂岩气藏低压、低渗浅油气层压裂低压、低渗浅油气层压裂组成：液相组成：液相 +气相气相 +添加剂添加剂泡沫液泡沫液液相液相:稠化水、盐水、水冻胶

10、、原油、成品油或酸液稠化水、盐水、水冻胶、原油、成品油或酸液气相：氮气、二氧化碳、空气、天然气等气相：氮气、二氧化碳、空气、天然气等第33页/共90页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、压裂液效率增高滤失少（气体本身就是降滤剂）排液较彻底，对地层伤害小热稳定性差、粘度不够高，限制砂比。第34页/共90页(5)(5)酸基压裂液酸基压裂液常规酸常规酸稠化酸稠化酸冻胶酸冻胶酸乳化酸乳化酸第35页/共90页2 2、压裂液添加剂、压裂液添加剂降滤剂防膨剂杀菌剂表面活性剂P值调节剂稳定剂第3

11、6页/共90页(2)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。(1)牛顿型液体流变模型或称本构方程三、压裂液的流变性第37页/共90页假塑性（幂律）液体假塑性液体的特征是：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。本构方程第38页/共90页宾汉型液体 在一定的剪切应力作用下才能流动，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 第39页/共90页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

12、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。第40页/共90页3、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第41页/共90页压裂液滤失系数压裂液滤失系数地层流体的粘度和压缩性影响的滤失系数造壁性影响的滤失系数当P试验P真实时压裂液粘度影响的滤失系数第42页/共90页 综合滤失系数综合滤失系数PwPvPcPs通常，用P代替PW，PV，PC调和平均法第43页/共90页压力平衡法非造壁性压裂液 P=PV+PC造壁性压裂液 P=Pw+PV+PC第44页/

13、共90页4、压裂液对储层的伤害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第45页/共90页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第46页/共90页压裂液液体污染(1)粘土水化与微粒运移(2)压裂液在孔隙中的滞留(3)润湿性第47页/共90页压裂液固相堵塞来源基液或成胶物质的不溶物降滤剂或支撑剂中的微粒压裂液对地层岩石浸泡而脱落下来的微粒化学反应沉淀物等固相颗粒

14、。作用形成滤饼后阻止滤液侵入地层更远处，提高了压裂液效率，减少了对地层的伤害；它又要堵塞地层及裂缝内孔隙和喉道，增强了乳化液的界面膜厚度而难破胶。第48页/共90页 压裂液浓缩压裂液的不断滤失和裂缝闭合，导致交联聚合物在支撑裂缝内的浓度提高（即浓缩）。支撑剂铺置浓度对压裂液浓缩因子有较大影响，随着铺砂浓度降低，压裂液浓缩因子提高，此时不可能用常规破胶剂用量实现高浓缩压裂液的彻底破胶，形成大量残胶而严重影响支撑裂缝导流能力。第49页/共90页支撑剂特性要求强度高、硬度适中粒径均匀圆球度好化学惰性、温度稳定性好质量高，杂质含量少密度低货源广、价格低第三节 支撑剂第50页/共90页一、支撑剂类型硬脆

15、性支撑剂 其特点是硬度大，变形很小；石英砂（砂子）陶粒 铝球 玻璃珠韧性支撑剂 其特点是变形大，在高压下不易破碎 核桃壳 树脂包层支撑剂第51页/共90页1 石英砂（砂子）主要成分：SiO2 和少量杂质主要特点：1)园球度较好的石英砂破碎后，仍可保持一定的导流能力。2)密度相对低，便于泵送。3)强度较低，适用于低闭合压力储层。4)砂子在筛选或清洗不好，含粉砂杂质时，导流能力都会明显降低。5)石英砂货源广、价格便宜。主要产地：甘肃兰州砂、江西永修砂、福建福州砂、湖南岳阳砂、湖北蒲圻砂、山东荣城砂、河北承德砂、吉林农安砂、陕西定边砂及新疆和丰砂等。第52页/共90页2 陶 粒类型：中强度支撑剂(I

16、SP)（铝矾土或铝质陶土）高强度陶粒支撑剂（铝矾土或氧化铝）特点：a.强度很高；b.高温碱性液中陶粒溶解率低（3.5%）；而石英达50%；c.长期导流能力高；d.密度较高(27003600kg/m3)，泵送困难；e.加工工艺困难，价格昂贵。第53页/共90页3 塑料包层支撑剂 特殊工艺将酸性苯酚甲醛树脂包裹在石英砂表面，并经热固处理而成，比重约为2.55。种类：预固化树脂包层砂 固化树脂包层砂 第54页/共90页二、支撑剂物理性质评价(1)支撑剂粒度组成及分布(2)园球度和表面光滑度。(3)浊度(4)密度：真密度(或颗粒密度)视密度(或体积密度)(5)酸溶解度(6)抗压强度第55页/共90页我

17、国支撑剂物理性质评价结果表我国支撑剂物理性质评价结果表第56页/共90页三、裂缝导流能力评价定义：裂缝导流能力是指裂缝传导流体的能力。填砂裂缝的导流能力定义为支撑后的裂缝渗透率f与支撑后的裂缝宽度w之积。即填砂裂缝导流能力。f fw w类型:短期导流能力随压力变化,主要用于评价和选择支撑剂。长期导流能力随时间变化，用于压裂效果评价。第57页/共90页1 1 支撑剂性质对支撑剂性质对FRCDFRCD的影响的影响(1)支撑剂类型和形状低应力情况下，有棱角的支撑剂相互搭接、相互支撑，有更高的孔隙度及渗透率，因此，导流能力更高。但在高应力情况下，园球度好的支撑剂受到的表面应力更均匀，能承受更高的载荷不

18、破碎，因此有更高的导流能力。第59页/共90页(2)支撑剂粒度组成图6-13反映了粒度分布对导流能力的影响，图中曲线A,B均为0.50.9成都陶粒，其中0.63mm以上颗粒重量分别约为75%和50%。支撑剂粒径对裂缝导流能力有很大的影响;给定粒度范围内，大颗粒所占比例越多，导流能力越高。颗粒越均匀，导流能力越高。第60页/共90页(3)铺砂浓度方式单层局部排列单层全排列多层排列实验结果定义：单位面积上的支撑剂重量。第61页/共90页(4)支撑剂质量长石含量对导流能力的影响微粒对兰州砂导流能力的影响第62页/共90页 2 2 地层条件对地层条件对FRCDFRCD的影响的影响（1）闭合压力第63页

19、/共90页（2）地层岩石硬度地层岩石的软硬对导流能力的影地层岩石的软硬对导流能力的影响与支撑剂颗粒的强度和硬度有关。响与支撑剂颗粒的强度和硬度有关。当支撑剂强度低时，影响导流能当支撑剂强度低时，影响导流能力的主要是破碎问题力的主要是破碎问题;当支撑剂强度高时，当支撑剂强度高时，支撑剂颗粒支撑剂颗粒嵌入裂缝壁面是影响导流能力的主要嵌入裂缝壁面是影响导流能力的主要因素。因素。(3)环境条件：流体介质和地层温度 第64页/共90页3 3 压裂液性能对压裂液性能对FRCDFRCD的影响的影响 残渣降低支撑带渗透率。胍胶压裂液，残渣含量取决于成 胶剂浓度、破胶剂类型及浓度。4 流动条件对FRCD的影响非

20、达西流动多相流效应5 承压时间对FRCD的影响第65页/共90页四、支撑剂的选择内容 支撑剂强度 支撑剂颗粒大小 支撑剂密度 支撑剂浓度（排列方式）考虑因素 地质条件（如闭合压力、岩石硬度、温度、物性）工程条件（压裂液性质、泵注设备）经济效益第66页/共90页 支撑剂类型选择在闭合压力较高时，应考虑使用高强度支撑剂，如陶粒等。在闭合压力较低时，只要砂子不破碎，低强度支撑剂仍能起到支撑裂缝的作用。它在浅井浅层应用的特别广泛。当闭合压力达到0MPa时,原则上不再使用石英砂,应使用陶粒等更高强度的支撑剂,陶粒在闭合压力为70MPa时也很少破碎。第67页/共90页 支撑剂粒径选择(1)闭合压力(2)允

21、许支撑剂填充的裂缝宽度(3)输送支撑剂的要求 支撑剂铺置浓度第68页/共90页第四节第四节 水力压裂设计模型水力压裂设计模型裂缝延伸二维模型 卡特模型 Carter，1957年 CGD 模型 Christianovich、Geertsma、Deklerk、Danesshy PKN 模型 Perkins和Kern 提出,Norgren完善裂缝延伸三维模型第69页/共90页一、卡特模型一、卡特模型HfLfWf几何模型第70页/共90页二、二、PKN PKN 模型模型 几何模型 Perkins&Kern NorgrenL(t)W(0,t)HW(x,t)第71页/共90页三、三、CGD CGD 模型模

22、型 几何模型Christianovich、Geertsma、Deklerk DaneshyW(x,t)L(t)H第72页/共90页 支撑剂颗粒都是不规则的颗粒，而不是规则的球体。颗粒的形状是不规则的，比同体积的球体表面积大；颗粒的表面是粗糙的；颗粒的形状是不对称的；不规则颗粒的沉降速度小于球形颗粒的沉降速度。第五节 支撑剂输送一、支撑剂的沉降特性单颗粒自由沉降速度干扰沉降壁面影响颗粒形状对沉降速度的影响第74页/共90页支撑剂在裂缝高度上的分布 概念：平衡状态：悬浮状态 平衡流速：相应的液流速度 平衡高度：相应的砂堤高度颗粒浓度分布(垂向)区域I：砂堤区域II：砂堤上的滚流区区域III：悬浮区

23、区域IV：无砂区 浓度缝高图6-20 砂浓度沿缝高分布二、沉降型布砂设计第75页/共90页(1)增加地面排量提高流速，、区变薄，区变厚。若流速足够大I区可能完全消失，甚至使裂缝中支撑剂沿垂向均匀分布。(2)提高压裂液粘度，、区变薄，、区变厚。若粘度足够高，I区可能完全消失，使缝内垂向上砂浓度均匀分布。显然，随着条件的改变，平衡状态参数及支撑剂在垂向上的浓度分布也要发生变化。第76页/共90页悬浮压裂适合于低渗透储层，因为这里并不需要很高的裂缝导流能力就能获得较好的增产效果。优点：支撑面积大缺点：导流能力不及沉降式砂子分布具体分析，择优采用。三、全悬浮布砂设计计算缝内砂比沿缝长变化基础上，找出满

24、足设计要求的导流能力的加砂步骤。避免在缝中出现砂比过高的砂卡现象。第77页/共90页增产有效期：某井从压裂施工后增产见效开始至压裂前后产量递减到相同的日产水平所经历的时间。增产倍比：指相同生产条件下压裂后与压裂前的日产水平之比。第六节 水力压裂评价第78页/共90页 McGuire&Sikora McGuire&Sikora图版图版纵坐标为增产倍比横坐标为：第79页/共90页a.对低渗透储层（k110-3m2）,很容易得到较高的裂缝导流能力比值（大于0.4），欲提高压裂效果，应以增加裂缝长度为主。b.高渗透地层，不容易获得较高的裂缝导流能力比值，提高裂缝导流能力是提高压裂效果的主要途径，不能片

25、面追求压裂规模而增加缝长。c.对一定缝长，存在一个最佳裂缝导流能力，超过该值而增加导流能力的效果甚微。d.无伤害油井最大增产比为13.6倍。第80页/共90页第七节第七节 水力压裂设计水力压裂设计 是在满足地质、工程和设备条件下作出经济有效的最优方案。(1)正设计；(2)反设计 优化压裂设计任务:（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。第81页

26、/共90页油气井低产原因：油气井低产原因：（1）由于钻井、完井、修井等作业过程对地层伤害，使近井地带造成严重的堵塞；（2）油气层渗透率很低,常规完井方法难以经济开采（3）“土豆状”透镜体地层，单井控油面积有限,难以获得高产；（4）油气藏压力已经枯竭。第82页/共90页 压裂施工设计计算步骤正设计: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。第83页/共90页逆设计a.根据增产要求确定裂缝长度和导流能力；b.预选施工排量、前置液量和携砂液量；c

27、.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。第84页/共90页第八节第八节 水力压裂工艺技术水力压裂工艺技术多层压裂技术暂堵剂分层压裂工艺孔眼堵塞球法压裂工艺限流法分层压裂技术填砂法压裂技术氮气压裂技术控缝高压裂技术端部脱砂压裂技术第85页/共90页 一、分层及选择性压裂分层及选择性压裂1封隔器分层压裂(1)单封隔器分层压裂 (2)双封隔器分层压裂(3)桥塞封隔器分层压裂 (4)滑套封隔器分层压裂 (a)单封隔器分层压裂 (b)双封隔器分层压裂 (c)桥塞封隔器分层压裂节流封隔器节流喷砂器第86页/共90页 2限流法分层压裂 第87页/共90页3 蜡球选择性压裂第88页/共90页堵塞球选择压裂影响堵球效果的主要因素:(1)堵球在孔眼口上座封(2)保持堵塞不脱落(3)压裂投产后，堵球从孔眼脱落。第89页/共90页感谢您的观看！第90页/共90页