第06章水力壓裂

1、第六章 水力壓裂技術(shù)利用100%的液體二氧化碳和石英砂進行壓裂，無水無任何添加劑，壓后壓裂液幾乎完全排出地層，可避免地層傷害。其關(guān)鍵技術(shù)是混合砂子進入液體二氧化碳中的二氧化碳混合器。適用于對驅(qū)替液、凍膠或表面活性劑的傷害敏感的地層，適合的儲層包括滲水層、低壓層及有微粒運移的儲層以及水敏性儲層。壓裂的定義： 用壓力將地層壓開一條或幾條水平的或垂直的裂縫，并用支撐劑將裂縫支撐起來，減小油、氣、水的流動阻力，溝通油、氣、水的流動通道，從而達到增產(chǎn)增注的效果。壓裂的種類：(根據(jù)造縫介質(zhì)不同)水力壓裂水力壓裂高能氣體壓裂高能氣體壓裂干法壓裂干法壓裂利用特定的發(fā)射藥或推進劑在油氣井的目的層段高速燃燒，產(chǎn)生

2、高溫高壓氣體，壓裂地層形成多條自井眼呈放射狀的徑向裂縫，清除油氣層污染及堵塞物，有效地降低表皮系數(shù)，從而達到油氣井增產(chǎn)的目的的一種工藝技術(shù)。 利用地面高壓泵組，將高粘液體以大大超過地層吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高壓；當此壓力大于井壁附近的地應(yīng)力和地層巖石抗張強度時，在井底附近地層產(chǎn)生裂縫；繼續(xù)注入帶有支撐劑的攜砂液，裂縫向前延伸并填以支撐劑，關(guān)井后裂縫閉合在支撐劑上，從而在井底附近地層內(nèi)形成具有一定幾何尺寸和導(dǎo)流能力的填砂裂縫，使井達到增產(chǎn)增注目的工藝措施。水力壓裂：水力壓裂的工藝過程：憋壓造逢裂縫延伸充填支撐劑裂縫閉合(2) 降低了井底附近地層中流體的滲流阻力：裂縫內(nèi)流體流動阻力小。

3、水力壓裂增產(chǎn)增注的原理:(1) 改變流體的滲流狀態(tài)：使原來徑向流動改變?yōu)橛蛯优c裂縫近似的單向流動和裂縫與井筒間的單向流動，消除了徑向節(jié)流損失，降低了能量消耗。第一節(jié) 造縫機理裂縫形成條件裂縫的形態(tài)裂縫的方位井網(wǎng)部署提高采油速度提高原油采收率有利的裂縫狀態(tài)及參數(shù)能夠充分發(fā)揮其在增產(chǎn)、有利的裂縫狀態(tài)及參數(shù)能夠充分發(fā)揮其在增產(chǎn)、增注的作用。增注的作用。 造縫條件及裂縫的形態(tài)、方位等與井底附近地層的地應(yīng)力及其分布、巖石的力學(xué)性質(zhì)、壓裂液的滲濾性質(zhì)及注入方式有密切關(guān)系。圖6-1 壓裂過程井底壓力變化曲線a致密巖石 b微縫高滲巖石破裂壓力延伸壓力地層壓力一、油井應(yīng)力狀況(一)地應(yīng)力xyzdzgHSZ0sZ

4、ZP垂向應(yīng)力：上覆層的巖石重量。有效垂向應(yīng)力：如果巖石處于彈性狀態(tài)，可根據(jù)廣義虎克定律建立巖石的有效水平應(yīng)力與有效垂向應(yīng)力的關(guān)系：xxE11yxE2zxE3在三向應(yīng)力作用下，x軸方向上的應(yīng)變分別為：SSZHSSZHPEPEPEPE11212111212121min21max01321zyxxxxxE令： 得：yxzyx1由于存在側(cè)向應(yīng)力的約束，則：側(cè)壓系數(shù)考慮到構(gòu)造應(yīng)力等因素的影響，可以得到最大、最小水平主應(yīng)力為：1.井筒對地應(yīng)力及其分布的影響(二)井壁上的應(yīng)力圖6-2 無限大平板中鉆一圓孔的應(yīng)力分布地層三維應(yīng)力問題轉(zhuǎn)化為二維方法處理2cos312124422rarayxyx圓孔周向應(yīng)力：(1

5、) 當 ， 時， ， 說明圓孔壁上各點的周向應(yīng)力相等，且與角度無關(guān)。ar HyxHyx222(2) 當 ， 時， 說明最小周向應(yīng)力發(fā)生在 方向上，而最大周向應(yīng)力卻在 的方向上。ar yxxy3180,0min。yx3270,90max。xy(3) 隨著 的增加，周向應(yīng)力迅速降低。r2.井眼內(nèi)壓所引起的井壁應(yīng)力 壓裂過程中，向井筒內(nèi)注入高壓液體，使井內(nèi)壓力很快升高。井筒內(nèi)壓必然導(dǎo)致井壁上產(chǎn)生周向應(yīng)力。根據(jù)彈性力學(xué)中的拉梅公式(拉應(yīng)力取負號)：222222222aeaeieaeaieerrrrrPPrrrPrP 當re=、Pe=0及r=ra時，井壁上的周向應(yīng)力為：iP 即由于井筒內(nèi)壓而導(dǎo)致的周向應(yīng)

6、力與內(nèi)壓大小相等，方向相反。121siPPbrCC11213siixyPPP3.壓裂液徑向滲入地層所引的井壁應(yīng)力 由于注入井中的高壓液體在地層破裂前，滲入井筒周圍地層中，形成了另外一個應(yīng)力區(qū)，它的作用是增大了井壁周圍巖石中的應(yīng)力。增加的周向應(yīng)力值為：4.井壁上的最小總周向應(yīng)力 在地層破裂前，井壁上的最小總周向應(yīng)力應(yīng)為地應(yīng)力、井筒內(nèi)壓及液體滲濾所引起的周向應(yīng)力之和：ht二、造縫條件（一）形成垂直裂縫的條件 當井壁上存在的周向應(yīng)力超過井壁巖石的水平方向的抗拉強度時，巖石將在垂直于水平應(yīng)力的方向上產(chǎn)生脆性破裂，即在與周向應(yīng)力相垂直的方向上產(chǎn)生垂直裂縫。造縫條件為： 當產(chǎn)生裂縫時，井筒內(nèi)注入流體的壓力

7、即為地層的破裂壓力：12123htxySFPP(二)形成水平裂縫的條件 當井壁上存在的垂向應(yīng)力超過井壁巖石的垂向的抗張強度時，巖石將在垂直于垂向應(yīng)力的方向上產(chǎn)生脆性破裂，即在與垂向應(yīng)力相垂直的方向上產(chǎn)生水平裂縫。造縫條件為：vtZ 當產(chǎn)生水平裂縫時，井筒內(nèi)注入流體的壓力等于地層的破裂壓力：1211PPvtzsF12194. 1vtzsFPP實驗修正：(三)破裂壓力梯度(破裂梯度)破裂梯度：地層破裂壓力與地層深度的比值。各油田根據(jù)大量壓裂施工資料統(tǒng)計出來的破裂梯度值為： (1518)(2225)深地層垂直裂縫 淺地層水平裂縫根據(jù)破裂梯度的大小估計裂縫的形態(tài)：小于1518時形成垂直裂縫大于23時形

8、成水平裂縫第二節(jié) 壓裂液壓裂液任務(wù)：壓裂液任務(wù)：破裂地層、造縫、降溫作用。一般用未交聯(lián)的溶膠。攜帶支撐劑、充填裂縫、造縫及冷卻地層作用。必須使用交聯(lián)的壓裂液(如凍膠等)。末尾頂替液：替液入縫，提高攜砂液效率和防止井筒沉砂。中間頂替液：攜砂液、防砂卡；壓裂液的性能要求：壓裂液的性能要求：濾失少：懸砂能力強：摩阻低：穩(wěn)定性好：配伍性好：低殘渣：易返排：貨源廣、便于配制、價錢便宜。造長縫、寬縫取決于它的粘度與造壁性取決于粘度摩阻愈小，用于造縫的有效功率愈大熱穩(wěn)定性和抗機械剪切穩(wěn)定性不應(yīng)引起粘土膨脹或產(chǎn)生沉淀而堵塞油層以免降低油氣層和填砂裂縫的滲透率減少壓裂液的損害 一、壓裂液類型水基壓裂液：油基壓裂

9、液：泡沫壓裂液：用水溶脹性聚合物(稱為成膠劑)經(jīng)交鏈劑交鏈后形成的凍膠。施工結(jié)束后，為了使凍膠破膠還需要加入破膠劑。不適用于水敏性地層。多用稠化油，遇地層水后自動破膠。缺點是懸砂能力差、性能達不到要求、價格昂貴、施工困難和易燃等?；憾嘤玫?、鹽水、聚合物水溶液；氣相為二氧化碳、氮氣、天然氣；發(fā)泡劑用非離子型活性劑。特點是易于返排、濾失少以及摩阻低等。缺點是砂比不能過高、井深不能過大。2/13104 . 5fPKCtCv二、壓裂液濾失性壓裂液濾失到地層受三種機理控制：壓裂液的粘度、壓裂液的粘度、油藏巖石和流體的壓縮性、油藏巖石和流體的壓縮性、 壓裂液的造壁性壓裂液的造壁性(一)受壓裂液粘度控制

10、的濾失系數(shù)C 當壓裂液粘度大大超過油藏流體的粘度時，壓裂液的濾失速度主要取決于壓裂液的粘度，由達西方程可以導(dǎo)出濾失系數(shù)為：濾失速度為：(二)受儲層巖石和流體壓縮性控制的濾失系數(shù)C 當壓裂液粘度接近于油藏流體粘度時，控制壓裂液濾失的是儲層巖石和流體的壓縮性。根據(jù)體積平衡方程可得到表達式：2/13103 . 4ffKCPCCf油藏綜合壓縮系數(shù)圖6-3 濾失后地層中壓力分布示意圖使壓裂液濾失于儲層內(nèi)的壓差壓縮并使油藏流體流動的壓差裂縫壁面濾餅的壓力差（三）具有造壁性壓裂液濾失系數(shù)C濾失系數(shù)C是由實驗方法測定圖6-4 靜濾失儀示意圖加壓口篩座（含濾紙或巖心片）出液口 mtgVsp濾失量ml 時間，mi

11、n01234圖6-5 靜濾失曲線tAmv005. 0濾失速度AmC005. 0 造壁液體的濾失系數(shù)tC 即2/1 PPCCf實驗壓差與實際施工過程中裂縫內(nèi)外壓力差不一致，則應(yīng)進行修正：圖6-6 動濾失儀示意圖圖6-7 動靜濾失曲線比較圖CCCC11112222242CCCCCCCCCCC(四)綜合濾失系數(shù)壓裂液的濾失同時受三種機理控制，綜合濾失系數(shù)如下：C由濾失帶壓力差控制的，C是由壓縮帶壓力差控制的，C由濾餅內(nèi)外壓力差控制的。根據(jù)分壓降公式可以得到綜合濾失系數(shù)的另一表達式：DDDKn11naDK三、 壓裂液流變性 (一)各類壓裂液的流變曲線1.牛頓壓裂液(A曲線)圖6-8 壓裂液流變曲線剪切

12、速度剪切應(yīng)力2.假塑型壓裂液(B曲線)假塑型流體也稱為冪律流體，隨剪切速率的增加，其斜率變小。nDK1n 視粘度3.其它流動類型的壓裂液賓漢型流體(C曲線)Dy屈服假塑型流體(D曲線)nyDK脹流型流體(E曲線)nDK1n (二)冪律液體流動過程中的視粘度計算 從地面到地下裂縫中基本上可分為四種流動過程，即地面管線、井筒、射孔孔眼和裂縫中的流動。這四種流動基本上分為兩大類，即管流及縫流。1.1.管流管流冪律液體在圓管內(nèi)流動的本構(gòu)方程：nnn41n3dv8K視粘度:18413nnwdvnnK2.2.縫流縫流冪律液體在裂縫中流動的本構(gòu)方程：nnwWv6n31n2K視粘度:1nnfwv6n31n2K

13、(三)摩阻計算油管內(nèi)摩阻、射孔孔眼摩阻、裂縫內(nèi)摩阻壓力降根據(jù)多相流理論計算比較復(fù)雜經(jīng)驗公式計算簡化為無限大平板之間的層流處理第三節(jié) 支撐劑填砂裂縫的導(dǎo)流能力：填砂裂縫的導(dǎo)流能力： 在油層條件下，填砂裂縫滲透率與裂縫寬度的乘積，常用FRCD表示，導(dǎo)流能力也稱為導(dǎo)流率。一、支撐劑的性能要求(1)粒徑均勻，密度小(2)強度大，破碎率小(3)園度和球度高(4)雜質(zhì)含量少(5)來源廣，價廉二、 支撐劑的類型按其力學(xué)性質(zhì)分為兩大類：脆性支撐劑如石英砂、玻璃球等特點是硬度大，變形小，在高閉合壓力下易破碎韌性支撐劑 如核桃殼、鋁球等特點是變形大，承壓面積大，在高閉合壓力下不易破碎目前礦場上常用的支撐劑有兩種：

14、一是天然砂；二是人造支撐劑（陶粒）。(一)天然砂主要礦物成分是粗晶石英適用于淺層或中深層的壓裂，成功率很高。(二)人造支撐劑(陶粒)礦物成份是氧化鋁、硅酸鹽和鐵鈦氧化物形狀不規(guī)則，強度很高，適用于深井高閉合壓力的油氣層壓裂。陶粒的密度很高，特別在深井條件下由于高溫和剪切作用，對壓裂液性能的要求很高。(三)樹脂包層支撐劑中等強度，密度小，便于攜砂與鋪砂。三、支撐劑在裂縫內(nèi)的分布支撐劑在裂縫內(nèi)的分布規(guī)律隨裂縫類型(水平、垂直縫)和攜砂液性能而異。(一)全懸浮型支撐劑分布高粘壓裂液高粘壓裂液：壓裂液粘度足以把支撐劑完全懸浮起來，在整個施工過程中沒有支撐劑的沉降，停泵后支撐劑充滿整個裂縫內(nèi)，因而攜砂液

15、到達的位置就是支撐裂縫的位置。裂縫內(nèi)的砂濃度裂縫內(nèi)的砂濃度(裂縫內(nèi)砂比)：是指單位體積裂縫內(nèi)所含支撐劑的質(zhì)量。裂縫閉合后的砂濃度裂縫閉合后的砂濃度(鋪砂濃度)：指單位面積裂縫上所鋪的支撐劑質(zhì)量。地面砂比地面砂比：單位體積混砂液中所含的支撐劑質(zhì)量。或支撐劑體積與壓裂液體積之比。 假設(shè)地面每注入體積為VF(m3)的含砂液體為一個處理單元，時間t是注入此單元所需的時間。單元含砂液中濾失的體積百分數(shù)：）的剩余體積（地面單元體積液在縫中濾失體積濾失SVt2W1SVtC時間濾失面積濾失速度濾失體積濾失體積百分數(shù)：ttCW2SVttC2W1SV濾失經(jīng)濾失后的縫內(nèi)砂濃度：n0n0si1Ci1VFCVFCss0

16、i1CC 在忽略裂縫內(nèi)流動阻力的情況下，可以認為裂縫內(nèi)的FRCD從縫端到井底是線性增加的，因而要求砂濃度呈線性增加。支撐面積很大，能最大限度地將壓開的面積全部支撐起來。全懸浮型支撐劑分布特點：適合于低滲透率地層，不需要很高的填砂裂縫導(dǎo)流能力就能有很好的增產(chǎn)效果。(二)沉降型支撐劑分布由于剪切和溫度等降解作用,攜砂性能并不能達到全懸浮 部分支撐劑隨攜砂液一起向縫端運動，部分可能沉降下來支撐劑沉降速度、砂堤堆起高度等都與裂縫參數(shù)有關(guān)1.支撐劑在縫高度上的分布 固體顆粒主要受到水平方向液體攜帶力、垂直向下重力以及向上浮力的作用 顆粒相對于攜帶液有沉降運動平衡狀態(tài):當液體的流速逐漸達到使顆粒處于懸浮狀

17、態(tài)的能力時，顆粒處于停止沉降的狀態(tài)。平衡流速：平衡時的流速，也即攜帶顆粒最小的流速。注入濃度圖6-10 顆粒在縫高上的濃度分布沉降下來的的砂堤，在平衡狀態(tài)下砂堤的高度為平衡高度砂堤面上的顆粒滾流區(qū)懸浮區(qū)，顆粒分布不均勻，存在濃度梯度無砂區(qū)增加地面排量 、與區(qū)均將變薄，區(qū)則變厚流速足夠大 區(qū)可能完全消失再增加排量 濃度梯度剖面消失，成為均質(zhì)的懸浮流EQEQWhQVEQEQEQWVQHhHH00scEQWEQWU50. 04054. 0PhPPEQWPdRdUUU2.平衡流速平衡流速砂堤的平衡高度EQ0EQHHh利用顆粒自由沉降速度與阻力速度的比值，先得到阻力速度，再求出平衡流速。阻力速度牛頓液體

18、非牛頓液體71. 0PhaPPEQWPdR4dU041. 0UUhEQWEQRUVsc446. 32hEQWEQRUVsc446. 3226501100000CCsc阻力速度與平衡流速的關(guān)系:層流紊流混砂液密度砂比S表示加砂濃度，砂比是砂堆體積與壓裂液體積之比。1S112650S1000scVVKdtdHEQ 3.砂堤的堆起速度當縫中流速達到平衡流速時，砂堤停止增高，處于平衡狀態(tài)砂堤的堆起速度與砂堤上面過流高度的變化方向相反dtWhQKhhhdhEQEQKtUZUln1EQEQhHhhU0EQEQHhZ EQEQHWhQKK4.平衡時間假設(shè)砂堤達到平衡高度的95，認為已達到平衡高度KZtEQ3

19、95.0四、支撐劑的選擇支撐劑的選擇主要是指選擇其類型和粒徑選擇的目的是為了達到一定的裂縫導(dǎo)流能力對低滲地層，水力壓裂應(yīng)以增加裂縫長度為主對中高滲地層，水力壓裂應(yīng)以增加裂縫導(dǎo)流能力為主影響支撐劑選擇的因素：1）支撐劑的強度2）粒徑及其分布3）支撐劑類型4）其它因素 如支撐劑的質(zhì)量、密度以及顆粒園球度等第四節(jié) 壓裂設(shè)計壓裂設(shè)計的任務(wù)：優(yōu)選出經(jīng)濟可行的增產(chǎn)方案壓裂設(shè)計的原則： 最大限度發(fā)揮油層潛能和裂縫的作用使壓裂后油氣井和注入井達到最佳狀態(tài)壓裂井的有效期和穩(wěn)產(chǎn)期長壓裂設(shè)計的方法： 根據(jù)油層特性和設(shè)備能力，以獲取最大產(chǎn)量或經(jīng)濟效益為目標，在優(yōu)選裂縫幾何參數(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計合適的加砂方案。壓裂設(shè)計方案的

20、內(nèi)容： 裂縫幾何參數(shù)優(yōu)選及設(shè)計；壓裂液類型、配方選擇及注液程序；支撐劑選擇及加砂方案設(shè)計；壓裂效果預(yù)測和經(jīng)濟分析等。區(qū)塊整體壓裂設(shè)計還應(yīng)包括采收率和開采動態(tài)分析等。一、影響壓裂井增產(chǎn)幅度的因素油層特性油層特性裂縫幾何參數(shù)裂縫幾何參數(shù)指壓裂層的滲透率、孔隙度、流體物性、油層能量、含油豐度和泄油面積等指填砂裂縫的長、寬、高和導(dǎo)流能力麥克奎爾與西克拉用電模型研究了垂直裂縫條件下增產(chǎn)倍數(shù)與裂縫幾何尺寸和導(dǎo)流能力的關(guān)系。假設(shè)：擬穩(wěn)定流動；定產(chǎn)或定壓生產(chǎn)；正方形泄油面積；外邊界封閉；可壓縮流體；裂縫穿過整個產(chǎn)層。圖6-12 麥克奎西克拉垂直裂縫增產(chǎn)倍數(shù)曲線相對導(dǎo)流能力無因次增產(chǎn)倍數(shù)裂縫導(dǎo)流能力愈高，增產(chǎn)倍

21、數(shù)也愈高；造縫愈長，倍數(shù)也愈高左邊 要提高增產(chǎn)倍數(shù)，則應(yīng)以增加裂縫導(dǎo)流能力為主右邊 曲線趨于平緩，增產(chǎn)主要靠增加縫的長度低滲油藏 增加裂縫長度比增加裂縫導(dǎo)流能力對增產(chǎn)更有利高滲油藏 應(yīng)以增加導(dǎo)流能力為主對一定的裂縫長度，存在一個最佳的裂縫導(dǎo)流能力二、裂縫幾何參數(shù)計算模型二維(PKN、KGD)、擬三維(P3D)和真三維模型主要差別是裂縫的擴展和裂縫內(nèi)的流體流動方式不同： 二維模型假設(shè)裂縫高度是常數(shù)，即流體僅沿縫長方向流動。裂縫內(nèi)仍是一維流動(縫長)。 擬三維模型和真三維模型縫高沿縫長方向是變化的，在縫長、縫高方向均有流動(即存在壓力降)。（一）卡特模型基本假設(shè)：裂縫是等寬的；濾失量QL(t) t

22、Q tQL tQtQtQFL+= dddAtv2tQt0L裂縫體積變化QF(t) dtdAWtQF壓裂液從縫壁面垂直而又線性地滲入地層；縫壁上某點的濾失速度取決于此點暴露于液體中的時間；縫壁上各點的速度函數(shù)是相同的；裂縫內(nèi)各點壓力相等，等于井底延伸壓力。（二）PKN模型基本假設(shè)：巖石是彈性、脆性材料，當作用于巖石上的張應(yīng)力大于某個極限值后，巖石張開破裂； 縫高在整個縫長方向上不變，即在上、下層受阻；造縫段全部射孔，一開始就壓開整個地層；裂縫斷面為橢園形，最大縫寬在裂縫中部；縫內(nèi)流體流動為層流；縫端部壓力等于垂直于裂縫壁面的總應(yīng)力；不考慮壓裂液濾失于地層。裂縫面積 WtC2x1x2xerfceC4QWtA2x2考慮了液體的滲濾作用。根據(jù)導(dǎo)出的裂縫面積公式，如果已知縫寬，則可求出水平裂縫半徑和垂直裂縫長度。裂縫內(nèi)的壓力分布公式： 4/13243cf1HQLE601PxP縫寬公式： 4/12maxELQ16012xW對非牛頓液液體，最大縫寬為：2n21 n1fnn2n maxELHKQ6011n1n21n3128W 裂縫的平均寬度：maxW4WPKN縫寬公式與