油气层改造技术——压裂-

第二节：压裂液
3、配制方法 水+添加剂+稠化剂溶胶剂 水+添加剂+交联剂交联剂 溶胶剂+交联剂水基冻胶压裂液 田箐及其衍生物
(3 y x ) pi ( pi pP )
1 2 1
总垂向应力：
Z z ( pi p p )
1 2 1
第一节、造缝机理
二、造缝条件
1、形成垂直裂缝的条件 当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的水平方向的 抗拉强度时，岩石将在垂直于水平应力的方向上产生脆性 破裂，即在与周向应力相垂直的方向上产生垂直裂缝。造 缝条件为： h
第一节、造缝机理
（一）地应力 ①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，其大小可以根据密度测井资料计算：
z s gdz
0
H
由于油气层中均有一定的孔隙压力pS (即地层压力或流体 压力 ) ，部分上覆岩层的压力σz被多孔介质中的流体压 力支持。
第一节、造缝机理
所以，有效垂向应力为：
第一节、造缝机理
三、人工裂缝的方向 在天然裂缝不发育的地层，裂缝的形态（垂直缝或水
平缝）取决于其三向应力状态。根据最小主应力原理，
裂缝总是产生于强度最弱，阻力最小的方向，即岩石 破裂面垂直于最小主应力轴方向。
•当σz最小时，形成水平裂缝； •当σz最大时，形成垂直裂缝； •当σz> σx> σy时，裂缝面垂直于σx方向； •当σz > σy> σx时，裂缝面垂直于σy方向。
Z
v t
产生水平裂缝时，井筒内注入流 体的压力等于地层的破裂压力：
PF Ps
z tv
1
1 2 1
第一节、造缝机理
三、破裂压力梯度 为了方便比较与预测不同油田、油井、地层的破裂压力，引 入了破裂压力梯度概念，用β表示破裂压力梯度。 1、定义 表示地层破裂时压力与地层深度的比值，单位为：Mpa/m.
x 方向上，而最大周向
第一节、造缝机理
2、井眼内压所引起的井壁应力
压裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内压力升高。井筒内压必然
产生井壁上的周向应力。根据拉梅公式(拉应力取负号)，则井壁上的周向应 力为：
p r p r ( p p )r r r r r (r r )
2 2 2 e e i a e i a



x
y
2
a 3a (1 ) (1 ) cos 2 r 2 r
2 4 x y 2 4
(1)当r=a且σx=σy=σH时，σθ=2σx=2σy=2σH
,说明圆孔壁上各点
的周向应力相等，与θ值无关。
第一节、造缝机理
(2) 当 r a ， x y 时，
层井，容易形成垂直裂缝。
B：当β大于2.3×10-2Mpa/m时，多为浅层井，容易形
成水平裂缝。
C：如果β大于2.8×10-2Mpa/m，则可能是构造应力太
大，或岩石的抗张强度大造成的。
第一节、造缝机理
原因：浅地层的垂向应力相对比较小，近地表层构造运动
比较多，尤其是在褶皱和逆断层类型的地层中，水平应力大 于垂向应力的几率也大，所以浅地层容易出现水平裂缝。 注意：如果破裂梯度太高，则不正常，可能是由于地层严 重堵塞造成，可通过预先进行高效射孔、密集射孔、水力 喷砂射孔，或采取小规模酸化等措施。
第二节：压裂液
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。
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。
时需要提前泵注粘土稳定剂、除垢剂或清蜡剂；若这些
添加剂与基液及其它添加剂不配伍，或者量少而又必须 破裂液：高粘液体，起破裂地层的作用，在温度较 保证作业浓度时，则需要单独提前泵注；同时在高温、 高的地层里，它还可起一定的降温作用。有时为了提高 深井地层，这段液体还可起到降低地层温度的作用。 前置液的工作效率，在前置液中还加入一定量的细砂(粒 径100---140目，砂比10％左右)以堵塞地层中的微隙，
P H
第一节、造缝机理
2、破裂压力梯度值的范围
1）计算值，通过公式计算。
2）统计值，根据大量压裂施工统计出来的，破裂梯度 值范围为：
β =（1.5×10-2~1.8×10-2）~
（2.2×10-2~2.5×10-2）
第一节、造缝机理
β =（1.5×10-2~1.8×10-2）~ （2.2×10-2~2.5×10-2） 2）统计值 A：当β为小于1.5×10-2~1.8×10-2Mpa/m时，多为深
减少液体的滤失。
第二节：压裂液
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：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；最后顶替液是注完携砂液后，用于将井筒中全 部携砂液替入裂缝中，以提高携砂液效率和防止井筒沉沙。
顶替液
中间顶替液：
末尾顶替液：
第二节：压裂液
(1) 前置液：包括预处理液和破裂液，它 的作用一是预处理地层，二是破裂地层并造成 一定几何尺寸的裂缝，以备后面的携砂液进入。 前置液一般包括清孔液、前垫液、破裂液。
第二节：压裂液
清孔液：5％ HCl和 0.2 ％左右的表面活性剂水溶
液疏通压裂井段射孔孔眼 前垫液：对水敏、结垢或含蜡量高的地层进行压裂
水力压裂的工艺过程：
憋压 造逢
裂缝延伸
充填支撑剂
裂缝闭合
水力压裂增产机理
(1)形成的填砂裂缝的导流能力比原地层系数大得多，可
大几倍到几十倍，大大增加了地层到井筒的连通能力； (2)变径向流动为线性流动，即由原来渗流阻力大的径向
流渗流方式转变为单向流渗流方式，增大了渗流截面，减小 了渗流阻力；
井
井
min 0 ,180 3 y x max 90 ,270 3 x y
。
。
说明最小周向应力发生在
应力却在 y 的方向上。
(3)随着r的增加，周向应力迅速降低。孔壁上的应力比远 处的大得多，这就是地层破裂压力大于裂缝延伸压力的一 个重要原因。
2
e

2
2
2
2
2
e
a
e
a
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:
pi
井筒内压引起的井壁周向应力与内压力大小相等，符号相反。
第一节、造缝机理
3、压裂液径向渗入地层所引起的井壁应力


P

Pi
P

Pi
P
由于注入井中的高压液体在地层破裂前，渗入井筒周围的
地层中，形成了一个附加应力区，它的作用增大了井壁周
围岩石的应力。
第一节、造缝机理
3、压裂液径向渗入地层所引起的井壁应力 增加的周向应力值为：
( pi pP ) 1 2 1
C 1 C
r
b
其中：
C
r
岩石骨架压缩系数
C
b
岩石体积压缩系数
第一节、造缝机理
4、井壁上的最小总应力 地层破裂前，井壁上的最小总周向应力应为地应力、井筒内 压及液体渗滤所引起的周向应力之和：
z p
Z S
水平有效应力：
x y
1

z
如果地层处于弹性状态，考虑到构造应力等因素的影响， 两个水平主应力可能不相等。
(
x
1 E 2 ( P ) E ) P 2 1 1 1
1 z S 2 s
y (
1 1 E 2 ( z PS ) 2 E ) Ps 2 1 1 1
裂缝
(3) 可能沟通独立的透镜体或天然裂缝系统，沟通油气
储集区，增加新的油源
(4)裂缝穿透井底附近地层的污染堵塞带，解除堵塞，因 而可以显著增加产量
第一节、造缝机理

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第一节、造缝机理
压 力 破裂 F a b 加砂
停泵 携砂液 裂缝闭合
前置液
排量不变，提高砂比，压力升高 反映了正常的裂缝延伸
泡沫压裂液等。 水基:以水为基底 原油 清水 油基 多相压裂液
酸基压裂液
第二节：压裂液
(一) 水基压裂液 1、定义 水基压裂液是在清水中加入稠化剂，交联剂等配置而成。 2、特点 优点：粘度高、摩阻低及悬砂能力强，滤失少。
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
第二节：压裂液
6) 低残渣：要尽量降低压裂液中水不溶物的数量，以免降
低岩石及填砂裂缝的渗透率。
7) 易返排：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。
第二节：压裂液
四、压裂液的类型 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
E
管内摩阻
裂缝延伸压力（静）
净裂缝延伸压力 C
裂缝闭合压力（静）
a—致密岩石
b—微缝高渗岩石 S 地层压力（静）
压裂施工压力曲线图 PF—破裂压力 PE —延伸压力 PS —地层压力