水力压裂技术

第六章水力压裂技术

第一节造缝机理

一、教学目的

了解压裂含义，和各种压裂的种类，熟练掌握油井的应力状况，能够计算简单的地应力，掌握形成裂缝的条件以及破裂压力梯度，会对压裂施工曲线进行分析与应用，了解裂缝方位的判断方法。

二、教学重点、难点

教学重点

1、地应力的计算

2、压裂过程中井壁的周向应力

3、形成水平裂缝、垂直裂缝的条件

教学难点

1、压裂施工曲线的分析与应用

2、有裂缝和无裂缝时的破裂压力梯度计算

三、教法说明

课堂讲授并辅助以多媒体课件展示相关的数据和图表

四、教学内容

本节主要介绍四个方面的问题：

一、油井应力状况

二、造缝条件

三、压裂施工曲线的分析与应用

四、裂缝方位的判断

压裂：用压力将地层压开一条或几条水平的或垂直的裂缝，并用支撑

剂将裂缝支撑起来，减小油、气、水的流动阻力，沟通油、气、水的流动通道，从而达到增产增注的效果。

压裂的种类(根据造缝介质不同)⎪⎩

⎪⎨⎧干法压裂高能气体压裂水力压裂 水力压裂：利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高压；当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层产生裂缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，使井达到增产增注目的工艺措施。

高能气体压裂：利用特定的发射药或推进剂在油气井的目的层段高速燃烧，产生高温高压气体，压裂地层形成多条自井眼呈放射状的径向裂缝，清除油气层污染及堵塞物，有效地降低表皮系数，从而达到油气井增产的目的的一种工艺技术。

干法压裂：利用100%的液体二氧化碳和石英砂进行压裂，无水无任何添加剂，压后压裂液几乎完全排出地层，可避免地层伤害。其关键技术是混合砂子进入液体二氧化碳中的二氧化碳混合器。适用于对驱替液、冻胶或表面活性剂的伤害敏感的地层，适合的储层包括渗水层、低压层及有微粒运移的储层以及水敏性储层。

水力压裂的工艺过程：

水力压裂增产增注的原理: (1) 改变流体的渗流状态：使原来径向流动改变为油层与裂缝近似的

单向流动和裂缝与井筒间的单向流动，消除了径向节流损失，降低了能量消耗。

(2) 降低了井底附近地层中流体的渗流阻力：裂缝内流体流动阻力

小。 造缝机理： ⎪⎩

⎪⎨⎧⇒⎪⎭⎪⎬⎫提高原油采收率提高采油速度井网部署裂缝的方位裂缝的形态裂缝形成条件 有利的裂缝状态及参数能够充分发挥其在增产、增注的作用。 造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层的地应力及其分布、岩石的力学性质、压裂液的渗滤性质及注入方式有密切关系。

（一） 油井应力状况

图6-1 压裂过程井底压力变化曲线

a —致密岩石

b —微缝高渗岩石

1、 地应力

在上覆岩层的作用下，地下任一岩石单元体均受到三个方向上的

应力作用，即位于水平面上的水平主应力⎩⎨⎧y

x H σσσ 位于垂直方向上的垂直主应力z σ

（1） 垂向应力z σ：上覆层的岩石重量。

dz g H

S Z ⎰=0ρσ 一般浅层：33/100.2m kg s ⨯=ρ

深层（<300m ）：33/106.2m kg s ⨯=ρ

取33/103.2m kg s ⨯=ρ

∴ H z 23=σ （KPa ） H z 023.0=σ （MPa ） z σ的大小因油田而异，统计得到的z σ的分布范围为：z σ=（21～

25）H （KPa ）。

对于海上油田，仍以海平面为基准，则z σ要小些（∵ s w ρρ<）

（2）水平应力H σ（x σ、y σ）

如果岩石处于弹性状态，可根据广义虎克定律建立岩石的有效水平应力与有效垂向应力的关系：

在三向应力作用下，x 轴方向上的应变分别为：

L L x x //1∆=E =σε （规定压缩为正）

E -=/2νσεy x y σ的作用是使岩石在x 方向伸长，故为负 E -=/3

νσεz x 由于单元体处于地层之中，侧向上是无限连续介质，存在侧向应

力的限制，所以不能产生侧向变形，即侧向应变为0，即

()[]01321=+-=++=z y x x x x x E

σσυσεεεε 令：y x σσ= 得：z y x συυσσ-==1 注意：这里的ν、E 是指岩石骨架的泊松比和杨氏模量。

和有效垂向应力z σ。

x σ=x σ－s P

y σ=y σ－s P

z σ=z σ－s P

假定：①孔隙中的流体是化学惰性

②岩石的渗透性保证传压是处处相等

③流体中的压力完全由岩石骨架所承受

应用虎克定律得： z y x σνν

σσ-==1 这里的泊松比ν是含有流体，实际应用时并没有分清。

2、地质构造对地应力的影响

可见，受地质构造力的影响，应力之间的关系变化很大。

3、主应力大小与裂缝形态的关系

从力学的观点来看，裂缝总是产生于强度最弱、抗力最小的地方，在地层中出现裂缝也是这样的。

结论：岩石破裂时，裂缝面总是垂直于最小主应力轴（假设前提：岩石单元体是均质的，各向同性材料）——判断准则

①由于浅地层的z σ相对小些，且近地表地层中构造运动也较多，

H σ>z σ的几率也多，且浅地层中层理发育，所以浅地层多出

现水平裂缝。

②深地层z σ相对大些，z σ>H σ的几率多，所以深地层压开的多

好垂直裂缝。

4、压裂过程中井壁上的周向应力

钻井以后，井底处的应力分布受井筒的影响，在井筒附近产生应力集中，为简便起见，将三维应力问题简化为二维来处理。

对油层的几个假设：

①油层为弹性体