第6章水力压裂

地层三维应力问题转化为二维方法处理
(2) 当 r ，a 时 x， y
r (时1 ，)(周m3i当n向) 随应r2着，力，0ax,1迅80。的2速3x增降y说y加低2y，。Hx H
明 圆max孔 壁 上90各,270。点 的3 周x y
说向明应最力小相周等向，应且力与发值生在
无限大平板中钻一圆孔的应力分布
圆孔周向应力（弹性力学）：
无方关向。上，而最大周向应 力却y 在 的方向上。
x
y
2
1
a2 r2
x
y
2
1
3a4 r4
cos2
x
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一、油井应力状况
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，使井内压力很快升 高。井筒内压必然导致井壁上产生周向应力。根据弹性力学中 的拉梅公式(拉应力取负号)：
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第一节 造缝机理
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。
破裂压力 延伸压力
地层压力
压裂过程井底压力变化曲线
a—致密岩石 b—微缝高渗岩石
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一、油井应力状况
(一)地应力
垂向应力：上覆层的岩石重量。
H
Z 0 S gdz
Pi
Ps
1 2 1
1 Cr
Cb
4.井壁上的最小总周向应力
在地层破裂前，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：
3 y x
Pi
Pi
Ps
1 2 1
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二、造缝条件
（一）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：
压裂的种类：(根据造缝介质不同)
水力压裂 利压用裂压液裂液造缝。
高能气体压裂 利发用射特药定或的推发进射剂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
干法压裂 利10用01%裂0的0地%液层的体形液二成体氧多二化条氧碳自化井碳眼和呈石放英射砂状进的行径压向裂裂，
无水无缝任，何清添除加油剂气，层压污后染压及裂堵液塞几物乎，完有全效排地出降地
Pere2 Pira2 re2 ra2
Pe Pi re2ra2 r 2 re2 ra2
当re→∞、Pe=0及r=ra时，井壁上的周向应力为：
Pi
即由于井筒内压而导致的周向应力与内压大小相等，方向相反。 12
一、油井应力状况
3.压裂液径向渗入地层所引的井壁应力
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，形成了另外一个应力区，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：
水力压裂的工艺过程：
裂缝延伸
憋压 造逢
裂缝闭合
充填支撑剂
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第六章 水力压裂技术
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。
层，可低避表免皮地系层数伤，害从。而其达关到键油技气术井是增混产合的砂目子的进
入液体的二一氧种化工碳艺中技的术二。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。
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第六章 水力压裂技术
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。
当产生水平裂缝时，井筒内注入流体的压力等于地层的
破裂压力：
PF
Ps
z
v t
1 1 2
1
实验修正：
PF
Ps
z
v t
1.9412
1
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二、造缝条件
(三)破裂压力梯度(破裂梯度)
破裂梯度：地层破裂压力与地层深度的比值。
各油田根据大量压裂施工资料统计出来的破裂梯度值 为： (15～18)～(22～25)
h t
当产生裂缝时，井筒内注入流体的压力即为地层的破
裂压力：
PF
PS3y来自xh t2 1 2
1
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二、造缝条件
(二)形成水平裂缝的条件
当井壁上存在的垂向应力达到井壁岩石的垂向的抗张强 度时，岩石将在垂直于垂向应力的方向上产生脆性破裂，即 在与垂向应力相垂直的方向上产生水平裂缝。造缝条件为：
Z
v t
裂缝影响，使得近井地带平均渗透率增加。 径向流动改变单向流动，流体流动阻力减小。
（a）浅穿透裂缝渗流模式图 （b）深穿透裂缝渗流模式图 5 压裂井渗流模型图
第一节 造缝机理
裂缝形成条件 裂缝的形态 裂缝的方位
井网部署 提高采油速度 提高原油采收率
所以，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。
根据破裂梯度的大小估计裂缝的形态：
小于15～18时形成垂直裂缝
大于23时形成水平裂缝
深地层——垂直裂缝 浅地层——水平裂缝
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三、裂缝停止延伸的条件
z
0
令： x y
得：
x y z 1
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一、油井应力状况
考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大、最小 水平主应力为：
H max
1 2
1E 1
2 Z PS
1
2E
1
PS
H min
1 2
1E 1
2 Z PS
1
2E
1
PS
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一、油井应力状况
1.井筒对地应力及其分布的影响
第六章 水力压裂技术
主要内容：
(1) 造缝机理 (2) 压裂液 (3) 支撑剂 (4) 压裂设计
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第六章 水力压裂技术
压裂的定义：
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。
2
第六章 水力压裂技术
有效垂向应力： Z Z Ps
z
y
x
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一、油井应力状况
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：
x1
1
E
x
x2
E
y
x3
E
z
由于存在侧向应力的约束，则：
侧压系数
x
x1 x2
x3
1 E
x
y