水力压裂设计

[ x
(
y
z )]
y yy yz yx
1 E
[
y
( z
x )]
由于泊松效应，垂向应力产生的侧向压力
x y 0
x
y
1
z
岩石类型
硬砂岩 中硬砂岩
软砂岩 硬灰岩 中硬灰岩 软灰岩
杨氏模量， 104MPa 4.4 2.1 0.3 7.4 0.8
泊松 比 0.15 0.17 0.20 0.25 0.27 0.30
z
Pi
( Pi
Ps )
1 2 1
z
(Pi
Ps
)
1 2 1
v t
当破裂时，Pi=PF
PF
1
z
v t
1 2
Ps
1
1.94
无液体渗滤 z z Ps
有效总垂向应力为：
z z －Pi
z
Pi
( Pi
Ps )
1 2 1
z
(Pi
Ps
)
1 2 1
v t
z z－Pi
z
( Pi
Ps )
岩石类 型 砾岩
白云岩 花岗岩
泥岩 页岩 煤
杨氏模量， 104MPa
7.4 4.0~8.4 2.0~6.0 2.0~5.0 1.0~3.5 1.0~2.0
泊松 比 0.21 0.25 0.25 0.35 0.30 0.30
(2) 构造应力
定义：地壳的构造运动引起的岩体之间的相 互作用力。是地应力的一个分量。
三、 地应力的测量及计算
（1） 矿场测量
— 水力压裂法 — 井眼椭圆法（井壁崩落法）
（2）岩心分析（实验室） —滞弹性应变恢复 （ASR） —微差应变分析 （DSCA）
（3） 测井解释 （4） 有限元计算
第三节 压裂液
✓ 压裂液及其性能要求 ✓ 压裂液添加剂 ✓ 压裂液的流动性 ✓ 压裂液的滤失性 ✓ 压裂液对储层的伤害 ✓ 压裂液选择
v t
当破裂时，Pi=PF
PF
z
v t
1
Ps
0.94
3 破裂压力梯度
定义
PF
H
理论计算
(垂直裂缝形态)
F
pF H
2v z
1v H
1 3v 1v
ps H
矿场统计 当αF < 0.015～0.018 MPa/m, 形成垂直裂缝 当αF > 0.022～0.025 MPa/m, 形成水平裂缝
构造应力 孔隙流体压力 热应力
(1) 重力应力（上覆压力）
z 106
H 0
r (h)gdh
其中：r(h) 为上覆岩层密度，由密度测 井曲线获得。
有效垂向应力为
z z ps
为Boit孔隙弹性常数。
研究对象：地层中任意单元体。
由广义虎克定律计算总应变
x xx xy xz
1 E
z
y
y
x x
✓ 显裂缝地层很难出现人工裂缝。 ✓ 微裂缝地层
—垂直于最小主应力方向； —基本上沿微裂缝方向发展，把微裂缝串成显裂缝
二、水力压裂造缝机理
1 井壁最终应力分布
y
yห้องสมุดไป่ตู้
r
x
Rw r
x
(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
(3 y
x ) Pi
(Pi
压裂液的组成
• 前置液 • 携砂液 • 顶替液 （完整的压裂泵注程序中还可以有
清孔液、前垫液、预前置液）
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 。
✓压裂材料：压裂 液和支撑剂
✓施工参数：排量 和压力
水力压裂示意图
✓压裂设备：泵车 (组)、液罐、砂 车、仪表车
力学观点：裂缝形成与延伸是力学行为。 生产角度：裂缝方位与形态影响压裂改造效果
注水井 采油井
问题： (1) 储层应力环境—地应力场 (2) 水力裂缝方位 (3) 破裂压裂计算与预测 基本思路：
A
B
C
来源：各种构造运动，包括： 区域构造—巨大构造单元间的相互作用力； 局部构造—产生于局部地区岩体之间。如断
层、岩层弯曲等。
特点 ✓构造应力属于水平的平面应力状态 ✓挤压构造力引起挤压构造应力 ✓张性构造力引起拉张构造应力 ✓构造运动的边界影响使其在传播过程
中逐渐衰减。
• 断层和裂缝发育区
— 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
Ps
)
1 2 1
2 水力压裂造缝条件
(1) 形成垂直缝
岩石破坏条件
h t
－压为正，拉为负
－最大有效周向应力大于水平方向抗拉强度
有液体渗滤
y y Ps
x x Ps
Pi
3
y
x
2(Pi
Ps )
(Pi
Ps )
1 2 1
h t
当破裂时，Pi=PF
PF
3
y
x
h t
2 1 2
水力压裂设计 Hydraulic Fracturing
背景 垂直井单相油流 产量公式
对具体井，地层条件( ko, h)、流体性质 ( o, Bo)和井特性( re, rw )已经确定。提高产 量的措施:
✓ 注水保持地层压力; ✓ 人工举升降低井底流动压力; ✓ 对于低渗透储层：水力压裂
第一节 水力压裂概述
第二节、地应力分析与破裂压力
1 地应力场
地应力 存在于地壳内部的应力，是由于地
壳内部的垂直运动和水平运动及其它因素综
合作用引起介质内部单位面积上的作用力。
地下岩石应力状态：为三向不等压压缩状态.
z (z)
主应力: x ， y， z ;
y (y)
应变: x， y， z
x（x）
地应力构成：原地应力 + 扰动应力。 原地应力：重力应力
Ps
1
无液体渗滤 Ps
3
y
x
2(Pi
Ps )
(Pi
Ps )
1 2 1
h t
3
y
x
(Pi
Ps )
h t
当破裂时，Pi=PF
PF
3 y
x
h t
Ps
(2) 形成水平缝
岩石破坏条件
v t
最大有效周向应力大于垂直方向抗拉强度
有液体渗滤
z
z
( Pi
Ps )
1 2 1
有效总垂向应力为：
z z －Pi
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
可大到 z的3倍。
正断层
右旋走向滑动断层
逆断层
(3) 热应力
✓原因：地层温度变化引起的内应力增量。
✓计算方法
x
y
T ET 1
✓特点：与温度变化、岩石力学性质有关 ✓产生环境：火烧油层、注蒸汽开采、注水
2 人工裂缝方位
原理：裂缝面垂直于最小主应力方向
✓当z最小时，形成水平裂缝； ✓当Y或x>z，形成垂直裂缝。