采油工程水力压裂

第一節 造縫機理
採油工程原理與設計
裂縫形成條件 裂縫的形態 裂縫的方位
井網部署 提高採油速度 提高原油采收率
所以，有利的裂縫狀態及參數能夠充分發揮其在增 產、增注的作用。
造縫條件及裂縫的形態、方位等與井底附近地層的地 應力及其分佈、岩石的力學性質、壓裂液的滲濾性質 及注入方式有密切關係。
破裂壓力 延伸壓力
水力壓裂技術
主要內容：
(1) 造縫機理 (2) 壓裂液 (3) 支撐劑 (4) 壓裂設計
壓裂Fracturing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，並用支 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，從而達到增產增注的效果。
壓裂的種類：(根據造縫介質不同)
②懸砂能力強： 取決於粘度
③摩阻低：
摩阻愈小，用於造縫的有效功率愈大
④穩定性好： 熱穩定性和抗機械剪切穩定性 ⑤配伍性好： 不應引起粘土膨脹或產生沈澱而堵塞油層
⑥低殘渣：
以免降低油氣層和填砂裂縫的滲透率
⑦易返排：
減少壓裂液的損害
⑧貨源廣、便於配製、價錢便宜。
一、壓裂液類型
◆水基壓裂液： 用水溶脹性聚合物(稱為成膠劑)經交鏈劑 交鏈後形成的凍膠。施工結束後，為了使 凍膠破膠還需要加入破膠劑。不適用於水 敏性地層。
(二)井壁上的應力
1.井筒對地應力及其分佈的影響
地層三維應力問題轉化為二維方法處理
(2) 当 ra，x y 时，
r (周 (时说3 1m m )向)，明 随应 当圆ia n 着力 孔 x r2 0 迅9 壁 , 1 ,a2 x 速0 上，。 8 。 ， 7 降的 2 各3 0 3 0 低增x点yy x 。加 的2 y ，x y H H
水力壓裂的工藝過程：
憋壓 造縫
裂縫延伸 充填支撐劑
裂縫閉合
水力壓裂增產增注的原理:
採油工程原理與設計
(1) 改變流體的滲流狀態：使原來徑向流動改變為油層與 裂縫近似的單向流動和裂縫與井筒間的單向流動，消除了 徑向節流損失，降低了能量消耗。
(2) 降低了井底附近地層中流體的滲流阻力：裂縫內流體 流動阻力小。
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 儲層岩石和流體的壓縮性。根據體積平衡方程可得到運算式：
C 4.3103PKC ff1/2 Cf—油藏綜合壓縮係數
图6-3 滤失后 地层中 压力分 布示意 图
压缩并使油藏流 体流动的压差
使压裂液滤失于 储层内的压差 裂缝壁面滤 饼的压力差
（三）具有造壁性壓裂液濾失係數CⅢ 濾失係數CⅢ是由實驗方法測定
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沈降，停泵後支撐劑充滿整 個裂縫內，因而攜砂液到達的位置就是支撐裂縫的位置。
裂縫內的砂濃度(裂縫內砂比)：是指單位體積裂縫內所含 支撐劑的質量。 裂縫閉合後的砂濃度(鋪砂濃度)：指單位面積裂縫上所鋪 的支撐劑質量。 地面砂比：單位體積混砂液中所含的支撐劑質量。
◆油基壓裂液： 多用稠化油，遇地層水後自動破膠。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。
◆泡沫壓裂液： 基液多用淡水、鹽水、聚合物水溶液；氣 相為二氧化碳、氮氣、天然氣；發泡劑用 非離子型活性劑。特點是易於返排、濾失 少以及摩阻低等。缺點是砂比不能過高、 井深不能過大。
二、壓裂液濾失性
◆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：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 適用於淺層或中深層的壓裂，成功率很高。
或支撐劑體積與壓裂液體積之比。
假設地面每注入體積為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：
滤失体积
滤失 地面单元体积的 液剩 在余 缝体 中 SV 积 ）（
滤失 滤体 失 滤 积 速 失 时 度 C 面 间 S V 积 1 2 t t W
裂壓力：
PF
Ps
z tv 1 12
1
实验修正：
PF
Ps
z tv 1.9412
1
(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。 各油田根據大量壓裂施工資料統計出來的破裂梯度值 為： ??(15～18)～(22～25) 根據破裂梯度的大小估計裂縫的形態：
?小於15～18時形成垂直裂縫 ?大於23時形成水平裂縫 深地層——垂直裂縫 淺地層——水平裂縫
第二節 壓裂液
壓裂液任務：
前置液 破裂地層、造縫、降溫作用。一般用未交聯 的溶膠。
攜帶支撐劑、充填裂縫、造縫及冷卻地層作 攜砂液 用。必須使用交聯的壓裂液(如凍膠等)。
頂替液
中間頂替液：攜砂液、防砂卡；
末尾頂替液：替液入縫，提高攜砂液效率和 防止井筒沈砂。
壓裂液的性能要求：
①濾失少：
造長縫、寬縫 取決於它的粘度與造壁性
壓裂液濾失到地層受三種機理控制：
壓裂液的粘度、油藏岩石和流體的壓縮性、壓裂液的造壁性
(一)受壓裂液粘度控制的濾失係數CⅠ 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 度主要取決於壓裂液的粘度，由達西方程可以導出濾失係數 為： C 5.4103KfP1/2 濾失速度為：
v C t
(二)受儲層岩石和流體壓縮性控制的濾失係數CⅡ
水力壓裂hydraulic fracturing：
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；當此壓力大於井壁附近的 地應力和地層岩石抗張強度時，在井底附近地層產生裂縫； 繼續注入帶有支撐劑(proppant)的攜砂液，裂縫向前延伸並 填以支撐劑，關井後裂縫閉合在支撐劑上，從而在井底附近 地層內形成具有一定幾何尺寸和導流能力的填砂裂縫，使井 達到增產增注目的工藝措施。
P erre e2 2 rP a2 ira2P re2 re2 P irre2 a2 ra2
當re=∞、Pe=0及r=ra時，井壁上的周向應力為：
Pi
即由於井筒內壓而導致的周向應力與內壓大小相等，方向 相反。
3.壓裂液徑向滲入地層所引的井壁應力
由於注入井中的高壓液體在地層破裂前，滲入井筒周圍 地層中，形成了另外一個應力區，它的作用是增大了井 壁周圍岩石中的應力。增加的周向應力值為：
第三節 支撐劑
填砂裂縫的導流能力： 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，導流能力也稱為導流率。
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)雜質含量少 閉合壓力 (5)來源廣，價廉
二、 支撐劑的類型 按其力學性質分為兩大類：
C
2C C C
C C C 2C 2 4C 2C 2C 2
推導過程詳見王鴻勳主編的《水力壓裂設計數值計算方法》(石油工 業出版社，1998.6)
三、壓裂液流變性
(一)各類壓裂液的流變曲線
剪
1.牛頓壓裂液(A曲線)
切 应
D
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。
Pf P
1/2
图6-7 动静滤失曲线比较图
图6-6 动滤失仪示意图
(四)綜合濾失係數
壓裂液的濾失同時受三種機理控制，綜合濾失係數如下：
11 1 1 C C C C
CⅠ由濾失帶壓力差控制的，CⅡ是由壓縮帶壓力差控制 的，CⅢ由濾餅內外壓力差控制的。
根據分壓降公式可以得到綜合濾失係數的另一運算式：
Pi Ps112
1 Cr Cb
4.井壁上的最小總周向應力
在地層破裂前，井壁上的最小總周向應力應為地應力、 井筒內壓及液體滲濾所引起的周向應力之和：
3 y x P i P i P s1 1 2
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力達到井壁岩石的水平方向的抗拉強 度時，岩石將在垂直于水平應力的方向上產生脆性破裂，即 在與周向應力相垂直的方向上產生垂直裂縫。造縫條件為：
说周明向最应小力周相向等应，力且发与生在
图6-2 无限大平板中钻一圆孔的应力分布
圓孔周向應力：
值y 无方关向。上，而最大周向
应力却在 x 的方向上。
x 2y 1a r2 2 x 2y 13 ra 4 4 co 2 s
2.井眼內壓所引起的井壁應力 壓裂過程中，向井筒內注入高壓液體，使井內壓力很快升 高。井筒內壓必然導致井壁上產生周向應力。根據彈性力 學中的拉梅公式(拉應力取負號)：
水力壓裂
高能氣體壓裂 利用特定的發射藥或推進劑在油氣井的目的層段高速燃
燒，產生高溫高壓氣體，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 低表皮係數，從而達到油氣井增產的目的的一種工藝技 術。
幹法壓裂
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，壓後壓裂液幾乎完全排出地層，可避免地層傷害。其關鍵 技術是混合砂子進入液體二氧化碳中的二氧化碳混合器。適用 於對驅替液、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。
地層壓力
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
一、油井應力狀況
(一)地應力 垂向應力：上覆層的岩石重量。
H
Z 0 Sgdz
有效垂向應力：Z ZPs
z
y
x
如果岩石處於彈性狀態，可根據廣義虎克定律建立岩石的 有效水平應力與有效垂向應力的關係：
在三向應力作用下，x軸方向上的應變分別為：
x1
1
E
x
x2
E
ห้องสมุดไป่ตู้
y
x3
E
z
採油工程原理與設計
由於存在側向應力的約束，則：
1 xx 1 x 2 x 3 Ex yz 0
令： x y
得：
x y 1z
考慮到構造應力等因素的影響，可以得到最大侧、压最系小数水平 主應力為：
Hmax1211E21ZPS12E PS Hmin1211E21ZPS12E PS
加压口
滤 失 量 Vsp ml
α
tg m
筛座 （含滤纸或岩心片）
0
1
2 时间，
3 min
4
出液口 图6-4 静滤失仪示意图
图6-5 静滤失曲线
滤失速度
v 0.005m At
造壁液体的滤失系数
C
0.005m A
则 C t
實驗壓差與實際施工過程中裂縫內 外壓力差不一致，則應進行修正：
C
C
th
當產生裂縫時，井筒內注入流體的壓力即為地層的破裂壓 力：
PF
PS
3y x th 212
1
(二)形成水平裂縫的條件
當井壁上存在的垂向應力達到井壁岩石的垂向的抗張強度時， 岩石將在垂直于垂向應力的方向上產生脆性破裂，即在與垂 向應力相垂直的方向上產生水平裂縫。造縫條件為：
Z tv
當產生水平裂縫時，井筒內注入流體的壓力等於地層的破
KD n n1
剪切速度
图6-8 压裂液流变曲线
K D n1D aKD n1
视粘度
3.其他流動類型的壓裂液
賓漢型流體(C曲線) 屈服假塑型流體(D曲線)
y D y KD n
脹流型流體(E曲線)
KD n n1
(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。
濾失體積百分數：
SV 12Ct
滤失
Wt SV
2Ct Wt
經濾失後的縫內砂濃度：
Cs
VFC0 VF
C01in
1in
C0
Cs
1 is
在忽略裂縫內流動阻力的情況下，可以認為裂縫內的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。
(二)人造支撐劑(陶粒)
礦物成份是氧化鋁、矽酸鹽和鐵—鈦氧化物 形狀不規則，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於高溫 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，便於攜砂與鋪砂。
三、支撐劑在裂縫內的分佈
支撐劑在裂縫內的分佈規律隨裂縫類型(水平、垂直縫) 和攜砂液性能而異。 (一)全懸浮型支撐劑分佈
1.管流
冪律液體在圓管內流動的本構方程： K8vn3n1n
d 4n
2.視縫冪粘流律度液:體在裂w縫K中3n4流n1動n8d的v簡平根經n理本化板1據比驗流論構為之多較公處計方無間相複式理算程限的流雜計：大層算
w
K2n1n6vn 3n W
視粘度:
f
K2n1n6vn1 3n w
(三)摩阻計算 油管內摩阻、射孔孔眼摩阻、裂縫內摩阻壓力降