水力压裂原理周六PPT课件

(Pi
Ps )
1 2 1
(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
Ps
)
1 2 1
4 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
PF
3 y
x
h t
1、压裂液类型
水基压裂液 油基压裂液
泡沫压裂液 酸基压裂液 液化汽压裂液
(1)水基压裂液
活性水压裂液稠化水压裂液水基冻胶压裂液 水基冻胶压裂液组成
水＋稠化剂（成胶剂）＋添加剂 成胶液 水＋添加剂＋交联剂 交联液 水基压裂液添加剂:稠化剂、交联剂、破胶剂。
(1) 稠化剂
植物胶及衍生物 — 胍胶 — 田箐
弱酸强碱盐 无机盐类两性金属盐
—如硫酸铝、氯化铬、硫酸铜、氯化锆 等强酸弱碱盐 无机酸脂
—如钛酸脂、锆酸脂 醛类
—甲醛、乙醛、乙二醛等
(3) 破胶剂 生物酶体系
适用温度21—54℃,pH值范围pH=3—8,最佳pH=5 氧化破胶剂
适用于 pH=3—14。普通氧化破胶剂适用温度 54—93℃；延迟活化氧化破胶剂适用温度 83—116℃，常用氧化破胶剂是过硫酸盐。 有机弱酸 很少用作水基压裂液的破胶剂,适用温度大于93 油基压裂液中典型的破胶剂 碳酸铵盐、氧化钙和/或氨水溶液
纤维素衍生物 — 羧甲基纤维素钠盐（CMC） — 羟乙基纤维素（HEC） — 羧甲基羟乙基纤维素（CMHEC）
生物聚多糖 工业合成聚合物
— 聚丙烯酰胺（PAM） — 部分水解聚丙酰胺（PHPAM） — 甲叉基聚丙烯酰胺（MPAM）
(2) 交联剂
两性金属（非金属）含氧酸盐 —硼酸盐、铝酸盐、锑酸盐和钛酸盐等
水力压裂原理
（Hydraulic Fracturing principle）
(1) 在钻井、固井和完井过程中。一些外 来液体和固体颗粒进入井壁附近地层中， 形成难以渗透的表皮(Skin) ； (2) 油气层渗透性很差，油气难以流出。
水力压裂作用
(1) 勘探阶段 增加工业可采储量
(2) 开发阶段 油气井增产 水井增注 调整层间矛盾 改善吸水剖面 提高采收率
(2) 油基压裂液
适应性: 水敏性地层、有些气层 发展: 矿场原油 稠化油 冻胶油 基液: 原油、汽油、柴油、煤油、凝析油 稠化剂: 脂肪酸皂(脂肪酸铝皂、磷酸脂铝盐等) 特点: 污染小、遇地层水自动破乳；
易燃、成本高、热稳定性较差。
(3) 乳化压裂液
类型：水外相型 油外相型
常用： 两份油 + 一份稠化水(聚合物) 油相(内相)<50%，压裂液粘度太低 >80%，不稳定或粘度太高
用高压泵组将高粘液体以大大超过地层吸 收能力的排液量注入井中，在井底憋起高压， 使地层产生裂缝。然后继续将带有支撑剂的 压裂液注入缝中，停泵后即可在地层中形成 足够长度、一定宽度和高度的填砂裂缝。它 具有很高的渗透能力，大大改善了油气层的 渗透能力，使油气畅通流入井中，可起到增 产的作用。
压裂作业
y
y
x
r
rw r
x
应力集中，PF > PE
（1）井筒处应力分布
x
y
2
(1
rw2 r2
)
x
y
2
(1
3rw4 r4
)
cos
2
当r =rw，＝0及180时，＝ 3y－ x 当r =rw，＝90及270时，＝ 3x－ y
当 x = y ＝ 2y=2 x
说明周向应力相等，与无关 当 x > y
()0,180= ()min ()90，270= ()max 分析
垂直裂缝示意图
第一节 造缝机理
压裂施工曲线
压力
破裂压力 a
b
延伸压力
a—致密岩石 b—微缝高渗岩石
图 典型的施工压力曲线
地层压力 时间
1、地应力分析
应力状态： 主应力: x ， y， z ; 应变: x， y， z
Βιβλιοθήκη Baidu
(1) 重力应力
z 106
H 0
r (h)gdh
z z Ps
—孔隙弹性常数
2、人工裂缝方位 裂缝方向总是垂直于最小主应力
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； —基本上沿微裂缝的方向发展，把微裂缝串成
显裂缝。
根据最小主应力（x，y，z）原理 —当z最小时，形成水平裂缝; —当Y或x最小时，形成垂直裂缝。
z x
y
z x
y
3、井筒处应力分布
第二节、压裂液
压裂液是一个总称。在压裂过程中，
注入井内的压裂液在不同施工阶段有各自
的任务，可以分为：
前置液
携砂液
顶替液
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。
2 1 2
Ps
1
无液体渗滤
PF
3 y
x
h t
Ps
(2) 形成水平缝
岩石破坏条件
z
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
PF
1
z
v t
1 2
Ps
1
1.94
无液体渗滤
PF
z
v t
1
Ps
0.94
5、破裂压力梯度
定义： PF
H 理论计算和矿场统计
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
特点:破乳快、污染小； 热稳定性差、成本高
(4) 泡沫压裂液
适用范围 K<1mD， 粘土含量高的砂岩气藏 低压、低渗浅油气层压裂
组成：液相 + 气相 + 添加剂泡沫液 液相: 稠化水、盐水、水冻胶、原油、成品油或酸液 气相：氮气、二氧化碳、空气、天然气等
• 随r增加， 迅速降低(平方次) • 应力集中
• PF > PE
（2）向井筒注液产生的应力分布
弹性力学拉梅公式(拉应力为负)
re 2 re 2
/ r2 / rw2
1 1
pi
1 1
rw 2 rw 2
/ /
r2 re 2
pe
当 re， Pe =0 于是 r= rw时，＝ - Pi
(3) 压裂液渗入地层引起的井壁应力
由广义虎克定律计算总应变
x x1 x2 x3
1 E
[ x
(
y
z )]
由于泊松效应，垂向负荷产生的侧向压力
x y 0
x
y
1
z
(2) 构造应力
在断层和裂缝发育区是应力释放区。 — 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可大到 z 的3倍。
(3) 热应力