水力压裂原理周六

)?
x? 2
y
(1 ?
3rw4 r4
) cos 2
当r =rw，?＝0?及180?时，? ?＝ 3?Байду номын сангаасy－ ? x 当r =rw，?＝90?及270?时，? ?＝ 3? x－ ? y
当 ?x = ?y ? ?＝ 2? y=2 ? x
说明周向应力相等，与?无关 当 ?x > ?y
(? ?)0?,180?= (? ?)min (? ?)90?，270?= (? ?)max 分析
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
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
2
?
?
1 ? 2? 1??
?
Ps
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
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
y
y
x
r
rw r ?
x
应力集中，PF > PE
（1）井筒处应力分布
? ? ? ? ? ? ? ?
x? 2
y
(1 ?
rw2 r2
1 ? 2?
1??
? Ps
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
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。
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
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
(1) 重力应力
? ? z ? 10 ?6
(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
? 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）
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
? 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
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
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
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
(3) 压裂液渗入地层引起的井壁应力
??
?
( 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
??
?
?
?
? 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 / r 2 ? 1 re 2 / rw2 ? 1
pi
?
1? 1?
rw2 rw2
/r2 / re2
pe
当 re?? ， Pe =0 于是 r= rw时，? ?＝ - Pi
H 0
?r (h) gdh
? z ? ? z ? ? Ps
? —孔隙弹性常数
由广义虎克定律计算总应变
? x ? ? x1 ? ? x 2 ? ? 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