西南石油采油工程课件_第六章_水力压裂 (2)
合集下载
第六章 水力压裂
第六章水力压裂水力压裂(hydraulic fracturing)是利用地面高压泵组，以超过地层吸液能力的排量将高粘压裂液泵入井内而在井底产生高压，当该压力超过井壁附近地应力并达到岩石抗张强度，使地层产生裂缝。
继续注入压裂液使水力裂缝逐渐延伸；随后注入带有支撑剂的混砂液，使水力裂缝继续延伸并在缝中充填支撑剂。
停泵后，由于支撑剂对裂缝壁面的支撑作用，在地层中形成足够长的、足够宽的填砂裂缝，从而实现油气井增产和注水井增注。
图6-1为水力压裂作业示意图。
水力压裂的增产增注机理主要体现在：(1) 沟通非均质性构造油气储集区，扩大供油面积；(2) 将原来的径向流改变为线性流和拟径向流，从而改善近井地带的油气渗流条件；(3) 解除近井地带污染。
水力压裂主要用于砂岩油气藏，在部分碳酸岩油气藏也得到成功应用。
图6-1 水力压裂作业示意图1—混砂车；2—砂车(罐)；3—液罐（组）；4—压裂泵车(组)；5—井口；6—压裂管柱；7—动态裂缝；8—支撑裂缝；9—压裂液；10—储层本章从水力压裂系统工程角度全面阐述压裂造缝机理、压裂液材料性能与评价方法、裂缝延伸模拟、支撑剂在裂缝中运移分布、水力压裂设计和水力裂缝诊断评估方法，并扼要介绍水力压裂技术新发展。
第一节水力压裂造缝机理水力压裂裂缝的形成和延伸是一力学行为，水力裂缝的形态与方位对于有效发挥压裂对储层的改造作用密切相关，必须掌握水力压裂的裂缝起裂与延伸过程的力学机制。
本节从地应力场分析及获取方法入手介绍水力裂缝的形成机理、造缝条件、裂缝形态与方位、破裂压力预测方法。
图6-2为水力压裂施工泵压变化的典型示意曲线。
F点对应于地层破裂压力（使地层破裂所需要的井底流体压力），E点为瞬时停泵压力（即压裂施工结束或其它时间停泵时的压力），反映裂缝延伸压力（使裂缝延伸所需要的压力），C点对应于闭合压力（即裂缝刚好能够张开或恰好没有闭合时的压力），S点为地层压力。
压裂过程中的泵压是地应力场、压裂液在裂缝中流动摩阻和井筒压力的综合作用结果。
006—水力压裂
造缝(Fracture Initiation)机理 应力状况、裂缝形成条件 压裂液(Frac fluid) 类型、滤失性、流变性 支撑剂(Proppant) 性能要求、类型、在裂缝的分 布特性、选择 压裂设计 裂缝参数计算、压裂效果评价
高导流能力的填砂裂缝
降低流体渗流阻力 高渗透性的填砂裂缝的流动阻力很小 降低流体渗流阻力，高渗透性的填砂裂缝的流动阻力很小
第一节 造缝机理
地层应力关系
第一节 造缝机理
原始地层应力：垂向应力σz、最大水平主应力σx (σhmax ) 最小水平主应力σy (σhmin ) 原始地层应力经过简单计算便可得到，作为其它应力计算的基础 数据 对于确定的深度h，钻井后柱坐标下各应力与原始地层主应力的关 系为 为
地层钻孔后，造成地 层应力集中，改变了 地层应力分布状况， 地层应力不能再简单 地用三个主应力表示
第一节 造缝机理
第一节 造缝机理
裂缝是如何被压开的?！
一般情况：
当井筒内压力较低时，井壁周围的切向应力表
现为压应力
井筒流体压力会影响井眼附近岩石的切向应力 随着井筒流体增加（同时井眼附近地层的孔隙
(1)σx≠ σy导致σθ与θ有关 (2) r rw： min 0,180 3 y x
Zt z Pwf Pr 1
1 2 1
4
2013/12/9
水平裂缝形成条件
水平裂缝形成条件
Pwf Pr
第一节 造缝机理
井筒压力是唯一人为可控的因素，知道了破裂
(3) 随着 r 增加，切向应力 σθ 减小，井壁应力集中 地层破裂压力大于裂缝延伸压力的原因之一
水力压裂原理ppt课件
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 9 70
1 9 73
1 9 76
Foam F lu ids
1979
1982
1985
1988
19 9 1
19 9 4
3 000
2 500
2 000
1 500
1 000
5 00
0
Av erage Injectio n Rate and HHp
HH p
Rate
Year
H y dr a u li c H or se po w e r
1 949 1 953 1 95 7 1 96 1 1 96 5 196 9 1 97 3 1 97 7 1 981 1 98 5 1 98 9 1 99 3 199 7
In je c t io n R at e (b b l/m in )
60
50
40
30
20
10
0
F lu id V o lu m e ( 1 ,0 0 0 g a llo n s ) T o ta l P r op p a n t ( 1 , 0 0 0 lb s )
当α< 0.015～0.018 MPa/m, 形成垂直裂缝; 当α> 0.022～0.025 MPa/m, 形成水平裂缝.
降低破裂压力措施 • 酸化预处理 • 高效射孔 • 密集射孔
水力压裂商业性应用开始于 1949年
1949早期, 哈里伯顿油井固井公司获得唯一的 “水力压裂”许可证
当年进行了332口井的压裂
75% 成功
1949.3在美国俄 克拉荷马州的维 尔玛进行了第一 次商业性的压裂 施工
从第一次压裂到现在 ...
早期施工使用几百磅的手筛河砂和凝胶油 现在使用成百上千吨的砂或人造支撑剂和冻胶或泡 沫压裂液 注入排量为第一次压裂施工排量的5到50倍
1 9 70
1 9 73
1 9 76
Foam F lu ids
1979
1982
1985
1988
19 9 1
19 9 4
3 000
2 500
2 000
1 500
1 000
5 00
0
Av erage Injectio n Rate and HHp
HH p
Rate
Year
H y dr a u li c H or se po w e r
1 949 1 953 1 95 7 1 96 1 1 96 5 196 9 1 97 3 1 97 7 1 981 1 98 5 1 98 9 1 99 3 199 7
In je c t io n R at e (b b l/m in )
60
50
40
30
20
10
0
F lu id V o lu m e ( 1 ,0 0 0 g a llo n s ) T o ta l P r op p a n t ( 1 , 0 0 0 lb s )
当α< 0.015～0.018 MPa/m, 形成垂直裂缝; 当α> 0.022～0.025 MPa/m, 形成水平裂缝.
降低破裂压力措施 • 酸化预处理 • 高效射孔 • 密集射孔
水力压裂商业性应用开始于 1949年
1949早期, 哈里伯顿油井固井公司获得唯一的 “水力压裂”许可证
当年进行了332口井的压裂
75% 成功
1949.3在美国俄 克拉荷马州的维 尔玛进行了第一 次商业性的压裂 施工
从第一次压裂到现在 ...
早期施工使用几百磅的手筛河砂和凝胶油 现在使用成百上千吨的砂或人造支撑剂和冻胶或泡 沫压裂液 注入排量为第一次压裂施工排量的5到50倍
采油工程 第6章水力压裂
min 0 ,180。 3 y x
图6-2 无限大平板中钻一圆孔的应力分布 说明ma最x 小周 90向 ,27应0。 力3发x 生 在y
方向上，而最大周向
圆孔周向应力：
x
y
2
1
a2 r2
x
y
2
1
3a4 r4ຫໍສະໝຸດ c应 力y 却在os2
的方向上。
x
2.井眼内压所引起的井壁应力
104
102
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。
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
1
实验修正：
PF
Ps
z tv 1.9412
1
(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) 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
3 y x
Pi
Pi
Ps
1 2 1
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：
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：
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
11
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)：
6
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
7
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
13
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：
第06章水力压裂分析PPT课件
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 . P i P i P s1 1 2 25
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超过井壁岩 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：
th
.
26
1）当有滤失时：
x x ps x x ps
y y ps y y ps
当产生裂 缝时，井 筒内注入 流体的压 力等于地 层的破裂 压力：
pi pi
3 y x P i P i P s1 1 2
3 y x(p ip s) 2 1 1 2
h t
PF
.
PS
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。 .
2
压裂材料
压
支
裂
撑
液
剂
.
3
水力压裂的工艺过程：
憋压 造逢
裂缝延伸 充填支撑剂
裂缝闭合
压力/砂比/(MPa/%) 排量/(方/分)
80
4
70
3.5
60
3
50
2.5
1.裂缝形成条件
2.裂缝形态(垂直、水平缝)
3.裂缝方位
造缝条件及裂缝形态、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。
采油工程-压裂酸化
成本低、能量相对较高；地面操作安全可靠 ；
对套管无损坏 。
2021/7/13
35
增产（注）措施——压裂
二、高能气体压裂(High Energy Gas Fracturing)
2.高能气体压裂技术发展趋势
4）袖套式射孔压裂复合技术
该技术是在射孔枪身外套一个推进剂袖套。射孔弹在 井下目的层射孔时，引燃推进剂袖套，推进剂袖套在目的 层套管内燃烧形成的高压，对地层实施压裂并形成多条径 向裂缝，达到射孔压裂同时完成的目的。其特点包括：
泡沫压裂液
2021/7/13
乳状压裂液
22
增产（注）措施——压裂
一、水力压裂（Hydraulic Fracturing）
6.支撑剂1）支撑剂的来自型压裂后能否在地层中造出一条高裂缝导流 能力、足够长度的填砂裂缝，直接关系到压 裂后的增产效果合压裂施工的成败。
脆性支撑剂（石英砂、玻璃珠、陶粒）
韧性支撑剂（核桃壳、铝球）
其过程为：地层破裂→裂缝→延伸→支撑剂→填
砂裂缝（具有很高的导流能力）
2021/7/13
2
第六章——水力压裂
（Hydraulic Fracturing）
2.压裂工艺发展简况 3.裂缝形态
垂直裂缝：裂缝面垂直于水平面 水平裂缝：裂缝面平行于水平面
2021/7/13
3
第六章——水力压裂
（Hydraulic Fracturing）
2021/7/13
33
增产（注）措施——压裂
二、高能气体压裂(High Energy Gas Fracturing)
2.高能气体压裂技术发展趋势
2）高能气体压裂与水力压裂及酸化复合 技术
油气井在开发生产的后期要进行水力压裂或酸 化处理，现在有几个油田已成功地把高能气体压 裂与水力压裂，高能气体压裂与酸化处理结合在 一起，并取得了良好的效果。
《水力压裂技术》PPT课件
h
24
➢腐蚀 ➢破碎 ➢镶嵌
➢支撑挤下沉
➢破胶不彻底，胶质残余物堵塞
h
5
水力压裂的现场实施 压裂施工设备
h
6
水力压裂的现场实施 压裂施工设备
h
7
HQ2000型压裂车
外型尺寸： 11.78m×2.5m×3.97m 总 重：31.9t
前后桥距：8.7m
转弯半径：18m 离地间隙：260mm 离 去 角：24° 最高工作压力：103.4MPa 最高工作压力下排量：
h
15
几种压裂工艺
分层压裂工艺技术
油田开发进入中后期以后，层间矛盾加剧，水窜严重， 有针对性的分层压裂技术是挖潜的重要手段。
h
16
压裂防砂技术
A、树脂防砂机理
Байду номын сангаас
覆膜砂是在筛选好的石
英砂表面，涂敷一层能够耐
高温的树脂粘合剂，制成常
温下呈分散粒状的树脂覆膜
砂，施工时在泵入石英砂后
期将树脂覆膜砂尾追泵入油
层，在油层温度和压力下，
树脂粘合剂交联固化，在井
底附近形成一个渗透率较好
且具有一定强度的挡砂屏障
以达到防止地层出砂的目的
。
h
17
压裂防砂技术
树脂砂提高导流能力的机理主要体现在两方面： 1、树脂砂外层的树脂薄膜可以防止破碎砂粒的运动。 2、树脂砂达到一定温度后，将会胶结，使裂缝内的支撑 剂固结，这样可以进一步防止碎屑运移。
h
9
施工准备
井场准备 压裂液准备 支撑挤准备 应急方案
压裂施工
设备运转情况检查 施工监测
h
压裂液 支撑挤 管汇泵车 采油树 采油树保护器 安全会议 施工会议
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
说明周向应力相等，与无关
当 x > y
()0,180= ()min
对称双翼裂缝
()90，270= ()max
分析
• 随r增加， 迅速降低(平方次)
• 应力集中(周向应力在井壁处最大,这是破裂压力大于 延伸压力的根本原因.) • 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)
x、y—x方向和y方向上应力，Pa；
r、—径向和周向（切向）应力，Pa； ，r— 任意径向与x轴的极角和极径，m； r—计算点剪切应力，Pa。
当r =rw，＝0及180时，＝ 3y－ x 当r =rw，＝90及270时，＝ 3x－ y
当 x = y ＝ 2y=2 x
w p
h
2xf
解除井底附近污染。
发展阶段
(1)一般性的单井增产、增注措施
(2)大型压裂工艺技术的发展和应用 (3)优化压裂设计技术的发展和应用
(4)低渗油藏整体压裂开发技术的研究和应用
(5)中高渗油藏端部脱砂压裂技术研究和应用
(6)复杂油气藏的改造技术研究和应用
第六章 水力压裂 （Hydraulic Fracturing)
井壁最终应力分布
• 根据最小主应力原理 —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 y z x x y z
2 水力压裂造缝条件
(1) 形成垂直缝
岩石破坏条件
－压为正，拉为负
大张应力原则）
h t
－最大有效周向应力大于水平方向抗拉强度（最
1 井壁最终应力分布
y
y
x
rw r
r x
（1）井筒处应力分布
2 2 4 x y rw x y 4rw 3rw 1 2 1 2 4 cos 2 r 2 r 2 r r 2 4 r 3 r x y x y w w 1 2 1 4 cos 2 2 r 2 r 2 4 x y 2rw 3 r w r 1 2 4 sin 2 2 r r
(2) 构造应力
• 定义与来源 • 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。 • 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。
当破裂时，Pi=PF
同理:
1 y [ y ( x z )] E 1 z [ z ( x y )] E
由于周围岩石的围限作用:
x y 0 x y z 1
考虑孔隙流体压力后的地层水平应力:
z pS pS x y 1
(3) 热应力 • 产生原因 • 特点 • 计算方法
T ET x y 1
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。
二、 水力压裂造缝机理
• 地应力分布十分复杂，既与区域动力场和局 部构造应力有关，又与现代活动应力场联系 密切。假设地层岩石为线弹性体，首先针对 裸眼井分析井壁最终应力分布，结合岩石破 裂准则讨论水力压裂诱发人工裂缝的造缝条 件。
3 水力压裂、酸化的作用
在勘探阶段
增加工业可采储量
在开发阶段
油气井增产 水井增注 调整层间矛盾，改善吸水剖面 二次和三次采油中应用
其它方面 煤层气开采，工业排污，废核处理等。
第六章 水力压裂
水力压裂历史
• 1947年 美国 Hｏｇｏｔｏｎ气田
——4 Limeston Gas Pay Zones（2340 to 2580 ft） ——BHTP =420psi ——Fluid=1000 gal of Napalm+2000 gals of Gaslion ——Proppant=Arkansas River Sand （2000lbs）
2kh( pr pwf ) qo a re 3 o Bo (ln s) rw 4
1.2 油气井增产途径
提高或恢复地层渗透率
保持压力增加地层能量 降低井底回压 降低原油粘度
1.3 油气井增产方法
水力压裂 酸化、酸压 爆炸（高能气体压裂） 物理法
1 2 z ( Pi Ps ) z 1
有效总垂向应力为：
z Pi z－
1 2 z Pi ( Pi Ps ) 1
1 2 z ( Pi Ps ) ( Pi Ps ) tv 1
re / r 1 1 rw / r 2 2 pi pe 2 2 re / rw 1 1 rw / re
2 2 2 2
当 re， Pe =0 于是 r= rw时，＝ - Pi
A.注入压裂液在井壁周围各个方向上所产生的 应力方向一致; B.注液产生的压力为张应力，向井筒注液有利 于撕开地层; C.注液产生的应力沿井轴半径是衰减的。离井
E
管内摩阻 裂缝延伸压力（静) 净裂缝延伸压力 C 裂缝闭合压力（静）
S 地层压力（静） 时间
a—致密岩石 b—微缝高渗岩石
图6-1 压裂施工曲线 PF—破裂压力 PE —延伸压力 PS —地层压力 P井底>= PF时
一、地应力分析
1 地应力场
地应力
原地应力
扰动应力
重力应力
构造应力
孔隙流体压力
诱导应力
有液体渗滤 y y Ps
x x Ps P i
1 2 h 3 y x 2( Pi Ps ) ( Pi Ps ) t 1
当破裂时，Pi=PF
3 y x PF 1 2 2 1
• 1949年 美国Aｍｏｃｏ公司 • 1952年 延长油矿 • 1955年 玉门油田
基本概念
用地面高压泵组，以超过地层吸收能力的 排量将高粘液体（压裂液）泵入井内，而在井 底憋起高压，当该压力克服井壁附近地应力达 到岩石抗张强度后，就在井底产生裂缝。继续 将带有支撑剂的携砂液注入压裂液，裂缝继续 延伸并在裂缝中充填支撑剂。停泵后，由于支 撑剂对裂缝的支撑作用，可在地层中形成足够 长、有一定导流能力的填砂裂缝。
因此，尚有十分广阔的油气资源等待进一步勘探发现， 这也是我国降低石油对为依存度的希望所在和根本战略。
降低我国石油对外依存度的另一战略
● 下大力气进行老油区老油田的增产挖潜、增
储上产、 进一步提高采收率
处于高含水期的老油田有60%的剩余油未被开采出来。
●
重视和加强低品位石油资源开发
油质差、储层条件复杂、开采难度叫大的石油地质储 量（稠油、低渗透等难动用储量）占用我国总探明储量的 一半以上。
石油对外依存度由29.6%上升到42.9%
根据预测
2010年中国石油消费总量：3.5亿吨 石油产量：1.8亿吨 对外依存度：50% 2020年中国石油消费总量：4.5亿吨 石油产量：1.8亿吨 对外依存度：60% 如果2030年至2040年经济持续增长，需要进口5 亿吨以上，对外依存度将达到80%以上。
井下超声波增产技术
油水井水力振荡增产技术
井下低频电脉冲增产技术
微波处理
1.4 油气井主流增产方法
水力加砂压裂
基质酸化
酸压
2各类储层中增产方法的使用
砂岩储层
水力压裂、基质酸化
碳酸盐岩储层
酸压、基质酸化、水力压裂 特低渗储层 MHF 特低渗坚硬储层
高能气体压裂、高能气体压裂+水力压裂…...
增产措施 Reservoir stimulation
绪论
•油气井增产方法 •酸化水力压裂历史 •各类储层中增产方法的使用
•增产措施在勘探开发中的作用
1 油气井增产方法
1.1 油气井低产的主要原因
近井地带受伤害，导致渗透率严重下降
油气层渗透性差
地层压力低，油气层剩余能量不足
地层原油粘度高
与2000年相比，2005年
我国原油产量增加11.6%，年均增长率为2.2%
进口量增加80.8%，年均增长率12.6%
净进口量增加98.9%，年均增长率14.7% 油品净进口量增加78.1%，年均增长率12.2% 原油和油品净进口量增加96.0% ，年均增长率 14.4%
石油表观消费量增加36.8%，年均增长率6.5%
增产机理
沟通井筒附近的高渗透带、储层深部裂缝系 统及油气区，扩大供油面积。
洞穴～裂缝型
孔洞～裂缝型
裂缝型
改善油气流动方式。
裂缝线性流
Wellbore
地层、裂缝双线性流
地层线性流
降低井附近的渗流阻力:
Well
Байду номын сангаас
p
压前 压力 压后
p pwf
距井筒位置 距井筒位置
酸蚀裂缝增大渗流面积： 正常投产向井渗流面积： A0= 2×3.14×rw×H =2×3.14×0.1m×10m=6.28m2 形成长度为Xf,高度为H的裂缝后 渗流面积： Af= 4×Xf×H＝ 4×100m×10m=4000m2
轴越远，应力越小。
(3) 压裂液渗入地层引起的井壁应力
1 2 ( Pi Ps ) 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
当 x > y
()0,180= ()min
对称双翼裂缝
()90，270= ()max
分析
• 随r增加， 迅速降低(平方次)
• 应力集中(周向应力在井壁处最大,这是破裂压力大于 延伸压力的根本原因.) • 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)
x、y—x方向和y方向上应力，Pa；
r、—径向和周向（切向）应力，Pa； ，r— 任意径向与x轴的极角和极径，m； r—计算点剪切应力，Pa。
当r =rw，＝0及180时，＝ 3y－ x 当r =rw，＝90及270时，＝ 3x－ y
当 x = y ＝ 2y=2 x
w p
h
2xf
解除井底附近污染。
发展阶段
(1)一般性的单井增产、增注措施
(2)大型压裂工艺技术的发展和应用 (3)优化压裂设计技术的发展和应用
(4)低渗油藏整体压裂开发技术的研究和应用
(5)中高渗油藏端部脱砂压裂技术研究和应用
(6)复杂油气藏的改造技术研究和应用
第六章 水力压裂 （Hydraulic Fracturing)
井壁最终应力分布
• 根据最小主应力原理 —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 y z x x y z
2 水力压裂造缝条件
(1) 形成垂直缝
岩石破坏条件
－压为正，拉为负
大张应力原则）
h t
－最大有效周向应力大于水平方向抗拉强度（最
1 井壁最终应力分布
y
y
x
rw r
r x
（1）井筒处应力分布
2 2 4 x y rw x y 4rw 3rw 1 2 1 2 4 cos 2 r 2 r 2 r r 2 4 r 3 r x y x y w w 1 2 1 4 cos 2 2 r 2 r 2 4 x y 2rw 3 r w r 1 2 4 sin 2 2 r r
(2) 构造应力
• 定义与来源 • 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。 • 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。
当破裂时，Pi=PF
同理:
1 y [ y ( x z )] E 1 z [ z ( x y )] E
由于周围岩石的围限作用:
x y 0 x y z 1
考虑孔隙流体压力后的地层水平应力:
z pS pS x y 1
(3) 热应力 • 产生原因 • 特点 • 计算方法
T ET x y 1
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。
二、 水力压裂造缝机理
• 地应力分布十分复杂，既与区域动力场和局 部构造应力有关，又与现代活动应力场联系 密切。假设地层岩石为线弹性体，首先针对 裸眼井分析井壁最终应力分布，结合岩石破 裂准则讨论水力压裂诱发人工裂缝的造缝条 件。
3 水力压裂、酸化的作用
在勘探阶段
增加工业可采储量
在开发阶段
油气井增产 水井增注 调整层间矛盾，改善吸水剖面 二次和三次采油中应用
其它方面 煤层气开采，工业排污，废核处理等。
第六章 水力压裂
水力压裂历史
• 1947年 美国 Hｏｇｏｔｏｎ气田
——4 Limeston Gas Pay Zones（2340 to 2580 ft） ——BHTP =420psi ——Fluid=1000 gal of Napalm+2000 gals of Gaslion ——Proppant=Arkansas River Sand （2000lbs）
2kh( pr pwf ) qo a re 3 o Bo (ln s) rw 4
1.2 油气井增产途径
提高或恢复地层渗透率
保持压力增加地层能量 降低井底回压 降低原油粘度
1.3 油气井增产方法
水力压裂 酸化、酸压 爆炸（高能气体压裂） 物理法
1 2 z ( Pi Ps ) z 1
有效总垂向应力为：
z Pi z－
1 2 z Pi ( Pi Ps ) 1
1 2 z ( Pi Ps ) ( Pi Ps ) tv 1
re / r 1 1 rw / r 2 2 pi pe 2 2 re / rw 1 1 rw / re
2 2 2 2
当 re， Pe =0 于是 r= rw时，＝ - Pi
A.注入压裂液在井壁周围各个方向上所产生的 应力方向一致; B.注液产生的压力为张应力，向井筒注液有利 于撕开地层; C.注液产生的应力沿井轴半径是衰减的。离井
E
管内摩阻 裂缝延伸压力（静) 净裂缝延伸压力 C 裂缝闭合压力（静）
S 地层压力（静） 时间
a—致密岩石 b—微缝高渗岩石
图6-1 压裂施工曲线 PF—破裂压力 PE —延伸压力 PS —地层压力 P井底>= PF时
一、地应力分析
1 地应力场
地应力
原地应力
扰动应力
重力应力
构造应力
孔隙流体压力
诱导应力
有液体渗滤 y y Ps
x x Ps P i
1 2 h 3 y x 2( Pi Ps ) ( Pi Ps ) t 1
当破裂时，Pi=PF
3 y x PF 1 2 2 1
• 1949年 美国Aｍｏｃｏ公司 • 1952年 延长油矿 • 1955年 玉门油田
基本概念
用地面高压泵组，以超过地层吸收能力的 排量将高粘液体（压裂液）泵入井内，而在井 底憋起高压，当该压力克服井壁附近地应力达 到岩石抗张强度后，就在井底产生裂缝。继续 将带有支撑剂的携砂液注入压裂液，裂缝继续 延伸并在裂缝中充填支撑剂。停泵后，由于支 撑剂对裂缝的支撑作用，可在地层中形成足够 长、有一定导流能力的填砂裂缝。
因此，尚有十分广阔的油气资源等待进一步勘探发现， 这也是我国降低石油对为依存度的希望所在和根本战略。
降低我国石油对外依存度的另一战略
● 下大力气进行老油区老油田的增产挖潜、增
储上产、 进一步提高采收率
处于高含水期的老油田有60%的剩余油未被开采出来。
●
重视和加强低品位石油资源开发
油质差、储层条件复杂、开采难度叫大的石油地质储 量（稠油、低渗透等难动用储量）占用我国总探明储量的 一半以上。
石油对外依存度由29.6%上升到42.9%
根据预测
2010年中国石油消费总量：3.5亿吨 石油产量：1.8亿吨 对外依存度：50% 2020年中国石油消费总量：4.5亿吨 石油产量：1.8亿吨 对外依存度：60% 如果2030年至2040年经济持续增长，需要进口5 亿吨以上，对外依存度将达到80%以上。
井下超声波增产技术
油水井水力振荡增产技术
井下低频电脉冲增产技术
微波处理
1.4 油气井主流增产方法
水力加砂压裂
基质酸化
酸压
2各类储层中增产方法的使用
砂岩储层
水力压裂、基质酸化
碳酸盐岩储层
酸压、基质酸化、水力压裂 特低渗储层 MHF 特低渗坚硬储层
高能气体压裂、高能气体压裂+水力压裂…...
增产措施 Reservoir stimulation
绪论
•油气井增产方法 •酸化水力压裂历史 •各类储层中增产方法的使用
•增产措施在勘探开发中的作用
1 油气井增产方法
1.1 油气井低产的主要原因
近井地带受伤害，导致渗透率严重下降
油气层渗透性差
地层压力低，油气层剩余能量不足
地层原油粘度高
与2000年相比，2005年
我国原油产量增加11.6%，年均增长率为2.2%
进口量增加80.8%，年均增长率12.6%
净进口量增加98.9%，年均增长率14.7% 油品净进口量增加78.1%，年均增长率12.2% 原油和油品净进口量增加96.0% ，年均增长率 14.4%
石油表观消费量增加36.8%，年均增长率6.5%
增产机理
沟通井筒附近的高渗透带、储层深部裂缝系 统及油气区，扩大供油面积。
洞穴～裂缝型
孔洞～裂缝型
裂缝型
改善油气流动方式。
裂缝线性流
Wellbore
地层、裂缝双线性流
地层线性流
降低井附近的渗流阻力:
Well
Байду номын сангаас
p
压前 压力 压后
p pwf
距井筒位置 距井筒位置
酸蚀裂缝增大渗流面积： 正常投产向井渗流面积： A0= 2×3.14×rw×H =2×3.14×0.1m×10m=6.28m2 形成长度为Xf,高度为H的裂缝后 渗流面积： Af= 4×Xf×H＝ 4×100m×10m=4000m2
轴越远，应力越小。
(3) 压裂液渗入地层引起的井壁应力
1 2 ( Pi Ps ) 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