水力压裂_精品文档
第1章-水力压裂
作用: Ø传递压力； Ø起裂和延伸裂缝； Ø携砂。
前置液
起缝、延伸裂缝、冷却
按
作
携砂液
延伸裂缝、悬砂
用
分
顶替液
顶替砂浆
对压裂液的要求: Ø与地层配伍； Ø有效悬浮和输送支撑剂； Ø滤失少； Ø摩阻低； Ø低残渣； Ø易返排； Ø热稳定性； Ø抗剪切稳定性。
一、压裂液类型
各种压裂液所占的比例
增能气 体, 25%
第一章 水力压裂
内容提要
Ø水力压裂造缝机理 Ø压裂液 Ø支撑剂 Ø水力压裂延伸模拟 Ø支撑剂输送 Ø水力压裂评价与设计 Ø压裂工艺技术
压裂:
hydraulic
分类: fracturing
水力压裂:利用地面高压泵组，以超过地层吸收能力 的排量将高粘压裂泵入井内而在井底产生高压，当 压力克服井壁附近地应力并达到岩石抗张强度时， 就在地层产生裂缝。继续泵注带有支撑剂的压裂液， 使裂缝继续延伸并在其中充填支撑剂。停泵后，由 于支撑剂对裂缝的支撑作用，在地层中形成足够长 的、有一定导流能力的填砂裂缝，从而实现油气井 增产和水井增注。
' w
0.5m A
修正：
cw
cw'
p f pa
1 2
用途:静态滤失系数 用于筛选评价压裂液
用途:动态滤 失系数为压裂 设计提供参数
2.受压裂液粘度控制的滤失系数
假设条件: Ø侵入符合达西定律； Ø活塞驱动
压裂液的实际滤失速度：
va
dL0.058Kp
dt
f L
积分求L，回代达西定律
12
v0.05K 8 f Lp0.17K ftp
牛顿型：
圆管稠度系数：
Kp
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
第九章 水力压裂
1、 Eaton法（1969）
Eaton法在美国海湾地区应用比较广泛。该方法的前提条件是： （1） 岩层处于均匀水平地应力状态(horizontal in site
stress state )； （2）地下岩体充满节理、层理和微裂隙； （3）钻井液在压力作用下沿裂隙侵入，张开裂缝( crack)只 需克服垂直裂缝面的地应力。
principal stress )的方向扩展。由于最小主地应力一般都是
水平方向，因此裂缝一般是垂直缝，对于直井，裂缝如下图所 示。
图9-1 直井水力压裂垂直裂缝
井眼中，水力压裂(hydraulic fracture )会在垂直于最小 地应力(minor in site stress )的方向产生两个对称的裂缝翼。 如果两个水平地应力(horizontal in site stress )相等，裂 缝( crack)方向就很难确定。
如下四种基本用途。
1、克服近井地带污阻
目前的钻井技术不可避免的造成近井地带的污染，它包括 钻井液的液相污染和固相污染，这些污染常使油气从地层流入 井内的能力大为减弱。 水力压裂(hydraulic fracture )可以改造污染带，提高其 渗透性，建立良好的油流通道。 水力压裂后的油气产量可增加几倍到几十倍。
一、 漏失试验(leak-off test )
在钻井过程中最容易出现破裂的层位是套管鞋附近。因此漏失 试验(leak-off test )是在下套管固井后，钻十几米后做，以确定 地层的最小破裂压力梯度(minor break-down pressure gradient )。 漏失试验(leak-off test )过程：关井，用水泥车通过钻杆泵 入泥浆，记录压力和时间或泵入量。当压力偏离直线时，停泵。 典型的漏失实验曲线如下图(图9－3)所示。
第6章 水力压裂技术(20130325)
（2）破裂压力计算方法
裂缝方位： 水力裂缝总是沿着垂直于最小主应力方向延伸。 （1）σz=min(σx ,σy ,σz) 水平缝 垂直缝
（2）σx(σy)=min(σx ,σy ,σz) 方向：取决于最小主应力方向
4.破裂压力梯度
破裂压力梯度用下式表示：
地层破裂压力 油层中部深度
浅层：水平缝
2）粒径及其分布 3）支撑剂类型与铺砂浓度 4）其它因素 如支撑剂的质量、密度以及颗粒园球度等
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第四节
压裂设计的任务：
压裂设计
优选出经济可行的增产方案
压裂设计的原则：
最大限度发挥油层潜能和裂缝的作用 使压裂后油气井和注入井达到最佳状态
压裂井的有效期和稳产期长
压裂设计的方法：
根据油层特性和设备能力，以获取最大产量或经济效 益为目标，在优选裂缝几何参数基础上，设计合适的加砂 方案。
FRCD＝Wf˙Kf＝（KW）f
裂缝参数：Lf，FRCD，是最关键的因素； 最大缝宽： Wmax， Wf
4 Wmax
动态缝宽：施工过程中的裂缝宽度；～10mm 支撑缝宽：裂缝闭合后的宽度 W支；3～5mm。
一、支撑剂的要求 1.粒径均匀；
2.强度大，破碎率小； 3.圆度和球度高；
4.密度小； 5.杂质少。
(2)受地层流体压缩性控制CⅡ ：
当压裂液粘度接近油藏流体粘度时，控制压 裂液滤失的是储层岩石和流体的压缩性，这是因 为储层岩石和流体受到压缩，让出一部分空间压 裂液才得以滤失进去。
C
kCf 4.3 10 P r
3
1/ 2
s 式中： μr－地层流体粘度，mPa· ；
1 C
第五章水力压裂技术
第五章 水力压裂技术§5—1 水力压裂力学地层中形成水力裂缝的过程与液体流动特性及岩石的力学性质有关。
水力造缝的本质是岩石在液体压力作用下的破裂与变形问题，因此造缝特性与岩石的受力及力学性质有关。
一．地应力场1．地应力场概念：地应力是由于岩石变形引起的介质内部单位面积上的作用力。
地应力场：是指地应力大小和方向在地层空间位置的分布。
2．地应力剖面概念地应力剖面是指研究地应力大小在纵向上的变化。
二．地应力的类型（1）原地应力：开发之前地应力原始大小。
（2）扰动应力：开发引起的地应力改变。
（3）构造应力：由构造运动在岩体中引起的应力。
（4）残余应力：除去外力后尚残存在岩石中的应力。
（5）重力应力：由上覆岩层的质量引起的地应力。
（6）热应力：由于地层温度发生变化在其内部引起的内应力增量。
（7）分层地应力：按地层分层给出不同的地应力。
（8）古地应力和现今地应力：某地质时期或重要地质事件前的地应力称古地应力。
目前存在或正在活动的称现今地应力。
石油工程关心的是现今地应力。
3．地应力测试1）长源距声波与密度测井方法该方法通过测井取得剖面上变化的岩石的纵波速度P υ和横波速度S υ，然后求出岩石泊松比ν的纵向变化，利用下式求出最小水平主应力σh ，而取得地应力剖面。
σh ()1P P ννσααν=-+- 4—12222212P S P S υυνυυ-=- 4—2 式中：σv —上覆层压力，通过密度测井得到。
P —地层压力；α—孔隙弹性系数，通过实验测的。
2）测试压裂方法（现场常用）测试压裂：是将不含砂的压裂液注入地层，造缝后停泵侧压力降落曲线，待曲线上出现拐点后测试结束，出现拐点时相应的压力即裂缝闭合压力，其大小与岩层中垂直于裂缝面的应力值相等，也即就是地层最小主应力。
如图4—1 所示。
上图中，产生人工裂缝后停泵，裂缝停止扩展处于临界闭合状态，闭合压力为P s 。
图4—1 水力压裂测试典型压力曲线结论：可以认为，裂缝临界闭合时，裂缝内的流体压力等于裂缝闭合的最小地应力。
储层改造--水力压裂技术
5、其它压裂液 （1）、醇基压裂液
（2）、胶束压裂液
（ 3）、浓缩胶压裂液
压裂液类型
1、水基压裂液体系 以水为分散介质，添加各种处理剂，特别是水溶性聚合物，形成具有 压裂工艺所需的较强综合性能的工作液。 一般水溶性聚合物与添加剂的水溶 液称为线性胶或稠化水压裂液。加入交 联剂后会形成具有粘弹性的交联冻胶 （具有部分固体性质，但在一定排量下又能流动） 特点：安全、清洁和容易以添加剂控制其性质而得到广泛应用。除少数 水 敏地层外几乎可用到所有油气储层。是发展最快最全面的体系。 水基压裂 液主要是用水溶胀性聚合物作为成胶剂，制成能悬浮支撑剂的稠 化溶液，具 有粘度高、摩阻低及悬砂能力强的优点。 缺点：热稳定性和机械剪切稳定性较差。为了克服这一缺点，又发展了 交链压裂液和延迟交链压裂液。
泡沫半衰期：在大气压条件下，用来产生泡沫的液体有一半从泡沫中所 破裂出 所需的时间。 70%-80%干度的泡沫使用高质量起泡剂一般有3-4min半衰期，添 加聚合 物稳定剂可延长到20~30min.
配制泡沫压裂液的液体：水、稠化水、交联冻胶等含表面活性剂。
泡沫的滤失性
滤失系数：泡沫流体施工时度量流体滤入地层的流动阻力的一 个系数。 主要影响因素： 1）岩心试样的渗透率，当其增度，其增大，滤失变小； 3）温度增加滤失量缓慢增加（随温度增加使泡沫液相稀释）；
优点：避免对水敏性产油层使水基液而引起的地 层伤害。适用低压、 偏油润湿、强水敏性地层。 缺点：易燃，摩阻高、比水基压头小导致泵压 高、添加剂用量大、成 本高、现场配制及质量控制 较困难。
4、乳化压裂液体系及添加剂 油水两相基本类型：油外相和水外相 油外相乳化液的粘性与基油十分相似，它可与油的高粘度相联系的高摩擦 阻力（对比水外相）。 乳化压裂液水相由植物胶稠化剂和含有表面活性剂的淡水或盐水配制而 成，油相可以是原油或柴油。 根据表面活性剂（乳化剂）性质 不同，可形成水包油和油包水两种类 型 压裂液。 粘度随水相聚合物浓度及油相体积比例增加而增大。
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：
[工学]水力压裂讲义
![[工学]水力压裂讲义](https://img.taocdn.com/s3/m/413fc92d50e2524de4187e1d.png)
Fp H F12 vv H z1 1 3 vvH ps
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
第三十八页，共188页。
第三十八页，编辑于星期一：十二点 二十八分。
三、 地应力的测量及计算
（1） 矿场测量
— 水力压裂法(Page 245 )
3 y x 2 (P i P s) (P i P s)1 1 2 th 当破裂时，Pi=PF
PF
3y x th 212
Ps
1
第二十九页，共188页。
第二十九页，编辑于星期一：十二点 二十八分。
无液体渗滤 Ps
3 y x 2 (P i P s) (P i P s)1 1 2 th 3yx(P iPs)th
第二十页，共188页。
第二十页，编辑于星期一：十二点 二十八分。
二、水力压裂造缝机理
1 井壁最终应力分布
y
y
r
x
Rw r
x
第二十一页，共188页。
第二十一页，编辑于星期一：十二点 二十八分。
（1）井筒处应力分布
x 2y(1R r2 w 2)x 2y(13 rR 4w 4)co 2s
当r =rw，＝0及180时，＝ 3y－ x 当r =rw，＝90及270时，＝ 3x－ y
已知某砂岩油藏岩石平均密度ρr=2300kg/m3，泊 松比ν=0.20，地层压力系数1.05，孔隙弹性 常数=0.72。并假设水平方向地应力均匀分 布，抗张强度为σth,=3.5MPa, 忽略沉积岩的垂
向抗张强度。试计算无滤失条件下形成垂直裂缝 和水平裂缝的深度界限HC。
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水力压裂
什么是水力压裂？
水力压裂（Hydraulic Fracturing，简称水压）是一种在地下岩石层中注入高压水和添加剂以制造裂缝的技术。
它被广泛用于油田和天然气开采中，旨在增加地下储层的渗透率和产量。
水力压裂是目前广泛使用的一种增产方法，可应用于各种类型的地质结构和岩石组合。
水力压裂的原理和过程
压裂液的组成
水力压裂过程中使用的压裂液是由水、砂和添加剂组成的混合物。
水的主要作用是传递压力，并在裂缝形成后将砂颗粒带入其中以保持裂缝的开放性。
砂颗粒的大小和形状可以根据具体的地质条件进行调整。
添加剂通常包括粘度剂、消泡剂、防菌剂和界面活性剂等，用于改善压裂效果以及保护设备。
压裂过程
水力压裂通常是在千米以下的深井中进行的。
整个过程分为多个步骤：
1.预处理：地下岩石的特性和地质结构分析后，会进行预处理来确定
最佳注水点和压裂压力。
这一步骤通常包括孔隙度测量、浸泡实验和岩心分析等。
2.井筒注水：在进行水力压裂前，需要先在井筒中注入压裂液。
压裂
液通过井筒进入地下岩石层，加压注入。
3.裂缝扩张：高压的压裂液在地下岩石层中流动，对岩石施加巨大的
压力。
这个过程会导致岩石层裂缝扩张，增加油气的渗透区域。
4.砂颗粒进入：压裂液中的砂颗粒会随着液体一起进入岩石裂缝中。
这些砂颗粒的作用是防止裂缝在裂缝压力释放后重新闭合。
5.压力释放：压力释放后，压裂液从井筒中排出，油气开始从裂缝中
渗出到井筒中。
水力压裂的优势和挑战
优势
1.提高产量：水力压裂可以显著增加地下储层的渗透率，从而提高油田
和天然气田的产量。
2.提高可采储量：通过裂缝扩张和增加储层渗透性，水压可以开发以前
无法利用的油气资源。
3.可针对不同地质条件：水力压裂可以适应不同类型的地质结构和岩石
组合，具有一定的灵活性。
挑战
1.环境影响：水力压裂过程中使用的大量水和化学添加剂可能对地下水
资源和环境造成污染。
2.地震风险：水力压裂过程中产生的岩石应力释放可能导致地震活动，
尤其是在地下注水压力较大的地区。
3.水资源需求：水力压裂需要大量的水资源，这可能会对供水系统和周
围地区的水供应造成压力。
结论
水力压裂是一种广泛使用的增产技术，用于油田和天然气开采中。
它可以显著提高地下储层的渗透性和产量，但同时也面临环境影响和地震风险的挑战。
在实施水力压裂时，应充分考虑这些挑战并采取相应的防范措施，以确保能够最大限度地发挥其优势并最小化潜在的负面影响。