水力压裂的工艺过程

水力压裂：
利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能 力的排量注入井中，在井底憋起高压；当此压力大于井壁附 近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层产生裂 缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支 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。
一、油井应力状况
(一)地应力
z
y
垂向应力：上覆层的岩石重量。
Z S gdz
0
H
x
Z Z Ps 有效垂向应力：
如果岩石处于弹性状态，可根据广义虎克定律建立岩石的 有效水平应力与有效垂向应力的关系： 在三向应力作用下，x轴方向上的应变分别为：
1 x1 x E
第六章 水力压裂技术
主要内容：
(1) 造缝机理 (2) 压裂液 (3) 支撑剂 (4) 压裂设计
压裂的定义：
用压力将地层压开一条或几条水平的或垂直的裂缝，并 用支撑剂将裂缝支撑起来，减小油、气、水的流动阻力，沟 通油、气、水的流动通道，从而达到增产增注的效果。
压裂的种类：(根据造缝介质不同)
水力压裂 高能气体压裂 利用特定的发射药或推进剂在油气井的目 的层段高速燃烧，产生高温高压气体，压 的液体二氧化碳和石英砂进行压裂， 干法压裂 利用100% 裂地层形成多条自井眼呈放射状的径向裂 无水无任何添加剂，压后压裂液几乎完全排出 缝，清除油气层污染及堵塞物，有效地降 地层，可避免地层伤害。其关键技术是混合砂 低表皮系数，从而达到油气井增产的目的 子进入液体二氧化碳中的二氧化碳混合器。适 的一种工艺技术。 用于对驱替液、冻胶或表面活性剂的伤害敏感 的地层，适合的储层包括渗水层、低压层及有 微粒运移的储层以及水敏性储层。
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
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
地层压力
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
r
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)：
Pe re2 Pi ra2 Pe Pi re2 ra2 2 2 2 2 2 re ra r re ra
x2

E
y
x3

E
z
由于存在侧向应力的约束，则：
x x1 x 2 x 3
令： x
1 x y z 0 E



y 得： x y

1
z
考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大、最小水平 侧压系数 主应力为：
(二)井壁上的应力
(1) 当
r ， a
x y H
， y 2 H x 2 1.井筒对地应力及其分布的影响 时， 2 说明圆孔壁上各点的周向 地层三维应力问题 应力相等，且与角度无关。 转化为二维方法处理 (2) 当 r a， x y 时，
min 0 ,180


当re=∞、Pe=0及r=ra时，井壁上的周向应力为：
Pi
即由于井筒内压而导致的周向应力与内压大小相等，
方向相反。
3.压裂液径向渗入地层所引的井壁应力
由于注入井中的高压液体在地层破裂前，渗入井筒 周围地层中，形成了另外一个应力区，它的作用是增大 了井壁周围岩石中的应力。增加的周向应力值为： Cr 1 2 1 Pi Ps Cb 1 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
3 x y
max 90 ,270
图6-2 无限大平板中钻一圆孔的应力分布
。
Hale Waihona Puke 说明最小周向应力发生在 y 方向上，而最大周向应
圆孔周向应力：
力却在 的方向上。 x (3) 随着 的增加， x y a 2 x y 3a 4 1 2 1 4 cos 2 2 r 2 r 周向应力迅速降低。
H max H min
1 1 E 2 Z PS 2 E PS 2 1 1 1
1 1 E 2 Z PS 2 E PS 2 1 1 1
水力压裂的工艺过程：
裂缝延伸
憋压
造逢 充填支撑剂
裂缝闭合
水力压裂增产增注的原理:
(1) 改变流体的渗流状态：使原来径向流动改变为油层与 裂缝近似的单向流动和裂缝与井筒间的单向流动，消除了 径向节流损失，降低了能量消耗。
(2) 降低了井底附近地层中流体的渗流阻力：裂缝内流体 流动阻力小。
第一节 造缝机理
高能气体压裂：利用特定的发射药或推进剂在油
气井的目的层段高速燃烧，产生高温高压气体， 压裂地层形成多条自井眼呈放射状的径向裂缝， 清除油气层污染及堵塞物，有效地降低表皮系数， 从而达到油气井增产的目的的一种工艺技术。
干法压裂：利用100%的液体二氧化碳和石英砂进
行压裂，无水无任何添加剂，压后压裂液几乎完 全排出地层，可避免地层伤害。其关键技术是混 合砂子进入液体二氧化碳中的二氧化碳混合器。 适用于对驱替液、冻胶或表面活性剂的伤害敏感 的地层，适合的储层包括渗水层、低压层及有微 粒运移的储层以及水敏性储层。
1 2 3 y x Pi Pi Ps 1
二、造缝条件
（一）形成垂直裂缝的条件