西南石油采油工程课件第六章水力压裂.ppt
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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
采油工程-第06章--水力压裂--汤
1 2 Pi Ps 1
4.井壁上的最小总周向应力
Cr 1 Cb
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：
1 2 3 y x Pi Pi Ps 1
二、造缝条件
3 y x
3 x y
。
x 的方向
上。 (3) 随着 r 的增加，周向应力迅 速降低。如图6-2（b）所示。这种
应力分布表明，由于圆孔的存在，
产生了圆孔周围的应力集中，孔壁 上的应力比远处的大得多，则就是
图6-2无限大平板中钻一圆孔 的应力分布
地层破裂压力大于裂缝延伸压力的
第二节
压裂液
影响压裂施工成败的诸多因素中，压裂液 的性能是其中的主演性质之一。 前置液 破裂地层、造缝、降温作用。一般用未交联
的溶胶。
携带支撑剂、充填裂缝、造缝及冷却地层作
携砂液
用。必须使用交联的压裂液(如冻胶等)。
中间顶替液：携砂液、防砂卡；
顶替液
末尾顶替液：替液入缝，提高携砂液效率和 防止井筒沉砂。
加压口
右边是一个高温高压静滤失 仪的示意图，滤筒底下有一个带 孔的塞座，其上有滤纸或岩心片， 筒内有压裂液，在恒温下加压， 在下端出口处放一个量筒计量滤 失量，并记录时间。数据处理后 得到了一个曲线。
筛座 （含滤纸或岩心片） 出液口 图6-4 静滤失仪示意图
如图6-5所示曲线。形成滤饼 前，液体滤失较快；形成滤饼以 后，滤失受滤饼的控制，滤失量 比较稳定。将Vsp记成形成滤饼前 的滤失量，称为初滤失量。
⑦易返排
施工结束后大部分注入液体应能返排出井外，以减少 压裂液的损害。
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
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。
水力压裂施工工艺曲线解析PPT课件
• 在前置液阶段加入段塞砂时，泵压上升了1-3个MPa，说 明裂缝宽度增加。
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现场施工中得出的几点认识
携砂液阶段： • 在低砂比阶段，泵压出现下降趋势，是液柱压力
增加高于液体摩阻增加。 • 在高砂比阶段，泵压出现上升趋势，是液体摩阻
的增加高于液柱压力增加。
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波动型: 在P-t双对数坐标系中，压力 曲线上下波动(V)，分析认为 是受地层物性特征的影响， 说明了同一地层物性的严重 非均质性。
P—t双对数曲线图
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上升型: 特点为排量稳定， 砂比稳定或提高， 泵压连续上升。
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曲线原因分析
上升型：有两种形态。
• 第一种是在P-t双对数 坐标系中，曲线斜率 较小(I)，即上升速度 非常缓慢，说明裂缝 受地层渗透性差、层 薄，使裂缝在高度方 向延伸受阻，沿水平 方向延伸又缓慢。
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2
压裂施工过程的主要步骤
• 1、排空：目的是了解液罐供液情况和每台 压裂车的上水情况。
• 2、试压：目的是检查井口（总闸门以上部 位）及高压管线系统连接部位受压情况， 以保证正常施工。
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3
• 3、前置液阶段：小排量向地层挤入液体，了解井 下管柱是否畅通和地层的吸收能力；继续提高排 量，在井底产生足够的压力，使地层形成裂缝。
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讨论问题
在施工过程中，泵压受哪些方面的影响 （1）施工排量 （2）液体摩阻 （3）液氮 （4）地层本身
《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
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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
水力压裂采油工程28页PPT
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
水力压裂采油工程
11、获得的成功制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
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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% 石油对外依存度由29.6%上升到42.9%
• 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）
p
=2×3.14×0.1m×10m=6.28m2
形渗成流长面度积为：Xf,高度为H的裂缝后
4×A10f=0m4××1X0fm×=H4＝000m2
距井筒位置
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
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。
• 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。
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。
我国未来15年的经济增长将维持在7%以上， 原油需求将至少以4%左右的速度增加，但原油产 量增长速度难以超过9%，原油供需缺口逐年加大， 我国原油的生命线将越来越脆弱。
第六章 水力压裂 （Hydraulic Fracturing)
— 水力压裂力学 — 水力压裂材料性能与评价 — 水力压裂裂缝延伸模拟 — 支撑剂在裂缝中运移分布 — 水力压裂效果分析 — 水力压裂工艺技术 — 水力压裂诊断评估技术
第一节 水力压裂造缝机理
破裂 压
加砂
力
F 前置液
携砂液
停泵 裂缝闭合
地应力
原地应力
扰动应力
构造应力
孔隙流体压力
诱导应力
1.1 重力应力
z
x
x =
+
z +
y力: x ， y， z 应 变: x， y， z
z 10 6 0H r (h)gdh
z z Ps
一旦世界风云突变，我国的石油安全将首当 其冲地受到极大威胁。
第三次资源调查初步表明：
• 我国石油资源量1110亿吨；
• 天然气资源量53万亿立方米； • 可采石油储量150亿吨； • 可采天然气储量14万亿立方米； • 探明石油地质储量255亿吨； • 探明可采石油储量67.91亿吨； • 探明天然气地质储量5.6万亿立方米； • 探明可采天然气储量2.77万亿立方米。
qo
a
2kh( oBo (ln
pr pwf ) re 3 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
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…...
3 水力压裂、酸化的作用
• 在勘探阶段
增加工业可采储量
a b
排量不变，提高砂比，压力 H 升高反映了正常的裂缝延伸
E
a—致密岩石 b—微缝高渗岩石
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
图6-1 压裂施工曲线
PF—破裂压力 PS —地层压力
PE —延伸压力 P井底>= PF时
一、地应力分析
1 地应力场
重力应力
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:
压前 压后
Well p p
pwf
压力
距井筒位置
酸蚀裂缝增大渗流面积：
w
正常投产向井渗流面积：
A0= 2×3.14×rw×H