采油工程-课件

Pere2 Pira2 re2 ra2

Pe Pi re2ra2 r 2 re2 ra2
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：
基液：淡水、盐水、聚合物水溶液等； 气相：二氧化碳、氮气、天然气； 发泡剂：非离子型活性剂； 泡沫干度：65％～85％； 适用井深：小于2000米。
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。
4.水力压裂工艺技术
压裂设备：储罐、泵车、混砂车、运砂车、管汇车、
仪表车（现场指挥车）、消防车等。
水力压裂施工现场
水力压裂施工现场
水力压裂示意图Schematic diagram of hydraulic fracturing
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
地层破裂压力：使地层产生水力裂缝时的井底流动压力。
裂缝延伸压力：使水力裂缝在长、宽、高三个方向扩展 所需要的缝内流体压力。
裂缝闭合压力：使裂缝恰好保持不致于闭合所需要的流 体压力，它与地层中垂直于裂缝面的最小主应力大小相等 ，方向相反。
一、压裂液类型
水基、油基、泡沫、醇基压裂液。
1.水基压裂液
用水溶胀性聚合物(成胶剂)经交链剂交链后形成的冻胶。
水 + 成胶剂
+
交链剂
植物胶（胍胶、田菁、皂仁等） 纤维素衍生物 合成聚合物
硼酸盐 钛、锆等有机金属盐
施工结束后，为了使冻胶破胶还需要加入破胶剂（过硫 酸胺、高锰酸钾和酶）。
不适用于水敏性地层。
力：
PF

PS

3 y

x

h t
21 2
1
由于最小总周向应力发生在θ＝0°,180°的对称点上， 垂直裂缝也产生在这两个点上(θ＝0°,180° )。
理论上一般假定垂直裂缝是以井轴为对称的两条缝，
实际上由于地层的非均质性和局部应力场的影响，产生 的裂缝往往是不对称的。
2.形成水平裂缝的条件 Horizontal Fracture
sq =
(Pi -
Ps ) a
11-
2n n
a
=
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
二、造缝条件
1.形成垂直裂缝 Vertical Fracture
当
s
h t
<
s
v t
时，形成垂直裂缝。
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。
sq ³
s
h t
岩石为各向同性材料，破裂时的裂缝方 向总是垂直于最小主应力轴。
z x y
当产生裂缝时，井筒内注入流体的压力即为地层的破裂压
当
s
h t
>
s
v t
时，形成水平裂缝。
当井壁上存在的垂向应力达到井壁岩石的垂向的抗张强度时， 在与垂向应力相垂直的方向上产生水平裂缝。
sZ ³
s
v t
产生水平裂缝时，井筒内注入流 体的压力等于地层的破裂压力：
PF

Ps

z


v t
1 1 2
1
实验修正：
PF

Ps

z tv 1.9412
水力压裂特点
技术成熟度高，是低渗透油气藏开发的主要技术。
形成单一裂缝，裂缝方向受地应力控制。对特低渗 油藏，远离裂缝处的油气难以流向裂缝。 技术还在不断完善，以适应油气田开发的需要，如超 深井压裂、重复压裂以及与其他技术的组合应用。
爆炸压裂
用炸药，它的增压速度极快(微秒级)，气体生成量 较少，地层裂隙来不及扩张和延伸，大部分能量消耗在 井壁岩石的破碎上，产生无数细小裂缝，井眼内残留的 应力场具有压实效应，可能完全闭塞所产生的裂缝。
1.压裂液的任务
压裂液任务：造缝、携砂。
根据在不同施工阶段的任务，压裂液分为：前置液、携 砂液、顶替液。 ⑴前置液 Pad fluid 造缝、降温作用。 一般用未交联的溶胶（水＋胍胶粉，μ=10mPa.S）。
⑵携砂液
Slurry
携带支撑剂、充填裂缝、造缝及冷却地层作用。
溶胶＋交联剂 冻胶＋支撑剂
携砂液
1
三、破裂压力梯度(破裂梯度)
Fracturing pressure gradient 1.破裂梯度：地层破裂压力与地层深度的比值。 根据压裂施工资料统计出来的破裂梯度值为：
(15～18)～(22～25)KMPa/m 2.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 深地层——垂直裂缝
1.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（或不用支撑剂）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。 2.压裂增产增注的原理: (1)改变流体的渗流状态；
(2)降低了井底附近地层中流体的渗流阻力。
3.压裂的种类：(根据造缝介质分类)
一、油井应力状况 Stress status
(一)地应力
z
⑴垂向应力：上覆层的岩石重量。
H
Z 0 S gdz
y
有效垂向应力： Z Z Ps
x
在三向应力作用下，x轴方向上的应变分别为：
x1

1 E

x
x2



E

y
x3


E

z
岩石弹性模量：岩石纵向应力与纵向应变的比例常数。
方向上，而最大周向
应力x 却在 的方向上。
y
(3)随着r的增加，周向应力迅速降低。


x
y
2
1
a2 r2
x
y
2
1
3a4 r4
cos2
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)：
胶结疏松的砂岩地层压后可能出现严重的出砂问题；
产生的辐射状裂缝仅局限于近井地带（缝宽约为0.4～ 0.8mm，径向缝长约为5～10m，纵向缝高2～3m）。
三种压裂方式形成的裂缝
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。
关键技术：砂子进入液体二氧化碳中的混合器。
水力压裂适用条件
低渗透油气藏：渗透率<50×10-3μm； 中高渗透油气藏：防砂
水力压裂增产增注的原理: Mechanism of stimulation
(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。Kf>>K, Kf=30－60μm² (3) 增大了井与油藏的接触面积或泄油面积。
第一节 造缝机理 Mechanism of fracturing
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
因此有利的裂缝形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。
炸药在井筒内的爆轰和爆燃使井筒附近产生多条裂缝。 常用炸药有黑索金、奥克托金等。
爆炸压裂技术特点 爆炸造成的压缩应力波使井周岩石发生塑性变形， 形成的残余应力场使得爆炸初期形成的大量裂缝重 新闭合，或被爆炸残余物堵塞。 井内爆炸易损坏井筒；
所用硝化甘油类药剂过于敏感是爆炸压裂失败的原因 之一。
高能气体压裂
水力压裂 Hydraulic Fracturing
①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；②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；③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，④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。
第六章 水力压裂技术
Hydraulic Fracturing (1)造缝机理 Mechanism of fracturing
(2)压裂液
Fracturing fluid
(3)支撑剂
Proppant
(4)压裂设计 Design of fracturing treatment
压裂方法简介：Introduction of Fracturing

2 Z PS 2E
1
1


PS
毕奥特常数：
1 Cr
Cb
Cr－基质岩石骨架压缩系数； Cb－岩石体积压缩系数； ξ－水平应力构造系数，由实验测定。