第6章水力压裂

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 水力压裂技术,(1),造缝机理,(2),压裂液,(3),支撑剂,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),降低了井底附近地层中流体的渗流阻力。,2.,压裂增产增注的原理,:,(1),改变流体的渗流状态,(,将原来的径向流变为线性流和拟径向流,),；,3.,压裂的种类：,(,根据造缝介质分类,),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。,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。,水力压裂特点,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。,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。,爆炸压裂,技术特点,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。,高能气体压裂,加载速率较高，适用于,脆性地层,，如石灰岩、白云岩和泥质含量较低（小于,10%,）的砂岩；,对于,塑性地层,不甚适用，如泥岩、泥质含量较高（大于,20%,）的泥灰岩和砂质泥岩，且对泥岩地层，反而可能产生“,压实效应,”；,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,）。,胶结疏松的砂岩地层压后可能出现严重的,出砂,问题；,高能气体压裂,技术特点,三种压裂方式形成的裂缝,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,。,4.,水力压裂,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,水力压裂分类,（按油藏工程观点）：,整体压裂：,以低渗透,油藏,（或区块）为工作单元，以建立的油藏注水开发井网与水力裂缝优化组合的渗流系统，实现,单井产能与扫油效率,的提高。,单井压裂,：以单井为工作单元，以研究单井渗流方式与渗流阻力的变化来实现,单井产能提高,；,水力压裂适用条件,低渗透,油气藏：渗透率,50,10,-3,m,；,中高渗透油气藏：防砂,(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。,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。,水力压裂工艺技术,压裂设备：,储罐、运砂车、,混砂车、泵车,、管汇车、仪表车（现场指挥车）、消防车等。,泵车,压裂现场,加沙压裂动画,H-2000,型混砂车,混砂车,泵出的中压液体集中到,管汇,车后，再分配给各,压裂车,。压裂车泵出的高压液体集中到,高压管汇,送至,井口（,p201,图,6-1,）,。,现场施工过程：,设计书、准备、压裂施工（地面循环冲管线、试压、试挤、压裂、加砂、替挤）测试、分析、返排。,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。,压裂过程井底压力变化曲线,a,致密岩石,b,微缝高渗岩石,破裂压力,延伸压力,地层压力,第一节 水力压裂造缝机理,一、油井应力状况,(,一,),地应力场,垂向应力,：,上覆层的岩石重量,。,有效垂向应力：,如果岩石处于弹性状态，最大、最小水平应力与垂向应力的关系：,1,、重力应力场,2,、构造应力场,3,、热应力场,(1),当 ， 时， ， 说明圆孔壁上各点的,周向应力相等,，且与,值无关。,(,二,),井壁上的应力,1.,井筒对,地应力,及其分布的影响,圆孔周向应力：,(3),随着,r,的增加，,周向应力,迅速,降低,。径向压应力逐渐增加,(2),当 ， 时，,说明最小周向应力发生在,方向上，而,最大周向应力却在,的方向上。,2.,向井筒注液产生的应力分布,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,),：,当,r,e,=,、,P,e,=0,及,r=r,a,时，井壁上的周向应力为：,在井壁处产生的张应力近似为注液压力，越远压力越小,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：,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,、,井筒注液产生的应力分布,及,液体渗滤所引起的周向应力,之和：,二、造缝条件,1.,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：,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,。,2.,形成水平裂缝的条件,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，岩石将在,垂直于垂向应力,的方向上产生脆性破裂，即在与垂向应力相垂直的方向上产生水平裂缝。造缝条件为：,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：,实验修正,：,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。,根据压裂施工资料统计出来的破裂梯度值为：,(15,18),(22,25),深地层,垂直裂缝,浅地层,水平裂缝,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,二、压裂液,(Fracturing Fluid),压裂液任务：,造缝、携砂。,破裂地层、造缝、降温作用,。一般用,未交联,的溶胶（水胶粉）。,携带支撑剂、充填裂缝、造缝及冷却地层作用,。必须使用,交联,的压裂液,(,如冻胶等,),。,末尾顶替液：,替液入缝，提高携砂液效率和,防止井筒沉砂,。,前置液,携砂液,顶替液,中间顶替液：,携砂液、防砂卡；,支撑剂悬浮于携砂液,压裂液的性能要求：,滤失少：,造长缝、宽缝，取决于它的粘度与造壁性,;,悬砂能力强：,取决于粘度,;,摩阻低：,摩阻愈小，降低泵压,;,稳定性好：,热稳定性和抗机械剪切稳定性,;,配伍性好：,不应引起粘土膨胀或产生沉淀而堵塞油层,;,低残渣：,以免降低油气层和填砂裂缝的渗透率,;,易返排：,减少压裂液的损害,;,货源广、便于配制、价钱便宜。,一、压裂液类型,水基压裂液：,油基压裂液：,用,水,溶胀性聚合物,(,称为成胶剂,),经交链剂交链后形成的冻胶。施工结束后，为了使冻胶破胶还需要加入,破胶剂,。不适用于,水敏性地层,。,多用,稠化油,，遇地层水后自动破胶。,缺点,是悬砂能力差、性能达不到要求、价格昂贵、施工困难和易燃等。,泡沫压裂液：,基液多用淡水、,盐水,、聚合物水溶液；气,相,为二氧化碳、氮气、天然气；,发泡剂,用非离子型活性剂。,特点,是易于返排、滤失少以及摩阻低等。,缺点,是砂比不能过高、井深不能过大。,三、压裂液流变性,1.,牛顿压裂液,(A,曲线,),2.,假塑型压裂液,(B,曲线,),假塑型流体也称为,幂律流体,，随剪切速率的增加，其斜率变小。,视粘度,压裂液流变曲线,剪切速率,剪切应力,压裂液流变曲线,剪切速率,剪切应力,3.,其它流动类型的压裂液,宾汉型流体,(C,曲线,),屈服假塑型流体,(D,曲线,),胀流型流体,(E,曲线,),二、压裂液滤失性,压裂液滤失到地层受三个过程控制：,1,、滤饼区：,压裂液造壁性控制的滤失过程,2,、侵入区：,压裂液粘度控制,3,、压缩区：,受地层流体压缩和流动控制,滤失后地层中压力分布示意图,使压裂液滤失于储层内的压差,压缩并使油藏流体流动的压差,裂缝壁面滤饼的压力差,二、压裂液滤失性,压裂液滤失到地层受三种机理控制：,压裂液的粘度、,油藏岩石和流体的压缩性、,压裂液的造壁性,(,一,),受压裂液粘度控制的滤失系数,C,当,压裂液粘度大大超过油藏流体的粘度,时，压裂液的滤失速度主要取决于压裂液的粘度，由达西方程可以导出滤失系数：,滤失后地层中压力分布示意图,使压裂液滤失于储层内的压差,压缩并使油藏流体流动的压差,裂缝壁面滤饼的压力差,（二,),受储层岩石和流体压缩性控制的滤失系数,C,当压裂液粘度,接近于,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,。滤失系数为：,C,f,油藏综合压缩系数,滤失后地层中压力分布示意图,使压裂液滤失于储层内的压差,压缩并使油藏流体流动的压差,裂缝壁面滤饼的压力差,（三）具有造壁性压裂液滤失系数,C,滤失系数,C,是由实验方法测定,静滤失仪示意图,加压口,筛座,（含滤纸或岩心片）,出液口,静滤失曲线,滤失速度,造壁液体的滤失系数,则,(,四,),综合滤失系数,压裂液的滤失同时受三种机理控制，综合滤失系数如下：,C,由,滤失带压力差,控制的，,C,是由,压缩带压力差,控制的，,C,由,滤饼内外压力差,控制的。,根据,分压降公式,可以得到综合滤失系数的另一表达式：,推导过程详见王鸿勋主编的,水力压裂设计数值计算方法,(,石油工业出版社，,1998.6),第三节 支撑剂,填砂裂缝的导流能力：,在油层条件下，填砂,裂缝渗透率,与,裂缝宽度,的乘积，常用,FRCD,表示，也称为导流率。,一、支撑剂的性能要求,(1),粒径均匀，密度小,(2),强度大，破碎率小,(3),园度和球度高,(4),杂质含量少,(5),来源广，价廉,闭合压力,二、支撑剂的类型,按其力学性质分为两大类：,脆性支撑剂,:,如石英砂、玻璃球等,特点,是硬度大，变形小，在高闭合压力下,易破碎,韧性支撑剂,:,如,树脂包层砂,、核桃壳、铝球等,特点,是变形大，承压面积大，在高闭合压力下,不易破碎,。,目前矿场上常用的支撑剂有两种：,一是,天然砂,；二是,人造支撑剂,（陶粒）。,1.,天然砂,主要矿物成分是粗晶石英。,密度小,适用于浅层或中深层的压裂，成功率很高。,2.,人造支撑剂,(,陶粒,),矿物成份是氧化铝、硅酸盐和铁,钛氧化物，,密度大,常用宜兴陶粒和成都陶粒，强度上有低、中、高之分，低强度适用的闭合压力为,56.0MPa,，中强度约为,70.0,84.0MPa,，高强度达,105.0MPa,，,适用于,深井高闭合压力,的油气层压裂。,3.,树脂包层支撑剂,中等强度，,密度小,，便于携砂与铺砂。,人造支撑剂,(,陶粒,),放大图片,三、支撑剂在裂缝内的分布,支撑剂在裂缝内的分布规律随,裂缝类型,(,水平、,垂直缝,),和,携砂液性能,而异。,（一）全悬浮型支撑剂分布,高粘压裂液,：压裂液粘度足以把支撑剂,完全悬浮起来,，在整个施工过程中没有支撑剂的沉降，停泵后支撑剂充满整个裂缝内，携砂液到达的位置就是支撑裂缝的位置。,使用完全悬浮液体作为携砂液体，适合于低渗透率地层，,支撑面积很大，能最大限度地将压开的面积全部支撑起来。,裂缝闭合后的砂浓度,(,铺砂浓度,),：指单位,面积,裂缝上所铺的支撑剂质量。,地面砂比,：单位体积混砂液中所含的支撑剂,质量,。,或,支撑剂,体积与,压裂液体积,之比。,裂缝内的砂浓度,(,裂缝内砂比,),：是指单位,体积,裂缝内所含支撑剂的质量。,(,二,),沉降型支撑剂分布,由于,剪切,和,温度,等,降解,作用,携砂性能并不能达到全悬浮,部分支撑剂随携砂液一起向缝端运动，部分可能沉降下来。,支撑剂沉降速度、砂堤堆起高度等都与裂缝参数有关。,目前的研究仍是基于,60,年代巴布库克的实验结果。,1.,支撑剂在缝高度上的分布,进入裂缝的固体颗粒主要受到,水平方向液体携带力、垂直向下重力,以及,向上浮力,的作用。,颗粒相对于携带液有沉降运动和,粘滞阻力作用。,平衡状态,:,当液体的流速逐渐达到使颗粒处于悬浮状态的能力时，颗粒处于停止沉降的状态。,平衡流速：,平衡时的流速，也即携带颗粒最小的流速。,增加地面排量，,、,与,区均将,变薄,，,区则,变厚；,流速足够大，,区可能,完全消失；,再增加排量，浓度梯度剖面,消失,，成为,均质的悬浮流。,悬浮区,，颗粒分布不均匀，存在浓度梯度,砂堤面上的颗粒,滚流区,沉降下来的的,砂堤,，,在平衡状态下砂堤的高度为平衡高度,无砂区,四、支撑剂的选择,支撑剂的选择主要是指选择其,类型和粒径。,选择的目的是为了达到一定的,裂缝导流能力。,影响支撑剂选择的因素：,1,）支撑剂的强度,2,）粒径及其分布,3,）支撑剂类型与铺砂浓度,4,）其它因素：支撑剂的质量、密度以及颗粒园球度等,石英砂与陶粒的导流能力对比图,在,低闭合,压力下，陶粒和石英砂支撑裂缝的导流能力相近；,在,高闭合,压力下，陶粒要比石英砂所支撑裂缝的导流能力大一个数量级；,铺砂浓度,愈大，导流能力也愈大。这也是提高施工砂比的依据之一。,小结,水力压裂增产增注的原理,:,改变流体的渗流状态；降低了井底附近地层中流体的渗流阻力。,小于,15,18,时形成,垂直裂缝；,大于,23,时形成,水平裂缝；,压裂液的类型包括：水基压裂液、油基压裂液和泡沫压裂液，而,按其作用类型，,压裂液又可以分为：前置液、携砂液、顶替夜；,填砂裂缝的导流能力：,在油层条件下，填砂裂缝渗透率与裂缝宽度的乘积。,压裂液的滤失主要受三种机理控制：压裂液的,粘度、,油藏岩石和流体的,压缩性、,压裂液的,造壁性；,（,2,）根据最小主应力原理，裂缝总是产生于,强度最弱、阻力最小,的方向，即岩石破裂而垂直于最小主应力轴方向。当垂直方向主应力最小时，形成水平裂缝；当垂直方向主应力最大时，形成垂直裂缝。,