水力压裂讲义.

第十三章油水井增产增注措施第一节定义：当地面高压泵组将液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中时，在井底附近蹩起超过井壁附近地层的最小地应力及岩石抗张强度的压力后，即在地层中形成裂缝。随带有支撑剂的液体注入缝中，裂缝逐渐向前延伸，这样，在地层中形成了具有一定长度、宽度及高度的填砂裂缝。增产原理：油气向井的径向流从地层裂缝从裂缝井底作用由径向流变为两个单相流，节约了能耗。连通地层深处解除近井地带污染一、在压裂中，了解裂缝的形成条件，裂缝形态及方向对有效地发挥压裂在增产，增注中的作用是极为重要的。但由于地下条件的复杂性，虽然进行了大量的研究，但仍未得到较好的解决。地层中造缝的影响因素井底附近的地应力及其分布岩石力学性质及压裂液的渗滤性质注入方式1.地应力及其分布一般情况下，地层中的岩石处于压应力状态。作用在地下某单元体上的力有垂向主应力及水平主应力(其中又分为互相垂直的和)。(1)应力①垂向应力：作用在单元体上的垂向应力来自上覆岩层的重量，其数值约为zHxy])1[(fmaΦρρΦHgzH：地层深度；φ：孔隙度；由于油气层中均有一定的孔隙压力pp(即地层压力或流体压力)，部分上覆岩层的压力σz被多孔介质中的流体压力支持。②故有效垂向应力可表示为：③根据广义虎克定律，则可求出岩石的有效水平应力为：=pzzepZexe1推导：在σxe,σye,σze作用下，单元体在x轴方向上的应变为：)]([11zeyexezeyexexzxyxxxEEEE因为存在侧向应力的限制，侧向应变为0，令得yxZexe1(2)受地质构造影响发生很大的变化，各个方向的应力也彼此不等。如果岩石单元体是各向同性材料，岩石破裂时的裂缝方向总是垂直于最小主应力轴。(3)1)在地层中钻井以后，破坏了原始应力的平衡状态，使得井壁上及其周围地层中的应力分布发生变化。为了简化，将地层中的三维应力问题用二维方法来处理，并近似地直接采用弹性力学中双向受力的无限大平板中钻有一个圆孔时的应力计算公式来分析井壁应力，圆孔周向的应力分布：2cos)31(2)1(24422rarayxyxA）当r=a且σx=σy=σH时，σφ=2σx=2σy=2σH说明圆孔壁上各点的周向应力相等，与φ值无关。B)当r=a,σxσy时，xy3)()(min180,0yx3)()(max270,90随着r的增加，周向应力迅速降低，如图13-2(b)所示。大约在几个圆孔直径之外，即降为原地应力值，孔壁上的应力比远处的大得多，这就是在压裂中地层破裂压力大于延伸压力的一个重要原因。即：Hr)(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，井筒内压必然产生井壁上的周向应力。简化：若把井筒周围的岩石看作是一个具有无限壁厚的厚壁圆筒，假设材料是弹性的，根据弹性力学中的拉梅公式(拉应力取负号),当厚壁筒外边界半径re→∞，厚壁筒外边界压力Pe=0时，井壁上r=a处的周向应力:iwfp)()(222222222aeeaieaeaieerrrrrpprrrprp式中——注入时的井底压力。即井筒内压引起的井壁周向应力与内压大小相等，符号相反。iwfP3)压裂液径向渗入地层所引起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，形成了一个附加应力区，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：121)(PiwfppffsCC1岩石骨架压缩系数岩石体积压缩系数其中：4)显然在地层破裂前，井壁上(=0°和=180°处)121)()3(Piwfiwfxyppp总周向应力：总垂向应力：121)(piwfzZpp2.造缝条件为使地层破裂，必须使井底压力高于井壁上的总应力及岩石的抗张强度。(1)形成垂直裂缝条件：如果地层的破裂属于纯张力破坏，那么随井内注入压力的不断增加，当达到或超过井壁附近地层的最小周向应力及岩石水平方向的抗张强度时，在垂直于水平周向应力的方向上产生垂直裂缝，即：iwfpiwfphThtiwfp121)()3(Piwfiwfxyppp其中：即：htPiwfiwfxyiwfpppp121)(31）当有滤失时：用代入上式有：pyyeppxxep12123hTxeyepiwfpp2）无滤失时：有0121)(piwfpp23hTxeyepiwfpp垂直裂缝产生于井筒相对应的两点上(=0°和180°)，这就是为什么在理论上假定垂直裂缝以井轴为对称的两条缝的原因。实际上多数情况是不对称的。(2)形成水平裂缝条件：当注入压力达到或超过井壁附近地层的最小垂向应力及岩石的垂向抗张强度时，在垂直于垂向应力的方向上产生水平裂缝，其条件为：vTze121)(piwfzZpp1）存在滤失时：vT121)(piwfziwfppp1211vTfzeppp2）无滤失时：pzzep)(vTzepiwfpp***有滤失时小于无滤失时的。iwfzzephTziwfpvTze二、压裂液是为造缝与携砂使用的液体，是水力压裂的关键组成部分。压裂液是一个总称，根据其在压裂过程中的任务不同可分为前置液、携砂液和顶替液。1）前置液：作用是破裂地层并造成一定几何尺寸的裂缝以备后面的携砂液进入，它还起到一定的降温作用。有时为了提高前置液的工作效率，在一部分前置液中加细砂以堵塞地层中的微隙，减少液体的滤失。2）携砂液：作用是将支撑剂带入裂缝中并将砂子放到预定位置上去。在压裂液的总量中，这部分占的比重较大。有造缝及冷却地层的作用。3）顶替液：作用是打完携砂液后，用于将井筒中全部携砂液替入裂缝中。中间顶替液用来将携砂液送到预定位置，并有预防砂卡的作用。对于占总液量绝大多数的前置液及携砂液，必须具备如下的性能要求：1)滤失少压裂液的滤失性主要取决于它的粘度与造壁性，粘度高则滤失少。在压裂液中添加防滤失剂，能改善造壁性并大大减少滤失量。2)悬砂能力强压裂液的悬砂能力主要取决于粘度，压裂液只要有足够高的粘度，砂子即可完全悬浮，这对砂子在缝中分布是非常有利的。3)摩阻低压裂液在管道中的摩阻愈小则在设备功率一定的条件下，利用造缝的有效功率愈大。摩阻过高不仅降低了有效功率的利用，且由于井口压力过高，排量降低。4)稳定性压裂液应具有热稳定性，不能由于温度的升高而使粘度有较大的降低；液体还应有抗机械剪切的稳定性，不因流速的增加而发生大幅度的降解。5)配伍性压裂液进入地层后与各种岩石矿物及流体相接触，不应产生不利于油气渗滤的物理—化学反应。6)低残渣要尽量降低压裂液中水不溶物的数量，以免降低岩石及填砂裂缝的渗透率。7)易反排施工结束后大部分注入液体反排出井外，排液愈完全，效果愈好。8)货源广便于配制，价钱便宜。1.随着水力压裂技术的发展，压裂液由最初的原油和清水逐步发展为目前经常使用的水基、油基、酸基压裂液及泡沫压裂液等。(1)水基压裂液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：但热稳定性和机械剪切稳定性较差。为了克服这(2)油基压裂液a.矿场原油或炼厂粘性成品油b.稠化油，稠化油=油（原油、汽油、柴油、煤油、凝析油）+稠化剂（脂肪酸铝皂、磷酸酯铝盐）(3)多相压裂液1）泡沫压裂液外相：水、水基溶胶或水基冻胶内相：气体优点：对地层伤害小、携砂能力和造缝能力强、易于反排、摩阻低等特点。缺点：所需注入压力高。2)乳化压裂液乳状液是用表面活性剂稳定的两相非混相液的一种分散体系。优点：携砂能力强、粘度高、热稳定性好、对地层损害小、排液快。缺点：摩阻大、成本高(4)酸基压裂液用植物胶或纤维素稠化酸液得到稠化酸或用非离子型聚丙烯酰胺在浓盐酸溶液中，以甲醛交链而得到酸冻胶。酸基压裂液适宜于碳酸盐类油气层的酸压。2.压裂液滤失是指在裂缝与储层的压差作用下压裂液向储层中的滤失。主要受三种因素的控制压裂液的粘度地层岩石及流体的压缩性压裂液的造壁性。(1)当压裂液的粘度大大超过地层油的粘度时（即：）时，压裂液的滤失速度主要取决于压裂液的粘度，压裂液在多孔介质中的实际渗流速度va为：oadtdLLpKvaadtpKLdLLta00aptKL2代入达西公式：令则2121)2()2(tpKptKpKLpKvaaaa211)2(apKCtCv1(2)当压裂液的粘度接近于地层流体的粘度时，即（）时，压裂液的滤失主要取决于地层流体的压缩性。这是因为流体受到压缩，让出一部分空间，压裂液才得以滤失进来。Δq以为因压力降低Δp所引起的液体的膨胀dV(忽略岩石的体积膨胀),则单元地层体积内液体的体积V为:oadtdpACdxdtdvVdpCdVdxAVll)(,,tpxpCKxpKAtpACxpKAxqxpKAqtpACxqtpxACqlaalaall1;;,)(222222令对无限地层，边界压力为常数的解为：)2(),(txerfcpptxpe上式对x求导得缝壁面上的压力梯度值：tpxpx0)(tCvKCpCKpKpKCtpKxpKvxpKvallaaaaxaxa221200)()()(则令壁面处：(3)具有造壁性压裂液的滤失系数C3有的压裂液具有很好的造壁性，其中添加有防滤失剂(硅粉或沥青粉等)，能在壁面上形成滤饼，有效地降低滤失速度，其滤失系数由实验方法确定。(4)综合滤失系数C根据水电相似原理有3211111CCCC3.压裂液对地层渗透性的伤害及防止措施1）对地层情况了解不够2）对压裂液选择不当3）用于改善压裂液性能的添加剂针对性不强压裂效果不理想或失败造成压裂液对地层渗透性的伤害主要有下述原因。(1)压裂液配伍性：指压裂液与岩层和流体接触时，无不利于油、气渗流的物理化学反应。压裂液对岩石、胶结物等固体物质的溶解粘土膨胀小颗粒脱落堵塞孔隙与地层流体相遇后产生沉淀伤害措施对粘土地层，应添加防粘土膨胀剂用水基压裂液压裂油层时，使用活性剂来防止乳状液的形成。(2)压裂液在孔隙中的滞溜若高粘油基压裂液进入地层后，反排不完全或水基压裂液破胶不好，均发生对地层孔隙的滞溜损害。为了便于排液及减少乳状液，要保持地层岩石、小颗粒及压裂砂的亲水性降低液体的界面张力注入氮或二氧化碳，以增加液体的反排能力。措施基液或成胶物质中的不溶物防滤失剂或支撑剂的微粒由于压裂液对地层岩石的浸泡作用而脱落下来的微粒。残渣的来源措施在制备过程中要使用低残渣或无残渣压裂液；在基液、管线、液罐中不准有固形物；支撑剂的粒径范围要求应严格；要注意交链剂与金属离子钙、镁的沉淀作用及防滤失剂的不利作用。(3)残渣及其它堵塞作用三、支撑剂：储层形成裂缝后,由携砂液输送、携带充填至裂缝中的具有一定强度与圆球度的固体颗粒。作用：泵注停止并且缝内液体排出后保持裂缝处于张开状态，地层流体可通过高导流能力的支撑剂由裂缝流向井底。支撑剂按其力学性质分为两大类：1）脆性支撑剂(如石英砂、玻璃珠等)，特点是硬度大，变形小；2）韧性支撑剂(如核桃壳、铝球等)，特点是变形大，承压面积随之加大，高压下不易破碎。1.(1)支撑剂类型(2)对支撑剂的要求对支撑剂的要求主要有下述几方面。1)粒径均匀。支撑剂粒径均匀可提高支撑剂的承压能力及渗透性。目