采油工程-课件

第六章 水力压裂技术 Hydraulic Fracturing,(4)压裂设计 Design of fracturing treatment,造缝机理 Mechanism of fracturing,(2)压裂液 Fracturing fluid,(3)支撑剂 Proppant,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；,压裂方法简介：Introduction of Fracturing,3.压裂的种类：(根据造缝介质分类),水力压裂 Hydraulic Fracturing,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0.40.8mm，径向缝长约为510m，纵向缝高23m）。,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,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。,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,压裂液,携砂液,支撑裂缝,动态裂缝,水力压裂工艺过程,注入前置液,起裂,扩展,注入携砂液 （石英、陶粒）,压裂液返排,裂缝闭合,高导流的人 工裂缝,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50×10-3m； 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。KfK, Kf=3060m²,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。,(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。,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,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、油井应力状况 Stress status,(一)地应力,垂向应力：上覆层的岩石重量。,有效垂向应力：,在三向应力作用下，x轴方向上的应变分别为：,岩石弹性模量：岩石纵向应力与纵向应变的比例常数。,泊松比：横向应变与纵向应变比值，反映材料横向变形的弹性系数。,由于构造应力等因素的影响，最大、最小水平应力与垂向应力关系：,毕奥特常数：,Cr基质岩石骨架压缩系数； Cb岩石体积压缩系数； 水平应力构造系数，由实验测定。,水平方向主应力,(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。,(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.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)：,当re=、Pe=0及r=ra时，井壁上的周向应力为：,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：,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：,二、造缝条件,1.形成垂直裂缝 Vertical Fracture,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。,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。,当 时，形成垂直裂缝。,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：,由于最小总周向应力发生在0°,180°的对称点上，垂直裂缝也产生在这两个点上(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,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。,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：,当 时，形成水平裂缝。,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： (1518)(2225)KMPa/m,深地层垂直裂缝 浅地层水平裂缝,2.根据破裂梯度的大小估计裂缝的形态：,小于1518时形成垂直裂缝,大于23时形成水平裂缝,裂缝方向：取决于最小主应力方向,第二节 压裂液 Fracturing Fluid,压裂液任务：造缝、携砂。,压裂液是造缝和携砂的介质，压裂液的性能的好坏是压裂成功的关键。,1.压裂液的任务,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。,造缝、降温作用。 一般用未交联的溶胶（水胍胶粉，=10mPa.S）。,前置液 Pad fluid,携带支撑剂、充填裂缝、造缝及冷却地层作用。,将井筒中的携砂液送到缝内预定位置，防止砂卡和井筒沉砂。,携砂液 Slurry,顶替液 Displacing fluid,2.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，用于造缝的有效功率愈大;,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,1.水基压裂液,水基、油基、泡沫、醇基压裂液。,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。,成胶剂,交链剂,水,+,+,用水溶胀性聚合物(成胶剂)经交链剂交链后形成的冻胶。,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,2.油基压裂液,多用稠化油，遇地层水后自动破胶。,缺点：价格昂贵、施工困难和易燃等。,对水敏性地层，使用水基压裂液会导致地层粘土膨胀影响压裂效果，常使用油基压裂液。,3.泡沫压裂液,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：6585； 适用井深：小于2000米。,用于低压低渗油气层改造，易于返排、滤失少、摩阻低，常用于气井、水敏性地层。,二、压裂液滤失性 Leakoff of fracturing fluid,1.滤失原因,地层为多孔介质,裂缝内外压差,滤失是不可避免的,但可以减少滤失。,滤失面积：,一般：,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,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为：,滤失速度为：,2.滤失系数计算方法,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：,Cf油藏综合压缩系数,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。,静滤失曲线,滤失速度,造壁液体的滤失系数,则,若实验压差与实际施工过程中裂缝内外压力差不一致，则应进行修正：,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),三、压裂液流变性 Rheological property,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，剪切速率越大，视粘度越小。,K稠度系数， mPa.sn； n 流态指数，无因次,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