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水力压裂技术

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第六章 水力压裂技术

第一节 造缝机理 第六章 水力压裂技术

第一节 造缝机理

一、 教学目的

了解压裂含义，和各种压裂的种类，熟练掌握油井的应力状况，能够计算简单的地应力，掌握形成裂缝的条件以及破裂压力梯度，会对压裂施工曲线进行分析与应用，了解裂缝方位的判断方法。

二、 教学重点、难点

教学重点

1、地应力的计算

2、压裂过程中井壁的周向应力

3、形成水平裂缝、垂直裂缝的条件

教学难点

1、压裂施工曲线的分析与应用

2、有裂缝和无裂缝时的破裂压力梯度计算

三、 教法说明

课堂讲授并辅助以多媒体课件展示相关的数据和图表

四、 教学内容

本节主要介绍四个方面的问题：

一、 油井应力状况

二、 造缝条件

三、 压裂施工曲线的分析与应用

四、 裂缝方位的判断 第六章 水力压裂技术

第一节 造缝机理 压裂：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。

压裂的种类(根据造缝介质不同)干法压裂高能气体压裂水力压裂

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，使井达到增产增注目的工艺措施。

高能气体压裂：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。

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。其关键技术是混合砂子进入液体二氧化碳中的二氧化碳混合器。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。

水力压裂的工艺过程： 第六章 水力压裂技术

第一节 造缝机理

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。

(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。

造缝机理： 提高原油采收率提高采油速度井网部署裂缝的方位裂缝的形态裂缝形成条件

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。

（一） 油井应力状况 憋压 造缝 裂缝延伸

充填支撑剂 裂缝闭合

图6-1 压裂过程井底压力变化曲线

a—致密岩石 b—微缝高渗岩石 第六章 水力压裂技术

第一节 造缝机理 1、 地应力

在上覆岩层的作用下，地下任一岩石单元体均受到三个方向上的应力作用，即位于水平面上的水平主应力yxH

位于垂直方向上的垂直主应力z

（1） 垂向应力z：上覆层的岩石重量。

dzgHSZ0

一般浅层：33/100.2mkgs

深层（<300m）：33/106.2mkgs

取33/103.2mkgs

∴ Hz23 （KPa） Hz023.0 （MPa）

z的大小因油田而异，统计得到的z的分布范围为：z=（21～25）H（KPa）。

对于海上油田，仍以海平面为基准，则z要小些（∵ sw）

（2）水平应力H（x、y）

如果岩石处于弹性状态，可根据广义虎克定律建立岩石的有效水平应力与有效垂向应力的关系：

在三向应力作用下，x轴方向上的应变分别为：

LLxx//1 （规定压缩为正）

/2yx y的作用是使岩石在x方向伸长，故为负

/3zx

由于单元体处于地层之中，侧向上是无限连续介质，存在侧向应第六章 水力压裂技术

第一节 造缝机理 力的限制，所以不能产生侧向变形，即侧向应变为0，即

01321zyxxxxxE

令：yx 得：zyx1

注意：这里的、是指岩石骨架的泊松比和杨氏模量。

对于砂岩：=0.15～0.17

则 yx（0.08～0.37）z

对于盐岩层：=0.5

则 x、y=z （套管易于损坏）

当>0.5时，x>z，则会出现把地层拉起来的现象。

考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大、最小水平主应力为：

SSZHPEPE11212121max

SSZHPEPE11212121min

（3）有效应力

在油气层中均有一定的孔隙压力sP（即地层压力或流体压力），在sP的作用下，x、y与z均会变小，故引入有效水平应力x、y和有效垂向应力z。

x=x－sP

y=y－sP

z=z－sP

假定：①孔隙中的流体是化学惰性 第六章 水力压裂技术

第一节 造缝机理 ②岩石的渗透性保证传压是处处相等

③流体中的压力完全由岩石骨架所承受

应用虎克定律得：

zyx1

这里的泊松比是含有流体，实际应用时并没有分清。

2、地质构造对地应力的影响

可见，受地质构造力的影响，应力之间的关系变化很大。

3、主应力大小与裂缝形态的关系

从力学的观点来看，裂缝总是产生于强度最弱、抗力最小的地方，在地层中出现裂缝也是这样的。

结论：岩石破裂时，裂缝面总是垂直于最小主应力轴（假设前提：岩石单元体是均质的，各向同性材料）——判断准则

①由于浅地层的z相对小些，且近地表地层中构造运动也较多，H>z的几率也多，且浅地层中层理发育，所以浅地层多出现水平裂缝。

②深地层z相对大些，z>H的几率多，所以深地层压开的多好垂直裂缝。

4、压裂过程中井壁上的周向应力

钻井以后，井底处的应力分布受井筒的影响，在井筒附近产生应力集中，为简便起见，将三维应力问题简化为二维来处理。

对油层的几个假设：

①油层为弹性体 第六章 水力压裂技术

第一节 造缝机理 ②油层均质

③油层各向同性

在上述假设下，井筒对地应力及其分布的影响可用弹性力学中无限大平板上钻一孔眼的理论来加以分析。

（1） 地应力在井壁上形成的周向应力（1）

如图有一无限大平板上钻一孔眼，在x、y方向上分布着压应力x、y，假设x>y，则根据弹性力学理论可得出孔眼壁上的周向应力1为：

2cos3121244221aayxyx

式中：——距孔眼中心线的距离

a——孔眼半径

——任意径向与x轴夹角

当=a时，2cos21yxyx 讨论（分析圆孔周边的应力分布）：

①当x=y时，（r=a）Hxy2221

图6-2 无限大平板中钻一圆孔的应力分布 第六章 水力压裂技术

第一节 造缝机理 ②当x≠y时，（r=a）

a.当=0°、180°时（A、B）

xy31 ①

b.当=90°、270°时（C、D）

`23yx

c.当x=y时

xy、318001min1

yx、3270901max1

d.当x

yx、3270901min1

xy、318001max1

e.当x=3y时

0min1

f.当y=3x时

0min1

③当x=y=H时（ar）

2211raH

可见，r↗1↓；当r=（4～6）a时

1H，说明孔壁上的应力比远处的大得多，同时圆孔周围产生了应力集中。所以压裂时，地层破裂压力（PF）>延伸压力（PE）。

（2）注入压力所引起的井壁周向应力2 第六章 水力压裂技术

第一节 造缝机理 简化处理：把井筒周围的岩石看成是一个厚壁圆筒（壁厚）

根据弹性力学中的厚壁筒理论

由拉梅公式（压应力Pe取正号，拉压力Pi取负号）得

2222222222aeeaieaeaieerrrrrPPrrrPrP

当arr，Pe=0时 er

即：ieaieeaeaierPrrPPrrrrPPe222211lim ②

负号：表示拉应力

②式表明井筒内压产生2与内压大小相等，符号相反，即内压在井壁周围产生拉应力，正是它的作用才造成地层岩石破裂。

（3）压裂液径向滤失所引起的井壁周向应力3

在地层破裂前，压裂液径向渗入井底附近地层中，形成滤失应力区，会增大井壁上的周向应力3，其值为：

1213sipp ③

式中：——Biot常数（多孔弹性介质常数）

=11brcc

rc——岩石骨架压缩系数

bc——岩石体积压缩系数

一般取=0.82

（4）井壁上的总的周向应力

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水力压裂工艺培训----第一部分

水力压裂工艺培训----第一部分

水 力 压 裂 工 艺

培 训 讲 义

第一采油一厂工程技术大队

2004年6月 1

前言：

水力压裂是油田增产、增注，保持油田稳产的一项重要工艺技术。它利用液体传导压力的性能，在地面利用高压泵组，以大于地层吸收能力的排量将高粘度液体泵入井中，在井底憋起高压，此压力超过油层的地应力和岩石抗张强度，在地层产生裂缝，继续将带有支撑剂的携砂液注入裂缝，裂缝边得到延伸，边得到支撑。停泵后就在油层形成了具有一定宽度的高渗透填砂裂缝，由于这个裂缝扩大了油气流动通道，改变了流动方式，降低了渗流阻力，可起到增产增注作用，这一施工过程就叫油层水力压裂。水力压裂包括理论力学、材料力学、热化学、高分子化学、机械制造等多个学科。

一、压裂液

压裂液的主要功能是传递能量，使油层张开裂缝并沿裂缝输送支撑剂。其性能好坏对于能否造出一条足够尺寸、并具有足够导流能力的填砂裂缝密切相关，因此，有必要了解压裂液的特点和性能。

（一）压裂液的作用

压裂液的主要作用是将地面设备的能量传递到油层岩石上，在地层形成裂缝，并携带支撑剂填充到裂缝中。按照在压裂施工中不同阶段的作用可以分为前置液、携砂液、替挤液三种。

1、前置液；用来在地层造成裂缝，并形成一定几何形态裂缝的液体。在高温井层中，还具有一定的降温作用。

2、携砂液：携带支撑剂进入地层，把支撑剂充填到预定位置的液体。和前置液一样也具有造缝及冷却地层的作用。由于携带比重较高的支撑剂，必须使用交联压裂液。

3、替挤液：把压裂管柱、地面管汇中的携砂液全部替入裂缝，以避免压裂管柱砂卡、砂堵的液体。组成与前置液一致。

（二）压裂液的性能

为确保压裂施工顺利实施，要求压裂液具有以下性能特点

1、滤失性：主要取决于压裂液自身的粘度和造壁性，粘度高则滤失少。添加防滤失剂能改善压裂液的造壁性，大大减少滤失量。

2、携砂性：指压裂液对于支撑剂的携带能力。主要取决于液体的粘度、密 2 度及其在管道和裂缝中的流速，粘度越高，携带能力越强。

水力压裂技术在平沟煤矿的应用

水力压裂技术在平沟煤矿的应用

第２期　２０１４年６月　水力采煤与管道运输　ＨＹＤＲＡＵＬＩＣ　ＣＯＡＬ　１ＶＩＩＮＩＮＧ＆ＰＩＰＥＬＩＮＥ　ＴＲＡＮＳＰ０ＲＴＡＴ１０Ｎ　Ｎｏ．２　Ｊｕｎ．２０ｌ４　水力压裂技术在平沟煤矿的应用　胡松岭　周连春　（１．河南鹤壁中泰矿业河南鹤壁４５８０１０；２．神华鸟海能源有限贡任公司老石旦煤矿内蒙古鸟海０１６０３３）　摘要：针对平沟煤矿１６　煤层瓦斯压力大、透气性差，煤层瓦斯难以抽放的问题，结合高压水动　力特性，对ｌ６　煤层进行人为泄压。通过煤体中原有的裂缝注入高压水，克服煤体最小主应力　和破裂压力，扩宽、伸展和沟通这些裂缝，在煤体中产生更多的裂隙，从而增加煤层的透气性，　在平沟煤矿初见成效。　关键词：瓦斯透气性　水力压裂　瓦斯抽放　中图分类号：ＴＤ７１３　．３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００６—０８９８（２０１４）０２—００１　１—０３　１　引言　煤与瓦斯突出一直是困绕平沟煤矿安全生　产的重大隐患，尽管采取了本煤层抽放、交叉钻　孔抽放等多种瓦斯抽放措施，但预抽效果一般。　随着矿井采深的增加，煤层瓦斯压力不断增大，　矿井瓦斯抽放显得尤为重要，而提高煤层透气性　更是解决瓦斯抽放难题的根本途径。因此，通过　实施Ｏ１　１６１５工作面里段定向水力压裂，使井下　工作面前方压裂增透区域的煤体卸压，大幅度提　高煤层透气性，从而使工作面突出危险性得到有　效消除。　２矿井和工作面概况　２．１矿井概况　平沟煤矿隶属于神华集团乌海能源有限责　任公司，位于内蒙古自治区乌海市境内，核定生　产能力为１８０万ｔ／ａ。井田南北走向长６．４ｋｍ，　东西２．５ｋｍ，井田总面积１６．１　ｋｍ　。其１６　煤层　为煤与瓦斯突出煤层，煤层瓦斯压力大，坚固性　差，破坏类型为ＩＩＩ类，透气性较差。矿井为煤与　瓦斯突出矿井。　２．２工作面概况　０１１６１５切眼标高＋１０３８一＋９９６ｍ，采用锚　网支护，巷道长２３８ｍ，Ｏ１　１６１５工作面外段回风　顺槽布置于１６　煤层中，开口位置位于０１１６１５车　场Ｇ号点（经纬点）北８ｍ处，沿ｌ６　煤层顶板掘　进，方位角Ｎ２。２　。工作面里段剩余２２０　Ｘ　２３８ｍ　（走向×倾向）范围，主采１６　煤层，平均煤厚　２．６８ｍ。见图１。　新　切　眼　图１　０１１６１５工作面布置图　３　水力压裂施工设计及工程施工　３．１水力压裂技术原理　儿　井下水力压裂的基本原理是使用高压水泵　将水通过高压管注入到煤体内，当压力足够高　时，能使煤层裂隙劈裂扩展，在煤体内形成新的　瓦斯流动通道。一是把水作为动力，在煤层中人　为形成空腔、槽缝和裂缝，或扩大已有的裂缝以　促使煤体发生位移，使煤层达到卸压、增透的目　的；二是水对煤体有湿润作用。实验室测定结果　表明，在常压吸附条件下，煤样经湿润后，吸附能　力下降，对不同煤质的煤炭可解析１．７％～２７．　Ｏ％的吸附瓦斯量，然后通过负压带管连抽，起到　增加瓦斯抽放量，使得瓦斯压力和含量降到《防　突规定》的临界值以下。　３．２水力压裂施工设计　０１　１６１５工作面里段为该次压裂施工区域，钻　孔设计长度２００ｍ，化学药剂封孔，封孔段长度大　于３０ｍ，共设计７个水力压裂孔，先施工７　压裂　钻孔，开孔位于Ｏ１１６１５工作面中切眼里帮距底　板１　ｍ、回风顺槽上帮２ｍ处，孔径９４ｍｍ，孔深　２０１ｍ，俯角１。５１

水力压裂技术

水力压裂技术

水力压裂技术

水力压裂技术是一种将深层油气藏岩石的裂缝或孔隙扩展的一种技术，用于提高储层的孔隙度和渗透率，以提高油气产量。水力压裂技术最初发展于 20 世纪 50 年代，其原理是利用高压水在岩石中形成微米级岩石裂缝，从而使石油和天然气易于向外渗出和流动。水力压裂技术通常用于地层测试或发现新的油田，也可以派生出油气勘探、开采、输送、储存等一系列相关技术和工艺。

水力压裂技术一般包括三个基本步骤：一是在目标层位灌注高压水，从而在岩石中形成裂缝；二是通过注入操作助剂，增大灌注压力，进而拓宽并扩大已有的裂缝；三是通过注入填料、压裂液以及砂颗粒等助剂，保持裂缝扩大的状态，防止岩体被关闭，持续改善储层的渗透性。

水力压裂技术具有丰富的应用前景，可以有效提高油气储层的渗透性，从而提高产量。它相对于其他技术来说有着较高的稳定性，可以有效提高油气藏的利用率，改善储层的渗透性。同时，水力压裂技术安全可控，利用广泛，可作为一种全新的技术手段来提高储层的发掘率，在现代油气开采中发挥着不可替代的作用。

水力压裂综述

水力压裂综述

文献综述

前言

水力压裂是油田增产一项重要技术措施。由地面以超过地层吸收能力的排量高压泵组将液体注入井中，此时，在井底附近便会蹩起压力，当蹩气的压力超过井壁附近地层的最小地应力和岩石抗张强度时，在地层中便会形成裂缝。随之带有支撑剂的液体泵入缝中，裂缝不断向前延伸，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。由于压裂形成的裂缝提高了产油层导流能力，使油气能够畅流入井内，从而起到了增产增注的作用。

为了完成水力压裂设计，在地层中造成增产效果的裂缝，需要了解与造缝有关的地应力、井筒压力、破裂压力等分布与大小。这些因素控制着裂缝的几何尺寸，同时对与地面与井下设备的选择有关。同时，用于水力压裂的压裂液的性能、数量，支撑剂的排布情况关系到裂缝的几何尺寸，压裂技术-端部脱砂技术，对提高压裂效果起到很大作用，这些因素关系到能否达到油田增产的目的，需要进行详细研究 。在建立适当的裂缝扩展模型的基础上，实现现场实际生产情况的模拟研究，对进一步优化水力压裂参数，提高压裂经济实用性起到很大作用。

这项油田增产措施自发展以来，得到国内外广泛采用，并且经不断的开发试验，已取得很大成效。

水力压裂技术的发展过程

水力压裂技术自 1947 年美国堪萨斯州进行的的第一次试验成功以来，至今近已有60余年历史。它作为油井的主要增产措施，正日益受到世界各国石油单位的重视及采用 ,其发展过程大致可分以下几个阶段:

60 年代中期以前 ,各国石油公司的工作者们的研究工作已适应浅层的水平裂缝为主，此时的我国主要致力于油井解堵工作并开展了小型压裂试验 。

60 年代中期以后 ,随着产层加深 ,从事此项事业的工作者以研究垂直裂缝为主 。已达成解堵和增产的目的 。这一时期 ,我国发展了滑套式分层压裂配套技术 。

70 年代 ,工作进入到改造致密气层的大型水力压裂阶段 。我国在分层压裂技术的基础上 ,发展了蜡球选择性压裂工艺 ,以及化学堵水与压裂配套的综合技术 。