延安大学：《采油工程》课程教学资源（电子教案）第七章 水力压裂

第七章水力压裂 目的要求 水力压裂:常简称为压裂,指利用水力作用使油层形成裂缝的方法,是油气井增产 注水井增注的一项重要技术措施,不仅广泛用于低渗透油气藏,而且在中、高滲油气藏的增 产改造中也取得了很好的效果。要求学生们在本章重点掌握水力压裂的方法,水力压裂增产 增注的原理,使用合理的压裂液及还要求学生掌握压裂工艺技术的实际应用。 课时:4学时 授课内容提要 第一节造缝机理 裂缝的形态:垂直缝或水平缝 裂缝的方位:裂缝的延伸(扩展)方向 (一)、油井应力状况 1.地应力概念 地应力:指赋存于地壳岩石中的内应力。 地应力场:地应力在空间的分布 未钻井前,地层中的岩石一般处于三向不等的压应力状态。 作用在地下岩石某单元体上的应力可用互相垂直的三个主应力表示,即垂向主应力Gz和 水平方向的两个主应力x和y(通常称作水平最大主应力aH和水平最小主应力oh)。 垂向应力:来自上覆层的岩石重量 d:=10-°pgc 有效垂向应力 R=o.-aps

1 第七章 水力压裂 目的要求 水力压裂：常简称为压裂，指利用水力作用使油层形成裂缝的方法，是油气井增产、 注水井增注的一项重要技术措施，不仅广泛用于低渗透油气藏，而且在中、高渗油气藏的增 产改造中也取得了很好的效果。要求学生们在本章重点掌握水力压裂的方法，水力压裂增产 增注的原理，使用合理的压裂液及还要求学生掌握压裂工艺技术的实际应用。 课时：4 学时 授课内容提要  第一节 造缝机理 裂缝的形态 ：垂直缝或水平缝 裂缝的方位：裂缝的延伸（扩展）方向 （一）、油井应力状况 1. 地应力概念 地应力：指赋存于地壳岩石中的内应力。 地应力场：地应力在空间的分布。 未钻井前，地层中的岩石一般处于三向不等的压应力状态。 作用在地下岩石某单元体上的应力可用互相垂直的三个主应力表示，即垂向主应力σz 和 水平方向的两个主应力σ x 和σ y （通常称作水平最大主应力σ H 和水平最小主应力σ h）。 垂向应力：来自上覆层的岩石重量    H z s gdz 0 6  10  有效垂向应力：  z   z  ps

有效水平应力Ox=0x-aP y 在确定的垂向应力的基础上,提出了计算水平方向两个主应力的许多模型。如根据广义虎 克(Hook)定律: E2=[01-1(σ+a)s,=r|,-v(σx+0:) Gx=0,=,G 由Ex=Ep=0得 2、压裂过程中井壁上的应力 (1)钻井后井壁上的应力 R+o (1+,)--(1+=)cos20 ①当r=a,0x=y=0H时,井壁上各点的周向应力相等,a6=20x=2ay=2H且 与θ值无关。 ②当r=a,0x>0y时,ae,mn=0o,1800=3 σx,z6,max6=900 2700=30x-σy,最小周向应力发生在σx的方向上,而最大周向应力发生在ay的方向 上 ③随着r的增加,周向应力迅速降低,大约在几个圆孔直径之外,即降为原地应力值。 (2)井筒内注入高压液体所引起的井壁附加应力

2 有效水平应力:  x   x  ps  y   y  ps 在确定的垂向应力的基础上，提出了计算水平方向两个主应力的许多模型。如根据广义虎 克（Hook）定律： 1 [ ( )] x x y z E         ， [ ( )] 1 y y x z E       由ε x=ε y=0 得 x y  z        1 2、压裂过程中井壁上的应力 （1）钻井后井壁上的应力        ) cos 2 3 (1 2 (1 ) 2 4 4 2 2 r a r x y a x y       ① 当 r = a，σ x=σ y =σ H 时，井壁上各点的周向应力相等，σ θ =2σ x=2σ y =2σ H 且 与θ 值无关。 ② 当 r = a，σ x >σ y 时，σ θ ，min| θ =0o，180o =3σ y – σ x ，Σ θ ，max| θ =90o， 270o =3σ x – σ y，最小周向应力发生在σ x 的方向上，而最大周向应力发生在σ y 的方向 上。 ③ 随着 r 的增加，周向应力迅速降低，大约在几个圆孔直径之外，即降为原地应力值。 （2）井筒内注入高压液体所引起的井壁附加应力   ,a1   pi

由于井筒内压(即井筒内液体压力)而导致的井壁周向应力与内压大小相等,但符号相反。 (3)压裂液径向渗入地层所引的井壁应力 增加的周向应力值为 1-2v ear=(pi-p a (4)井壁上的最小总周向应力 应为σ0,minθ=0,1800、aθ,al和θ,a2三项之和。 amn=(30,-ax)-P1+(P-n (5)井壁上的最小垂向应力 假设由于液体滤失也增大垂向应力,增加量和水平方向的情况一样 0:mn=G2+(P1-P22v (二)、造缝条件 1、岩石的破坏及破坏准则 脆性与塑性岩石:在外力作用下破坏前总应变小于3%的岩石叫脆性岩石,总应变大于 5%的岩石叫塑性岩石,总应变介于3~5%的岩石叫半脆性岩石 岩石的破坏类型:拉伸破坏、剪切破坏、塑性流动 水力压裂多属于脆性破坏,只要岩石所受的最小有效主应力达到该方向的岩石抗拉强 度,岩石即发生拉伸破坏,显然产生的裂缝面总是垂直于最小主应力方向 当σz最小时,形成水平裂缝 当σz最大时,形成垂直裂缝。若σz>σx>σy,则裂缝面垂直于σy方向;若 σz>σy>x,则裂缝面垂直于σx方向 2、形成垂直裂缝 根据岩石的破裂准则,当井壁上存在的有效最小总周向应力达到井壁岩石水平方向的抗 拉强度时,岩石将在与周向应力相垂直的方向上产生垂直裂缝

3 由于井筒内压（即井筒内液体压力）而导致的井壁周向应力与内压大小相等，但符号相反。 （3）压裂液径向渗入地层所引的井壁应力 增加的周向应力值为：          1 1 2 ( ) ,a2 pi ps （4）井壁上的最小总周向应力 应为σ θ ，min| θ =0o，180o 、σ θ ，a1 和σ θ ，a2 三项之和。               1 1 2 (3 ) ( ) t, min y x pi pi ps （5）井壁上的最小垂向应力 假设由于液体滤失也增大垂向应力，增加量和水平方向的情况一样：           1 1 2 ( ) z t, min z pi ps （二）、造缝条件 1、岩石的破坏及破坏准则 脆性与塑性岩石：在外力作用下破坏前总应变小于 3%的岩石叫脆性岩石，总应变大于 5%的岩石叫塑性岩石，总应变介于 3～5%的岩石叫半脆性岩石。 岩石的破坏类型：拉伸破坏、剪切破坏、塑性流动 水力压裂多属于脆性破坏，只要岩石所受的最小有效主应力达到该方向的岩石抗拉强 度，岩石即发生拉伸破坏，显然产生的裂缝面总是垂直于最小主应力方向。  当σ z 最小时，形成水平裂缝；  当σ z 最大时，形成垂直裂缝。若σ z > σ x > σ y，则裂缝面垂直于σ y 方向；若 σ z >σ y >σ x，则裂缝面垂直于σ x 方向。 2、形成垂直裂缝 根据岩石的破裂准则，当井壁上存在的有效最小总周向应力达到井壁岩石水平方向的抗 拉强度时，岩石将在与周向应力相垂直的方向上产生垂直裂缝

OBt, min =oet min- pi 刚产生裂缝时,井筒内流体的压力定义为地层的破裂压力: Pi=p 3.-σ.+a PF=ps+ 1-2v 由于最小总周向应力发生在θ=00和日=1800的对称点上,垂直裂缝也产生与井筒相 对应的两个点(6=00,0=1800)上。所以在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。 3、形成水平裂缝 O-L, min=-Ot I,mn -t. min PF=p 1-2v 1-a O.+O, PF=p 1-2 【例1】某砂岩油藏岩石泊松比020,水平抗拉强度3.7MPa,垂向抗拉强度0.2MPa。地 层压力系数105。假设水平方向地应力均匀分布,若上覆岩石平均密度为2300kg/m3,孔隙 弹性常数为0.8,试计算形成垂直裂缝和水平裂缝的深度界限 让形成垂直裂缝和水平裂缝的破裂压力相等

4 h   t，min   t   t，mi n    t, mi n  pi 刚产生裂缝时，井筒内流体的压力定义为地层的破裂压力： i F p  p              1 1 2 2 3 h y x t pF ps 由于最小总周向应力发生在θ =0o 和θ =180o 的对称点上，垂直裂缝也产生与井筒相 对应的两个点（θ =0o，θ =180o）上。所以在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。 3、形成水平裂缝 v  z t，mi n   t  z t，mi n   z t, mi n  pi            1 1 2 1 v z t pF ps            1 1 2 1.94 v z t pF ps 【例 1】某砂岩油藏岩石泊松比 0.20，水平抗拉强度 3.7MPa，垂向抗拉强度 0.2MPa。地 层压力系数 1.05。假设水平方向地应力均匀分布，若上覆岩石平均密度为 2300kg/m3，孔隙 弹性常数为 0.8，试计算形成垂直裂缝和水平裂缝的深度界限。 解：让形成垂直裂缝和水平裂缝的破裂压力相等：

3σ.-σ.+σ 2v 1.94-a 1-2 水平方向地应力均匀分布 代入数据解得: O=64 MPa 6.41×1 448 深度界限为 9.8×(2300-0.8×1050) 4、破裂压力梯度 地层破裂压力与地层深度的比值。 H 理论上可以计算破裂梯度值。实际上各油田的破裂梯度值都是根据大量压裂施工资料统计 出来的 =(0015~0.018)~(0.022~0.025) 般认为破裂梯度小于0.015~0.018MPam时形成垂直裂缝,而大于0.023MPam时 则是水平裂缝 第二节压裂液 压裂液:压裂过程中,向井内注入的全部液体 按泵注顺序和作用,压裂液可分前置液、携砂液和顶替液。其中,携砂液是压裂液的主 体液

5                      1 1 2 1.94 1 1 2 2 3 v z t h y x t 水平方向地应力均匀分布： x y  z        1 代入数据解得：  z  6.41 深度界限为： 448 9.8 (2300 0.8 1050) 6.41 106      Hc  4、破裂压力梯度 地层破裂压力与地层深度的比值。 H pF  F  理论上可以计算破裂梯度值。实际上各油田的破裂梯度值都是根据大量压裂施工资料统计 出来的。  (0.015 ~ 0.018) ~ (0.022 ~ 0.025) F 一般认为破裂梯度小于 0.015～0.018 MPa/m 时形成垂直裂缝，而大于 0.023 MPa/m 时 则是水平裂缝。  第二节 压裂液 压裂液：压裂过程中，向井内注入的全部液体。 按泵注顺序和作用，压裂液可分前置液、携砂液和顶替液。其中，携砂液是压裂液的主 体液。 MPa