压裂原理教学文稿.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,欢迎各位来到山清水秀、美丽、现代、休闲的成都！,荣幸有缘中原油田“压裂酸化设计、工艺技术培训班”的教学！,有不妥之出请批评指正！,水力压裂原理、,水力压力工艺技术,压裂材料,主 讲：邓 燕,Tel:[phone](o),授课主要内容,水力压裂原理,水力压力工艺技术,压裂液及压裂支撑剂,背景,垂直井单相油流 产量公式,对具体井，地层条件(k,o,h)、流体性质(,o,B,o,)和,井特性(r,e,r,w,)已经确定。,提高产量的措施:,注水保持地层压力;,人工举升降低井底流动压力;,储层改造：水力压裂,酸化,酸压,油气井增产方法,水力压裂 Hydraulic Fracturing,酸化 Acidizing,爆炸 Explosion,高能气体压裂,水力冲击波压裂,振动压裂,油气层增产工艺,砂岩储层,水力压裂、基质酸化,碳酸盐岩储层,酸压、基质酸化、水力压裂,特低渗坚硬储层,高能气体压裂、高能气体压裂+水力压裂.,水力压裂、酸化的作用,在勘探阶段,增加工业可采储量,在开发阶段,油气井增产,水井增注,调整层间矛盾，改善吸水剖面,二次和三次采油中应用其它方面,煤层气开采，工业排污，废核处理等。,基本概念,用地面,高压泵组,，以超过地层吸收能力的排量将高粘液体（,压裂液,）泵入井内，而在井底憋起高压，当该压力克服井壁附近地应力达到岩石抗张强度后，就在井底产生裂缝。继续将带有,支撑剂,的携砂液注入压裂液，裂缝继续延伸并在裂缝中充填支撑剂。停泵后，由于支撑剂对裂缝的支撑作用，可在地层中形成足够长、有一定导流能力的填砂裂缝。,第一部分 水力压裂原理,水力压裂示意图,压裂材料：压裂液和支撑剂,施工参数：排量和压力,压裂设备：泵车(组)、液罐、砂车、仪表车,增产机理,洞穴裂缝型 孔洞裂缝型 裂缝型,沟通井筒附近的高渗透带、储层深部裂缝系统及油气区，扩大供油面积。,改善油气流动方式。,Wellbore,地层、裂缝双线性流,地层线性流,裂缝线性流,p,p,p,wf,Well,距井筒位置,压力,距井筒位置,压前,压后,降低井附近的渗流阻力:,压裂裂缝增大渗流面积：,w,p,2x,f,h,正常投产向井渗流面积：,A,0,=2,3.14,r,w,H,=2,3.14,0.1m,10m=6.28m,2,形成长度为X,f,高度为H的裂缝后渗流面积：,A,f,=4,X,f,H4,100m,10m=4000m,2,解除井底附近污染。,力学观点：裂缝形成与延伸是力学行为。,生产角度：裂缝方位与形态影响压裂改造效果,问题：,储层应力环境地应力场,(2)水力裂缝方位,(3)破裂压裂计算与预测,基本思路：,注水井,采油井,第二节、地应力分析与破裂压力,地应力,存在于地壳内部的应力，是由于地壳内部的垂直运动和水平运动及其它因素综合作用引起介质内部单位面积上的作用力。,地下岩石应力状态,：为三向不等压压缩状态.,x,（,x,）,y,(,y,),z,(,z,),主应力:,x,，,y,，,z,;,应变:,x,，,y,，,z,1 地应力场,原地应力,：重力应力,构造应力,孔隙流体压力,热应力,地应力构成,：原地,应力+扰动应力。,其中：,r,(h),为上覆岩层密度，由密度测井曲线获得。,(1)重力应力（上覆压力）,为Boit孔隙弹性常数。,有效垂向应力为,由广义虎克定律计算总应变,研究对象：地层中任意单元体。,由于泊松效应，垂向应力产生的侧向压力,(2)构造应力,定义：,地壳的构造运动引起的岩体之间的相互作用力。是地应力的一个分量。,来源：,各种构造运动，包括：,区域构造巨大构造单元间的相互作用力；,局部构造产生于局部地区岩体之间。如断层、岩层弯曲等。,A B C,特点,构造应力属于水平的平面应力状态,挤压构造力引起挤压构造应力,张性构造力引起拉张构造应力,构造运动的边界影响使其在传播过程中逐渐衰减。,断层和裂缝发育区,正断层，水平应力,x,可能只有垂向应力,z,的1/3。,右旋走向滑动断层,正断层,逆断层,逆断层或褶皱带的水平应力可大到,z,的3倍3)热应力,原因：地层温度变化引起的内应力增量。,计算方法,特点：与温度变化、岩石力学性质有关,产生环境：火烧油层、注蒸汽开采、注水,获取地应力的方法,地应力测试,地应力计算,实验室分析方法,矿场测试,Kaiser法测试地应力,差应变法分析法,滞弹性应变松弛法,水力压裂法,井壁崩落法,有限元数值模拟反演古构造应力场,时间历史模拟正演应力场,地应力测井解释,直接、精度高,测试成本高，测量数据有限,充分利用测井信息,得到连续地应力剖面,计算参数为,动态参数,与实际差别大,地应力获取方法,研究思路：,利用测井资料获取地应力、大量岩石力学动态参数,室内实验获取岩石力学静态参数,建立岩石力学参数的动静态相关关系,大量岩石力学,静态参数,压裂施工资料,测井资料、试井资料获取的储层参数,建立分层地应力解释校核模型，获取单井纵向应力剖面,静态岩石力学参数实验测试,常规的岩石力学参数试验是在压机上进行的，按加压方式，分为单轴受压试验，和三轴受压试验。通常采用三轴受压试验来研究岩石力学性质。,常用的实验装置由高温高压三轴室、围压加压系统、轴向加压系统、孔隙压力加压系统、数据自动采集控制系统等五部分组成。,三轴岩石力学测试系统示意图,三轴岩石力学测试系统流程图,CX560井的岩芯力学参数试验结果,岩芯号,井深（m）,岩性,密 度(g/cm,3,),弹性模量,(10,4,MPa),泊松比,抗压强度(MPa),围压(MPa),1,3513.97-3518.58m,层位:T3x4,砂岩,2.5,1.66,0.235,4.50,0,2,2.41,1.81,0.202,50,4,2.42,2.05,0.219,90,利用声波、密度等测井资料获取动态 岩石力学参数,岩体结构不同及矿物组分不同，弹性波的传播速度也不同。而不同矿物组分和不同结构的岩石，其强度特性也不同。因此，声波速度的快慢能反映出岩石的物理力学性质。,泊松比,地层体积压缩系数,地层骨架的体积压缩系数,弹性常数,动静态 岩石力学参数相关关系,由于岩石中微裂隙和孔隙的存在使得加载速率不同，所测的岩石力学参数也不同。因此，动态弹性参数和静态参数有相关关系，但两者在数值上是不同的。因此要得到满足工程需要的静态参数，必须获得动静态岩石力学参数相关关系。,利用实验测试得到的,静态岩石力学参数,与,同深度的,测井计算的,动态岩石力学参数进行相关分析,得到的岩石力学参数动静态相关关系。,利用,得到的,相关关系,再去,校正,测井方法得到的,大量动态岩石力学参数,，从而,获得,满足实际工程需要的,大量岩石静态参数,。,综合应用测试、室内实验、压裂资料获得分层应力剖面模型,关键：,利用,压裂施工的监测数据来确定,最大水平主应力方向的构造应力系数,K,、,最小水平主应力方向的构造应力系数,K,h,。,模型中：,孔隙压力,P,p,、岩石静态泊松比,岩石静态弹性模量E可以通过室内实验和测试资料得到；,只有最大水平方向上的构造应力系数,K,和最小水平主应力方向的构造应力系数,K,与具体的区块有关的未知数。,川孝5 6 8井施工曲线,可以确定出井口闭和压力：67.5Mpa，井口重张压力：81.2Mpa,根据测试资料，压裂层段岩石的弹性摸量为20576MPa，静态泊松比为0.2734，地层孔隙压力为39.798MPa。,K,=,8.0610,-7,m,-1,K,h,=,1.6410,-7,m,-1,须四段地应力的数学模型：,CX560井（3491.0-3450m）水平主应力曲线,利用这一模型，获得了CX560须四层的应力剖面。,利用测井资料获取地应力、大量岩石力学动态参数,室内实验获取岩石力学静态参数,建立岩石力学参数的动静态相关关系,大量岩石力学静态参数,利用薄板模型,测井资料、试井资料获取的储层参数,建立分层地应力解释校核模型，获取单井纵向应力剖面,研究思路,在背斜不同部位的构造应力不同，,因而背斜不同部位的井的分层地应力模型也不同,背斜储层地应力,薄板模型,背斜储层作为弯曲的薄板来研究。取板的中面为xy面。,对于弯曲板的任一横截面，正应力最大值出现在隆起一侧的板面上，因而板面上一点的主应力为：,和,分别表示该点的两个主曲率，构造主曲率,与井所处的位置有关，这是由于在背斜的不同部位其弯曲的程度不一样。,分层应力剖面模型,综合考虑上覆岩层的重力、孔隙压力、构造作用和热效应的作用，背斜构造的分层地应力模型为：,储层的两个构造主曲率,设构造图符合方程,式中N为总点数，w为海拔高程。,根据构造图上的各点x，y坐标及高程数据，可建立正归方程,解出C,00,、C,01,、C,02,、等系数，即得的近似表达式，由此可求出w的所有二阶偏导数，即可计算各点的主曲率和主方向,迪那,2,号构造地震,T8,反射层构造图,迪那,2,号构造水平最大地应力分布图,迪那,2,号构造水平最小地应力分布图,2 人工裂缝方位,原理：裂缝面垂直于最小主应力方向,当,z,最小时，形成水平裂缝；,当,Y,或,x,z,，形成垂直裂缝。,y,x,x,y,z,显裂缝地层很难出现人工裂缝。,微裂缝地层,垂直于最小主应力方向；,基本上沿微裂缝方向发展，把微裂缝串成显裂缝,y,二、水力压裂造缝机理,1 井壁最终应力分布,r,x,r,Rw,x,y,井壁上的总周向应力(应力迭加原理),地应力+井筒内压+渗滤引起的周向应力,2 水力压裂造缝条件,(1)形成垂直缝,岩石破坏条件,压为正，拉为负,最大有效周向应力大于水平方向抗拉强度,有液体渗滤,当破裂时，P,i,=P,F,无液体渗滤,当破裂时，P,i,=P,F,(2)形成水平缝,岩石破坏条件,最大有效周向应力大于垂直方向抗拉强度,有液体渗滤,有效总垂向应力为：,当破裂时,，,P,i,=P,F,1.94,无液体渗滤,有效总垂向应力为：,当破裂时,，,Pi=PF,0.94,射孔井破裂压力研究,与裸眼井相比，射孔井的情况复杂得多，不但套管对地层应力有影响，射孔孔眼也会对井壁及近井周围应力产生很大的影响。,国内外通过实验研究,得到一些定性认识:,在同一射孔密度下，破裂压力随射孔方位角,(孔眼与最大主应力方向的夹角),增加而升高。而且裂缝形态与射孔方位有关。(相位角在30,o,90,o,时易产生多裂缝和弯曲裂缝),在同一射孔方位下，破裂压力随射孔密度增加而降低，且裂缝形态越复杂。,射孔井及孔眼周围应力分布,假设井筒地层和射孔孔眼之间的沟通良好，没有孔眼摩阻，即井底压力就等于孔眼内压力。地层与水泥环固结完好。射孔后的井眼可以看成是两个不同直径的正交圆柱孔。,射孔孔眼附近小范围内采用类似与裸眼井井筒应力求解的方法来确定射孔孔眼附近的应力。,x,z,y,z,z,p,l,t,射孔孔壁上的应力为:,在井壁处,的最大有效拉伸应力达到岩石的抗拉强度,t,时，岩石发生断裂，即：,射孔井破裂压力,在实际计算时，考虑到裂缝起裂总是从井壁或是从射孔孔道壁开始，射孔孔道壁的应力为：,储层污染对破裂压力影响的研究,储层受到泥浆污染后岩石力学性质受到影响，,岩石力学参数发生变化，影响破裂压力,。,储层污染在储层井筒附近形成的表皮效应，影响了泵注过程中,压裂液,向地层的,渗滤,能力。由于,渗滤,在井壁处,引起的周向应力变为,：,将污染后的滤渗引起的应力带入井壁处总的应力公式，结合污染后的测试的岩石力学参数，就可以确定出污染后的破裂压力。,图2.6 泥浆伤害对岩心弹性模量的影响情况,（1）,泥浆伤害前后岩心,力学参数,的变化,图2.7 泥浆伤害对岩心泊松比的影响情况,在外压差的作用下，泥浆中的部分固相颗粒和滤液会侵入岩心，导致,岩石弹性模量降低，泊松比升高,。,泥浆伤害前后岩心,微观结构,的变化,图2.8 伤害前岩样微观,图2.9 岩样伤害后微观,岩石内部基本没有粒间孔，原生粒间孔大部分被,伊利石、高岭石,或,自生石英,所充；,污染面侵入大量的,重晶石及丝状聚合物，,已看不到明显的孔隙轮廓，且,从直接污染面开始，侵入孔隙内的固相颗粒和丝状聚合物逐渐减少。,64,引入液体渗滤引起的附加应力,根据Lubinski的研究，压裂液向地层孔隙渗流引起的应力,本文考虑伤害时压裂液渗滤引起的应力改变为,受污染井示意图,65,液体与地层流体的压差作用将引起井周地层孔隙压力,p(r,t）,的变化，时间t、地层半径r处的,孔隙压力变化规律,：,初始和边界条件,解析解可表示,定义误差函数为,66,各种作用力满足迭加原理,伤害后裸眼井井壁的最终应力场模型,67,污染后射孔井井壁的应力场模型,用类似方法得到污染后射孔井井壁的应力场模型,结束,数据准备,给定射孔方位,井筒压力,P,w,赋初值,根据式（2-59），计算污染后射孔井筒周围总应力分布,计算最大拉应力,max,二分法确定起裂方位角,0,P,w,P,w,P,满足抗拉强度？,N,Y,确定起裂压力,P,w,、起裂角,射孔起裂井壁破裂压力计算流程图,3 破裂压力梯度,定义,理论计算,(垂直裂缝形态),矿场统计,当,F,0.0220.025 MPa/m,形成水平裂缝,