1、油水井增產(chǎn)增注措施 第一節(jié) 水力壓裂,定義：當(dāng)?shù)孛娓邏罕媒M將液體以大大超過(guò)地層吸收能力的排量注入井中時(shí)，在井底附近蹩起超過(guò)井壁附近地層的最小地應(yīng)力及巖石抗張強(qiáng)度的壓力后，即在地層中形成裂縫。隨帶有支撐劑的液體注入縫中，裂縫逐漸向前延伸，這樣，在地層中形成了具有一定長(zhǎng)度、寬度及高度的填砂裂縫。,作用,一、 造縫機(jī)理 在壓裂中，了解裂縫的形成條件，裂縫形態(tài)及方向?qū)τ行У匕l(fā)揮壓裂在增產(chǎn)，增注中的作用是極為重要的。但由于地下條件的復(fù)雜性，雖然進(jìn)行了大量的研究，但仍未得到較好的解決。,地層中造縫的影響因素,井底附近的地應(yīng)力及其分布,巖石力學(xué)性質(zhì)及壓裂液的滲濾性質(zhì),注入方式,1. 地應(yīng)力及其分布 一般情況

2、下，地層中的巖石處于壓應(yīng)力狀態(tài)。作用在地下某單元體上的力有垂向主應(yīng)力 及水平主應(yīng)力 (其中又分為互相垂直 的和 )。 (1) 應(yīng)力 垂向應(yīng)力：作用在單元體上的垂向應(yīng)力來(lái)自上覆巖層的重量，其數(shù)值約為,H：地層深度； ：孔隙度；,由于油氣層中均有一定的孔隙壓力pp(即地層壓力或流體壓力)，部分上覆巖層的壓力z被多孔介質(zhì)中的流體壓力支持。,故有效垂向應(yīng)力可表示為： 根據(jù)廣義虎克定律，則可求出巖石的有效水平應(yīng)力為：,=,推導(dǎo)：在xe,ye,ze 作用下，單元體在x軸方向上的應(yīng)變?yōu)椋?因?yàn)榇嬖趥?cè)向應(yīng)力的限制，側(cè)向應(yīng)變?yōu)?， 令 得,(2) 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)應(yīng)力的影響 受地質(zhì)構(gòu)造影響發(fā)生很大的變化，各個(gè)方向的應(yīng)

3、力也彼此不等。 如果巖石單元體是各向同性材料，巖石破裂時(shí)的裂縫方向總是垂直于最小主應(yīng)力軸。,(3) 井壁上的應(yīng)力 1) 井筒對(duì)地應(yīng)力及其分布的影響 在地層中鉆井以后，破壞了原始應(yīng)力的平衡狀態(tài)，使得井壁上及其周圍地層中的應(yīng)力分布發(fā)生變化。為了簡(jiǎn)化，將地層中的三維應(yīng)力問(wèn)題用二維方法來(lái)處理，并近似地直接采用彈性力學(xué)中雙向受力的無(wú)限大平板中鉆有一個(gè)圓孔時(shí)的應(yīng)力計(jì)算公式來(lái)分析井壁應(yīng)力，,圓孔周向的應(yīng)力分布 ：,A）當(dāng)r=a且x=y=H時(shí)，=2x=2y=2H 說(shuō)明圓孔壁上各點(diǎn)的周向應(yīng)力相等，與值無(wú)關(guān)。 B)當(dāng)r=a, x y 時(shí)，,隨著r的增加，周向應(yīng)力迅速降低，如圖13-2(b)所示。大約在幾個(gè)圓孔直徑

4、之外，即降為原地應(yīng)力值，孔壁上的應(yīng)力比遠(yuǎn)處的大得多，這就是在壓裂中地層破裂壓力大于延伸壓力的一個(gè)重要原因。即：,2) 井眼內(nèi)壓所引起的井壁應(yīng)力 壓裂過(guò)程中，向井筒內(nèi)注入高壓液體，使井內(nèi)壓力很快升高，井筒內(nèi)壓必然產(chǎn)生井壁上的周向應(yīng)力。,簡(jiǎn)化：若把井筒周圍的巖石看作是一個(gè)具有無(wú)限壁厚的厚壁圓筒，假設(shè)材料是彈性的，根據(jù)彈性力學(xué)中的拉梅公式(拉應(yīng)力取負(fù)號(hào)),當(dāng)厚壁筒外邊界半徑re，厚壁筒外邊界壓力Pe=0時(shí)，井壁上r=a處的周向應(yīng)力:,式中 注入時(shí)的井底壓力。 即井筒內(nèi)壓引起的井壁周向應(yīng)力與內(nèi)壓大小相等，符號(hào)相反。,3) 壓裂液徑向滲入地層所引起的井壁應(yīng)力 由于注入井中的高壓液體在地層破裂前，滲入井筒

5、周圍地層中，形成了一個(gè)附加應(yīng)力區(qū)，它的作用是增大了井壁周圍巖石中的應(yīng)力。增加的周向應(yīng)力值為：,巖石骨架壓縮系數(shù),巖石體積壓縮系數(shù),其中：,4) 井壁上的總應(yīng)力 顯然在地層破裂前，井壁上( =0和 =180處),總周向應(yīng)力：,總垂向應(yīng)力：,2. 造縫條件 為使地層破裂，必須使井底壓力高于井壁上的總應(yīng)力及巖石的抗張強(qiáng)度。 (1) 形成垂直裂縫,條件：如果地層的破裂屬于純張力破壞，那么隨井內(nèi)注入壓力 的不斷增加， 當(dāng) 達(dá)到或超過(guò)井壁附近地層的最小周向應(yīng)力及巖石水平方向的抗張強(qiáng)度 時(shí)，在垂直于水平周向應(yīng)力的方向上產(chǎn)生垂直裂縫，即：,其中： 即：,1）當(dāng)有濾失時(shí)：用 代入上式有：,2）無(wú)濾失時(shí)： 有,垂

6、直裂縫產(chǎn)生于井筒相對(duì)應(yīng)的兩點(diǎn)上( =0和180)，這就是為什么在理論上假定垂直裂縫以井軸為對(duì)稱的兩條縫的原因。實(shí)際上多數(shù)情況是不對(duì)稱的。,(2) 形成水平裂縫 條件：當(dāng)注入壓力達(dá)到或超過(guò)井壁附近地層的最小垂向應(yīng)力及巖石的垂向抗張強(qiáng)度時(shí)，在垂直于垂向應(yīng)力的方向上產(chǎn)生水平裂縫，其條件為：,1）存在濾失時(shí)：,2）無(wú)濾失時(shí)：,*有濾失時(shí)小于無(wú)濾失時(shí)的。,二、 壓裂液 壓裂液是為造縫與攜砂使用的液體，是水力壓裂的關(guān)鍵組成部分。 壓裂液是一個(gè)總稱，根據(jù)其在壓裂過(guò)程中的任務(wù)不同可分為前置液、攜砂液和頂替液。,1）前置液：作用是破裂地層并造成一定幾何尺寸的裂縫以備后面的攜砂液進(jìn)入，它還起到一定的降溫作用。有時(shí)

7、為了提高前置液的工作效率，在一部分前置液中加細(xì)砂以堵塞地層中的微隙，減少液體的濾失。 2）攜砂液：作用是將支撐劑帶入裂縫中并將砂子放到預(yù)定位置上去。在壓裂液的總量中，這部分占的比重較大。有造縫及冷卻地層的作用。 3）頂替液：作用是打完攜砂液后，用于將井筒中全部攜砂液替入裂縫中。中間頂替液用來(lái)將攜砂液送到預(yù)定位置，并有預(yù)防砂卡的作用。,對(duì)于占總液量絕大多數(shù)的前置液及攜砂液，必須具備如下的性能要求： 1) 濾失少 壓裂液的濾失性主要取決于它的粘度與造壁性，粘度高則濾失少。在壓裂液中添加防濾失劑，能改善造壁性并大大減少濾失量。 2) 懸砂能力強(qiáng) 壓裂液的懸砂能力主要取決于粘度，壓裂液只要有足夠高的粘

8、度，砂子即可完全懸浮，這對(duì)砂子在縫中分布是非常有利的。 3) 摩阻低 壓裂液在管道中的摩阻愈小則在設(shè)備功率一定的條件下，利用造縫的有效功率愈大。摩阻過(guò)高不僅降低了有效功率的利用，且由于井口壓力過(guò)高，排量降低。,4) 穩(wěn)定性 壓裂液應(yīng)具有熱穩(wěn)定性，不能由于溫度的升高而使粘度有較大的降低；液體還應(yīng)有抗機(jī)械剪切的穩(wěn)定性，不因流速的增加而發(fā)生大幅度的降解。 5) 配伍性 壓裂液進(jìn)入地層后與各種巖石礦物及流體相接觸，不應(yīng)產(chǎn)生不利于油氣滲濾的物理化學(xué)反應(yīng)。 6) 低殘?jiān)?要盡量降低壓裂液中水不溶物的數(shù)量，以免降低巖石及填砂裂縫的滲透率。 7) 易反排 施工結(jié)束后大部分注入液體反排出井外，排液愈完全，效果愈

9、好。 8) 貨源廣 便于配制，價(jià)錢便宜。,1. 壓裂液的類型 隨著水力壓裂技術(shù)的發(fā)展，壓裂液由最初的原油和清水逐步發(fā)展為目前經(jīng)常使用的水基、油基、酸基壓裂液及泡沫壓裂液等。 (1) 水基壓裂液 水基壓裂液主要是用水溶脹性聚合物作為成膠劑，制成能懸浮支撐劑的稠化溶液，具有粘度高、摩阻低及懸砂能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)：但熱穩(wěn)定性和機(jī)械剪切穩(wěn)定性較差。為了克服這一缺點(diǎn)，又發(fā)展了交鏈壓裂液和延遲交鏈壓裂液。,(2) 油基壓裂液 a.礦場(chǎng)原油或煉廠粘性成品油 b.稠化油 ，稠化油 =油（原油、汽油、柴油、煤油、凝析油 ）+稠化劑（脂肪酸鋁皂、磷酸酯鋁鹽 ）,(3) 多相壓裂液,1）泡沫壓裂液 外相： 水、水

10、基溶膠或水基凍膠 內(nèi)相：氣體 優(yōu)點(diǎn)：對(duì)地層傷害小、攜砂能力和造縫能力強(qiáng)、易于 反排、摩阻低等特點(diǎn)。 缺點(diǎn)：所需注入壓力高。 2) 乳化壓裂液 乳狀液是用表面活性劑穩(wěn)定的兩相非混相液的一種分散體系 。 優(yōu)點(diǎn)：攜砂能力強(qiáng)、粘度高、熱穩(wěn)定性好、對(duì)地層損 害小、排液快 。 缺點(diǎn)：摩阻大、成本高,(4) 酸基壓裂液 用植物膠或纖維素稠化酸液得到稠化酸或用非離子型聚丙烯酰胺在濃鹽酸溶液中，以甲醛交鏈而得到酸凍膠。 酸基壓裂液適宜于碳酸鹽類油氣層的酸壓。,2. 壓裂液的濾失性 壓裂液濾失是指在裂縫與儲(chǔ)層的壓差作用下壓裂液向儲(chǔ)層中的濾失。 主要受三種因素的控制,壓裂液的粘度 地層巖石及流體的壓縮性 壓裂液的造

11、壁性。,(1) 受壓裂液粘度控制的濾失系數(shù) 當(dāng)壓裂液的粘度大大超過(guò)地層油的粘度時(shí)（即： ）時(shí)， 壓裂液的濾失速度主要取決于壓裂液的粘度，壓裂液在多孔介質(zhì)中的實(shí)際滲流速度va為：,代入達(dá)西公式： 令 則,(2) 受地層流體壓縮性控制的濾失系數(shù) 當(dāng)壓裂液的粘度接近于地層流體的粘度時(shí)，即（ ）時(shí)，壓裂液的濾失主要取決于地層流體的壓縮性。這是因?yàn)榱黧w受到壓縮，讓出一部分空間，壓裂液才得以濾失進(jìn)來(lái)。 q 以為因壓力降低p 所引起的液體的膨脹dV(忽略巖石的體積膨脹 ),則單元地層體積內(nèi)液體的體積V為:,對(duì)無(wú)限地層，邊界壓力為常數(shù)的解為：,上式對(duì)x求導(dǎo)得縫壁面上的壓力梯度值：,(3) 具有造壁性壓裂液的濾

12、失系數(shù)C3 有的壓裂液具有很好的造壁性，其中添加有防濾失劑(硅粉或?yàn)r青粉等)，能在壁面上形成濾餅，有效地降低濾失速度，其濾失系數(shù)由實(shí)驗(yàn)方法確定 。 (4)綜合濾失系數(shù)C 根據(jù)水電相似原理 有,3. 壓裂液對(duì)地層滲透性的傷害及防止措施,1）對(duì)地層情況了解不夠 2）對(duì)壓裂液選擇不當(dāng) 3）用于改善壓裂液性能的添加劑針對(duì)性不強(qiáng),壓裂效果不理想或失敗,造成壓裂液對(duì)地層滲透性的傷害主要有下述原因。 (1) 壓裂液與地層及其中液體的配伍性差 壓裂液配伍性：指壓裂液與巖層和流體接觸時(shí)，無(wú)不利于油、氣滲流的物理化學(xué)反應(yīng)。,壓裂液對(duì)巖石、膠結(jié)物等固體物質(zhì)的溶解 粘土膨脹 小顆粒脫落堵塞孔隙 與地層流體相遇后產(chǎn)生沉

13、淀,傷害,措施,對(duì)粘土地層，應(yīng)添加防粘土膨脹劑 用水基壓裂液壓裂油層時(shí)，使用活性劑來(lái)防止乳狀液的形成。,(2) 壓裂液在孔隙中的滯溜 若高粘油基壓裂液進(jìn)入地層后，反排不完全或水基壓裂液破膠不好，均發(fā)生對(duì)地層孔隙的滯溜損害。,為了便于排液及減少乳狀液，要保持地層巖石、小顆粒及壓裂砂的親水性 降低液體的界面張力 注入氮或二氧化碳，以增加液體的反排能力。,措施,基液或成膠物質(zhì)中的不溶物 防濾失劑或支撐劑的微粒 由于壓裂液對(duì)地層巖石的浸泡作用而脫落下來(lái)的微粒。,殘?jiān)膩?lái)源,措施 在制備過(guò)程中要使用低殘?jiān)驘o(wú)殘?jiān)鼔毫岩海?在基液、管線、液罐中不準(zhǔn)有固形物； 支撐劑的粒徑范圍要求應(yīng)嚴(yán)格； 要注意交鏈劑與金

14、屬離子鈣、鎂的沉淀作用及防 濾失劑的不利作用。,(3) 殘?jiān)捌渌氯饔?三、 支撐劑及支撐劑輸送 支撐劑：儲(chǔ)層形成裂縫后,由攜砂液輸送、攜帶充填至裂縫中的具有一定強(qiáng)度與圓球度的固體顆粒。 作用：泵注停止并且縫內(nèi)液體排出后保持裂縫處于張開狀態(tài)，地層流體可通過(guò)高導(dǎo)流能力的支撐劑由裂縫流向井底。,支撐劑按其力學(xué)性質(zhì)分為兩大類：,1）脆性支撐劑(如石英砂、玻璃珠等)，特點(diǎn)是硬度大，變形??； 2）韌性支撐劑(如核桃殼、鋁球等)，特點(diǎn)是變形大，承壓面積隨之加大，高壓下不易破碎。,1. 支撐劑 (1) 支撐劑類型,(2) 對(duì)支撐劑的要求 對(duì)支撐劑的要求主要有下述幾方面。 1) 粒徑均勻。支撐劑粒徑均勻可

15、提高支撐劑的承壓能力及滲透性。目前使用的支撐劑直徑多半是0.420.84 mm(4020目)，有時(shí)也用少量直徑為0.842 mm(2010目)的。 2) 強(qiáng)度高。支撐劑組成不同，其強(qiáng)度也不同，強(qiáng)度越高，承壓能力越大。 3) 雜質(zhì)含量少。壓裂砂中的雜質(zhì)是指混在砂中的碳酸鹽、長(zhǎng)石、鐵的氧化物及粘土等礦物質(zhì)。常用酸溶解度來(lái)衡量存在于壓裂砂中的碳酸鹽、長(zhǎng)石和氧化鐵含量；用濁度來(lái)衡量存在于壓裂砂中的粘土、淤泥或無(wú)機(jī)物質(zhì)微粒的含量。 ,4) 砂子圓球度要好。砂子的球度是指砂粒與球形相近的程度，圓度表示顆粒棱角的相對(duì)銳度。支撐劑顆粒圓且大小大致相同時(shí)，顆粒上應(yīng)力分布比較均勻，可承受的載荷比較大。 5) 密度

16、小。若密度大，在壓裂液中懸浮及在裂縫中充填較困難。 6) 來(lái)源廣、價(jià)廉。,2. 填砂裂縫導(dǎo)流能力 填砂裂縫的導(dǎo)流能力：是裂縫閉合后，支撐劑充填帶對(duì)儲(chǔ)層流體的通過(guò)能力。值為：,填砂裂縫滲透率,裂縫寬度,(1) 導(dǎo)流能力確定 1）在室內(nèi)模擬地層條件下測(cè)得 ； 2）不穩(wěn)定試井方法求得 ； 3）數(shù)值模擬方法加以估計(jì) 。,(2) 支撐劑的選擇 支撐劑的選擇如下所述。 1) 根據(jù)油層性質(zhì)和埋藏深度經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)確定能滿足壓裂增產(chǎn)效果的石英砂粒徑及濃度。 一般在低閉合壓力下淺層可選用大顆粒支撐劑；在高閉合壓力下，選用粒徑較小的支撐劑；裂縫面積上高濃度的支撐劑比低濃度的支撐劑有較高的導(dǎo)流能力。 2) 根據(jù)實(shí)際需求

17、量選貨源廣又符合要求的砂產(chǎn)地，做到既經(jīng)濟(jì)，又來(lái)源充足。 3) 選擇合適的加砂方式，不同加砂方式要選擇不同的支撐劑。,3. 支撐劑輸送 支撐劑在壓裂液中的沉降規(guī)律直接影響到填砂裂縫的幾何尺寸、支撐劑在縫中的分布規(guī)律及填砂裂縫的導(dǎo)流能力。 (1) 單顆粒支撐劑在靜止壓裂液中的自由沉降 斯托克斯利用浮力與阻力相等的原理，得出了無(wú)限、靜止牛頓液體中顆粒以穩(wěn)定勻速沉降的基本關(guān)系。 作用在顆粒上的重力：,顆粒穩(wěn)定勻速沉降時(shí)的阻力： 由F1=F2,1)當(dāng) 時(shí)，,2）當(dāng) 時(shí)， 3）當(dāng) 時(shí)，,對(duì)于非牛頓冪律壓裂液以 代 則：,(2) 支撐劑在裂縫中的沉降 此時(shí)壓裂液受到兩種剪切效應(yīng)，即砂子沉降剪切和液體水平流動(dòng)

18、的剪切。因此，壓裂液受到的總剪切速率為 ：,由于砂子在縫中并不是孤立的單一顆粒，而是在一定的濃度下，此時(shí)，一顆砂子的沉降，受到其它砂子的影響，這種條件下的沉降稱為干擾沉降。常用的干擾沉降速度的計(jì)算式為：,其中：,式中 干擾沉降速度， ms； 攜砂液中液體所占的體積百分?jǐn)?shù)。 地面砂濃度，指單位體積攜砂液中支撐劑的質(zhì)量，kgm3 。,(3) 影響顆粒沉降的因素 液體中多顆粒沉降時(shí)，由于粒間相互干擾作用，使多粒中的單顆粒沉降速度低于多顆粒的沉降速度。,1）單顆粒支撐劑的沉降引起周圍液體的向上流動(dòng)，阻尼了周圍顆粒的下沉，砂比愈高阻尼作用愈大； 2）混有砂子的液體混合物的密度、粘度都有所增加，其結(jié)果是增大了顆粒的浮力及沉降的阻力，這都使沉降速度變緩。 3）當(dāng)支撐劑在裂縫中沉降時(shí)，壁面使顆粒沉降速度變緩。,相互干擾包括,四、 裂縫擴(kuò)展模型 建立壓裂裂縫延伸模型