《水力壓裂技術(shù)》PPT課件

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1、第五章水力壓裂技術(shù)一、水力壓裂增產(chǎn)、增注的基本原理二、壓裂設(shè)計三、壓裂設(shè)備、管柱及材料四、壓裂工藝及現(xiàn)場施工水力壓裂技術(shù)：利用地面高壓泵注設(shè)備將高粘度的流體以大大超過地層吸收能力的量注入井筒，憋起高壓，在地層中形成裂縫并向前延伸。利用攜砂液將支撐劑帶入裂縫中，形成高導流能力的支撐裂縫的一系列工藝過程。§5~1水力壓裂增產(chǎn)增注的基本原理一．造縫機理（地應(yīng)力及其分布）（一）地應(yīng)力[σz、σH(σx及σy)]1．作用在單元體上的垂向應(yīng)力來自上覆巖層的重量其大?。菏街笑襷——垂向主應(yīng)力，Pa；H——地層垂深，m；g——重力加速度(9．81m/s2)；ρ

2、s——上覆層巖石密度，kg/m3。油氣層中有一定的孔隙壓力Pp，故有效垂向應(yīng)力可表示為：作用在地下巖石某單元體上的應(yīng)力為垂向主應(yīng)力σz，及水平主應(yīng)力σH(其中又分為互相垂直的σx及σy)。2、水平主應(yīng)力來自巖石處于彈性狀態(tài)（考慮構(gòu)造應(yīng)力由廣義虎克定律推導）式中σH——最大水平主應(yīng)力，Pa；ξ1，ξ2——水平應(yīng)力構(gòu)造系數(shù)，可由室內(nèi)測試試驗結(jié)果推算，無因次；——泊松比，無因次；E——巖石彈性模量，Pa；——畢奧特(Biot)常數(shù)，無因次。（二）地質(zhì)構(gòu)造對應(yīng)力的影響在逆斷層或褶皺地帶水平應(yīng)力要比垂向應(yīng)力大得多，甚至可大到3倍，在正斷層地帶，水平應(yīng)力可

3、能只有垂向應(yīng)力的三分之一。如果巖石單元體是均質(zhì)的各向同性材料，巖石破裂時裂縫的方向總是垂直于最小主應(yīng)力軸。當已知地層中各應(yīng)力的大小時，裂縫的形態(tài)或方向即可被確定。構(gòu)造對應(yīng)力的影響a—逆斷層區(qū)域σH=3σzb—正斷層區(qū)域σz=3σH人工裂縫方向示意圖（三）井壁上的應(yīng)力1．井筒對地應(yīng)力及其分布的影響在雙向應(yīng)力狀態(tài)下，彈性力學給出了平板為固體、各向同性、彈性材料的周向應(yīng)力計算式：鉆井后，井壁及其周圍地應(yīng)力分布受到井筒的影響，很復雜。簡化起見，將地層中三維應(yīng)力用二維方法來處理。用無限大平板中鉆有一個圓孔的受力情況來分析。如圖5—2所示。在無限大平板上鉆

4、了圓孔之后，使板內(nèi)原來平衡的應(yīng)力重新分布，造成圓孔附近的應(yīng)力集中。式中σθ——圓孔周向應(yīng)力，Pa；a——圓孔半徑，m；r——距圓孔中心的距離，m；θ——任意徑向與x軸的夾角；——分別為x，y方向上分布的應(yīng)力。定性分析井壁上應(yīng)力大小：（1）當r=a，σx>σy，θ=0°、180°時，(σθ)min=(σθ)0o，180o=3σy－σx（2）當r=a，σx>σy，θ=90°、270°時，(σθ)max=(σθ)90o，270o=3σx－σy說明最小周向應(yīng)力發(fā)生在σx的方向上，而最大周向應(yīng)力卻在σy的方向上。（3）隨著r的增加，周向應(yīng)力迅速降低，如圖

5、4—2(b)所示。大約在幾個圓孔直徑之外，即降為原地應(yīng)力值。結(jié)論：這種應(yīng)力分布表明，由于圓孔的存在，產(chǎn)生了圓孔周圍的應(yīng)力集中，孔壁上的應(yīng)力比遠處的大得多，這就是地層破裂壓力大于裂縫延伸壓力的重要原因。2．井眼內(nèi)壓所引起的井壁應(yīng)力式中Pe——厚壁筒外邊界壓力，Pa；（井眼內(nèi)壓在外邊界產(chǎn)生的壓力）re——厚壁筒外邊界半徑，m；ra——厚壁筒內(nèi)半徑，m；Pi——內(nèi)壓，Par——距井軸半徑，cm。壓裂過程中，向井筒內(nèi)注入高壓液體，使井內(nèi)壓力很快上升。井筒內(nèi)壓必然產(chǎn)生井壁上的周向應(yīng)力?？梢园丫仓車膸r石看作是一個具有無限壁厚的厚壁圓筒，根據(jù)彈性力學中的

6、拉梅公式(拉應(yīng)力取負號)當re=∞、Pe=0、r=ra時，井壁上的周向應(yīng)力為：σθ=－Pi即：由于井筒內(nèi)壓而導致的井壁周向應(yīng)力與內(nèi)壓大小相等，但符號相反。（利用無窮大定理推導）3、壓裂液徑向滲入地層所產(chǎn)生的井壁應(yīng)力：由于注入井中的高壓液體在地層破裂前，滲入井筒周圍地層中，形成了另外一個應(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：式中Cr——巖石骨架壓縮系數(shù)；Cb——巖石體積壓縮系數(shù)。ν——泊松比；Ps——地層壓力。——畢奧特(Biot)常數(shù)，無因次。4、井壁上的總周向應(yīng)力：顯然在地層破裂前，井壁上的總周向應(yīng)力應(yīng)為地應(yīng)力、井

7、筒內(nèi)壓及液體滲濾所引起的周向應(yīng)力之和，即：5—8二．造縫的條件(破裂壓力p破)破裂壓力：是指油層被壓開的瞬間，被壓層位所受的壓力。（一）形成垂直裂縫的條件：1．當存在液體滲濾時如果巖石的破裂是純張力破裂，當井壁上存在的周向應(yīng)力達到井壁巖石的水平方向的抗拉強度σth時，巖石將在垂直于水平應(yīng)力的方向上產(chǎn)生脆性破裂，即在與周向應(yīng)力相垂直的方向上產(chǎn)生垂直裂縫。此時有：=-σth，代入（5—8）式，并換為有效應(yīng)力(,,),則可得到垂直裂縫時的破裂壓力，當產(chǎn)生垂直裂縫時，井筒內(nèi)注入流體的壓力Pi即為地層的破裂壓力Pf，所以形成垂直裂縫的條件：2．無液體滲濾

8、時地層滲濾應(yīng)力等于零，井壁上巖石的空隙壓力仍然為Ps，故,，將其他應(yīng)力一同代入（5—8）式，則：由于最小總周向應(yīng)力發(fā)生在θ=0o，180o的對稱點上，