水力壓裂技術(shù).doc

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1、第四章水力壓裂技術(shù)水力壓裂是利用地面高壓泵組，將高粘液體以大大超過(guò)地層吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高壓，當(dāng)此壓力大于井壁附近的地應(yīng)力和地層巖石抗張強(qiáng)度時(shí)，在井底附近地層產(chǎn)生裂縫。繼續(xù)注入帶有支撐劑的攜砂液，裂縫向前延伸并填以支撐劑，關(guān)井后裂縫閉合在支撐劑上，從而在井底附近地層內(nèi)形成具有一定幾何尺寸和導(dǎo)流能力的填砂裂縫，使井達(dá)到增產(chǎn)增注的目的。水力壓裂增產(chǎn)增注的原理主要是降低了井底附近地層中流體的滲流阻力和改變了流體的滲流狀態(tài)，使原來(lái)的徑向流動(dòng)改變?yōu)橛蛯恿飨蛄芽p近似性的單向流動(dòng)和裂縫與井筒間的單向流動(dòng)，消除了徑向

2、節(jié)流損失，大大降低了能量消耗。因而油氣井產(chǎn)量或注水井注入量就會(huì)大幅度提高。第一節(jié)造縫機(jī)理在水力壓裂中，了解裂縫形成條件、裂縫的形態(tài)和方位等，對(duì)有效地發(fā)揮壓裂在增產(chǎn)、增注中的作用都是很重要的。在區(qū)塊整體壓裂改造和單井壓裂設(shè)計(jì)中，了解裂縫的方位對(duì)確定合理的井網(wǎng)方向和裂縫幾何參數(shù)尤為重要，這是因?yàn)橛欣牧芽p方位和幾何參數(shù)不僅可以提高開(kāi)采速度，而且還可以提高最終采收率。造縫條件及裂縫的形態(tài)、方位等與井底附近地層的地應(yīng)力及其分布、巖石的力學(xué)性質(zhì)、壓裂液的滲濾性質(zhì)及注入方式有密切關(guān)系。圖4一l是壓裂施工過(guò)程中井底壓力隨時(shí)間的變化

3、曲線。PF是地層破裂壓力，PE是裂縫延伸壓力，PS是地層壓力。圖4一l壓裂過(guò)程井底壓力變化曲線a—致密巖石;b—微縫高滲巖石在致密地層內(nèi)，當(dāng)井底壓力達(dá)到破裂壓力PF后，地層發(fā)生破裂(圖4—1中的a點(diǎn))，然后在較低的延伸壓力PE下，裂縫向前延伸。對(duì)高滲或微裂縫發(fā)育地層，壓裂過(guò)程中無(wú)明顯的破裂顯示，破裂壓力與延伸壓力相近(圖4—1中的b點(diǎn))。一、油井應(yīng)力狀況一般情況下，地層中的巖石處于壓應(yīng)力狀態(tài)，作用在地下巖石某單元體上的應(yīng)力為垂向主應(yīng)力σZ和水平主應(yīng)力σH(σH又可分為兩個(gè)相互垂直的主應(yīng)力σx，σY)。（一）地應(yīng)力作用

4、在單元體上的垂向應(yīng)力來(lái)自上覆地層的巖石質(zhì)量，其大小可以根據(jù)密度測(cè)井資料計(jì)算，一般為：（4—1）式中σZ——垂向主應(yīng)力，Pa；　H——地層垂深，m；g——重力加速度(9．81m/s2)；ρs——上覆層巖石密度，kg/m3。由于油氣層中有一定的孔隙壓力Ps，故有效垂向應(yīng)力可表示為：（4—2）如果巖石處于彈性狀態(tài)，考慮到構(gòu)造應(yīng)力等因素的影響，可以得到最大水平主應(yīng)力為：（4—3）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(cè)試試驗(yàn)結(jié)果推算，無(wú)因次；——泊松比，無(wú)因次；　E——巖石彈性模量，Pa；

5、　α——畢奧特(Biot)常數(shù)，無(wú)因次。實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的巖石泊松比和彈性模量隨巖石類型不同而有差異。(二)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上鉆井以后，井壁及其周圍地層中的應(yīng)力分布受到井筒的影響，這種影響是很復(fù)雜的。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，將地層中三維應(yīng)力問(wèn)題，用二維方法來(lái)處理。在這種情況下，與彈性力學(xué)中雙向受力的無(wú)限大平板中鉆有一個(gè)圓孔的受力情況是很相近的(圖4—2)。在無(wú)限大平板上鉆了圓孔之后，將使板內(nèi)原是平衡的應(yīng)力重新分布，造成圓孔附近的應(yīng)力集中。下面討論在雙向應(yīng)力狀態(tài)下，圓孔周向應(yīng)力的計(jì)算，因?yàn)閴毫押罅芽p的形

6、態(tài)與方位與此應(yīng)力有密切的關(guān)系。彈性力學(xué)給出了平板為固體的、各向同性與彈性材料周向應(yīng)力的計(jì)算式：（4—4）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σχ方向的夾角。當(dāng)r=a，σχ=σy=σH時(shí)，σθ=2σχ=2σy=2σH，說(shuō)明圓孔壁上各點(diǎn)的周向應(yīng)力相等，且與θ值無(wú)關(guān)。當(dāng)r=a，σχ>σy時(shí)，(σθ)min=(σθ)0o，180o=3σχ-σy，(σθ)max=(σθ)90o，270o=3σy-σx，說(shuō)明最小周向應(yīng)力發(fā)生在σχ的方向上，而最大周向應(yīng)力卻在σy的方向上

7、。隨著r的增加，周向應(yīng)力迅速降低，如圖4—2(b)所示。大約在幾個(gè)圓孔直徑之外，即降為原地應(yīng)力值。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(yuǎn)處的大得多，這就是地層破裂壓力大于裂縫延伸壓力的一個(gè)重要原因。圖圖4—2無(wú)限大平板中鉆一圓孔的應(yīng)力分布(a)應(yīng)力分布示意圖(b)半徑與周向應(yīng)力變化關(guān)系曲線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。可以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，根據(jù)彈性力學(xué)中的拉梅公式

8、(拉應(yīng)力取負(fù)號(hào))（4—5）式中Pe——厚壁筒外邊界壓力，Pa；re——厚壁筒外邊界半徑，m；ra——厚壁筒內(nèi)半徑，m；Pi——內(nèi)壓，Pa；r——距井軸半徑，cm。當(dāng)re=∞、Pe=0及r=ra時(shí)，井壁上的周向應(yīng)力為：σθ=-Pi。即由于井筒內(nèi)壓而導(dǎo)致的井壁周向應(yīng)力與內(nèi)壓大小相等，但符號(hào)相反。3、壓裂液徑向滲人地層所產(chǎn)生的井壁應(yīng)力：由于注入井中的