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水力压裂技术

第六章水力压裂技术

第一节造缝机理

第六章水力压裂技术

第一节造缝机理

教学目的

了解压裂含义，和各种压裂的种类，熟练掌握油井的应力状况，能够计算简单的地应力，掌握形成裂缝的条件以及破裂压力梯度，会对压裂施工曲线进行分析与应用，了解裂缝方位的判断方法。

教学重点、难点

教学重点

1、地应力的计算

2、压裂过程中井壁的周向应力

3、形成水平裂缝、垂直裂缝的条件

教学难点

1、压裂施工曲线的分析与应用

2、有裂缝和无裂缝时的破裂压力梯度计算

教法说明

课堂讲授并辅助以多媒体课件展示相关的数据和图表

教学内容

本节主要介绍四个方面的问题：

油井应力状况

造缝条件

压裂施工曲线的分析与应用

裂缝方位的判断

压裂：用压力将地层压开一条或几条水平的或垂直的裂缝，并用支撑剂将裂缝支撑起来，减小油、气、水的流动阻力，沟通油、气、水的流动通道，从而达到增产增注的效果。

压裂的种类(根据造缝介质不同)

水力压裂：利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高压；当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层产生裂缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，使井达到增产增注目的工艺措施。

高能气体压裂：利用特定的发射药或推进剂在油气井的目的层段高速燃烧，产生高温高压气体，压裂地层形成多条自井眼呈放射状的径向裂缝，清除油气层污染及堵塞物，有效地降低表皮系数，从而达到油气井增产的目的的一种工艺技术。

干法压裂：利用100%的液体二氧化碳和石英砂进行压裂，无水无任何添加剂，压后压裂液几乎完全排出地层，可避免地层伤害。其关键技术是混合砂子进入液体二氧化碳中的二氧化碳混合器。适用于对驱替液、冻胶或表面活性剂的伤害敏感的地层，适合的储层包括渗水层、低压层及有微粒运移的储层以及水敏性储层。

水力压裂的工艺过程：

②岩石的渗透性保证传压是处处相等

③流体中的压力完全由岩石骨架所承受

应用虎克定律得：

这里的泊松比是含有流体，实际应用时并没有分清。

2、地质构造对地应力的影响

可见，受地质构造力的影响，应力之间的关系变化很大。

3、主应力大小与裂缝形态的关系

从力学的观点来看，裂缝总是产生于强度最弱、抗力最小的地方，在地层中出现裂缝也是这样的。

结论：岩石破裂时，裂缝面总是垂直于最小主应力轴（假设前提：岩石单元体是均质的，各向同性材料）——判断准则

①由于浅地层的相对小些，且近地表地层中构造运动也较多，的几率也多，且浅地层中层理发育，所以浅地层多出现水平裂缝。

②深地层相对大些，的几率多，所以深地层压开的多好垂直裂缝。

4、压裂过程中井壁上的周向应力

钻井以后，井底处的应力分布受井筒的影响，在井筒附近产生应力集中，为简便起见，将三维应力问题简化为二维来处理。

对油层的几个假设：

①油层为弹性体

②油层均质

③油层各向同性

在上述假设下，井筒对地应力及其分布的影响可用弹性力学中无限大平板上钻一孔眼的理论来加以分析。

地应力在井壁上形成的周向应力（）

图

图6-2无限大平板中钻一圆孔的应力分布

如图有一无限大平板上钻一孔眼，在、方向上分布着压应力、，假设，则根据弹性力学理论可得出孔眼壁上的周向应力为：

式中：——距孔眼中心线的距离

——孔眼半径

——任意径向与轴夹角

当=时，

讨论（分析圆孔周边的应力分布）：

①当=时，（=）

②当≠时，（=）

a.当=0°、180°时（A、B）

①

b.当=90°、270°时（C、D）

c.当=时

d.当时

e.当=3时

f.当=3时

③当==时（）

可见，↗↓；当=（4～6）时

，说明孔壁上的应力比远处的大得多，同时圆孔周围产生了应力集中。所以压裂时，地层破裂压力（PF）延伸压力（PE）。

（2）注入压力所引起的井壁周向应力

简化处理：把井筒周围的岩石看成是一个厚壁圆筒（壁厚）

根据弹性力学中的厚壁筒理论

由拉梅公式（压应力Pe取正号，拉压力Pi取负号）得