第1章-水力压裂PPT资料.ppt
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当z最小时,形成水平裂缝当y最小时,形成垂直裂缝,第一大节,二、破裂压力,1.井筒应力分布,
(一)井壁最终应力分布,由上式知,可以得出什么结论?
问题:
最大最小周向应力在什么地方?
2.向井筒注液产生的应力分布,按弹性力学理论计算应力分布:
结论?
3.注入液径向渗入地层引起的应力,周向应力值近视为:
4.井壁最终应力分布,将上述几种周向应力叠加总存在两个方向受到的周向应力最小:
井壁处的周向应力简化为:
(二)水力压裂造缝条件,准则:
最小主应力达到物体的抗张强度t就会破坏。
1.形成垂直裂缝,存在压裂液滤失,最大张应力准则:
当井壁岩石的有效周向应力达到井壁岩石水平方向的最小抗张强度ht,,有效周向应力:
破裂压力:
无压裂液滤失,有效周向应力:
2.形成水平裂缝,条件:
井壁岩石的有效垂向应力达到井壁岩石垂直方向的最小抗张强度Vt,形成水平缝。
有压裂液滤失,有效垂向应力:
修正破裂压力:
无压裂液滤失,破裂压力:
(三)破裂压力梯度,定义:
某点破裂压力与该点深度的比值。
计算?
理论计算,统计,范围:
0.0150.025MPa/m,与裂缝形态的关系:
0.0150.018MPa/m,垂直缝;
0.0220.025MPa/18m,水平缝,fracturepressuregradient,三、降低破裂压力的途径,主要途径,改善射孔参数,高能气体压裂,酸化预处理,解除射孔污染,增加孔眼有效深度,溶解胶结物成分,&
2压裂液,fracturingfluid,作用:
传递压力;
起裂和延伸裂缝;
携砂。
按作用分,前置液,携砂液,顶替液,起缝、延伸裂缝、冷却,延伸裂缝、悬砂,顶替砂浆,压裂液:
压裂施工过程中所用的工作液的总称。
fracturingfluid,对压裂液的要求:
与地层配伍;
有效悬浮和输送支撑剂;
滤失少;
摩阻低;
低残渣;
易返排;
热稳定性;
抗剪切稳定性。
一、压裂液类型,1.水基压裂液,类型,水,稠化水,水基冻胶,清水+稠化剂等,清水+稠化剂+交联剂+破胶剂等,稠化剂,作用:
增加粘度;
降低滤失;
悬浮和携带支撑剂。
种类:
植物胶;
植物胶衍生物;
纤维素衍生物;
工业合成聚合物。
交联剂,作用:
交联聚合物线性大分子,形成网状体型结构,种类:
两性金属、含氧金属,破胶剂,作用:
使冻胶压裂液降解(化水),种类:
氧化破胶剂、生物酶体系、有机弱酸,油基压裂液:
碳酸铵盐、氧化钙、氨水,水基压裂液的适用性:
大多数储层;
不适宜于低压储层;
不宜用于油湿地层;
不能用于强水敏地层。
优点:
成本低;
安全;
缺点:
伤害(水敏、油水乳化、残渣);
2.油基压裂液,组成:
油+增稠剂+交联剂等,油:
原油、柴油、煤油及凝析油,优点:
避免水敏;
自动破胶;
摩阻高;
风险大;
高温稳定性差;
适用性:
3.乳化压裂液,组成:
油+水+表面活性剂等,水相,水,盐水,稠化水,水冻胶,酸类,醇类,油相,原油,成品油,凝析油,乳化类型,油包水,水包油,优点:
地层伤害小;
摩阻较高;
抗温性较差;
成本高;
4.泡沫压裂液,定义:
气体分散于液体的分散体系。
组成:
水相+气相+气泡剂,水相,稠化水,水冻胶,酸液,气相,CO2,N2,醇液,空气,特点:
地层伤害小,摩阻小,效率高,抗温性差。
二、压裂液添加剂,additive,1.pH调节剂,作用:
控制交联剂和交联时间所要求的pH值;
加速/延缓聚合物的水合作用;
保证压裂液处于破胶剂的有效作用范围。
常用pH调节剂:
氢氧化纳、碳酸氢纳、磷酸氢钠、醋酸钠、甲酸、醋酸等,2.杀菌剂,3.粘土稳定剂,KCl,稳定机理:
通过阳离子防止阳离子交换阻止粘土颗粒扩散。
特点:
效果好,但有效期短。
季胺,稳定机理:
带正电的基吸附在带负电的粘土质点,其烃链从质点向外伸展形成“有机屏障”保持粘土颗粒呈不分散状态。
阳离子型,稳定机理:
吸附粘土表面,束缚微粒迁移和膨胀。
作用时间长。
4.破乳剂,5.降滤剂,类型:
硅粉、乳状液、油溶性树脂。
5.其它添加剂,抗温剂、气泡剂、减阻剂、转向剂等,第二大节,三、压裂液流变性,rheologicalproperty,压裂液流变性:
指压裂液在外力作用下产生运动和变形特性的关系。
水、活性水、稠化水、油,冻胶、粘弹性聚合物、泡沫压裂液,泡沫压裂液,1.压裂液的流变性,牛顿型:
非牛顿型,幂律型:
视粘度:
圆管稠度系数:
裂缝稠度系数:
宾汉型:
2.压裂液流变性的测定方法,3.压裂液的摩阻计算,管路摩阻,射孔孔眼摩阻,Esso公司公式:
Amoco公司公式:
缝流摩阻,四、压裂液的滤失性,滤失过程:
压裂液造壁性控制的压裂液经过滤饼向地层滤失(滤饼区),然后是压裂液粘度控制的滤液侵入地层过程(侵入区),最后是受地层流体压缩性和流动控制的第三个区域(压缩区)。
1.压裂液的造壁性滤失系数,静态造壁性滤失系数:
修正:
用途:
静态滤失系数用于筛选评价压裂液,用途:
动态滤失系数为压裂设计提供参数,2.受压裂液粘度控制的滤失系数,假设条件:
侵入符合达西定律;
活塞驱动,压裂液的实际滤失速度:
积分求L,回代达西定律,滤失系数:
3.受地层流体压缩性控制的滤失系数,4.综合滤失系数,调和法:
分压降法:
非造壁液:
造壁液:
例:
已知油层渗透率K=2.510-3m2,孔隙度=0.2,地层流体粘度R=2mPas,综合压缩系数cf=610-3MPa-1,压裂液粘度f=2mPas,压裂液造壁性滤失系数cw=1.810-3mmin0.5,裂缝壁面内外压差p=18MPa。
求综合滤失系数c。
五、压裂液对储层的伤害与保护,液体污染:
粘土水化和微粒运移;
压裂液滞留;
润湿性。
固相堵塞,压裂液浓缩,作业,作业1:
已知油层渗透率K=2.510-3m2,孔隙度=0.2,地层流体粘度R=3mPas,综合压缩系数cf=610-3MPa-1,压裂液粘度f=2mPas,压裂液造壁性滤失系数cw=1.810-3mmin0.5,裂缝壁面内外压差p=18MPa。
&
3支撑剂,proppant,支撑剂:
作用:
要求:
承受高闭合应力;
密度低;
化学惰性;
粒度均匀、圆球度好,粒径尽量大;
杂质少;
货源充足,价格便宜。
140MPa,2g/cm3,200盐水,一、支撑剂类型,1.硬脆性支撑剂,硬脆性支撑剂:
指支撑剂硬度大,在闭合应力下不宜变形的支撑剂。
类型:
石英砂、陶粒。
石英:
应用比重:
石英砂的特点:
破碎后仍具有一定的导流能力;
密度相对较低;
可作为降滤剂;
适合于低闭合应力地层;
价格便宜。
产地:
新疆、兰州、福州、岳阳、内蒙,中强度陶粒:
制造:
铝矾土或铝质陶土,组成:
铝质+硅质+其它氧化物,产地:
宜兴,高强度陶粒:
铝矾土或氧化铝,组成:
氧化铝+氧化硅+氧化铁+氧化钛,产地:
成都、唐山,陶粒的特点:
强度高;
导流能力高;
导流能力递减慢;
密度高;
价格高。
2.韧性支撑剂,韧性支撑剂:
在较高闭合压力作用下相对容易变形而不破碎的支撑剂。
树脂砂、核桃壳。
树脂砂,预固化树脂砂,可固化树脂砂,3.支撑剂在闭合应力下的状态,嵌入岩层,破碎,受压变形,二、支撑剂性能,1.支撑剂物理性质,粒度组成及分布;
圆球度及表面光滑度;
浊度;
密度;
酸溶度;
抗压强度。
真密度、视密度,?
测定支撑剂性能,2.支撑剂导流能力,定义:
支撑剂在储层闭合压力下通过或输送储层流体的能力,表示为Kfw,单位m2cm。
FRCD,fractureconductivity,分类,短期导流能力,长期导流能力,评价和选择支撑剂,压裂效果评价,支撑剂类型和形状对导流能力的影响,表1我国部分支撑剂导流能力(铺砂浓度5.0kg/m2),支撑剂粒度组成的影响,铺砂浓度的影响,铺砂浓度,支撑剂质量的影响,地层条件的影响:
闭合压力;
岩石硬度;
环境条件(地层流体介质和地层温度)。
压裂液的影响,流动条件的影响:
非达西效应;
多相流效应;
承压时间。
三、支撑剂选择,1.裂缝导流能力确定原则,图版法,辛科准则,垂直缝:
水平缝:
2.支撑剂类型,闭合应力法,石英砂,40MPa:
高强度陶粒,40MPa:
井深法,石英砂,3000m,陶粒,3000m:
3.支撑剂粒径的选择,考虑因素:
裂缝宽度;
输送要求。
4.支撑剂铺砂浓度,缝长,导流能力,支撑剂粒径,铺砂浓度,闭合压力,第三大节,&
4水力压裂裂缝延伸模拟,压裂模型的分类,集总参数模型,拟三维模型,全三维模型,二维模型,一、卡特面积公式,假设条件:
压裂液沿裂缝面垂直、线性向地层流失;
滤失速度取决于该点暴露于压裂液的时间;
忽略流体压缩性;
裂缝中各点压力相同,等于井底注入压力。
原理:
物质平衡原理,注入裂缝的液量等于裂缝体积增量与滤失量之和。
根据Carter模型的几何假设,上式改写成:
进行Laplace变换,可解出裂缝壁面面积:
erfc(x)为x的误差补偿函数:
对于垂直对称双翼裂缝,如果已知缝高Hf,则单翼缝长为:
对于水平裂缝,裂缝半径为:
二、PKN模型,PKN模型是由Perkins&
Kern提出,Nordgren加以完善。
其几何模型如图所示。
假设条件:
裂缝高度为常数,垂直于缝长方向横截面为椭圆;
压裂液沿缝长作稳定的一维层流流动,且沿裂缝壁面线性流失;
沿缝长方向的压降完全由流体的流动阻力引起,在裂缝延伸前缘,流体压力等于地层最小水平主应力;
t时刻x断面上悬浮最大宽度与缝中静压力成正比;
注液排量保持恒定。
对于注入时间t,基于物质平衡原理,可得到裂缝中x断面处流体流动连续性方程:
基于弹性力学理论,可得到裂缝张开宽度方程:
1.牛顿型压裂液,Lamb研究了压裂液在椭圆裂缝中流动时的压力梯度为:
1)不滤失情形(qL=0),Perkins&
Kern忽略面积A随时间的增加而引起的流量降低,导出下面计算公式:
对于单翼缝:
对于双翼缝:
2)滤失情形,当滤失系数相当大的时候A/tqL。
忽略A/t的影响,Nordgren按Laplace变换求解裂缝几何尺寸:
思考:
计算裂缝尺寸的步骤?
2.幂律型压裂液不滤失,由幂律型压裂液在两平行裂缝壁面间的流变学特征,流体视粘度为:
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- 水力