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第六章 水力压裂技术
主要内容：
(1) 造缝机理
(2) 压裂液
(3) 支撑剂
(4) 压裂设计
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
1、油井应力状况
2、造缝条件
3、压裂施工曲线的分析与应用
4、裂缝方位的判断
压裂的定义：
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
高能气体压裂
干法压裂
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：
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。
水力压裂的工艺过程：
憋压
造逢
裂缝延伸
充填支撑剂
裂缝闭合
水力压裂增产增注的原理:
(1) 改变流体的渗流状态：使原来径向流动改变为油层与
裂缝近似的单向流动和裂缝与井筒间的单向流动，消除了
径向节流损失，降低了能量消耗。
(2) 降低了井底附近地层中流体的渗流阻力：裂缝内流体
流动阻力小。
第一节 造缝机理
裂缝形成条件
井网部署
裂缝的形态
提高采油速度
裂缝的方位
提高原油采收率
有利的裂缝状态及参数能够充分发挥其在增产、
增注的作用。
造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层
的地应力及其分布、岩石的力学性质、压裂液的渗滤
性质及注入方式有密切关系。
破裂压力
延伸压力
地层压力
图6-1 压裂过程井底压力变化曲线
a—致密岩石 b—微缝高渗岩石
一、油井应力状况
z
(一)地应力
y
垂向应力：上覆层的岩石重量。
H
 Z    S gdz
x
0
有效垂向应力： Z   Z  Ps
如果岩石处于弹性状态，可根据广义虎克定律建立岩石的
有效水平应力与有效垂向应力的关系：
在三向应力作用下，x轴方向上的应变分别为：
1
 x1   x
E
 x2  

E
y
 x3  

E
z
由于存在侧向应力的约束，则：
 x   x1   x 2   x 3
令：  x



1
  x   y   z  0
E
  y 得：  x   y 

1 
z
考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大、最小水平
侧压系数
主应力为：
 H max
 H min
1  1 E 2  Z  PS   2 E 
 


 PS

2 1 
1 
1  
1  1 E 2  Z  PS   2 E 
 


 PS

2 1 
1 
1  
(二)井壁上的应力
(1) 当
x  y H
r ，
a
，x  2 y  2 H
1.井筒对地应力及其分布的影响 时，   2
说明圆孔壁上各点的周向
地层三维应力问题
应力相等，且与角度无关。
转化为二维方法处理
(2) 当 r  a， x   y时，
 min   0 ,180
。

 max   90 ,270

 3 y   x
。
 3 x   y
说明最小周向应力发生在
图6-2
无限大平板中钻一圆孔的应力分布
 y 方向上，而最大周向应
力却在
的方向上。
x
(3) 随着
的增加，
 x   y  a 2   x   y  3a 4 
1  2  
1  4  cos 2
 
2  r 
2 
r 
周向应力迅速降低。
圆孔周向应力：
r
2.井眼内压所引起的井壁应力
压裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内压力很
快升高。井筒内压必然导致井壁上产生周向应力。根据弹
性力学中的拉梅公式(拉应力取负号)：
Pe re2  Pi ra2 Pe  Pi re2 ra2
  2 2  2 2 2
re  ra
r re  ra


当re=∞、Pe=0及r=ra时，井壁上的周向应力为：
    Pi
即由于井筒内压而导致的周向应力与内压大小相等，
方向相反。
3.压裂液径向渗入地层所引的井壁应力
由于注入井中的高压液体在地层破裂前，渗入井筒
周围地层中，形成了另外一个应力区，它的作用是增大
了井壁周围岩石中的应力。增加的周向应力值为：
Cr
1  2
  1
   Pi  Ps 
Cb
1 
4.井壁上的最小总周向应力
在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力应为地应
力、井筒内压及液体渗滤所引起的周向应力之和：
1  2
   3 y   x   Pi  Pi  Ps 
1 
二、造缝条件
（一）形成垂直裂缝的条件
当井壁上存在的周向应力超过井壁岩石的水平方向的抗
拉强度时，岩石将在垂直于水平应力的方向上产生脆性破裂，
即在与周向应力相垂直的方向上产生垂直裂缝。造缝条件为：
    th
当产生裂缝时，井筒内注入流体的压力即为地层的破
裂压力：
3 y   x   th
PF  PS 
1  2
2 
1 
(二)形成水平裂缝的条件
当井壁上存在的垂向应力超过井壁岩石的垂向的抗张强
度时，岩石将在垂直于垂向应力的方向上产生脆性破裂，即
在与垂向应力相垂直的方向上产生水平裂缝。造缝条件为：
 Z   tv
当产生水平裂缝时，井筒内注入流体的压力等于地层的
破裂压力：
PF  Ps 
实验修正：
 z   tv
1 
1  2
1 
z tv
PF  Ps 
12
1.94
1
(三)破裂压力梯度(破裂梯度)
破裂梯度：地层破裂压力与地层深度的比值。
各油田根据大量压裂施工资料统计出来的破裂梯度值为：
(15～18)～(22～25)
根据破裂梯度的大小估计裂缝的形态：
小于15～18时形成垂直裂缝
大于23时形成水平裂缝
深地层——垂直裂缝
浅地层——水平裂缝