第五章 水力压裂技术(精品)

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1、第五章 水力压裂技术51 水力压裂力学地层中形成水力裂缝的过程与液体流动特性及岩石的力学性质有关。水力造缝的本质是岩石在液体压力作用下的破裂与变形问题，因此造缝特性与岩石的受力及力学性质有关。 一地应力场 1地应力场概念：地应力是由于岩石变形引起的介质内部单位面积上的作用力。地应力场：是指地应力大小和方向在地层空间位置的分布。2地应力剖面概念地应力剖面是指研究地应力大小在纵向上的变化。二地应力的类型（1）原地应力：开发之前地应力原始大小。（2）扰动应力：开发引起的地应力改变。（3）构造应力：由构造运动在岩体中引起的应力。（4）残余应力：除去外力后尚残存在岩石中的应力。（5）重力应力：由上覆岩层

2、的质量引起的地应力。（6）热应力：由于地层温度发生变化在其内部引起的内应力增量。（7）分层地应力：按地层分层给出不同的地应力。（8）古地应力和现今地应力：某地质时期或重要地质事件前的地应力称古地应力。目前存在或正在活动的称现今地应力。石油工程关心的是现今地应力。3地应力测试 1）长源距声波与密度测井方法该方法通过测井取得剖面上变化的岩石的纵波速度和横波速度，然后求出岩石泊松比的纵向变化，利用下式求出最小水平主应力h，而取得地应力剖面。h 41 42 图41 水力压裂测试典型压力曲线式中：v上覆层压力，通过密度测井得到。 P地层压力； 孔隙弹性系数，通过实验测的。2）测试压裂方法（现场常用） 测

3、试压裂：是将不含砂的压裂液注入地层，造缝后停泵侧压力降落曲线，待曲线上出现拐点后测试结束，出现拐点时相应的压力即裂缝闭合压力，其大小与岩层中垂直于裂缝面的应力值相等，也即就是地层最小主应力。 如图41 所示。上图中，产生人工裂缝后停泵，裂缝停止扩展处于临界闭合状态，闭合压力为Ps。结论：可以认为，裂缝临界闭合时，裂缝内的流体压力等于裂缝闭合的最小地应力。由此可以计算出最小地应力。4地应力测量数据根据国家地震局地质研究所收集整理的渤海湾盆地油田水力压裂地应力测量资料，在测量深度的范围内，对地应力测量数据按深度进行线性回归得到：辽河油田（4973473m） 大港油田（04000m） 华北油田（15

4、003200m）胜利油田（13003300m）中原油田（18303881） 式中：H 、h 、v分别为最大、最小、垂向地应力，Mpa， D地层深度，m。二岩石力学参数1弹性模量（杨氏模量） E 弹性模量 E就是虎克定律中的比例常数。物理意义：弹性体应力与应变的比值。弹性体单位截面积上的弹性力称为应力，单位长度上的变形成为应变。弹性模量对造缝宽度及压裂压力有较大影响。弹性模量表达式：静态： 动态：式中 z轴向应力； z轴向应变； 岩石密度； ，岩石纵、横波速度。进行压裂设计时，砂岩弹性模量的取值范围为1104 4104MPa。2泊松比 泊松比：指岩石横向应变量与纵向应变量的比值，或叫横向变型系数

5、。岩石在外力作用下，纵向上产生伸长的同时，横向上缩小。 其横向缩小应变量与纵向相对伸长应变量之比。 泊松比表达式静态： 动态：式中 周向应变。岩石的泊松比取值范围为0.150.35.弹性模量E、泊松比都是反映岩石材料弹性特性的参数。3断裂韧性模拟裂缝延伸时，引用了线弹性力学中应力强度因子的概念，它反映了裂纹尖端附近区域内各点应力的强弱。当应力强度因子增大到某一临界值时，岩石的裂缝将发生急剧的不稳定扩展。岩石应力强度因子的临界值称为岩石的断裂韧性。它决定了裂缝在延伸过程中所需的力。断裂韧性是水力压裂设计中一个关键参数，试验求得。常温常压下求得的砂岩断裂韧性值一般在0.53.0MPm1/2范围内。

6、4孔隙弹性系数（毕奥特系数）它反映了孔隙压力对岩石变形的影响，也是求水平地应力的一个重要参数。 定义为： 式中 Cb岩石的体积压缩系数； Cg岩石颗粒（骨架）的压缩系数。实验室中测得砂岩的孔隙弹性系数一般在0.60.9之间。5岩石抗张强度 S岩石抗张强度是岩石本身的一种性质。岩石处在复杂的应力状态中，只要所受的拉伸或剪切应力等于岩石材料本身的抗张强度时，岩石即发生破坏。岩石的主要破坏类型有拉伸、剪切和塑性流动破坏。对于脆性岩石主要发生拉伸和剪切破坏，对于塑性岩石主要发生塑性流动破坏。石油工程中最常见的是脆性破坏。作业思考题：1. 地应力是怎样概念的？2什么是岩石的弹性模量和泊松比？写出数学表达

7、式？ 52 造缝机理一地应力及其分布一般情况下，地层中的岩石处于压应力状态。作用在地下岩石某单元体上的应力为垂向主应力z ，及水平主应力H(其中又分为互相垂直的x及y )。（一）地应力1作用在单元体上的垂向应力来自上覆岩层的重量。它的数值为： （51）式中 z垂向主应力，Pa； H地层垂深，m；g重力加速度(981 m/s2)； s上覆层岩石密度，kg/m3。由于油气层中有一定的孔隙压力Pp，故有效垂向应力可表示为： （52）2作用在单元体上的水平主应力：来自岩石处于弹性状态，考虑到构造应力等因素的影响。最大水平主应力为： （53）式中 H最大水平主应力，Pa； 1，2水平应力构造系数，可由室

8、内测试试验结果推算，无因次；泊松比，无因次； E岩石弹性模量，Pa； 毕奥特(Biot)常数，无因次。 （二）地质构造对应力的影响在逆断层或褶皱地带水平应力要比垂向应力大得多，甚至可大到3倍，在正断层地带，水平应力可能只有垂向应力的三分之一。图43 人工裂缝方向示意图如果岩石单元体是均质的各向同性材料，岩石破裂时裂缝的方向总是垂直于最小主应力轴。当已知地层中各应力的大小时，裂缝的形态或方向即可被确定。如图43。图41构造对应力的影响a逆断层区域H=3z b正断层区域z=3H （三）井壁上的应力1井筒对地应力及其分布的影响钻井后，井壁及其周围地应力分布受到井筒的影响，很复杂。简化起见，将地层中三

9、维应力用二维方法来处理。用无限大平板中钻有一个圆孔的受力情况来分析。如图52所示。在无限大平板上钻了圆孔之后，使板内原来平衡的应力重新分布，造成圆孔附近的应力集中。在双向应力状态下，弹性力学给出了平板为固体、各向同性、弹性材料的周向应力计算式： （54）（改错）式中 圆孔周向应力，Pa； a圆孔半径，m； r距圆孔中心的距离，m； 任意径向与x轴的夹角； 分别为x，y方向上分布的应力。图4-2 无限大平板中钻一圆孔的应力分布定性分析井壁上应力大小：（1）当r=a，xy，=0、180时， ()min= ()0，180= 3yx（2）当r=a，xy，=90、270时，()max=()90，270=

10、3xy说明最小周向应力发生在x的方向上，而最大周向应力却在y的方向上。 （3）随着r的增加，周向应力迅速降低，如图42(b)所示。大约在几个圆孔直径之外，即降为原地应力值。这种应力分布表明，由于圆孔的存在，产生了圆孔周围的应力集中，孔壁上的应力比远处的大得多，这就是地层破裂压力大于裂缝延伸压力的重要原因。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。井筒内压必然产生井壁上的周向应力。可以把井筒周围的岩石看作是一个具有无限壁厚的厚壁圆筒，根据弹性力学中的拉梅公式(拉应力取负号) （55）式中 Pe 厚壁筒外边界压力，Pa；（井眼内压在外边界产生的压力） re 厚

11、壁筒外边界半径，m； ra 厚壁筒内半径，m； Pi 内压，Pa； r 距井轴半径，cm。当re =、Pe=0、r= ra 时，井壁上的周向应力为：=Pi即：由于井筒内压而导致的井壁周向应力与内压大小相等，但符号相反。（利用无穷大定理推导） 3、压裂液径向渗入地层所产生的井壁应力：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： （56） （57）式中 Cr岩石骨架压缩系数；Cb岩石体积压缩系数。泊松比；Ps地层压力。 4、井壁上的总周向应力： 显然在地层破裂前，井壁上的总周向应力应为地应力、井筒内压及液体

12、渗滤所引起的周向应力之和，即： （58）二造缝的条件油层破裂压力概念：是指油层被压开的瞬间，被压层位所受的压力。（一）形成垂直裂缝1当存在液体渗滤时，如果岩石的破裂是纯张力破裂时，当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的水平方向的抗拉强度th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。此时有：= -th，代入（58）式，并换为有效应力(，)，则可得到垂直裂缝时的破裂压力，当产生垂直裂缝时，井筒内注入流体的压力Pi即为地层的破裂压力Pf，所以形成垂直裂缝的条件： （59）2无液体渗滤时，地层渗滤应力等于零，井壁上岩石的空隙压力仍然为Ps，故，将其他应力一

13、同代入（58）式，则：由于最小总周向应力发生在=0，180的对称点上，垂直裂缝也产生在与井筒相对应的两个点上。这就是为什么假定垂直裂缝以井轴为对称的两条缝的原因。实际上由于地层的非均质性和局部应力场的影响，产生的裂缝往往是不对称的。（二）形成水平裂缝当产生水平裂缝时，井筒内注人流体的压力等于地层的破裂压力，经过实验修正后得到形成水平裂缝的条件： （510）式中 th岩石垂向抗张强度。（三）破裂压力梯度为了便于比较与预测各油田（油井）的破裂压力，常使用破裂梯度来表示，其物理意义： （kg/cm2m）即：破裂压力梯度是指地层破裂压力与地层深度的比值。 三地面泵压的确定（1） 地层产生垂直裂缝时地面

14、泵压的确定：（产生垂直裂缝的油藏） （511）式中： PB井口施工泵压，MPa； 地层破裂压力，MPa；井筒液柱压力，MPa；管线及管柱产生的压力损失，MPa。（2）地层产生水平裂缝时地面泵压的确定：（产生水平裂缝的油藏） （512） 式中参数同上。结论：无论产生垂直裂或水平裂缝，地面泵压值主要取决于地层破裂压力的大小。四 裂缝几何模型1卡特模型 （一维模型） 2PKN 模型 （二维设计模型）特点：（1）裂缝高度一定（油层厚度） （2）长和宽是变化的 （3）缝的几何形状：长而窄的缝。 3KGD 模型 （二维设计模型） 特点：（1）裂缝高度一定（油层厚度） （2）长和宽是变化的（3）缝的几何形状

15、：短而宽的缝。 结论：对于低渗油藏，需要压成长而窄的裂缝，对于高渗油藏，则压成一个短而宽的裂缝。 图45 PKN 模型 图46 KGD模型 从无因次裂缝导流能力来分析： 裂缝的导流能力：裂缝宽度与填砂裂缝渗透率的乘积。无因次裂缝导流能力表达式： 要想使低渗层和高渗层有同样的高导流能力，从公式中变换两个参数W 和 Xf。图47压裂前地层渗流示意图1地层，2井眼，3污染带五水力压裂增产增注原理1压裂前流体从底层流向井底的流动形态 特点：（1）流体流动过程复杂。拟径向流过程中，越靠近井底，渗流面积越小，渗流阻力越大。原因：，Q不变，A越小，V增大，f增大。（2）污染带和井底周围应力的集中，使近井地带

16、的渗透率降低，井筒附近的渗流阻力增加。结论：水力压裂前，由于各种阻力的影响，近井地带的渗透能力较差。2压裂后流体从地层流向井底的流动形态 压裂后，地层流体将经历四种不同的渗流阶段：1）拟径向流动阶段 ：在供油边界，地层流体向井底流动以拟径向流为主 。2）地层线性流动阶段 ：只能在裂缝导流能力很高时才能出现。3）双线性流动阶段：流体靠近裂缝时线性流入裂缝，裂缝中的流体线性流入井底。4）裂缝线性流动阶段：该流动阶段时间短，实际意义不大。 (a) 拟径向流阶段 (b) 地层线性流 (c) 双线性流 (d) 裂缝线性流 结论：水力压裂结果，改变了渗流区的渗流方式，获得了双线性流动模式，提高了近井地带的

17、渗透能力。3水力压裂增产、增注的基本原理 利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过油层吸收能力的排量泵入井中，在井底附近地层产生裂缝，将带有支撑剂的携砂液挤入裂缝中，从而在井底附近地层内形成一条具有一定长度、宽度和高度的高导流能力的填砂裂缝。由于改变了井底附近流体的渗流状态，提高了油层的渗流能力，从而达到增产、增注的目的。 。 井筒附近复杂的裂缝几何形状六水力压裂造缝过程1裂缝起裂水力裂缝起裂从点源开始，逐步连接成线源缝。裂缝沿井筒轴向扭曲起裂，在延伸过程中逐步扭曲到与最小主应力垂直的方向上，然后沿该方向延伸并逐步形成一条主缝。起裂首先克服岩石地应力和抗张强度，也就是破裂压力。 2裂缝延伸指岩石

18、破裂形成裂缝后，在缝内液体压力作用下继续向前扩展的过程。其延伸平面总是垂直于最小主应力方向，沿着最大主应力方向。如图所示。地层破裂在井筒附近较复杂，也可能是多条，逐步延伸形成一条主缝。若天然裂缝发育好，可能会出现多条。延伸压力指裂缝扩展所需压力，一般低于破裂压力。3裂缝闭合裂缝闭合压力是指压裂施工停泵后，裂缝逐渐闭合的压力。由于施工期间高压液体从裂缝壁面向地层虑失，是孔隙压力增高，引起地应力场变化，所以，裂缝闭合压力高于水平最小主应力。课后小结： 通过学习本节课，了解造缝机理，掌握岩石的破裂机理和破裂压力概念，掌握表述岩石裂缝的几种几何模型，掌握水力压裂增产增注原理。 作业： 1. 简答水力压

19、裂增产、增注的基本原理？2简答水力压裂造缝过程？ 53 压裂设计 一压裂设计的原则、方法、内容压裂设计是压裂施工的指导性文件，它能根据地层条件和设备能力优选出经济可行的增产方案。包括压裂地质设计和压裂施工设计。压裂设计的原则：是最大限度地发挥油层潜能和裂缝的作用，使压裂后油气井和注入井达到最佳状态，同时还要求压裂井的有效期和稳产期长。压裂设计的方法：是根据油层特性和设备能力，以获取最大产量或经济效益为目标，在优选裂缝几何参数基础上，设计合适的加砂方案。（主要利用系统软件设计）。压裂设计方案的内容：裂缝几何参数优选及设计；压裂液类型和配方的选择；支撑剂选择及加砂方案设计；压裂效果预测和经济效益分

20、析等。这里简单介绍压裂施工设计的有关内容。二 压裂施工设计1优化设计程序（按系统要求输入参数）压裂设计过程中，除利用计算机模拟计算外，还有一重要环节是在正式压裂施工前，现场进行小型压裂测试（破裂压力、闭合压力、压裂液滤失特性等）。2压裂施工泵注程序设计1）注入方式选择原则：在满足泵注参数前提下，再限压以下尽可能选择最简单的注入方式。通常有油管注入、环空注入、油套混注和套管注入等。常用油管注入。2）加砂程序确定采用线性加砂程序，即砂液比是以一条直线式增加，可实现较理想的支撑剖面。试验结果证明：采用线性加砂程序裂缝导流能力沿缝长分布更加合理。3其他参数确定1）油层破裂压力的计算油层破裂压力是指油层

21、被压开的瞬间被压裂层位所受的压力。它取决于油层深度、岩石强度、渗透率、油层原始裂缝发育情况及压裂所使用的液体性质等。可以用理论公式计算，也可以用经验公式估算。目前常用的经验公式为： =H （537）式中：油层破裂压力，MPa； H压裂油层中部深度，m；油层破裂压力梯度，MPam，它是由压裂工艺统计资料而得的经验常数。2）施工排量的确定（先确定地层吸液量，满足）经验公式： 式中：P压裂前的地层压力与井底流动压力之差，MPa； 地层的吸液量，m3min； q压裂前油井的稳定日产量，t； 破裂压力与压前地层压力之差，MPa。 B原油体积系数，m3(地下)m3(地面)。 地面原油的密度。地面排量按来确

22、定。3）地面泵压的计算确定地面泵压的目的是为了在满足裂缝需要的压力和排量的基础上，充分发挥设备的能力，减少使用设备的台数。压裂时地面泵压可由下列公式估算： （439）式中：地面泵压，MPa； 井口压力，MPa； 压裂液在管柱内流动时的摩阻压力降，MPa； 井下工具对流体的局部阻力损失，MPa； 井筒内液柱压力，MPa。4）压裂车台数的确定压裂时所需总功率 压裂车台数 （根据总功率和每台车发动机功率求出所需压裂车台数）以上两式中 Pp 压裂时所需的总功率，W；每台压裂车的发动机功率，W； Q压裂时泵的排量，m3s； 1 发动机工作效率，取6080 %； 2 泵的上水效率，取5095； 3发动机工

23、作时受海拔高度影响后的效率； 功率因数，%； n所需压裂车台数。5）支撑剂用量的确定根据现场经验，大约每米油层加入1.53m3。6）含砂比计算含砂比是指单位体积压裂液内所含支撑剂的数量(体积比)。含砂比的计算公式为： 100% （就是携砂液的体积 ） 式中： c含砂比(体积比)，； V砂加砂的总体积，m3。； Q加砂时地面泵排量，m3s； t加砂总时间，s。7）压裂液用量的确定压裂液：前置液、携砂液、顶替液统称为压裂液。 前置液：大约用量为：810m3 (适当多准备一些)，有时按井筒容积的1.52倍来计算。 携砂液 ： 式中： W携砂液用量，m3； V砂预计加砂体积，m3； c含砂比，。 顶替

24、液：确定方法：一般为井筒容积的1.53倍，以够用就行。 压裂液用量： 注：取下限时加，取上限时不加。 P102 页例题：自己做。作业： P107 9。 补充题：某井油层深度为3000m，采用63mm油管压裂（63mm油管1000m内容积为3m3）,预计压裂泵压4107Pa，排量0.025m3/s,支撑剂15m3,平均含砂比为10%，若用400型压裂车，其引擎功率为257105w，总的效率为06，试计算400型压裂车台数及至少准备多少压裂液用量？ 54 压裂设备、管柱及材料 一压裂设备、管柱（一）地面设备1压裂井口（1）采用采油树压裂的井口。采油树型号：250、350、600、700、1050型

25、等。250型即25MPa，用于浅井，其余用于中、深、超深井。根据压裂层深度确定采油树型号。 （2）采用大弯管、投球器、井口球阀与井口控制器的专用压裂井口。井口承受工作压力70MPa，最大过砂量150 m3。2压裂管汇。目前压裂管汇种类很多，承压和最大过砂能力也不同。常用的有压裂管汇车和专用的地面管会。专用的地面管汇由8个接头，压裂车可任选一个连接。高压管线外径76mm，内径60mm，最高压力可达到100MPa。 3投球器投球器有两种：一种是分层压裂时，压裂管柱中投钢球的投球器；一种是选择性压裂或封堵炮眼投堵球用的投球器。 （二）压裂车组压裂车组主要包括：压裂车、混砂车、仪表车、管汇车。1压裂车

26、 作用：是压裂的主要动力，能够产生高压、大排量；向地层注入高压大排量的压裂液，压开地层，并将支撑剂注入裂缝。是压裂施工中的关键设备。 2混砂车 作用：是将支撑剂、压裂液及各种添加剂按一定比例混合起来，并将混合好的携砂液供给压裂车，压入地层内。 混莎车的类型：双筒机械式、风吸式、仿美新型混莎车。 3仪表车： 仪表车：在压裂中起着很重要的作用，记录压裂过程中各种参数，控制其它压裂设备的中枢系统。又称压裂指挥车。4其它设备：液罐车、运砂车。（三）压裂管柱 组成：主要由压裂油管、封隔器、喷砂器、水力锚等组成。 类型：目前井下管柱分为：笼统压裂管柱和分层压裂管柱。1压裂油管（专用油管）2封隔器3喷砂器（

27、带滑套、不带滑套） 作用：一是节流作用，造成压裂管柱内外压差，保证封隔器座封。 二是压裂液通往地层的通道口。4压裂管柱（1）笼统压裂管柱：即：油管+水力锚+封隔器+喷嘴（2）分层压裂管柱 双封卡单层 压裂后可以用上提管柱的方法压裂其它卡距相同的层段。73mm或88.9 mm外加厚油管+水力锚+封隔器+喷砂器+封隔器+丝堵 三封卡双层 不动管柱压裂两层。73mm或88.9 mm外加厚油管+水力锚+封隔器+喷砂器（带滑套）+封隔器+喷砂器（不带滑套）+封隔器+丝堵 四封卡三层 不动管柱压裂三层。73mm或88.9 mm外加厚油管+水力锚+封隔器+喷砂器（甲带滑套）+封隔器+喷砂器（乙带滑套）+封隔

28、器+喷砂器（丙不带滑套）+封隔器+丝堵注意：在组配管柱时，要考虑油管因各种因素造成的长度变化，否则卡不准层位。二压裂材料（一）压裂液 1作用：将地面设备能量传递到油层岩石上并压开裂缝，把支撑剂输送到裂缝中。1）前置液 一般是胶连液体作用：压开地层并造成一定尺寸的列缝。2）携砂液 含有支撑剂的砂浆作用：将支撑剂带入地层中，并将支撑剂填在裂缝内预定的位置。3) 顶替液 一般是活性水作用：将井筒中携砂液全部替入裂缝中，防止井筒沉砂。1压裂液的性能（1）滤失少。（2）悬砂能力强。（3）摩阻低。（4）稳定性。（5）配伍性。 （6）低残渣。（7）易返排。（8）货源广、便于配制、价钱便宜。2压裂液类型 压裂

29、液主要分为：水基压裂液、油基压裂液、乳化压裂液、泡沫压裂液、醇基压裂液、表面活性剂胶束压裂液、浓缩压裂液。其中：水基压裂液成本低，使用安全，现场广泛应用。水基压裂液是以水为介质，加入各种添加剂，形成具有较强综合性能的压裂液。 （二）添加剂1稠化剂（增稠剂）2胶联剂：通过胶联离子（基团）将溶解于水中的高分子链上的活性基团，以化学链连接起来，形成三位网状冻胶的化学剂。3土稳定剂；4杀菌剂；5表面活性剂；6抗高温稳定剂；7降滤失剂8破胶济；9滤饼溶解剂；10缓冲剂（PH值调节剂），作用：调节增粘速度、胶联剂所需PH值范围和胶联时间，控制细菌生长。（三）支撑剂 ：作用：支撑剂加入压裂裂缝后，支撑裂缝使

30、之不闭合。1石英砂 承压：2034MPa 2陶粒人造陶粒主要是由铝矾土（氧化铝）烧结而成。中等强度陶粒： 承压：5580Mpa。高强度陶粒： 承压：100 MPa3树脂砂 是将树脂薄膜包裹到石英砂表面上。承压：5569MPa 由此可见：按强度大小排列依次是：陶粒树脂砂石英砂作业： P106 3 补充： 1请画出四封卡三层管柱示意图。 55 压裂工艺及现场施工 一压裂工艺（一）合层压裂1油管压裂2套管压裂3环形空间压裂4油、套管同时压裂 （二）分层压裂1堵球法分层压裂堵球：尼龙球或包以橡胶的铝球或塑料球。适应射孔井压裂。原理：堵球随压裂液进入高渗透层部位的炮眼上，堵塞炮眼憋压，压开低渗透层部位的

31、裂缝。施工结束后，井底压力降低，堵球在压差作用下，反排出来。堵球的大小和密度应与炮眼的大小和压裂相适应。2暂堵剂选择性压裂同一层压裂。暂堵剂为：聚乙烯（石蜡）制成的小球。具体方法：在向井内挤入压裂液的同时混入暂堵剂，因为液体首先被吸入高渗层，暂堵剂随之将高渗层部位的孔眼堵住，使其减少或失去吸水能力，此后泵入不带暂堵剂的压裂液，则能在低渗层部位起缝。3限流法分层压裂限流法分层压裂适用于多层而各层之间的破裂压力有一定差别的井。原理：通过控制各层的射孔孔眼数及孔眼直径的方法，来限制各层的吸水能力，达到逐层压开的目的。例如：A、B、C三个油层，其相应的破裂压力为30MPa、26MPa、28MPa。按射

32、孔方案将各层按一定孔径和孔眼数射开，当注入井底压力为26Mpa时，B层射开，然后提高排量，因为炮眼的摩阻正比于排量，当B层摩阻大到2Mpa时，注入的压力大到28Mpa，此时，C层被压开，当摩阻达到4Mpa时，A层被压开。这就是限流分层压裂法。 图411限流法的工艺过程 4封隔器卡分法分层压裂适用于压裂层渗透性、厚度差异不大，上下夹层具有一定厚度，射孔层段套管完好无损的井。 5填砂法分层压裂自下而上压裂，压一层填一层砂，压完后冲砂投产。（三）一次分压多层 1投球法压裂 ： 用封隔器及带滑套的喷砂器。2滑套压裂工具：带滑套封隔器、带滑套喷嘴以及特殊接箍。优点：封隔器不同时工作，被压层位上下二个封隔

33、器工作，延长了封隔器的使用寿命。如图413所示。 原理：下井时管柱除最下一级封隔器和喷嘴不带滑套外，其它各级封隔器和喷嘴都带滑套，滑套的作用是密封封隔器和喷嘴上的水眼。压裂从下往上压。第一层压完后，从井口投球，球下落座在第二级封隔器内的滑套上(滑套上部是球座，滑套的外经各级都一样大小，内经从上往下逐级变小)，开泵后在压力作用下剪断固定滑套的销钉，滑套在液体推动下，带动喷嘴内的滑套一起下行，直到特殊接箍处才停止。这样第二级封隔器和喷嘴的水眼被打开，下部水路被封隔，开始压第二层，压完后，再投一个球，同理依次自下而上压裂。图412投球法压裂管柱结构示意图 图413滑套封隔器压裂过程示意图 1一套管；

34、2一油管；3一工作筒； ( a)一压下数第一层；(b)一压下数第二层 4一封隔器；5一喷砂器(带滑套)； l一套管；2一油管；3一滑套封隔器(未工作状态)；6一喷砂器(不带滑套)；7一丝堵 4一喷砂器(未工作状态)；5一滑套封隔器(工作状态)； 6一喷砂器(工作状态) ；7丝堵；8一钢球二现场施工（一）压裂前准备 1配置压裂设备及辅助设施 2准备压裂所用材料 （压裂液、支撑剂、各种添加剂，性能符合要求。）3组配管柱 4准备地面压裂流程 （弯头、三通、油壬、管线及配套工具符合设计要求，试压）（二）压前作业 1探砂面、冲砂 2起原管柱 3压井替喷 （井内有污染物的井压裂前要进行替喷）4压裂层段预处

35、理 （清孔或排液，注意回收、不污染环境）5下压裂管柱 （三）压裂施工 1循环：逐台启动压裂车，用清水循环地面管线，清洗管线，关井口。2试压：地面压裂流程、井口阀门以上设备进行承高压性能试验。试验压力为预测泵压1.21.5倍，稳压5min 。3试挤：打开井口阀门，关闭循环防空闸门，逐台启动压裂车，按压裂施工设计规定试挤排量，将压裂液试挤入油层，压力由低到高至稳定为止。目的是检查井下管柱及井下工具情况，检查欲压裂层的吸水能力。4压裂: 试挤正常后，启动压裂车，以高压大排量向井内持续挤入前置液，造缝延伸。注意：当泵工作压力达到管柱最高承压能力还不能压开欲压裂层位时，应停泵卸压，分析原因，制定措施。5

36、加砂：油层裂缝已形成，泵压及排量稳定后便可加砂。注意：加砂要均匀，中途不能停泵，操作要平稳。6替挤：完成加砂后，打开混砂车的替挤旁通流程，向井内注入替挤液。图4一l 压裂过程井底压力变化曲线PF 地层破裂压力， PE 裂缝延伸压力， PS地层压力7关井扩散压力：压裂施工结束后，关闭井口所有出口闸门，等待压裂液破胶、滤失及裂缝闭合，防止支撑剂随高粘度压裂液返出裂缝。关井时间不小于压裂液破胶时间，压裂液破胶后用小喷嘴放喷，促进裂缝闭合。8活动管柱：活动管柱时，上提力不能超过井内管柱悬重200 KN，上提速度控制在0.5 m/min以内，行程不能小于5m，达到提放自如，拉力计显示管柱重量正常。9压后

37、作业：按压裂设计要求探砂面，起压裂管柱，完井，投产。（四）施工中常见的问题1压不开设计层：原因分析：井筒与地层连同不好、管柱砂堵、地层致密吸液差、设计问题等。2压窜：分析原因：隔层较薄、固井质量差、封隔器胶筒质量问题。3砂堵：分析原因：压裂液携砂性差、混砂比高、地层滤失性大、破胶速度快、停泵等。4砂卡：分析原因：砂堵严重、地层吐砂严重、施工故障沉砂、冲砂不彻底等。这是压裂后发生的比较常见的而且危险的故障。5管柱断脱：分析原因：丝扣磨损严重 、丝扣没有上紧、施工超压 、下井工具质量差等。 课后小结：本章重点：掌握压裂工艺技术，施工过程，弄懂压裂施工中常见的问题。作业： P107 12, 14.

38、1压裂施工中常见的问题有哪些？分析原因。 56 压裂新技术介绍一端部脱砂压裂技术 1端部脱砂压裂原理：是在水力压裂过程中，有控制地使支撑剂在裂缝的端部脱出、桥架形成一个端部砂堵，从而阻止裂缝进一步延伸。再继续注人高砂比砂浆时，可沿缝壁形成全面砂堵，缝中储液量增加，泵压增大，促使裂缝膨胀变宽、缝内填砂浓度增大，从而造成一条具有很高导流能力的裂缝。2端部脱砂压裂过程：分为两个阶段，即：造缝到出现端部脱砂阶段；裂缝膨胀变宽及支撑剂大量充填阶段。 3端部脱砂压裂的适用范围。主要用于中、高渗透油气藏和不稳定疏松地层的油井解堵防砂增产作业。端部脱砂压裂技术也成为一种新的完井方法。 二、高能气体压裂技术1高

39、能气体压裂： 就是利用火药或火箭推进剂燃烧产生的高温、高压气体处理油层以取得增产效果的方法。高能气体压裂在井筒附近油层中产生和保持多条多方位的径向裂缝，从而达到增产增注目的的工艺措施。2高能气体压裂的作用1）机械作用：产生裂缝。2）水力振荡作用：高能气体引起液体振动，产生压力周期波动，有助于裂缝形成和清理堵塞。3）高温热作用：火药燃烧产生高温，降低原油粘度。4）化学作用：高能气体压裂的化学作用指的是在燃气中的CO2，HCl、H2S成分遇水形成的酸液对岩层的酸化作用。 三、水力振荡增产增注技术 1基本原理：就是利用振动原理处理油层的技术。将水力振荡器对准油层，依靠水泥车把液体输入井下，通过振荡器

40、产生高频脉冲式液流直接喷射油层，以清除近井地带的机械杂质、钻井液及沥青质和盐的沉积等堵塞。 2增产增注机理（1）机械作用：振动波能迫使传媒介质做剧烈的机械振动，并产生强大的单项作用力，疏通泄油通道。（2）空化作用：一定频率的振动波会使液体中原有的或新的气泡产生共振，在波的稀疏阶段，气泡迅速膨胀，在波的压缩阶段，气泡又很快消灭，在消灭的瞬间，气泡的内部可产生很高的温度、压力和加速度，这是“空化现象”，对油层的作用就是空化作用。在一定的频率和声强下，其能量足以粉碎一定尺寸的物质颗粒。（3）热效应：振动波穿过介质时，介质吸收一定的能量，就会引起局部升温。频率越高，热效应越显著，对降粘、溶蜡有一定的作

41、用。 四、电脉冲井底处理技术 1原理：是通过井下液体中电容电极的高压放电，在油层中造成定向传播的压力脉冲和强电磁场，产生空化作用，解除油层污染，并且可对油层造成微裂缝，从而达到增产增注的目的。 其物理实质是高压电击穿充满在井内的局部介质，在容积很小的通道内迅速释放出大量能量，产生强大冲击波和电磁场。 2增产增注机理 电脉冲井底处理技术的关键是井下流体中电容电极的高压放电：放电过程是在井下仪器的放电室内进行的。流体中的电极偶施加电压后，当电压高于介质的击穿值是产生放电。但是，在两电极偶之间的空间内形成两次击穿，放电过程之间有一定的时间间隔，因而为周期性放电。伴随放电孔道内流体爆炸释放大量能量，其

42、作用机理主要有： （l）产生压力波和空化作用，解除油层孔道中的堵塞； （2）在油层中产生微裂缝和改造原有裂缝，改善油层流体渗流能力； （3）在脉冲作用下，压差交替变换大小和方向，减小了毛管力的影响，使油层流体从滞留区向排液活动区流动，提高原油的采收率。 五、超声波井底处理技术 1原理：是利用超声波的振动、空化作用、热效应等作用于油层，解除近井地带的污染和堵塞，以达到增产增注的目的。（频率大于20 KHz的声音超声波，人听到的声音2020000Hz）。 2增产增注机理 （l）声波传递方向与流体流动方向具有相反的特性，无论其强弱，都会使原油加速向声源流动,因而与渗流方向相反的井底辐射波可促进油层流

43、体向井筒渗流和聚集。 (2)超声波处理可使原油降粘、破乳、凝固点一下降 (3)超声波的振动、空化作用可以解除近井地带的堵塞和产生微小裂缝，恢复和提高油层渗透性。 (4)超声波的振动作用使毛管半径不断变化，破坏了油层流体的受力平衡，有一利于部分被毛细管束缚的原油被开采出来 (5)对注水井而言，超声波有降低水的表面张力和毛管渗流阻力的作用，同时具有杀一菌、防垢等作用。 六、人工地震处理油层技术 1原理：是利用地面人工震源产生强大的波动场作用于油层进行振动处理，从而提高油层中油相渗透性、毛管渗流和重力渗流速度，促使石油中的原始溶解气及吸附在油层中的人然气进一步分离，达到提高原油产量及采收率的目的。

44、2机理：振动波具有很强的穿透能力和其特有的共振现象，当其作用于油层时，将产生以下有利于采油的作用： （l）振动加速油层中流体的流动； （2）振动-可降低原油粘度、降低界面张力，从而改善原油流动和降低水油流度比，有利于水驱过程； （3)促进气体从原油或岩石孔隙表面上分一离，产生气驱油作用； （4）振动使孔隙表面的某此沉淀污染物脱落、分散而被液流携走，起到疏通孔隙通道、解除油层污染的作用。西69井压裂施工设计书 一油井基本数据1油井主要数据井别开发井联入（m）5.60油补距（m） 地理位置河北省河间市北石槽乡邓各庄村构造位置冀中坳陷饶阳凹陷南马桩构造带西6断块开钻日起20020919完钻日起200

45、20928完钻井深（m）1433.0人工井底（m）140621水泥返深（m）496.2最大井斜深度950m斜度15.5方位角307井底位移12853m总方位296192套管情况 套管名称规格（mm）钢 级壁厚（mm）内径（mm）抗内压MPa套管下深（m）固井质量表层套管27310J55889255.32106.81油层套管1397J5577212426374141945合格短套管1178651180633射开井段数据层位层号射 孔井 段（m）厚度（m）电阻率（.m）声波时差（s/m）孔隙度%含油饱和度%解释结果Es151274.0127804.03.9349.525.755.6油层612818

46、0128543.604.4343.425.358.6油层8131340131885.403338.123.842.7差油层11135180135806.203.6342.724.651.0油层4.生产情况日 期日产液（t）日产油（t）含 水%液面（m）制度泵效%20068212062121336/21975措施情况：无。6目前井内管柱：d38mm泵1219.26m。7油分析试油井段层位密度（20）粘度（50）凝固点沥青胶质% 含蜡%初馏点1274013580Es10880644463737151540125二施工原因及方案要求1压裂目的：改善地层渗流能力，提高产液量。2压裂井段：1313.41

47、358.0m，11.6m/2层。3施工管柱：由下至上d62mm喇叭口+d73mm外加厚2m油管短节1根+压裂封隔器卡点12922m（套管接箍：1288.6，1299.6m）+ d73mm外加厚油管至井口。4注入方式：油管注入。5压裂液：改性瓜胶。6施工排量：3.0-3.5m3/min。7支撑剂：04.5-0.9mm陶粒16m3；90个蜡球。8平均砂液比：2530%。9压裂井口：KQ-700型压裂井口。三油层及施工参数压裂顶部（m)压裂底部（m）油层厚度（m）油层中部深度（m）施工排量（m3/min）破裂梯度Mpa/m1313.4135811.61335.73.0-3.50.019施工水马力hp

48、破裂压力MPa摩阻压力MPa液柱压力MPa井口压力MPa1975.025.415.616.024.9四压裂前施工步骤1起出目前井内管柱。2下通井规通井至人工井底，下d139.7mm套管刮削器至1300m,在射孔段274.0-1278.0、1281.80-1285.40m及封隔器卡点处多刮削几次，用2%KCL彻底洗井。3完成压裂管柱（详见压裂施工管柱图），封隔器座验封合格。4装KQ-700型压裂井口，在井口四个方向加绷绳固定，在油管闸门一侧接一条硬放喷管线，硬管线装120出口至放喷池固定捆牢，在套管闸门一侧接一条硬管线。五压裂前各项准备工作1车辆准备主压车混砂车（台）仪表车（台）管汇车（台）砂罐

49、车（台）压裂罐（台）一套11125备注其他辅助车辆根据需要添加2支撑剂准备名称粒径（mm）体积密度（t/m3）视密度（t/m3） 总量（m3） 产地陶粒0.45-0.91.693.1616郑州熔盛3压裂液准备压裂液配方表名 称防膨液1罐车活性水1罐原胶4罐胶联合计（Kg）备注KCL20016001800TDC-15400400FP-3400400AS-10016001600PZ-7200200D-50200200LHX8080DHJ200200JA-18080改性瓜胶600600清水200200LHJ（中、低温）400400过硫酸铵5050胶囊破胶济2020备 注破胶济、胶联剂在施工中按锥型加

50、入，加量表由工程技术大队给出。4供应站：按设计要求提供各种入井材料。5工具中心：备送合格的KQ-70型压裂井口、压裂封隔器及相关井下工具各一套。6采油一厂：软探砂面。六压裂施工步骤1摆好压裂设备，连接施工管线，用活性水循环主压车，循环液返回大罐，管线及井口试压70Mpa。2泵注程序 （油管注入）：环空压力检测，密切注意套管压力。水泥车保持环空液满。阶段净液量（m3）砂浓度（kg/m3） 砂比%砂量（m3）砂 液量（m3）加砂阶段累计砂液量（m3）排量（m3/min）阶段时间（min）备注防膨液1515 前置液25253.0-3.58.3冻胶携砂液511870.35.23.0-3.51.7冻胶携

51、砂液6254150.96.56.53.0-3.52.2冻胶携砂液7423251.87.914.43.0-3.52.6冻胶携砂液10507303.011.626.03.0-3.53.9冻胶携砂液5676402.06.132.13.0-3.52.0冻胶小计73.08.062.320.7前置液25投蜡球90个253.0-3.58.3冻胶携砂液311870.23.13.0-3.51.0冻胶携砂液6254150.96.53.0-3.52.2冻胶携砂液8423252.09.13.0-3.53.0冻胶携砂液11507303.312.83.0-3.54.3冻胶携砂液4676401.64.93.0-3.51.6

52、冻胶顶替液4.14.103.0-3.51.4冻胶小计61.18.065.421.8累计134.116127.742.5七压后施工步骤1关井30min，开井用5mm油嘴控制放喷。2井口压力降至零后，软探砂面（采油一厂负责）。3砂面不埋油层，下泵交井；如果埋油层，提出压裂管柱，下光油管冲砂至人工井底，抽吸排液求产。4合格后，装偏心井口，丝堵位置在油层顶20m以上，达到测试条件。八安全质量要求1安全（1）严格遵守QHSE的相关要求。（2）压裂施工前，在压裂现场召开全体人员安全会，了解施工井的作业情况、基本数据，对施工可能出现的问题要有防范措施。（3）压裂井口送往井场之前要装齐并试压合格，施工前四角用钢丝绳固定绷紧，并用地锚固定。（4）压裂施工现场必须有“危险”、“禁止入内”标志。（5）严格遵守SY6443-2000压裂酸化作业安全规定。（6）安全员负责阻止非工作人员进入井场，工作人员进入高压区要尽量在相对安全的地方进行工作。（7）压裂施工时作业队要有干部和当班人员在场。（8）压裂设备的摆放及管线连接要遵守SY/T6088-94标准。（9）压裂队在施工前，全面检查施工仪表，高压、超压保护装置必须灵敏，做到超压即停泵，确保安全施工。（10）施工人员必选要求（规定）穿戴劳保用品。（11）施工现场严禁烟火，施工时各台车前1m处放置灭火器1只，施工时车辆排气管要带防火帽。