水力压裂技术

1、第四章 水力压裂技术 水力压裂是利用地面高压泵组，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，使井达到增产增注的目的。 水力压裂增产增注的原理主要是降低了井底附近地层中流体的渗流阻力和改变了流体的渗流状态，使原来的径向流动改变为油层流向裂缝近似性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，大大降低了能量消耗。因而油气井产量或注水井注入量就会大幅度提高

2、。 第一节 造缝机理 在水力压裂中，了解裂缝形成条件、裂缝的形态和方位等，对有效地发挥压裂在增产、增注中的作用都是很重要的。在区块整体压裂改造和单井压裂设计中，了解裂缝的方位对确定合理的井网方向和裂缝几何参数尤为重要，这是因为有利的裂缝方位和几何参数不仅可以提高开采速度，而且还可以提高最终采收率。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。图4一l是压裂施工过程中井底压力随时间的变化曲线。PF是地层破裂压力，PE是裂缝延伸压力，PS是地层压力。 图4一l 压裂过程井底压力变化曲线a 致密岩石; b微缝高渗岩石 在致密地层内，

3、当井底压力达到破裂压力PF后，地层发生破裂(图41中的a点)，然后在较低的延伸压力PE下，裂缝向前延伸。对高渗或微裂缝发育地层，压裂过程中无明显的破裂显示，破裂压力与延伸压力相近(图41中的b点)。一、油井应力状况 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和水平主应力H(H又可分为两个相互垂直的主应力x，Y)。 （一）地应力 作用在单元体上的垂向应力来自上覆地层的岩石质量，其大小可以根据密度测井资料计算，一般为： （41）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

4、的孔隙压力Ps，故有效垂向应力可表示为： （42）如果岩石处于弹性状态，考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大水平主应力为： （43）式中 H最大水平主应力，Pa； 1，2水平应力构造系数，可由室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。 实验室测定的岩石泊松比和弹性模量随岩石类型不同而有差异。(二)井壁上的应力1、井筒对地应力及其分布的影响在地层上钻井以后，井壁及其周围地层中的应力分布受到井筒的影响，这种影响是很复杂的。为了简化起见，将地层中三维应力问题，用二维方法来处理。在这种情况下，与弹性力学中双向受力的无限大平板中钻有一个圆

5、孔的受力情况是很相近的(图42)。在无限大平板上钻了圆孔之后，将使板内原是平衡的应力重新分布，造成圆孔附近的应力集中。下面讨论在双向应力状态下，圆孔周向应力的计算，因为压裂后裂缝的形态与方位与此应力有密切的关系。弹性力学给出了平板为固体的、各向同性与弹性材料周向应力的计算式： （44）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； 任意径向与方向的夹角。 当r = a，=y=H时，=2=2y =2H，说明圆孔壁上各点的周向应力相等，且与值无关。 当r=a，>y时， ()min= ()0º，180º= 3-y，()max=()90º，2

6、70º=3y-x，说明最小周向应力发生在的方向上，而最大周向应力却在y的方向上。 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一个重要原因。 图 图42 无限大平板中钻一圆孔的应力分布(a) 应力分布示意图 (b)半径与周向应力变化关系曲线 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

7、据弹性力学中的拉梅公式(拉应力取负号) （45）式中 Pe 厚壁筒外边界压力，Pa； re 厚壁筒外边界半径，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井壁周向应力与内压大小相等，但符号相反。 3、压裂液径向渗人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： （46） （47）式中 Cr岩石骨架压缩系数；Cb岩石体积压缩系数。 4、井壁上的最小总周向应力

8、： 显然在地层破裂前，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，即： （48）二、造缝条件 （一）形成垂直裂缝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，将此代入（48）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，井筒内注人流体的压力Pi即为地层的破裂压力PF，所以： （49）由于最小总周向应力发生在=0º，180º的对称点上，垂直裂缝也产生在与井筒相对应的两个点上。在理论上一般假定垂直裂缝是以井轴为

9、对称的两条缝，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： （410）式中 tV岩石垂向抗张强度。 （三）破裂压力梯度 破裂压力梯度是指地层破裂压力与地层深度的比值。 由式(49)和（410），理论上可以计算裂缝破裂时的有效破裂压力，除以压裂层的中部深度即可得到破裂压力梯度值。实际上各油田的破裂压力梯度值都是根据大量压裂施工资料统计出来的，破裂压力梯度值为：1525MPam。可以用各地区的破裂压力梯度的大小估计裂缝的形态，一般认为小于1518MPam时形成垂直裂缝，而大于2

10、3MPam时则是水平裂缝。因此深地层出现的多为垂直裂缝，浅地层出现水平裂缝的几率大。这是由于浅地层的垂向应力相对比较小，近地表地层中构造运动也较多，水平应力大于垂应力的几率也大。有时会碰到破裂压力梯度特高的地层，这可能是由于构造关系或岩石抗张强度特大的缘故。井底附近地层严重堵塞时也可能导致很高的破裂压力梯度，这种情况是不正常的。如果地层破裂压力过高，难以进行正常施工，可进行预处理以降低破裂压力。这些方法的实质是降低井底附近地层的应力，如高效射孔、密集射孔、水力喷砂射孔及小规模酸化等措施。 第二节 压裂液压裂液是水力压裂改造油气层过程中的工作液，起着传递压力、形成和延伸裂缝、携带支撑剂的作用。压

11、裂液是压裂施工液的总称，影响压裂施工成败的诸因素中，压裂液性能的好坏是其中的主要因素之一。这是因为压裂施工的每个环节都与压裂液的类型和性能有关。压裂液是一个总称，根据压裂过程中注入井内的压裂液在不同施工阶段的任务可分为： (1) 清孔液：5HCl和02左右的表面活性剂水溶液与堵球配合，疏通压裂井段射孔孔眼。 (2) 前垫液：对水敏、结垢或含蜡量高的地层进行压裂时，需要提前泵注粘土稳定剂、除垢剂或清蜡剂；若这些添加剂与基液及其它添加剂不配伍，或者量少而又必须保证作业浓度时，则需要单独提前泵注；同时在高温、深井地层，这段液体还可起到降低地层温度的作用。 (3) 前置液：它的作用是破裂地层并造成一定

12、几何尺寸的裂缝以备后面的携砂液进入。在温度较高的地层里，它还可起一定的降温作用。有时为了提高前置液的工作效率，在前置液中还加入一定量的细砂以堵塞地层中的微隙，减少液体的滤失。 (4) 携砂液。它起到将支撑剂带入裂缝中并将支撑剂填在裂缝内预定位置上的作用。在压裂液的总量中，这部分比例很大。携砂液和其他压裂液一样，有造缝及冷却地层的作用。携砂液由于需要携带密度很高的支撑剂，所以必须使用交联的压裂液(如冻胶等)。 (5) 顶替液。中间顶替液用来将携砂液送到预定位置，并有预防砂卡的作用；最后顶替液是注完携砂液后将井筒中全部携砂液顶替到裂缝中，以提高携砂液效率和防止井筒沉砂。一、压裂液的性能要求 根据压

13、裂不同阶段对液体性能的要求，压裂液在一次施工中可能使用几种性能不同的液体，其中还加有不同添加剂。对于占总液量绝大多数的前置液及携砂液，都应具备一定的造缝能力并使裂缝壁面及填砂裂缝有足够的导流能力。所以，为了获得好的水力压裂的效果对压裂液的性能要求为： (1)滤失少。这是造长缝、宽缝的重要条件。压裂液的滤失性主要取决于它的粘度与造擘性粘度高则滤失少。在压裂液中添加防滤失剂，能改善造壁性，大大减少滤失量。 (2)悬砂能力强。压裂液的悬砂能力主要取决于粘度。 (3)摩阻低。压裂液在管道中的摩阻愈小，则在设备功率一定的条件下，用于造缝的有效功率也就愈大。摩阻过高会导致井口施工压力过高，从而降低排量甚至

14、限制压裂施工。 (4)稳定性。压裂液应具备热稳定性，不能由于温度的升高而使粘度有较大的降低。液体还应有抗机械剪切的稳定性不因流速的增加而发生大幅度的降解。 (5)配伍性。，压裂液进入油层后与各种岩石矿物及流体相接触，不应产生不利于油气渗流的物理一化学反应。 (6)低残渣。要尽量降低压裂液中水不溶物数量以免降低油气层和填砂裂缝的渗透率。 (7)易返排。施工结束后大部分注人液体应能返排出井外，以减少压裂液的损害。 (8)货源广、便于配制、价钱便宜。大型压裂，压裂液是压裂施工费用中的主要组成部分。速溶连续配制工艺，大大方便了施工，减少了对液罐及场地的要求。二、压裂液的类型 目前常用的压裂液有水基、酸

15、基、油基压裂液、乳状及泡沫压裂液等。具有粘度高、摩阻低及悬砂能力好等优点的水基冻胶压裂液，已成为矿场主要使用的压裂液。 （一）水基压裂液 水基压裂液是用水溶胀性聚合物经交链剂交链后形成的冻胶。常用的成胶剂有植物胶、纤维素衍生物以及合成聚合物；交链剂(交联剂)有硼酸盐，钛、锆等有机金属盐等。在施工结束后，为了使冻胶破胶还需要加入破胶剂，常用破胶剂有过硫酸胺、高锰酸钾和酶等。 1、活性水压裂液 在水溶液中加人表面活性剂的低粘压裂液，称之为活性水压裂液。此压裂液配制简单、成本低廉、粘度低、滤失量大、携砂能力弱，适用于浅井低砂量、低砂比小型解堵压裂和煤层气井压裂。 2、稠化水压裂液 以稠化剂及表面活性

16、剂配制的粘稠水溶液，称之为稠化水压裂液，或者说稠化了的活性水压裂液，比活性水压裂液粘度有所提高，携砂能力稍强，降滤失性能略好，主要用于低温(小于60)、浅井(小于1000m)和低砂比(小于15)的小型压裂。 3、水基冻胶压裂液 水基冻胶用交联剂将溶于水的稠化剂高分子进行不完全交联，使具有线性结构的高分子水溶液变成线型和网状体型结构混存的高分子水冻胶，称之为水基冻胶压裂液，其主要添加剂有稠化剂和交联剂。（1）稠化剂：稠化剂是水基冻胶压裂液的主体，用以提高水溶液粘度、降低液体滤失、悬浮和携带支撑剂，常用的稠化剂有植物胶、纤维素及合成聚合物等。（2）交联剂：是能与聚合物线型大分子链形成新的化学键，使

17、其联结成网状体型结构的化学剂；聚合物水溶液因交联作用形成水冻胶；交联剂的选用由聚合物可交联的官能团和聚合物水溶液的pH值决定。（二）油基压裂液 对水敏性地层，使用水基压裂液会导致地层粘土膨胀而影响压裂效果，可使用油基压裂液。矿场原油或炼厂粘性成品油悬砂能力差，性能达不到要求。目前多用稠化油，基液为原油、汽油、柴油、煤油或凝析油，稠化剂为脂肪酸皂，矿场最高砂比可达30(体积比)。稠化油压裂液遇地层水后自动破胶，所以无需加入破胶剂。 油基压裂液适用于水敏性地层，其特点是： (1) 避免水敏地层由于水敏引起的水基压裂液伤害；(2) 稠化油压裂液遇地层水自动破乳；(3) 易燃且成本高；(4) 摩阻高于

18、延迟交联水基压裂液体系；(5) 高温条件下温度稳定性不及延迟交联水基压裂液体系；(6) 技术和质量控制要求高。 油基压裂液适用于低压、偏油润湿、强水敏地层，在压裂作业中所占比重较低。如果这种性质的储层含有重油和沥青质或某些石蜡成分而不宜用水基压裂液时，也不能用轻质油压裂，则应选用含芳香族组分的原油，直接用于压裂，或用作配制稠化油压裂液的基液。（三）泡沫压裂液 泡沫压裂液是用于低压低渗油气层改造的新型压裂液。其最大特点是易于返排、滤失少以及摩阻低等。基液多用淡水、盐水、聚合物水溶液；气相为二氧化碳、氮气、天然气；发泡剂用非离子型活性剂。泡沫干度为6585。1、泡沫压裂液的特点（1）摩阻损失小(比

19、清水低4060)； （2）泡沫液滤失系数低、液体滤失量小、浸入深度浅、返排速度快、对地层伤害小； （3）泡沫液视粘度高，携砂和悬砂性能好、压裂液效率高、在相同液量下裂缝穿透深度大； （4）温度稳定性差； （5）难以适应高砂比要求。 泡沫压裂液尤其适用于低渗、低压、水敏性油气藏。2、泡沫压裂液的不利因素 （1）由于井筒气一液柱的压降低，压裂过程中需要较高的注入压力，因而对深度大于2000m以上的油气层，实施泡沫压裂是困难的。 （2）使用泡沫压裂液的砂比不能过高，在需要注入高砂比情况下，可先用泡沫压裂液将低砂比的支撑剂带人，然后再泵人可携带高砂比支撑剂的常规压裂液。 泡沫压裂液的粘度稳定性取决于泡

20、沫干度(泡沫质量)，即气体体积与泡沫液总体积之比，典型值为7080。（四）乳化压裂液 乳化压裂液为一种液体分散于另一种不相混溶的液体中形成的多相分散体系。以液珠形式存在的一相称为分散相(或称内相、不连续相)，连成一片的另一相称为分散介质(或称外相、连续相)。用作压裂液的乳状液中，一相是水或盐水溶液、聚合物稠化水溶液、水冻胶液、酸液以及醇液；另一相则是油，如本井原油、成品油、凝析油或液化石油气。体系中加入了易在两相接口上吸附或富集的表面活性剂，有利于形成稳定的乳状液。其特点是：（1） 乳化作用使体系具有一定的粘度，粘度大小因乳化材料和所加入的比例而差异大，施工中，油水比波动影响砂比的稳定； （2

21、）滤失量低，液体效率高，对地层渗透率伤害小； （3）乳状液摩阻一般高于水或油； （4）乳状液用油量低于油基液，因而成本较低。 乳化压裂液适用于水敏、低压地层。其他应用的压裂液还有聚合物乳状液、酸基压裂液和醇基压裂液等，它们都有各自的适用条件和特点，但在矿场上应用很少。三、压裂液的滤失性 压裂过程中，压裂液向地层的滤失是不可避免的。由于压裂液的滤失使得压裂液效率降低，造缝体积减小，因此研究压裂液的滤失特性对裂缝几何参数的计算和对地层损害的认识都是必不可少的。压裂液滤失到地层受三种机理控制。压裂液的粘度，受压裂液粘度控制的滤失系数为CI；油藏岩石和流体的压缩性，受储层岩石和流体压缩性控制的滤失系数

22、为C；压裂液的造壁性，具有造壁性压裂液滤失系数为C。压裂液的滤失虽然根据机理可以分为三种情况，但实际压裂过程中，压裂液的滤失同时受三种机理控制，即综合滤失系数C。综合滤失系数C是压裂设计中的重要参数，也是评价压裂液性能的重要指标。目前比较好的压裂液在油层及裂缝中的流动条件下，综合滤失系数C可达10。关于综合滤失系数C的计算本书不再展开详细介绍。 第三节 支撑剂 支撑剂的性能好坏直接影响着压裂效果。填砂裂缝的导流能力是评价压裂效果的重要指标。填砂裂缝的导流能力是在油层条件下，填砂裂缝渗透率与裂缝宽度的乘积，导流能力也称为导流率。一、支撑剂的性能要求 （1）粒径均匀，密度小。支撑剂的分选不好，小粒

23、径的支撑剂会运移到大粒径砂所形成的孔隙中，堵塞渗流通道，影响填砂裂缝导流能力，所以对支撑剂的粒径大小和分选程度有一定的要求。 （2）强度大，破碎率小。支撑剂的强度是其性能的重要指标。水力压裂结束后，裂缝的闭合压力作用于裂缝中的支撑剂上，当支撑剂强度比缝壁面地层岩石的强度大时，支撑剂有可能嵌人地层里；缝壁面地层岩石比支撑剂强度大，且闭合压力又大于支撑剂强度时，支撑剂易被压碎，这两种情况都会导致裂缝闭合或渗透率很低。 （3）圆球度高。支撑剂的圆度表示颗粒棱角的相对锐度，球度是指砂粒与球形相近的程度。圆球度不好的支撑剂其填砂裂缝的渗透率差且棱角易破碎，粉碎形成的小颗粒会堵塞孔隙。 （4）杂质含量少。

24、 （5）来源广，价廉。二、支撑剂的类型 为了适应各种不同地层以及不同井深压裂的需要，人们开发了许多种类的支撑剂，大致可分为天然石英砂和人造支撑剂掏粒两大类。 （一）天然石英砂 石英砂多产于沙漠、河滩或沿海地带。如国内兰州砂、承德砂、内蒙砂等。天然石英砂的主要化学成分是氧化硅，同时伴有少量的氧化铝、氧化铁、氧化钾、氧化钠及氧化钙与氧化镁。天然石英砂的矿物组分以石英为主。石英含量(质量分数)是衡量石英砂质量的重要指标，我国压裂用石英砂中的石英含量一般在80左右，且伴有少量长石、燧石及其它喷出岩、变质岩等岩屑。就石英砂的微观结构而言，石英可分为单晶石英与复晶石英两种晶体结构。在天然石英砂的石英含量中

25、，单晶石英颗粒的质量分数愈大，则该种石英砂的抗压强度愈高。一般石英砂的密度约为265gcm3左右，承压2034MPa。 （二）人造支撑剂（陶粒） 人造陶粒是主要由铝矾土(氧化铝)烧结或喷吹而成的，它具有较高的抗压强度，一般划分为中等强度和高强度两种陶粒支撑剂。 中等强度陶粒支撑剂是由铝矾土或铝质陶土制造的，密度为2733gcm3。其组分为氧化铝或铝质，其质量分数为4677，硅质含量为1255，还有不到10的其它氧化物。最终晶相分析表明，低铝材料的组成大部分为莫来石，以及少量的方石英，颜色大多呈灰色，承压5580MPa。高强度陶粒支撑剂由铝矾土或氧化锆等材料制成，密度约为34gcm3或更高。其化

26、学组成为：氧化铝8590，氧化硅36，氧化铁47，硅酸氧化锆、氧化钛34。高含量的铝硅物料使这种支撑剂比中等强度支撑剂具有更大的密度，物料经热处理后，主要晶相是刚玉，但也存在少量的莫来石晶相或玻璃晶相，颜色呈黑色，承压100MPa。 （三）树脂包层支撑剂（树脂砂） 树脂砂是将树脂薄膜包裹到石英砂的表面上，经热固处理制成。它的视密度为255 gcm3。左右，略低于石英砂。在低应力下，树脂砂的性能与石英砂相近，但在高应力下，树脂砂的性能则远远优于石英砂。中等强度低密度或高密度的树脂砂能耐受5569MPa的闭合压力，它适应了低强度天然砂与高强度铝土支撑剂之间的强度要求，再加上它的相对密度比较低，便于

27、携砂与铺砂，因此被称为第二代的人造支撑剂。由于它具有一定的强度与价格便宜的优点，代替了烧结铝土支撑剂50的用量。树脂砂可分为两种，固化砂与预固化砂。固化砂在地层温度下固结，这对防止压后吐砂及防止地层吐砂有一定的效果。预固化砂在地面上已形成完好的树脂薄膜包裹的砂子，像一般加砂一样，随携砂液体进入裂缝。这种包层砂子的优点是： （1）树脂薄膜包裹起来的砂子，增加了砂粒间的接触面积，从而提高抵抗闭合压力的能力。 （2）树脂薄膜可将压碎了的砂粒小块、粉砂包裹起来，减少了微粒的运移与堵塞孔道的机会，从而改善了导流能力。 （3）树脂包层砂总的体积密度比上述中等强度与高强度人造支撑剂要低许多，因此便于悬浮，降

28、低了对携砂液的要求。三、支撑裂缝导流能力的影响因素分析 支撑裂缝导流能力是支撑剂物理性能及裂缝所处条件的综合反映，它是支撑剂选择与优化设计中最关键的参数之一。为了使水力压裂后形成的支撑裂缝提供更高的裂缝导流能力，这里将对影响裂缝导流能力的主要因素进行分析。 （一）地应力与地层孔隙压力对裂缝导流能力的影响 对于压裂井，压裂后形成的支撑带中的支撑剂承受着裂缝闭合压力Pp。，它是地层地应力即最小地应力min与地层孔隙压力之差，生产时最低的地层孔隙压力应是井底流压Pf，即：Pp=min-Pf 尽管支撑剂种类不同，但它们的导流能力都随闭合压力的增加而递减。低密度、高密度陶粒和天然石英砂不同压力下的导流能

29、力参见表41。表41 三种支撑剂在不同压力下的导流能力支撑剂承压，MPa导流能力，m2·cm低密度中强度陶粒高密度高强度陶粒石英砂10190.46120.1178.4520140.68101.8035.2330100.6380.92-4062.0062.74-5040.7052.62-6025.8040.78- （二）支撑剂物理性能对裂缝导流能力的影响 支撑剂物理性能包括粒径、圆度、球度、强度、浊度、酸溶解度、密度、光洁度等，其中对裂缝导流能力影响比较敏感的主要是粒径、圆度、球度和强度。 （1）支撑剂的粒径大小及其均匀程度影响着支撑裂缝的孔隙度和渗透率，亦即影响着裂缝导流能力。在低闭

30、合压力下，大粒径的支撑剂可提供更高的导流能力。但大粒径支撑剂的输入比较困难，它要求水力裂缝有足够的动态宽度。若粒径分布范围较宽，将出现小粒径的颗粒充填大粒径颗粒组成的孔隙，从而降低裂缝的渗透率。所以粒径相对集中、比较均匀的支撑剂能提供更高的导流能力。 （2）圆度和球度好的支撑剂能承受更高的裂缝闭合压力，非常圆的球体颗粒比不太圆的颗粒由于表面受力更为均匀，能承受更高的载荷，所以在高闭合压力下，圆度、球度好的能提供更高的导流能力。然而在低闭合压力下情况相反，带有棱角的支撑颗粒比圆度、球度好的将有更高的孔隙度和更高的导流能力。（3）支撑剂强度是以支撑剂一定量的群体破碎率来表示的。破碎率低的支撑剂导流

31、能力高，可以定性地反映强度高的支撑剂能提供更高的导流能力。所以通常根据支撑剂的破碎率来选择支撑剂。 （三）支撑剂铺置浓度对裂缝导流能力的影响 支撑剂铺置浓度是指单位裂缝壁面积上的支撑剂量(按一个壁面)，常用单位为kgm2。 裂缝导流能力随裂缝中支撑剂铺置浓度的增加而增加，在单层铺置时导流能力较高，所以在早期压裂时，大家认为裂缝中局部单层铺置支撑剂可以获得理论上最大的裂缝导流能力。但工业上未能得到应用，其原因是不能在全裂缝中获得完全均匀的单层铺置。多层铺置不仅可以降低支撑剂的破碎程度，而且可以提高裂缝的宽度。随着铺置浓度的增加，导流能力随之增加。 （四）支撑剂的压碎与嵌入对裂缝导流能力的影响 当

32、裂缝闭合在支撑带上时，支撑剂颗粒将由裂缝壁嵌人岩层或被岩层压碎，这两者将影响裂缝有效缝宽和渗透率，从而导致裂缝导流能力下降。这两种情况与岩石的硬度有重要关系，一般实验认为，当岩石弹性模量大于28000MPa时对支撑剂压碎的影响是主要的；而当小于28000MPa时嵌入影响是主要的。支撑剂在裂缝中呈多层排列有利于减缓因支撑剂对岩石嵌入造成对裂缝导流能力的影响。靠近裂缝壁面上的那一层支撑剂对岩石有嵌入，而支撑剂裂缝中间的支撑剂不存在这一影响，所以支撑裂缝铺置浓度越高，支撑剂嵌入影响就越小。 四、支撑剂的选择 支撑剂的选择是根据地层的岩性、作业井的深浅、压裂液和设备的性能而定。在地层岩性松软，中深井或

33、地层压力不大的情况下，选用韧性支撑剂较好。因为地层和支撑剂都有一定形变性，即使上覆压力增加，支撑剂也不易破碎，所以裂缝导流能力较大。当地层压力大时，支撑剂变形到一定程度，裂缝闭合，所以在坚硬地层的深井中，不能用韧性的，而要用硬脆性支撑剂，否则达不到预期的目的。支撑剂选择的基本要求为：（1）根据油层性质和埋藏深度经室内试验确定能满足压裂增产效果的石英砂粒径及浓度。一般在低闭合压力下，浅层可选用大颗粒支撑剂；在高闭合压力下，选用粒径较小的支撑剂；裂缝面积上高浓度的支撑剂比低浓度的支撑剂有较高的导流能力。， （2）根据实际需求量选货源广又符合要求的砂产地，做到既经济，又来源足。（3）为了改善导流能力

34、，即使在闭合压力不高的情况下，对疏忪地层也要考虑加砂方式，不同加砂方式要选择不同的支撑剂。 泵入裂缝内的支撑剂能否支撑裂缝并取得较好的导流能力，取决于岩层的强度和支撑剂材料的抗压强度。如果在比较高的上覆岩层压力的作用下，岩石的硬度高而支撑剂材料硬度低，支撑剂就可能被压碎，减低裂缝的导流能力并堵塞油流通道；相反，若油层岩石的硬度低而支撑剂的硬度高，支撑剂就可能嵌入裂缝壁，减低压裂效果。同时，正确使用支撑剂也将降低压裂成本。因此，如何依据井深和油层岩石特性等条件正确选用支撑剂是压裂工艺的重要问题之一。 第四节 压裂设计 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

35、方案。压裂设计的基础是对压裂层的正确认识，包括油藏压力、渗透性、水敏性、油藏流体物性以及岩石抗张强度等，并以它们为基础设计裂缝几何参数，确定压裂规模以及压裂液与支撑剂类型等。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人井达到最佳状态，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。压裂设计方案的内容包括：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析等。这里以压裂后油井产量为目标，介绍单井压裂设计的有关内容。

36、一、影响压裂井增产幅度的因素 影响压裂井增产幅度的因素主要是油层特性和裂缝几何参数：（一）油层特性油层特性主要是指压裂层的渗透率、孔隙度、流体物性、油层能量、含油丰度和泄油面积等；（二）裂缝几何尺寸裂缝几何尺寸是指填砂裂缝的长、宽、高和导流能力。 二、裂缝几何参数计算模型 为了更加近似地描述和计算裂缝的几何尺寸，20世纪50年代以来，人们利用各种假设，相继开发出了多种设计模型，比较典型的有卡特模型、PKN模型、KGD模型、拟三维(P3D)和真三维模型。它们的主要差别是裂缝的扩展和裂缝内流体流动方式不同。二维模型假设裂缝高度是常数，即流体沿缝长方向流动；拟三维和真三维模型认为缝高沿缝长方向是变化

37、的，不同的是前者裂缝内仍然是一维(缝长方向)流动，而后者在缝长、缝高方向均有流动(即存在压力降)。下面对这几种计算模型作以简单介绍（公式推导略） （一）卡特模型 卡特提出在考虑液体滤失条件下，如果裂缝宽度已知，则可求出水平裂缝半径和垂直裂缝长度。基本假设如下： （1）裂缝是等宽的； （2）压裂液从缝壁面垂直且线性地渗入地层； （3）缝壁上某点的滤失速度取决于此点暴露于液体中的时间； （4）缝壁上各点的速度函数是相同的； （5）裂缝内各点压力相等，等于井底延伸压力。 （二）PKN模型 PKN模型是由Perkins，Kern和Nordgren三人提出的，它是目前应用较多的计算裂缝几何参数的二维设计

38、模型，见图44。基本假设如下： （1）岩石是弹性、脆性材料，当作用在岩石上的张应力大于某个极限值后，岩石张开破裂。 （2）缝高在整个缝长方向上不变，即在上下层受阻；造缝段全部射孔，一开始就压开整个地层。 （3）裂缝断面为椭圆形，最大缝宽在裂缝中部。 （4）缝内流体流动为层流。 （5）缝端部压力等于垂直于裂缝壁面的总应力。 （6）不考虑压裂液滤失于地层。 （三）KGD模型 KGD模型是常用的二维设计模型之一，裂缝高度一定，沿垂直方向扩展，见图45。假设条件为： 图44 PKN模型裂缝形状 图45KGD模型裂缝形状（1）地层均质，各向同性。（2）线弹性应力应变。 （3）裂缝内为层流，考虑滤失。 （

39、4）缝宽截面为矩形，侧向为椭圆形。 （四）径向裂缝扩展模型 PKN、KGD模型是假定水平应力小于垂向应力，裂缝高度一定，裂缝沿垂直方向扩展。当垂向应力比水平应力小时，将导致裂缝沿水平或倾斜方向扩展，这就产生了径向裂缝扩展模型。它可以用来粗略计算二维状态下水平裂缝的缝长，见图46。 图46径向裂缝扩展模型裂缝形状 （五）拟三维模型和全三维模型 全三维模型假设缝高随注入量的增加而变化，并且考虑了液体的垂向流动分量。拟三维模型具有全三维模型特征，但假设缝长大于缝高，并且计算量较少。无论是拟三维模型还是全三维模型，其基本方法都是将裂缝进行单元离散，再通过数值方法来求解。 总的来说，水力压裂三维模型有利

40、于更真实地预测裂缝形态、支撑剂分布以及压裂施工的动态特征，模拟结果比二维模型更可靠。但是由于参数较多，取全、取准很困难，在一定程度上影响了它的使用。三、压裂效果预测 地层压裂效果预测的主要目的是对在储集层中实际形成的支撑裂缝长度与导流能力，以及裂缝系统对储集层生产动态的影响进行评价。压裂后评估所使用的基本技术手段为压后不稳定试井分析和使用油藏模拟的生产历史拟合分析。（一）增产倍数计算 增产倍数可以认为是压裂前后油气井采油指数的比值，它与油层和裂缝参数有关。其中裂缝参数Lf，Kf和wf可由压裂设计和支撑剂导流能力实验值确定，地层参数(Re，rw。，K及A)可由试井和开发数据确定。在这些参数一定后

41、，可查图求出增产倍数。对水平缝压裂井，压裂前后的压力分布如图4-7，实线是压前的压力分布，虚线是压后的压力分布，生产压差分为两部分： 图47 水平缝压裂前后油层中压力分布 （二） 优选裂缝参数 根据初产量要求，由计算结果(图49)选择满足要求的裂缝参数组合，根据地层的闭合压力，结合支撑剂性能和施工的难易选择的造缝长度和导流能力。 （三）选择支撑剂类型用量 根据裂缝参数和闭合压力的要求，选择合适的支撑剂类型和用量。 （四）选择压裂液 根据地层条件选择合适的压裂液。第五节 现场施工一、压裂方式压裂方式是压裂工艺中的一个很重要的内容。压裂方式的选择，主要是根据地质条件、井身状况、工艺技术水平而定，随

42、着压裂工具、工艺技术的发展，压裂方式也不断改进。目前常采用的压裂方式有：合层压裂、分层压裂、一次分压多层和深层压裂等。（一）合层压裂在油井生产层只是一个层组，且这个层组的各小层性质比较接近时，对这个层组里的各小层同时进行压裂，就是合层压裂，也叫全井压裂。它是一种施工最简单的压裂工艺，目前应用的有四种方法。1、油管压裂油管压裂就是压裂液自油管泵入油层。其特点是施工简单，且油管截面小，流速大，其压裂液的携带能力强，又不会增加液流阻力和设备负荷，降低有效功率。2、套管压裂套管压裂是井内不下油管，从套管内直接泵入压裂液进行压裂。其特点是施工简单，可最大限度地降低管道摩阻，从而相应地提高了排量和降低了泵

43、压，但携砂能力差，一旦造成砂堵，无法进行循环解堵。3、环形空间压裂环形空间压裂是压裂液从油管和套管的环形空间泵入油层。它与前两种方法相比，具有阻力损失小，适应抽油井不起泵压裂的特点，但流速低，携砂能力弱。4、油、套管同时压裂 油、套管同时压裂是在井内下入油管，压裂时油管接一台压裂车，套管接2台以上压裂车，管线连接如图410所示。施工时，压裂液从油、套管同时泵入，支撑剂从套管加进。其特点是利用油管泵入的液体从油管鞋出来时改变流向，可防止支撑剂下沉，若一旦发生砂堵进行反循环也比较方便。因此，这种压裂适宜于中深井压裂。图410油、套管同时压裂示意图 1一压裂车；2一套管；3一油管（二）分层压裂我国的

44、油气田，多数都是多油气层的。在多层情况下，压裂成功率不是很高的原因之一，是压裂液不能按照人们的意愿进入目的层，该压开的不开，不该压开的反而压开了，这是我们非常不希望的。在多层或厚油层情况下，往往需要进行分层(段)压裂，以保证压开需要造缝的层段。1、堵球法分层压裂如果同时开采渗透率不同的多层，当压裂液泵入井内后，液体首先进入高渗层，一般低渗层是压裂的目的层，这时就将若干堵球随液体泵入井中，堵球将高渗层的孔眼堵住，等压力蹩起即可将低渗层压开。这种方法可在一口井中多次使用，一次施工可压开多层。对于射孔井，可用尼龙球(或包以橡胶的铝球或塑料球)，随压裂液进入井内并坐在高渗透层部位的炮眼上，以堵塞炮眼，

45、即可将井底压力憋起，从而压开低渗透层部位的裂缝，此法可一次压裂中多次重复使用，施工结束后，井底压力降低，堵球在压差的作用下，可以反排出来。这种堵球的大小和密度应与炮眼的大小和压裂相适应，堵球的材料也应具有韧性，避免在压差的作用下进入炮眼内，反排时又可掉落下来。施工中有时由于炮眼变形或受冲刺孔眼变大，这样都会使施工失败。2、选择性压裂在同一开发层系中，由于地质上的非均质性，也存在高渗与低渗层段的差别。在几米厚的油层中存在高、低渗透层的交互层，这种情况下就可使用选择性压裂的方法，使压裂液导至低渗透层以便压开尚有生产潜力或未动的低渗层。大庆油田的几个内部油田曾广泛使用固体暂堵剂(聚乙烯石蜡制作的小球

46、)进行选择性压裂获得好的效果，具体作法是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。有油溶性与水溶性的暂堵剂可分别用于油水井的选择性压裂上。使用选择性压裂的井最好具有一定的厚度，例如4m以上，水平裂缝，这样易于控制裂缝产生的部位。如果地下油水层部位清楚，有可能堵住含水高渗层压开含油低渗层。选择性压裂也可用于重复压裂上，利用小蜡球将层中裂缝堵住，在其它油层部位压开新裂缝，以达到增产目的。如果不采用选择性重复压裂的方法，很可能使原裂缝延伸。采用这种作法有时也会见到一定的增产

47、效果，但也有可能会造成大量出水效果不好的情况。3、限流法分层压裂在分层压裂中，桥塞与封隔器虽然在分层上有效，但作业成本高，堵球法也可能因为井况原因无法使用，如套管外窜漏或因堵球破裂或损伤，使液体旁流失去封堵作用。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，该方法通过控制各层的射孔孔眼数及射孔孔眼直经的方法，限制各层的吸水能力以达到逐层压开的目的。图411是一限流法的例子。A、B、C三个油层，其相应的破裂压力为30MPa、26MPa、28MPa。按射孔计划将各层按一定孔眼数射开，当注入压力(井底)为26MPa时，B层压开。然后提高排量，因为孔眼的摩阻正比于排量，当B层的孔眼摩阻大

48、到2MPa时，注入的井底压力达到28MPa，此时C层被压开。继续提高排量，B层孔眼的摩阻增加到4MPa时，注入的井底压力达到30MPa，A层被压开。射孔孔眼的作用象井下油嘴，随着排量的增加，井底压力也不断提高，从而逐层压开，这就是限流分层压裂法。这个方法能逐层连续压开一直到注入压力到套管允许的强度为止。这个方法的特点是在完井射孔时，要按照压裂的要求设计射孔方案，包括孔眼位置、孔密及孔径，从而压裂成为完井的一个组成部分。从限流法的工艺过程看，孔眼的摩阻是很重要的，为了保证尽可能多的射孔层位被压开，应按套管允许压力下的最大排量来考虑。孔眼摩阻大小有两种方法来确定：一是实验曲线；二是经验公式。 图4

49、11限流法的工艺过程4、封隔器卡分法分层压裂这是使用较方便的分层方法。适用于压裂层渗透性差异不大，上下夹层具有一定的厚度，且射孔层段套管完好无损的分层压裂井。常用水力扩张式封隔器或双水力扩张式封隔器分层选压。5、填砂法分层压裂这是一种自下而上的压裂方法，即自下而上的压一层填一层砂，压完后冲砂投产。 （三）一次分压多层，这种方法是下一趟管柱分压多层。它适用于非均质多油层油井。具有处理层段短，压裂强度高，能发挥各油层潜力的优点。一次分压多层压裂方式因使用井下工具不同而方法又有多种。1、投球法压裂投球法压裂的管柱结构如图412所示，它是利用水力扩张式封隔器将各个压裂层段封隔开，相邻两压裂层之间的封隔

50、器可共用，目前这种方法一趟管柱最多可压四层。除最下一级喷砂器以外，其余喷砂器都装相应规格的滑套。施工时，由下而上逐层压裂。先压完最下面的一层后，从油管内投入钢球并加液压憋掉下数第二层喷砂器内的滑套，打开该喷砂器，同时关闭最下层喷砂器，压下数第二层。以此类推，自下而上压开各个层。投球法压裂工艺比较简单，但是压每一层时各级封隔器同时工作，在高压下封隔器易产生疲劳，而且有层间串通或压串不易发现等缺点。2、上提封隔器法压裂这种方法仅用两级封隔器，中间夹一个喷砂器，两封隔器之间卡距应根据各选压层间距离预先配好。施工时用两封隔器卡住压裂层段，先压最下层，压完后上提到第二层，依次压完各层。此法虽可观察压串显

51、示，但当层段大小、夹层厚度不均时，选配封隔器卡距较困难，且施工速度慢。所以，此法仅适用于选压层段间距均匀、压层较少的井。3、滑套压裂目前较好的一次分压多层的方法是滑套封隔器压裂法。该法使用带滑套的封隔器、带滑套的喷嘴以及特殊接箍，施工一次可以分压四个层段，它的优点是封隔器在高压下并不同时工作，只是被压层位上下二个封隔器工作，延长了封隔器的使用寿命，并且对层间串通和封隔器的不密封性易发现，及时避免砂卡事故的发生。滑套封隔器压裂管柱如图413所示。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；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

52、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；8一钢球滑套封隔器压裂工作过程如下：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。管柱下至预定位置，准备工作就绪后，压裂就开始，从下往上的一层一层压。首先压下数第一层，压完后，从井口投球，球下落座在倒数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。这样倒数第二级封隔器和喷嘴的水眼被打开，下部水路(即已压完的最下层)被封隔，开始工