水力压裂工艺技术-朱继东(培训材料)

1、朱继东朱继东水力压裂工艺技术水力压裂工艺技术 当前的主要任务：加强培训、加强学习，脚踏实地，在最短的时间内掌握最多的知识，为下一步施工做准备、打基础。1、为什么要压裂？2、压裂施工干什么？3、压裂施工怎么干？问题的提出问题的提出地层流体采出地面的过程:1、流体（油、气、水）由地层流入井筒，套管射孔完井或裸眼完井；2、流体由井底流到地面，可采用不同的举升方式；3、流体由井口流到集输站，通过管线、泵站。为什么要压裂为什么要压裂无裂缝井流动形态无裂缝井流动形态 流体由地层流入井筒的过程：为什么要压裂为什么要压裂 流体由地层流入井筒的过程：流体在地层中流动，与哪些因素有关？1、压差：地层压力与井底流压

2、的差；2、储层物性，主要的参数有地层压力、孔隙度、渗透率、连通性。为什么要压裂为什么要压裂有裂缝油井的流型图有裂缝油井的流型图油井压裂后：（设压裂裂缝为双翼对称垂直缝），其流动模式发生变化，出现三个阶段a：地层深部流体以拟径向流或椭圆径向方式流入近裂缝地带；b：进裂缝地带的流体沿着垂直裂缝的方向线性流进裂缝；c：流体沿裂缝直线流入井底。b、c合并，最后形成双线性流动模式。压裂施工干什么压裂施工干什么 水力压裂就是利用地面压裂车组将一定粘度的液体以足够高的压力和足够大的排量沿井筒注入井中。由于注入速度远远大于油气层的吸收速度，所以多余的液体在井底憋起高压，当压力超过岩石抗张强度后，油气层就会开始

3、破裂形成裂缝。当裂缝延伸一段时间后，继续注入携带有支撑剂的混砂液扩展延伸裂缝，并使之充填支撑剂。施工完成后,由于支撑剂的支撑作用，裂缝不致闭合或至少不完全闭合，因此即可在油气层中形成一条具有足够长度、宽度和高度的填砂裂缝。此裂缝具有很高的渗滤能力，并且扩大了油气水的渗滤面积，故油气可畅流入井，注入水可沿裂缝顺利进入地层，从而达到增产增注的目的。压裂施工怎么干压裂施工怎么干水力压裂概念水力压裂概念12534目录6 压裂施工压力曲线图 PF破裂压力 PE 延伸压力 Pc 闭合压力 PS 地层压力压力时间排量不变，提高砂比，压力升高反映了正常的裂缝延伸裂缝闭合压力（静）裂缝延伸压力（静）净裂缝延伸压

4、力管内摩阻地层压力（静）破裂前置液携砂液裂缝闭合加砂停泵baa致密岩石b微缝高渗岩石FECS施工曲线施工曲线地应力及其分布地应力及其分布地层岩石三维应力状况=+xzyyxz+zyx1HzHdzz0)(V - V - 岩石的泊松比，无因次岩石的泊松比，无因次V V /(1- /(1- V V) ) - - 测压系数测压系数地应力及其分布地应力及其分布H - H - 深度，米深度，米 z z - - 垂向主应力垂向主应力根据广义胡克定律：rxyrRw井壁上的应力井壁上的应力 地应力+井筒内压+渗滤引起的周向应力F 井壁上的总周向应力121)()3(siixyPPP井壁上的应力井壁上的应力井筒对地应

5、力及其分布的影响；井眼内压所引起的井壁应力；压裂液渗入地层引起的井壁应力。yxzzxyyxzzy xyxzxyz 或yxz裂缝与最小主应力的关系造缝机理造缝机理地质构造的影响使应力变化裂缝方向总是垂直于最小主应力vtht压为正，拉为负；最大有效周向应力大于水平方向抗拉强度，形成垂直裂缝。最大有效周向应力大于垂直方向抗拉强度，形成水平裂缝。造缝条件造缝条件压裂增产机理压裂增产机理有裂缝油井的流型图油井压裂后：（设压裂裂缝为双翼对称垂直缝），其流动模式发生变化，出现三个阶段a：地层深部流体以拟径向流或椭圆径向方式流入近裂缝地带；b：进裂缝地带的流体沿着垂直裂缝的方向线性流进裂缝；c：流体沿裂缝直线

6、流入井底。b、c合并，最后形成双线性流动模式，降低渗流阻力，提高产量。 油层特性： 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；影响压裂井增产幅度的因素影响压裂井增产幅度的因素 裂缝参数： 填砂裂缝的长、宽、高和导流能力。 麦克奎尔西克拉垂直裂缝增产倍数曲线压裂效果预测压裂效果预测垂直缝的增产倍数一般可用麦克奎尔西克拉增产倍数曲线确定。12534目录6 施工设备由地面设备和压裂车组两部分组成。 地面设备主要有压裂井口、井口球阀、投球器、活动弯头、油壬、压裂管汇(主体、控制阀、由壬组成)等。 压裂车组包括泵车、混砂车、罐车（液罐车、砂罐车、添加剂罐车）、仪表车、管汇车、水泥

7、车。设备简介设备简介 车台发动机、底盘、液力传动箱、传动轴、卧式柱塞泵、液压系统、润滑系统、气路系统、冷却系统、安全保护装置、操作控制(远控)系统、管汇系统。 压裂车的作用一是泵送液体，二是使液体升压。 目前使用的2000型压裂车最高施工压力105MPa；最大单车排量2.3m3/min；在1900r/min转速、45.9MPa条件下，单车排量可达1.87m3/min。完成一般油层压裂需要3-4台泵车，其它压裂施工则根据实际需要的压力、排量来确定泵车数。 压裂泵车压裂泵车产品型号YLC105-1490最高工作压力MPa（psi）105（11690）最大工作排量L/min（gpm） 2309（61

8、0）柱塞泵型号3ZB1490柱塞泵最大输入功率kW（hp）1490（2000）可选底盘康沃斯、斯太尔外形尺寸 mm（in）1026025003800（40499150）重量kg（lb）36000（79365）产品型号YLC105-1340最高工作压力MPa（psi）105（11690）最大工作排量L/min（gpm）2309（610）柱塞泵型号3ZB1340柱塞泵最大输入功率kW（hp） 1340（1800）可选底盘康沃斯、斯太尔外形尺寸 mm（in）1 0 2 6 0 2 5 0 0 3 8 0 0（40499150）重量kg（lb）32500（71650）压裂泵车压裂泵车 混砂车的作用一是

9、把支撑剂与压裂液充分混合，二是为泵车提供充足的液体。 装载汽车、车台发动机、传动系统、分动箱、吸入泵吸入管路、排出泵排出管路、混合罐、螺旋输纱器、液压系统（吸入及排出泵系统、搅拌系统、螺旋输砂系统、综合泵系统）、液体添加系统、（交联泵、液添罐）、干添系统、操作室、电器与计量仪表、控制系统、集线箱总成。混砂车混砂车产品型号HSC210砂泵最大清水排量m3/min（bbl）12（75）最高工作压力MPa（psi）0.5（70）输砂器最大输砂量kg/min（gpm）7456（16440）三个液体添加剂排量kg/min（gpm） 37.8（10） 200（53） 340（90）干粉添加剂排量 L/mi

10、n（gpm）102（27）混合罐容积 m3（bbl）1.5（9.4）整机外形尺寸 mm（in）1 1 2 0 7 2 5 0 0 4 0 0 0（44199158）重量kg（lb）25000（55115）产品型号HSC360砂泵最大清水排量m3/min（bbl）16（100）最高工作压力MPa（psi）0.7（100）输砂器最大输砂量kg/min（gpm）10500（23148）三个液体添加剂排量kg/min（gpm）37.8（10） 200（53） 340（90）干粉添加剂排量 L/min（gpm）102（27）混合罐容积 m3（bbl）1.5（9.4）整机外形尺寸 mm（in）1 0 6

11、3 4 2 5 0 0 4 2 0 5（41999166）重量kg（lb）28000（61729）混砂车混砂车产品型号GHC105最高工作压力MPa（psi）105（15000）可配用车数10台压裂车高压中心管汇尺寸3（多种压力配置的高压管汇和活动弯头）低压管汇4，12个（低压管件盒）汽车吊臂最大起重量kg（lbs）6300（13860）（各种随车吊规格及配置）汽车底盘北奔2530/66，BENZ314A，VOLVO，KENWORTH，拖车，撬装车整机外形尺寸 mm（in）1 0 0 0 0 2 5 0 0 3 7 0 0（393.798.4145.7）可选增配项目车载增压泵及灌注系统设备简介

12、设备简介仪表车的作用一是控制泵车和混砂车的运行参数，二是适时记录及监测分析施工参数。 12534目录6 压裂液主要用于油藏的压裂改造，是油层水力压裂改造过程中的关键环节。它的主要功能是张开裂缝、并沿裂缝输送支撑剂。因此，性能优良的压裂液是保证压裂施工成功的关键因素，压裂液的性能包括压裂液的流变性、滤失性、摩阻等均对压裂施工产生重要影响。一种性能优良的压裂液应当满足粘度高、摩阻低、滤失量小、对地层无伤害、配制简便、材料来源广、成本低等条件。压裂液简介压裂液简介前置液 ：破裂地层并造成一定几何尺寸裂缝。在温度较高的地层里，它还可起一定的降温作用。前置液一般用未交联的溶胶。携砂液 ：将支撑剂带入裂缝

13、中并将支撑剂填在裂缝内预定位置上。也有造缝及冷却地层的作用。携砂液由于需要携带比重很高的支撑剂，必须使用交联的压裂液(如冻胶等)。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；注完携砂液后要用顶替液将井筒中全部携砂液替入裂缝中，以提高携砂液效率和防止井筒沉砂。压裂液作用压裂液作用 滤失少；悬砂能力强；摩阻低；稳定性；配伍性；低残渣；易返排；货源广、便于配制、价钱便宜。压裂液评价压裂液评价 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。压裂液分类压裂液分类 压裂液滤失到地层受三种机理控制：压裂液的粘度，油藏岩石和流体的压缩性及压裂液的造壁性。

14、1、受压裂液粘度控制的滤失系数 当压裂液粘度大大超过油藏流体的粘度时，压裂液的滤失速度主要取决于压裂液的粘度。根据达西方程：滤失系数为滤失速度为 2/13104 . 5fPKCtCv压裂液滤失性压裂液滤失性 2、受储层岩石和流体压缩性控制的滤失系数 当压裂液粘度接近于油藏流体粘度时，控制压裂液滤失的是储层岩石和流体的压缩性。 2/13103 . 4ffKCPC压裂液滤失性压裂液滤失性P1-压裂液滤失于储层内的压差P2-压缩并使油藏流体流动的压差 滤失后地层中压力分布示意图 3、具有造壁性压裂液滤失系数 具有固相颗粒及添加有防滤失剂的压裂液，施工过程将在裂缝壁面形成滤饼，有效地降低滤失速度，压裂

15、液的滤失速度将受造壁性控制。滤失速度： 则滤失速度： 实验压差与实际施工过程不一致时，应进行修正：tAmv005. 0tC AmC005. 0 2/1 PPCCf压裂液滤失性压裂液滤失性 动、静滤失曲线比较图压裂液滤失性压裂液滤失性 4、综合滤失系数 实际压裂过程中，压裂液的滤失同时受三种机理控制，综合滤失系数如下： C由滤失带压力差控制的，C是由压缩带压力差控制的，C由滤饼内外压力差控制的，根据分压降公式可以得到综合滤失系数的另一表达式： CCCC11112222242CCCCCCCCCCC压裂液滤失性压裂液滤失性 1、牛顿压裂液 剪切应力与剪切速率成正比关系，牛顿流体的本构方程： 2、假塑

16、型压裂液假塑型流体的本构方程： 当n=1时， 视粘度： n小于1，所以剪切速率愈大，视粘度愈小。DnDKDDKn11naDK压裂液流变性压裂液流变性压裂液流变性压裂液流变性 3、其它流动类型的压裂液 宾汉型流体 流体具有屈服值，加上一定的压力后，流体才从静止状态开始流动，剪切应力与剪切速率成线性关系,宾汉流体的流动方程是： 屈服假塑型流体 流体是带有屈服值的假塑型液流体，其流变方程为： 胀流型流体 流变方程为: (n1) DynyDKnDK压裂液流变性压裂液流变性 水力压裂过程从地面到地下裂缝中分为四种流动过程，即地面管线、井筒、射孔孔眼和裂缝中的流动。四种流动基本上分为两大类，即管流及缝流。

17、 1、管流幂律液体在圆管内流动的本构方程为： 其视粘度为： 2、缝流幂律液体在裂缝中流动的本构方程： 在缝中任意断面上压裂液的视粘度为：nnnndvK413818413nnwdvnnKnnwWvnnK631216312nnfwvnnK视粘度计算视粘度计算 压裂液从泵出口经地面管线井筒射孔孔眼进入裂缝，在每个流动通道内都会因为摩阻而产生压力损失，压力损失愈大，造缝的有效压力就愈小。一般情况下，由于地面管线比较短，其摩阻可忽略。根据伯努利方程计算下列摩阻：油管内摩阻射孔孔眼摩阻裂缝内摩阻压力降摩阻计算摩阻计算 目前国内常用的压裂液配方为：改性胍胶+有机硼+微胶囊破胶剂其优点为： 延迟交联； 耐高温

18、、耐剪切； 破胶性能好。常用压裂液常用压裂液 优点优点 不需聚合物水基压裂液那样的溶解不需聚合物水基压裂液那样的溶解水化过程，无需添加杀菌剂、交水化过程，无需添加杀菌剂、交联剂、破胶剂，能减少井场设备和联剂、破胶剂，能减少井场设备和所需的原料。所需的原料。 无固相清洁压裂液，可使导流能力无固相清洁压裂液，可使导流能力最大化。最大化。 用量少，摩阻小，携砂力强，处理用量少，摩阻小，携砂力强，处理后效果好。后效果好。Viscoelastic surfactant frcfluid 主要技术指标：主要技术指标：9595，170s170s-1-1的速率剪切的速率剪切1h1h，粘度仍，粘度仍在在200m

19、Pa.s200mPa.s以上。以上。常用压裂液常用压裂液 水基泡沫压裂液是一种以水为连续相、以气体为分散相的压裂液。水基泡沫压裂液的特点是低粘度（但悬砂能力强），低摩阻，低滤失量，低含水量，压裂后易于排除，对地层污染少。因此，泡沫水基压裂液是一种性能优良的压裂液。 常用压裂液常用压裂液1、作用：在裂缝中铺置排列后形成支撑裂缝，将近井地带的径向流变为线性流，从而在储集层中形成远远高于储集层渗透率的支撑裂缝带。2、评价手段：粒度、球度、圆度、抗破碎能力、支撑裂缝的导流能力（是指裂缝传导储集层流体的能力，可表示为支撑带的渗透率与裂缝宽度的乘积）。支撑剂简介支撑剂简介 按其力学性质分为两大类： 1、脆

20、性支撑剂：如石英砂、玻璃球等 特点:硬度大，变形小，在高闭合压力下易破碎； 2、韧性支撑剂：如核桃壳、铝球等 特点:变形大，承压面积大，高闭合压力下不易破碎。 目前矿场上常用的支撑剂有两种：一是天然砂；二是人造支撑剂（陶粒）。 压裂中曾使用过核桃壳、铝球、玻璃珠等支撑剂，由于强度、货源和价格等方便的原因，现多已淘汰。支撑剂类型支撑剂类型1、天然砂天然砂广泛使用于浅层或中深层的压裂。天然砂的主要矿物成分是粗晶石英，没有晶体解理，石英砂的最高使用应力为21.035.0MPa。2、人造支撑剂(陶粒)陶粒的矿物成份是氧化铝、硅酸盐和铁钛氧化物；形状不规则，园度为0.65、密度为3800kg/m3，强度

21、很高，因此它能适用深井高闭合压力的油气层压裂陶粒的密度很高，给压裂施工带来一定的困难，特别在深井条件下由于高温和剪切作用，对压裂液性能要求高。常用支撑剂常用支撑剂3、树脂包层支撑剂 树脂包层支撑剂的优点：树脂薄膜包裹起来的砂粒，增加了砂粒间的接触面积，提高了抵抗闭合压力的能力；树脂薄膜可将压碎的砂粒小块、粉砂包裹起来，减少了微粒间的运移与堵塞孔道的机会，从而改善了填砂裂缝导流能力。树脂包层砂总的体积密度较低，便于悬浮，降低了对携砂液的要求。树脂包层支撑剂具有可变形的特点，使其接触面积有所增加，可防止支撑剂在软地层的嵌入。常用支撑剂常用支撑剂 1、支撑剂的强度 一般地，对浅地层且闭合压力不大时使

22、用石英砂；对于深层且闭合压力较大时多使用陶粒；对中等深度的地层一般用石英砂，尾随部分陶粒。 2、粒径及其分布 大粒径支撑剂在低闭合压力下可得到高渗透的填砂裂缝，对疏松或可能出砂的地层，要根据地层出砂的粒径分布中值确定支撑剂粒径，以防止地层砂进入裂缝堵塞孔道。支撑剂选择支撑剂选择 石英砂与陶粒的导流能力对比图支撑剂选择支撑剂选择 3、其它因素支撑剂的嵌入：颗粒在高闭合压力下嵌入到岩石中，由于增加了抗压面积，有可能提高它的抵抗闭合压力的能力，但由于嵌入而使裂缝变窄，从而降低了导流能力。支撑剂选择支撑剂选择 支撑剂的质量、密度以及颗粒园球度等也都会影响裂缝的导流能力。 国内开发的支撑剂产品包括成都陶

23、粒、阳泉陶粒、江苏宜兴、胜利陶粒等基本上可以满足深度3500m以内产层需要，相应的地层闭合应力在70MPa左右。12534目录6 水力压裂技术系统可分为设计、实施、评估三个基本环节，主要包括:压前地层评估、压裂材料优化选择、压裂工艺技术、压裂实施及水力裂缝诊断与压后评估。压前地层评估技术主要包括：油藏特征分析、测井分析、岩石力学参数解释、不稳定试井分析、小型压裂（minfrac）分析、试挤及油藏模拟等技术。压前地层评估技术压前地层评估技术小型压裂分析主要包括：阶梯排量测试：确定延伸压力；经验公式计算滤失系数；阶段压力降测试；天然裂缝发育特征分析（G函数导数分析）；压力降落分析。 解释技术由二维

24、方法已经发展到全三维解释方法，即利用净压力模拟分析计算地层的滤失系数、裂缝几何尺寸，提高了结果的精确程度。 小型压裂小型压裂小型压裂小型压裂 为减少投入，可采用另外一种成本较低的测试方法，即试挤。试挤是简化了的小型压裂，可定性的描述地层特征。试挤就是用一辆或几辆700型水泥车进行挤注测试。 通过试挤可以了解地层的吸液指数、施工泵压的大小及地层的疏通情况，而不能进行排量的优化及滤失系数等关键参数的计算。由于试挤具有一定的局限性，得到的结果仅具有参考性，不能深入的进行研究分析。使用条件：地质剖面具有一定厚度的泥岩隔层，封隔器可以卡的开，高压下不发生层间窜通，井下技术状况良好，套管无变形、破裂和穿孔

25、，固井质量好。工艺特点：可实现不压井、不放喷作业，防止油层污染所造成的堵塞，有利于提高压裂增产效果；可不动管柱一次连续压多层，从而大幅度减少作业量，提高工作效率，降低压裂施工成本；可与其它压裂工艺配套，工艺简单，成功率高。分层压裂分层压裂- -封隔器法封隔器法 投球式：基本原理：将压裂管柱及其配套工具下入井内预定位置，实现不压井不放喷作业。压完第一层（最下一层）后，通过投球器和井口球阀分别投入不同直径的钢球，逐次将滑套憋到喷砂器内堵死水眼，然后依次进行压裂。当最后一次压完后，立即活动油管，投入堵塞器，实现不压井、不放喷起出管柱。1 1、分层压裂、分层压裂- -封隔器法封隔器法水平井多级分段压裂

26、水平井多级分段压裂 利用喷砂器的节流压差坐封封隔器，利用投球的方式实现分段压裂，实现不动管柱一趟管柱完成多个层段的压裂。 l工艺原理：工艺原理：采用小直径双封隔器单卡目的层压裂，通过反洗、拖动实采用小直径双封隔器单卡目的层压裂，通过反洗、拖动实现一趟管柱多个层段的压裂。现一趟管柱多个层段的压裂。l技术特点技术特点水平井滑套分压管柱示意图水平井滑套分压管柱示意图2 2、双封单卡分段压裂技术、双封单卡分段压裂技术针对性强：针对性强：双封单卡目的层，可控制各层段处理规模双封单卡目的层，可控制各层段处理规模安全性高：安全性高：小直径封隔器，有可靠地防卡、解卡机构小直径封隔器，有可靠地防卡、解卡机构效率

27、高：效率高：一趟管柱可完成一趟管柱可完成6-86-8层压裂，节省施工时间，降低作业工人劳动强度层压裂，节省施工时间，降低作业工人劳动强度3 3、限流压裂、限流压裂基本原理： 通过严格地限制炮眼的数量和直径，以尽可能大的排量进行施工。利用压裂液流经孔眼时产生的炮眼摩阻，大幅度提高井底压力，迫使压裂液分流，使破裂压力接近的地层相继被压开，达到一次加砂同时处理及各层的目的。实现多层同时压开，必须满足各层的最小破裂压力要求。解决问题：多层合压、层间跨度较大，限流压裂和机械分隔无法实现的情况基本原理：投球压裂是在首先压开的层加砂完成后投入一定数目的塑料球进行封堵，迫使液体进入未压开层，对于投球压裂可以看

28、成是孔眼压差无穷大情形的压裂工艺。 在压裂过程中使用的封堵球一般为含尼龙的金属球，外包一层氯丁橡胶。橡胶的目的是可以与孔眼密封，耐压可以达到70MPa，耐温可以达到140C，常用的直径一般为22.225mm、18.0mm，密度为1.05g/cm3、1.30g/cm3 4 4、选择性压裂、选择性压裂适用条件：适用于一个压裂层段内有多个小层，而且夹层小的薄互层井。压裂时先压开一个小层，当加砂结束后，利用已压开层吸收液量大的特点，投可溶性高强度蜡球或橡胶球，暂时封堵已压开层的炮眼，然后逐步提高施工排量，致使第二个小层压开裂缝，从而达到一个压裂井段内压开多层的目的。这项技术施工简便，时间短，又因同一压

29、裂井段小层间压差小，不易造成窜槽。水力喷射分段压裂 (HJF) 是集射孔、压裂、隔离一体化的增产措施，专用喷射工具产生高速流体穿透套管、岩石，形成孔眼，孔眼底部流体压力增高，超破裂压力起裂，造出单一裂缝。压裂液压裂液喷射压裂喷射压裂工具工具喷砂射孔喷砂射孔参数效率参数效率喷射起裂及喷射起裂及水力封隔水力封隔5 5、水力喷射分段压裂、水力喷射分段压裂井型：直井、水平井、定向井，油井、气井完井：套管射孔、割缝筛管、裸眼管柱：油管、连续管，拖动管柱与滑套不动管柱自主：参数软件、井下工具、工艺设计水力喷射分段压裂水力喷射分段压裂射孔-压裂联作，简化了射孔后压裂管柱的工序;降低地层破裂压力，有助于裂缝的

30、形成和延伸;逐层进行喷孔压裂，不需对已压开的井段进行封堵;不需要井下封隔器，降低井下作业风险;不受完井方式的限制，适用于裸眼井、套管井、筛管井增产措施 端部脱砂压裂就是在水力压裂的过程中有意识地使支撑剂在裂缝的端部脱砂，形成砂堵，阻止裂缝进一步向前延伸。继续注入高浓度的砂浆后使裂缝内的净压力增加，迫使裂缝膨胀变宽，裂缝内填砂浓度变大，从而造出一条具有较宽和较高导流能力的裂缝。 常规施工端部加砂端部脱砂压裂和常规压裂加砂曲线的主要区别 脱砂压裂裂缝尺寸变化及压力特征6 6、端部脱砂技术、端部脱砂技术关键技术：关键技术： 端部脱砂形成高导流能力裂缝端部脱砂形成高导流能力裂缝 高粘压裂液高砂比施工降低对储层的伤害高粘压裂液高砂比施工降低对储层的伤害