压裂常识讲座

水力压裂基本原理一、水力压裂工作原理二、水力压裂的产生和发展三、水力压裂增产机理四、水力压裂造缝机理五、水力压裂施工方式六、水力压裂施工方法一、水力压裂工作原理近井解堵储层改造地层防砂区块开发主要用途第一次水力压裂试验：1947年，美国Kansas的Houghton油田，4个碳酸盐储层，压前进行过酸化，采用上、下封隔器逐级分层压裂，每层使用稠化凝固汽油并接着注入汽油作为破胶剂，不加支撑剂。压裂效果较差，结论：压裂不如酸化有效。同年，在美国东Teaxs油田Woodbine砂岩层进行水力压裂，使用胶化矿场原油，16目石英砂，破胶剂，取得了极大的成功。1949年Halliburton获得了专利许可证，开始了商业化的水力压裂作业，使该技术得到迅速推广。专利规定了携砂液为通过滤纸的粘度大于30cp的液体。其它未获得许可证的公司水和砂进行水力压裂作业。二、水力压裂的产生和发展裂缝线性流双线性流地层线性流拟径向流产量来源于裂缝中流体的弹性膨胀，流动基本上是线性的，流动时间很短，意义不大。流体自地层线性地流入裂缝，同时，裂缝中的流体再线性地流入井筒。地层线性流阶段只能在裂缝导流能力较高时才出现。由于裂缝的存在，相当于扩大了井筒半径，增加了渗流面积，渗流阻力比压前大幅度降低，所以产量也要比压前有较大的提高。径向流渗流面积小、渗流阻力大，产量相对较低。四、水力压裂造缝机理1、裂缝形态2、裂缝方位3、裂缝尺寸在水力压裂中，了解裂缝的形成条件、裂缝形态、方向对有效地发挥压裂在增产、增注中的作用十分重要。在地层中造缝，形成裂缝的条件与地应力及其分布、岩石力学性质、压裂液性质、注入方式等都有密切关系。σZσYσX垂直裂缝当σZ>σH时，产生垂直裂缝，此垂直缝的方位又决定于两个水平应力σX和σY的大小，当σY>σX，则裂缝处于垂直于最小主应力σX、平行于σY的方位；当σZ>σH，则裂缝处于垂直于最小主应力σY、平行于σX的方位。σYσZσX水平裂缝当σH>σZ时，产生水平裂缝。当σX=σY时，平面上会产生均匀的圆形，当σX≠σY时，平面上会产生类似椭圆或呈不规则的分布。如何判断水力压裂产生的裂缝形态地应力测试法通过对三向应力值的测试来判断，这是最科学、最准确的判断方法。但成本高、速度慢、操作复杂。深度经验法一般来说，目的储层中深低于700m产生水平裂缝，超过800m产生垂直裂缝，700-800m两种情况都有可能。但这只是一种统计经验，每个地区情况会有所不同，有时差异还较大。破裂压力梯度经验法一般来说，破裂压力梯度小于0.018产生垂直裂缝，大于0.023产生水平裂缝，0.018-0.023两种情况都有可能。这也是一种统计经验，每个地区甚至每口井因其它因素的影响会有所不同。高角度裂缝在现场实际中，很少有绝对的水平或垂直裂缝产生。由于三向主应力的相对大小，在大多数情况下，会产生不同程度的偏离水平或垂直方向的高角度裂缝。地应力剖面多裂缝剖面而且由于地应力剖面的变化，在射孔区间涉及多个不同地应力值的情况下，还会产生多裂缝的情况。张开型滑开型裂缝的破裂模式Ⅰ称为张开型，裂缝前方有一法向张力；模式Ⅱ称为滑开型，伴随有一个纵向剪力；模式Ⅲ称为撕开型，伴随有一个横向剪力；通常，水力压裂产生的裂缝均为模式Ⅰ，即张开型。对于不是平面的或接近天然裂缝的复杂缝才为模式Ⅱ和模式Ⅲ。ppxyzppxyz撕开型ppxyz裂缝的延伸如何判断水力压裂的裂缝方位1、地面微地震方法2、井下微地震方法3、测斜仪方法4、电阻率层析成像方法通过测定微震震源辐射出的地震波运动学参数，反演微震震源的空间位置，微震震源的空间分布反映了人工裂缝的轮廓。可记录3000米以内深度的-2级地震。本次测试采用的是改进后的6点无线传输定位系统。通频带(Hz)最大偏频(%)信噪比(db)发射频率(MHz)传输距离(km)最大连续工作时间(h)50～250±2050150≦351、声发射定位裂缝监测与诊断技术****井压裂裂缝方位及长度最大水平主应力方向：北东32.2°左翼动态缝长：82.8m右翼动态缝长：82.1m2、井下微地震裂缝测试与诊断技术3、测斜仪裂缝方位测试与诊断技术地面测斜仪井下测斜仪4、可控源大地电阻率层析成像技术用高密度发射系统和接收系统对地下进行电场透视，利用大地电阻率的差异进行CT成像。压裂施工中，压裂液相对地层为良导体，压裂液沿裂缝进入储层，改变了储层的电阻率分布,电流在良导体压裂液的引导下进入裂缝区域，在地层中形成一个场源，由于压裂液的存在使原电场的分布形态发生变化，大部分电流集中到充满压裂液的低阻带，引起地表观测电场的变化，不同形态的裂缝形成不同的场源，在地表形成不同形态的大地电场分布，观测压裂前后地面电场的变化，经过数据处理，得到裂缝的几何参数。如何认识水力压裂的裂缝尺寸应力剖面决定缝高延伸，特别是产、隔层间的应力差值；一般缝宽为支撑剂粒径的4-10倍；缝长与液量、砂量、砂比、排量有关，相对而言人为设计的空间较大；岩性对裂缝尺寸影响较大。裂缝高度测试(温度、示踪剂)压裂层隔层隔层热鼻现象压后井温曲线压前井温基线五、水力压裂施工方式1、油管注入(1)优点：有利于保护套管，相对于套管注入和油套混注方式，在相同排量下，能保持较高的流速，减少或避免在井筒内脱砂，便于压后井下作业。(2)缺点：产生的高沿程摩阻将增加地面泵压，使泵注排量受到限制且要消耗大部分设备功率，以致降低压裂净收益。因此，油管的尺寸、规范、钢级、抗拉强度、抗内压、抗外挤等性能是确定泵注排量、地面泵压、井口装置、需用功率以及安全作业必须考虑的重要因素。2、油套环空注入/油套混合注入(1)优点：沿程摩阻小，地面泵压低，泵注排量大，在相同的地层条件下，同一排量可节约设备功率，降低施工成本。(2)缺点：套管的每一部分均需要承受最高的施工压力，因此，泵注排量的极限与地面泵压的极限取决于套管允许的抗内压强度及固井质量。六、水力压裂施工方法常规压裂分层压裂投球法压裂限流法压裂常规压裂工艺管柱结构简单，施工比较安全，不易砂卡；适用于较浅且上部无射开井段的储层压裂；分层压裂工艺1、单封单卡分层压裂工艺2、双封单卡分层压裂工艺3、封隔器+桥塞分层压裂工艺4、封隔器+填砂分层压裂工艺5、多级滑套封隔器分层压裂工艺管柱结构简单，施工比较安全，不易砂卡；适用于各类油气层，特别是深井和大型压裂；水力锚的啮合力必须大于施工时作用于封隔器上的上顶力，以免顶弯油管；施工时作用于封隔器上下的压差必须小于封隔器允许的最大压差；单封单卡分层压裂工艺双封单卡分层压裂工艺控制压裂层位准确、可靠；施工中两个封隔器之间拉力较大，对深井和破裂压力高的地层，不宜采用；两个封隔器之间的所有井下工具、短节的本体和螺纹抗拉强度必须大于施工时的最大拉力；喷砂器应紧接于下封隔器上部，以免施工时封隔器上形成沉砂；起管柱前，应先反循环将下封隔器上部沉砂冲净，起管柱时，应先上下活动，不得猛提。封隔器+桥塞分层压裂工艺施工比较安全，不易发生砂卡和拉断油管等事故；控制压裂层段准确、可靠；适用于深井压裂；施工工艺较复杂，压裂前需先下入桥塞，压裂后，若桥塞下面有产层，则需打捞或钻掉桥塞；施工时，桥塞上下压差不能超过允许的最大压差；水力锚的啮合力必须大于施工时作用于封隔器的上顶力；打捞桥塞时，应先将桥塞上沉砂冲净；捞桥塞后，起管柱时应先上下活动将桥塞解封，卡瓦收回，再慢慢上起，不行猛提。封隔器+填砂分层压裂工艺施工比较安全，不易发生砂卡和拉断油管等事故；控制压裂层段准确、可靠；适用于深井压裂；施工工艺较复杂，压裂前需先进行填砂作业，压裂后，还需进行冲砂作业；水力锚的啮合力必须大于施工时作用于封隔器的上顶力；填砂时，应准确计算填砂量，并探砂面核实实际填砂深度；为保证填砂封堵性，一般选择粉砂，或在砂面上再进行注灰塞作业。多级滑套封隔器分层压裂工艺可以不动管柱、不压井、不放喷一次施工分压多层；由于受管柱内径限制，一般最多只能用三级滑套，一次分压四层；管柱结构复杂，容易造成砂卡，施工完后应立即起出管柱；如逐层压裂求产完再打开滑套压上层，在打开滑套前应先反循环将管柱内外沉砂冲净，以免造成砂卡；滑套外径应小于所通过的管柱最小内径，并与滑套坐落短节密封良好。压第一层压第二层投球法压裂工艺投球法压裂是将井中所有欲压裂的层段一次射开，利用各层间破裂压力不同，首先压开破裂压力较低的层段进行加砂，然后在注顶替液时投入堵球，将其射孔孔眼暂时堵塞，再提高压力压开破裂压力较高的层段。也可利用各层渗透率的差异，在泵注的适当时机投入堵球，改变液体进入产层的分配状况，在渗透率较低的层段建立起压力，直至破裂。如此反复进行，直到更多的层段被压开。投球法压裂工艺示意图封堵球分类按密度分：1、高密度堵球：球的密度大于压裂液的密度。2、低密度堵球：球的密度小于压裂液的密度。按材质分：1、塑料球：通体由塑料制成。2、尼龙橡胶球：核心为尼龙，外层为橡胶。选择堵球直径的经验公式：D≥1.25DP其中：D－堵球直径，cmDP－孔眼直径，cm选择堵球数量的经验公式：N＝（1.1－1.2）NP其中：D－堵球数量DP－孔眼数量压裂堵球设计投球封堵效率分析1、对于高密度堵球，封堵效率随密度差的减小或孔流量的增加而提高；2、对低密度堵球，只要液体流速大于堵球的上浮速度，能将球送至孔眼处，其封堵效率均可达到100%。封堵效率分析曲线204060801000100封堵效率，%总流量，L/minΔρ=0.11Δρ=0.39Δρ=1.17限流法压裂是通过控制各层的孔眼数量和直径，并尽可能提高注入排量，利用最先被压开层孔眼产生的摩阻，提高井底压力，使其它层相继被压开，从而达到一次分压几个层的目的。限流法压裂工艺24MPa20MPa22MPa20MPa24MPa20MPa22MPa22MPa24MPa20MPa22MPa24MPa限流法压裂工艺要点1、根据压裂要求设计射孔方案。即根据每个处理层的厚度、破裂压力和需要液量确定射孔位置、孔数和孔眼直径；2、必须保证每个孔眼畅通，可先用稀酸预处理疏通孔眼；3、为保证尽可能多的射孔层段被压开和每层有足够的排量，应在套管允许的条件下尽可能提高排量；4、在允许的最大排量下，孔眼摩阻必须大于各层间破裂压力的差值，即形成的井底压力应高于所有层的破裂压力；5、各层间不能串通，以达到分层压裂的目的。限流法压裂设计方法1、先按拟射开层数和油层厚度，选择一个注入排量；2、按该地区油层破裂压力梯度计算所需的井底处理压力；3、根据注入方式和排量计算油管和套管摩阻；4、根据设备能力、井口及油套管强度确定一个井口压力；5、计算孔眼摩阻，计算出的孔眼摩阻应大于射开油层的破裂压力差值，否则应重新确定井口压力；6、计算孔眼孔数，并将孔数合理分配到各层；7、若计算出的孔数不合理，则改变排量再重新计算，直到合理为止。清水摩阻曲线油管、套管油套环空23/827/831/241/251/2751/2+27/87+27/8孔眼摩阻估算：∆P＝PS－PB＋Ph－∆Pf∆P＝PS－Pi－∆Pf∆P:孔眼摩阻；PS:井口压力；PB:井底处理压力；Ph:液柱压力；∆Pf:油管或套管摩阻；Pi:关井瞬时停泵压力，MPa；孔眼数量计算：∆P:孔眼摩阻；Q:注入排量；ρ:液体密度，kg/m3；DP:孔眼直径；n:有效孔数；α:孔眼流量系数，一般取0.8-0.85。孔径，mm流量，L/min孔径，mm流量，L/min8110-13014260-3609145-18016280-4059.5159-19918305-45510175-22519.1318-47712225-30020325-49012.7239-31822345-520不同孔眼尺寸的最佳单孔流量水力压裂作业地面流程与设备一、水力压裂作业地面流程二、水力压裂施工设备一、水力压裂作业地面流程压裂车液罐车仪表车平衡车混砂车砂罐车压裂井口平衡液压裂井场要求井口一面要有900m2的面积，场地平整，无陷坑长、宽一般要求大于30m井场要有排液池或排液罐，废液的排放必须符合相关的环保标准通井场的桥、涵承重要大于30t压裂设备要求1、集中摆放罐车集中摆放在井场最外边，罐车之间距离0.2-0.5m2、长龙摆放大罐与低压管汇之间采用4˝钢丝胶管、油壬联接低压管汇与混砂车之间距离9-15m，上液管为3-8条、4˝钢丝胶管，管数不少于3条，油壬联接混砂车与高压管汇低压端距离4-8m，供液管为4˝钢丝胶管，管数不少于3条，油壬联接联接处不得有滴、漏、刺，钢丝管不得有变形，冬季随上锅炉车，注意大罐、阀门、伸出弯头保温低压部分高压部分压裂设备要求高压管汇至井口距离大于9m，小于50m，每10m用一地锚加固，井口要用4条钢丝绳加固，不得与修井架连接采用1.2-1.5倍的施工泵压试压，2-3min不刺不漏、压力不降为合格仪表车停在砂罐车靠近井口的一面，易于通观施工场地高压管汇管与各压裂车的连接部分必须装有单流阀，单流阀的布置尽量左右对称，使高压管汇受力均匀，减轻震动二、水力压裂设备进行水力压裂，需要整套的压裂设备。压裂设备主要包括压裂车(或压裂泵机组)、混砂车、运砂车、供液罐(或储罐车)、管汇车(或高低压管汇)、仪表车及井口附件等。作业时，混砂车自供液罐吸人液体，由运砂车输入砂子，混合搅拌后，送到压裂车压裂泵吸入口，压裂泵将混合液升压后，由井口注入并底，对油层进行压裂。此外，还配有平衡车、仪表车、消防车以及作业机等。平衡车是用来平衡上封隔器的压力。作业机用来进行必要的起升作业等。在这些设备中，压裂车和混砂车是压裂施工中的关键设备。这些设备的性能和工作好坏是影响油井压裂效果的重要因素。压裂车发动机压裂泵传动箱运载车仪表监控系统液气控制系统混砂车运载车发动机仪表监控系统液气控制系统管汇系统输砂系统发动机分动箱排出砂泵离合器油泵油泵输砂油泵输砂油泵油泵油泵搅拌吸入砂泵泵油分开油缸起升油缸冷却风扇干添系统1号液添2号液添混砂车传动路线图液体添加剂系统干添加剂系统监控系统吸入泵与吸入管汇排出泵与排出管汇仪表车显示和分析单元控制单元单机控制单元通讯连接单元压裂车组监测与控制流程运砂车混砂车液罐液罐仪器车高压管汇压裂车压裂车压裂车井口管汇车管汇车是配合压裂机组作业的一种辅助设备。整机分为底盘车、高压管汇、低压管汇、备用高压管汇、随车吊五个部分。该车车台本身不配动力系统，随车液压吊的液压油泵的动力是通过取力机构从底盘车取力的。运砂车运砂量：8、10、12、14m3砂斗采用液压缸升降，可手动或自动三、现场常用压裂设备主要性能1、SS1000型压裂车2、WESTERN1500型压裂车3、HALLIBURTON2000型压裂车4、SS70型混砂车5、WESTERN100型混砂车传动器档位123456锁定状态总传动比31.817.412.759.8257.55.475发动机额定转速，r/min20502050205020502050泵超速不锁定泵冲数，min-165118161209274排量系数0.950.950.950.950.95泵排量，m3/min0.3050.5540.7560.9811.287最高工作压力，MPa103.480.458.845.434.6输出水功率，kw527.2745.7745.7745.7745.7吸入压力，MPa0.3451、SS1000型压裂车作业参数表2、WESTERN1500型压裂车作业参数表（A型压裂泵）传动器档位12345678锁定状态总传动比28.0120.1216.4413.2211.859.497.475.36发动机额定转速，r/min1900190019001900190019001900泵超速不锁定泵冲数，min-167.894.4115.6143.7160.3200.2254.4排量系数0.950.950.950.950.950.950.95泵排量，m3/min0.3180.4430.5430.6750.7530.9401.194最高工作压力，MPa103.4103.4103.4103.4103.4103.4103.4输出水功率，kw5507669391119111911191119吸入压力，MPa0.3452、WESTERN1500型压裂车作业参数表（B型压裂泵）传动器档位12345678锁定状态总传动比23.8217.1113.9811.2410.038.076.3534.96发动机额定转速，r/min1900190019001900190019001900泵超速不锁定泵冲数，min-179.8111.0135.9169.0188.5235.4299.1排量系数0.950.950.950.950.950.950.95泵排量，m3/min0.3750.5210.6380.7930.8851.1051.403最高工作压力，MPa103.4103.4103.484.475.660.647.7输出水功率，kw64890111011119111911191119吸入压力，MPa0.345挡位传动箱传动比冲次1/min排量，m3/min压力，MPa水功率4“柱塞41/2“柱塞5“柱塞4“柱塞41/2＂柱塞5“柱塞4“柱塞41/2“柱塞5“柱塞13.75790.6510.8221.01610599.480.668281881922.691110.9151.1551.42891725814001400115132.201351.1131.4051.73775594814001400140041.771691.3941.7592.17560473814001400140051.581891.5591.9672.43253423414001400140061.272351.9382.4463.02443342714001400140071.002992.4663.1123.8483426211400140014003、HALLIBURTON2000型压裂车作业参数表4、SS70型混砂车(1)吸入系统吸入管口径：100mm；吸入接头数：2×7=14个，带蝶阀；吸入泵类型：卧式涡轮泵；排量：12.5m3/min。(2)排出系统排出管口径：100mm；排出接头数：8个，带蝶阀；排出泵类型：离心式砂泵；排出压力：345KPa；流量计：8〞哈里伯顿电传感式涡轮流量计一套密度计：SGF型射线密度计(3)比例混合系统输砂方式：机械螺旋；输砂器数量：2套；最大输砂量：1.70m3/min；干粉添加：1套，机械螺旋，排量80kg/min液体添加：2套，液动齿轮泵，排量2×200L/min5、WESTERN100型混砂车(1)吸入系统吸入管口径：100mm；吸入接头数：8个，带蝶阀；吸入泵类型：离心式砂泵；排出压力：552KPa。(2)排出系统排出管口径：100mm；排出接头数：8个，带蝶阀；排出泵类型：离心式砂泵；排出压力：552KPa；流量计：6〞、8〞哈里伯顿电传感式涡轮流量计各一套密度计：射线式，量程0-9.07kg/L(3)比例混合系统输砂方式：机械螺旋；输砂器数量：2套；最大输砂量：5.67m3/min；最大转数：340r/min；砂斗高度：0.9m；干粉添加：2套，机械螺旋，排量0-45.3、0-90.7kg/min液体添加：3套，液动齿轮泵，排量0-100、1-300、0-500L/min水力压裂工具Y511系列压裂封隔器Y531系列压裂封隔器Y422系列压裂封隔器可捞式压裂桥塞轻便压裂井口千型压裂井口压裂井口保护器压裂投球器Y511型系列压裂封隔器型号规格Y511-92Y511-100Y511-110Y511-115Y511-148工作温度(℃)≤150≤150≤150≤150≤150工作压差(MPa)≤50≤50≤50≤50≤50最小通径(mm)Φ38Φ45Φ45Φ56Φ70最大外径(mm)Φ92Φ100Φ110Φ114Φ148(152)连接扣型上端27/8TBG母27/8TBG母27/8TBG母27/8TBG母31/2TBG母下端27/8TBG公27/8TBG公27/8TBG公27/8TBG公31/2TBG公适用套管内径(mm)97.18-103.88107-114118.6-121.36124.3-125.7159.4-164.0Y531型系列压裂封隔器型号Y531-115Y531-148座封方式水力自封式总长(mm)15001700外径(mm)115148中心管通径(mm)4070工作压差(MPa)6060耐温(℃)150150Y422系列压裂封隔器扶正块规格适用套管（mm）钢体最大外径（mm）最小通径（mm）5″108.6-112.0102.049.051/2″118.6-121.4114.360.37″154.8-161.7149.2-154.463.5双卡瓦：减小管柱蠕动配套BP阀：压裂桥塞旁通阀：减小活塞效应最大压差：70MPa最高耐温：180℃最高耐高：100MPa5″51/2″7″卡瓦Y442型系列压裂封隔器Y455型系列可捞式压裂桥塞型号规格Y455-148Y455-115Y455-110Y455-102工作温度(℃)≤150≤150≤150≤150工作压差(MPa)上端≤50≤50≤50≤50下端≤35≤35≤35≤35最大外径(mm)148115110102连接扣型上端M24×2M27×227/8UPTBG27/8UPTBG下端27/8UPTBGM52×3M27×2M60×3适用套管内径(mm)154.8-164.0121.36-127.3118.62-121.36108.6-114.4轻便压裂井口工作压力：70MPa通径：50/60mm重量：207kg连接扣型：Tr53/8×3.5扣/吋接压裂管线

27/8UPTBG接油管挂

27/8TBG按放空管线压盘尺寸可与250型采油井口大四通配套该井口既耐高压又特别轻便，重量只有207kg，搬运不需要要吊车；该井口可与现场使用的250型采油井口配套，安装特别方便，劳动强度小。千型压裂井口大规模长时间施工深井超深井施工LH50-70型井口70MPaKL65-105型井口105MPa铸造一体导流式平行闸阀爆破阀压裂井口探伤检测设备压裂井口试压设备压裂井口保护器用于保护250型采油井口在压裂施工过程中不受高压和支撑剂的磨损。工作压力：100MPa通径：60mm重量：80kg连接方式：上接头为Tr53/8×3.5扣/吋，可与压裂地面管线配接。压裂投球器工作压力(MPa)100投球数量(个)200封堵球直径(mm)18-22工作方式手动/电动投球速度(个/s)2-4(可调)压裂液一、压裂液概述二、水基冻胶压裂液组成与性能检测三、压裂液的配制与质量控制1、按配液材料和液体性状分类水基压裂液油基压裂液乳化压裂液泡沫压裂液酸基压裂液醇基压裂液一、压裂液概述2、按耐温性能分类低温压裂液(20-60℃)中温压裂液(60-120℃)高温压裂液(120-180℃)3、按压裂作业中不同工艺作用分类清孔液

一般用5%浓度的盐酸或0.2%左右的表面活性剂水溶液与堵球配合，疏通压裂井段的射孔孔眼。对于出液剖面，若证实孔眼射开并均通畅，这一工序可省略。前置液

一般用不含支撑剂的携砂液做前置液，用以压开地层，降低地层温度和延伸裂缝，为携砂液进入裂缝准备空间。预前置液

在使用粘温性能不适应较高地层温度的水基冻胶压裂液进行压裂时，可用低粘度未交联的原胶液做预前置液，以降低地层温度，进行预造缝。预前置液中可以加入润湿剂、粘土稳定剂和破乳剂等添加剂，原胶预前置液的用量一般为冻胶前置液的三分之一。使用粘温性能与地层温度相适应的压裂液时，此工序可省略。

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。如果这些添加剂与基液及其它添加剂不配伍，或者量少又必须保证作用浓度时，则需单独提前泵注，这些少量液体称为前垫液。若无需使用此类添加剂或者这些添加剂可以与前置液配伍同注，此工序可省略。携砂液携砂液用来进一步扩展裂缝，悬带支撑剂进入裂缝，填铺高导流能力的砂床。携砂液是完成压裂作业、评价压裂液性能的主要液体。顶替液用顶替液将携砂液全部顶入地层裂缝，以免沉砂井底。顶替液中添加破胶降粘剂及水基液用的粘土稳定剂。顶替液量即为沿程容积。1、稠化剂2、交联剂3、PH值调节剂4、破胶剂5、杀菌剂6、消泡剂7、降阻剂8、降滤失剂9、温度稳定剂10、助排剂11、润湿剂12、破乳剂13、粘土稳定剂水基压裂液的组成1、稠化剂是水基压裂液的主剂，用以提高水溶液的粘度，降低液体滤失，悬浮和携带支撑剂，国内普遍使用的是胍胶、羟丙基胍胶(HPG)，占总使用量的90%以上，一般使用浓度为0.3-0.6%。稠化剂的性能会由于加工和化学改性工艺的差别而不同，一般最为关心的稠化剂性能包括：增稠性能以一定浓度下稠化剂水溶液在范氏粘度计170s-1剪切速率的粘度表示。水不溶物含量稠化剂溶于水中后除有效增稠成分以外不能溶解的部分，这部分常会形成压裂液的残留物而对地层渗透性造成伤害。交联性能稠化剂水溶液是否能和交联剂形成具有一定粘弹性的冻胶。其它此外，稠化剂的粒度、含水量、水溶液PH值、外观等也会影响到稠化剂的性能和使用。

名称胍胶羟丙基胍胶项目技术指标一级二级一级二级外观乳白色粉末淡黄色粉末细度(过SSW0.125/0.09，≥)99999999细度(过SSW0.071/0.05，≥)95859080含水率(%，≤)891010表观粘度(30℃，170s-1，mPa·s)100808570水不溶物含量(%，≤)1620812PH值6.8-7.07.0-7.5交联性能能与硼砂形成可用玻璃棒挑挂的冻胶常用压裂液稠化剂性能指标标准2、交联剂是能与聚合物线型大分子链形成新的化学键，使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。(1)硼砂化学名称为十水合四硼酸钠(Na2B4O7·10H2O),是一种坚硬结晶或颗粒，交联机理为硼砂在水中离解成硼酸和氢氧化钠，硼酸继续离解成四羟基合硼酸根离子与非离子型聚糖中临位顺式羟基络合形成冻胶。使用浓度一般为0.01-0.1%，是现场常用的中温交联剂。现场将硼砂配成水溶液作交联剂使用，其水溶液与基液的比例称为交联比，交联比常根据现场泵入交联剂的能力确定，按交联比配制不同浓度的硼砂。其优点是清洁无毒，破胶彻底，对储层伤害小；缺点是交联速度快，耐温一般在90℃以下。(2)有机钛、有机锆

用钛盐、锆盐制取的钛酸脂、锆酸脂俗称有机钛、有机锆。常用的有机钛：三乙醇胺异丙基钛酸脂Ti[N(CH2CH2OH)2(CH2CH2O)2(OC3H7)2，有机锆：乙酰丙酮锆酸脂Zr[CH3COCH:C(CH3)O]4。其交联机理是在碱性溶液中水解生成的六羟基合钛(锆)酸根离子与非离子型聚糖中临位顺式羟基络合形成冻胶。使用浓度一般在0.5%以下。其优点是耐温高，可达到180℃，且能延迟交联。缺点是破胶不彻底，容易对地层造成伤害。(3)有机硼

有机硼是用特定有机络合基团(如乙二醛等)在一定条件下和硼酸盐作用的络合产物。其交联机理与硼砂相似，但由于有机络合基团的引入，使四羟基合硼酸根离子的生成是有控制的缓慢生成，即具有延迟交联作用；同时，由于有机络合基团的引入可以在高温下缓慢释放需要的硼离子而使其具有耐高温特性；而引入的有机络合基团在长时间高温作用下可以转化为有机酸，使压裂液降解减少对地层的伤害，因此具有自动内破胶机制。使用浓度一般为0.5%以下。有机硼交联压裂液具有延迟交联、耐高温(150℃)和自动破胶三大特性，克服了无机硼交联压裂液耐温差、交联快的不足，同时也达到或接近了有机钛、有机锆交联压裂液破胶困难、对支撑裂缝导流能力伤害大的缺点。3、PH调节剂在水基压裂液中，通常用PH值调节剂(也称缓冲剂)控制稠化剂水合增粘速度、交联剂所需的PH值范围和交联时间以及控制细菌的生长。在基液的配制过程中，PH值太低，稠化剂水合速度快，在其表面形成一层水化膜，抑制内部的高分子溶胀，即会形成“鱼眼”，因此，在配液过程中，通过PH值调节剂，首先使溶液保持弱碱性，稠化剂处于完全分散状态；再调节至弱酸性，使其水合增粘，减少“鱼眼”，充分溶胀。不同的交联剂所要求的交联PH范围不同，硼交联压裂液一般要求PH值在11.0以上，并通过调节PH值控制延迟交联时间；钛、锆交联压裂液一般要求PH值在9.0-11.0之间。PH值调节剂还可以根据酶破胶剂的最佳活性范围调节出合适的PH值，使破胶剂发挥出最大的破胶能力。提高基液PH值，可以控制细菌的生长，达到防腐作用。现场常用的PH值调节剂有：碳酸氢钠(小苏打)、碳酸钠(纯碱)、氢氧化钠(烧碱)、醋酸、柠檬酸等，配合使用效果更好。4、破胶剂使压裂液中的冻胶发生化学降解，由大分子变成小分子，有利于压后返排，减少对储层的伤害。常用的破胶剂有三类：生物酶、过氧化物、有机酸生物酶是适用于21-54℃低温破胶剂；过氧化物一般是适用于54-93℃的中温破胶剂；有机酸一般是适用于93℃以上的高温破胶剂。对于一般的酶破胶剂，PH值是影响破胶效果的重要因素，最佳PH值范围为5.0，低于3.0和高于8.0时，酶的破胶活性将大大降低。常用的酶破胶剂有淀粉酶、蛋白酶等。过氧化物破胶剂的PH值范围在3.0-14.0之间均可用，现场常用的有过硫酸铵、过硫酸钠等，用量在0.01-0.2mg/L。5、杀菌剂用于抑制和杀死微生物，使配制的基液性能稳定，防止聚合物降解，同时阻止储集层内细菌生长。现场常用的杀菌剂有：甲醛(HCHO)，有刺激性气味，对人体有害，一般使用浓度为0.5-1.0%；现场配制压裂液时，必须注意杀菌剂的添加过程和时间效应，一般应在注水充满大罐前，加入一半杀菌剂迅速杀死其中的细菌，当注完水后，再加入余下的杀菌剂，并保持6-8小时，杀死压裂液中所的细菌。

6、粘土稳定剂使用水基压裂液会引起粘土沉积、颗粒膨胀和迁移。同时，水基压裂液以碱性交联为主，滤液存在较强的碱性(PH一般为8-10)，对粘土的分散、运移有很大的影响。压裂液以小分子水溶性滤液进入孔隙，对储层的伤害通常是水敏性和碱敏性叠加作用的结果。

KCL是现场最常用的压裂液粘土稳定剂，使用浓度一般为1.0-2.0%。聚合物粘土稳定剂是阳离子型的高分子聚合物，因其吸附牢固耐冲刷而对于注水井是良好的长效粘土稳定剂。但对于压裂井，不存在类似注水井的长期冲刷，特别是压裂井往往渗透率低且很容易被阳离子聚合物堵塞，因而一般不建议在压裂液中使用。7、表面活性剂水基压裂液中的表面活性剂通常用于压后助排、防乳破乳作用，有时也用作配制压裂液时的消泡剂。对于气井，助排剂只要起到降低表面张力的作用即可，但对于油井，选择的助排剂除降低表面张力外，更主要的是降低油水界面张力。

压裂液破乳剂应能在储层温度下保持其表面活性，并且在与储层岩石接触时不易因吸附作用而从溶液中分解出来。由于破乳效果与原油性质有直接关系，因此选用破乳剂时，在考虑与压裂液配伍的条件下，一定要用本井原油进行实验。

8、降滤失剂压裂液降滤失剂是用来增强压裂液造壁性能，降低液体滤失量，提高液体效率。现场常用的降滤失剂有：乳液、油溶性树脂、硅粉、粉砂等。在控制压裂液初滤失方面的优先顺序是：硅粉>粉砂>油溶性树脂>乳液；在控制压裂液造壁滤失方面的优先顺序是：乳液>硅粉>粉砂>油溶性树脂。

9、温度稳定剂用来增强水溶性高分子胶液的耐温能力，以准确满足不同地层温度、不同施工时间对压裂液的粘度与温度、粘度与时间的稳定性要求。冻胶压裂液的耐温性主要取决于交联剂、增稠剂品种以及体系中各添加剂的合理搭配，温度稳定剂仅为辅剂。10、润湿剂用来改变油层岩石的表面润湿性质，将油润湿表面转化成水润湿表面，使油不为岩石滞留，而易于流动产出。11、降阻剂在进行深井压裂作业时，需用降阻剂降低压裂液在注入管柱中的沿程摩阻，以提高泵效，降阻剂多为线性高分子聚合物。水基冻胶压裂液通用技术指标序号项目指标低温(20-60℃)中温(60-120℃)高温(120-180℃)1基液密度（g/cm3）1.000-1.0502基液表观粘度（mPa·s）20-4030-6040-903交联时间（s）15-6030-12060-3004剪切稳定性剪切时间（min）6090120表观粘度（mPa·s）≥505稠度系数（mPa·sn）0.8-2.56流动指数0.3-0.77静态滤失系数（m/min1/2）≤6.0×10-48初滤失量（m3/m2）≤1.0×10-39滤失速率（m/min）≤1.0×10-4序号项目指标低温(20-60℃)中温(60-120℃)高温(120-180℃)10破胶时间（h）≤1211破胶液粘度（mPa·s）≤5.012破胶液表面张力（m·N/m）≤28.013破胶液与煤油界面张力（m·N/m）≤2.014破乳率（10-2）≥9515降阻率（10-2）≥3516残渣含量（mg/L）≤55017岩心渗透率损害率（%）≤3018压裂液滤液与地层水配伍性无沉淀、无絮凝支撑剂一、支撑剂的类型二、支撑剂的物理性质三、支撑剂的选择一、支撑剂的类型(一)石英砂1、特征石英砂是含有大量二氧化硅(SiO2)的集合体，常呈块或粒状，其中硅(Si)含量为46.7%，氧(O2)含量为53.3%。硬度为7，颜色多样，通常为无色、乳白色、淡黄色或灰色，玻璃光泽，加热到1500℃开始软化，在1710-1756℃溶化。仅溶于氢氟酸，不溶于其它酸碱类。

2、产地国内：甘肃兰州砂、江西永州砂、福建福州砂、湖南岳阳砂、山东荣城砂、吉林农安砂、河北承德砂等。国外：北部白砂或渥太华(Ottawa)砂、约旦(Jordan)砂、圣彼得(St.Peter)砂、翁渥克(Wonewoc)砂、得州棕砂、布莱第(Brady)砂、胡桃木(Hickory)砂等。3、化学与矿物成分(1)化学成分天然石英砂的主要化学成分是氧化硅(SiO2)，同时伴有少量的氧化铝(Al2O3)，氧化铁(Fe2O3)，氧化钾和氧化钠(K2O+Na2O)及氧化钙和氧化镁(CaO+MgO)。(2)矿物成分天然石英砂的矿物组分以石英为主。石英含量是衡量石英砂质量的重要指标。我国压裂用石英砂的石英含量一般在80%左右，国外优质石英砂中的石英含量可达到98%以上。4、微观结构石英可分为单晶石英和复晶石英两种晶体结构。在天然石英砂的石英含量中，单晶石英颗粒所占的重量百分数愈大，则石英的抗压强度愈高。一般，石英砂的颗粒绝对密度约为2.65，体积密度约为1.75g/cm3，孔隙度为30-38%。5、优缺点优点对于低闭合压力的各类储层，使用石英砂作为压裂用支撑剂可取得较好的增产措施效果；圆、球度较好的石英砂破碎后呈小碎块状，但仍可保持一定的导流能力；100目的粉砂可做为压裂液的固体防滤失添加剂，它在裂缝延伸过程中可以填充那些与主裂缝沟通的天然裂缝，降低压裂液的滤失，并起到一定增产作用；石英砂的绝对密度较低，便于施工泵送；石英砂价格便宜，在许多地区可以就地取材。(2)缺点石英砂强度低，开始破碎的压力约为20MPa，不适合在中、高闭合压力的压裂层中使用；石英砂的抗压强度低，破碎后将大大降低裂缝的导流能力，加之受嵌入、微粒运移、堵塞、压裂液伤害等因素影响，严重时可降至原来的10%或更低。(二)陶粒1、化学组成与微观晶相结构(1)中等强度陶粒支撑剂（ISP）一般，中等强度陶粒支撑剂（ISP）都用铝矾土或铝质陶土（矾和硅酸铝）制造。其中氧化铝（Al2O3）或铝质的重量百分比含量为46%~77%，硅质（SiO2）含量占12%~55%，此外，还有少量小于10%的其它氧化物。(2)高强度陶粒支撑剂高强度支撑剂由铝矾土或氧化锆的物料制成。颗粒相对密度约为3.4或更高。其化学组分氧化铝（Al2O3）的含量可达85%~90%，氧化硅（SiO2）占3%~6%，氧化铁（Fe2O3）占4%~7%，氧化钛（TiO2）占3%~4%。陶粒的加工过程2、优缺点(1)优点强度高，在相同闭合压力下，与石英砂相比较破碎率低，导流能力高，尤其是在高闭合压力下仍能提供一定的导流能力；具有较强的抗盐、耐温性能，在150-200℃含10%盐水中陈化240h后抗压强度不变；在280℃和溶液PH值为11的条件下陈化72h后，重量损失为3.5%，而石英砂约为50%被溶解。随闭合压力的增加或承压时间的延长，陶粒的破碎率要比石英砂低得多，导流能力的递减率也要慢得多。因此，对任一深度、任一储层来说，使用陶粒均会获得较高的初产量、稳产量和更长的有效期。(2)缺点相对密度高，对压裂液性能及泵送条件要求高；陶粒物料选择与制造过程严格、复杂；价格较贵，限制了陶粒的广泛使用。(二)支撑剂优选方法1、麦克奎尔曲线法

在给定的闭合压力下，从现有支撑剂的导流能力入手，得到不同穿透比时可望获得的压裂增产倍数(压后产量)；从预期获得的产量出发，得到不同穿透比时所需要的导流能力来选择支撑剂。2、Cinco(辛科)准数法

Cr—辛科比值（准数），无因次；(KW)f—裂缝导流能力，µm2•cm；

K—储层有效渗透率，10-3µm2或µm2；Xf—裂缝支撑半长，m。Cinco认为，只要该比值Cr>10，则压后肯定有一定的效果。该值反映了裂缝支撑长度在选择支撑剂中的作用。3、无因次导流能力法

垂直裂缝：水平裂缝：支撑剂的粒径分布支撑剂的球度支撑剂的圆度支撑剂的表面光滑度支撑剂单粒抗压强度支撑剂群体破碎率支撑剂的酸溶解度支撑剂的浊度支撑剂的密度裂缝短期导流能力和长期导流能力的测定支撑剂性能测试报告名称甘肃兰州石英砂吉林农安石英砂湖北蒲圻石英砂湖南岳阳石英砂24/3516/2424/3524/3524/3516/24圆度0.70.60.50.70.70.7球度0.70.70.80.80.70.7体积密度(lb/ft3)(g/cc)1.681.701.551.651.731.73比重2.662.652.652.642.642.64在12/13HCL/HF酸中的溶解率(%)5.42.56.66.6在24/35筛网中保留的重量比(%)96.384.198.292.0在16/24筛网中保留的重量比(%)91.879.6破碎率(%)30MPa24.225.421.045MPa36.046.440.740.7国内天然石英砂支撑剂物理性能

闭合压力MPa甘肃兰州砂μm2.cm湖南岳阳砂μm2.cm湖北蒲圻砂μm2.cm吉林农安砂μm2.cm备注24/3516/2424/3516/2424/3524/351088106821797153支撑剂的铺置浓度5kg/m2204259486941353015242227171940612国内天然石英砂的导流能力

国内人造陶粒支撑剂物理性能名称低密中强陶粒(宜兴陶粒)高密高强陶粒(成都陶粒)高密高强陶粒(贵阳陶粒)20/4016/2420/4020/40圆度0.90.90.90.9球度0.90.90.90.9体积密度(lb/ft3)1.86(g/cc)1.731.732.043.47比重2.822.813.383.78在12/13HCL/HF酸中的溶解率(%)4.72.65.099.13在20/40筛网中保留的重量比(%)97.597.2在16/24筛网中保留的重量比(%)91.7破碎率(%)45MPa8.123.42.21.74(52MPa)60MPa16.234.64.65.36(69MPa)国内人造陶粒支撑剂导流能力闭合压力MPa低密中强陶粒（宜兴陶粒）μm2.cm高密高强陶粒（成都陶粒）μm2.cm高密高强陶粒（贵阳陶粒）μm2.cm备注20/4016/2420/4020/4010153250141125.88支撑剂铺置浓度为5kg/m220111203115106.5930851299289.284062827470.785044485754.736031304540.567018193780131228国内支撑剂导流能力对比名称OTTAWA砂JORDAN砂BRADY砂20/4016/3020/4016/3020/4016/30体积密度(Lbm/ft3)95.993.695.993.696.294.2比重2.652.652.652.652.652.65支撑剂平均粒径(in)0.0230.0290.0230.0290.0240.033国外天然石英砂支撑剂物理性能和导流能力

闭合压力psiOTTAWA砂DarciesJORDAN砂DarciesBRADY砂Darcies20/4016/3020/4016/3020/4016/3002334272334272324982000233240233427232498400020910620924010321080003921394729481200074798111600011122318000111111备注：支撑剂的铺置浓度2lb/ft2

CARBO-LITE支撑剂物理性能名称16/2020/40圆度0.90.8—0.9球度0.90.8—0.9体积密度(lb/ft3)10099—102(g/cc)1.621.58—1.66比重2.712.67—2.73在12/3HCL/HF酸中的溶解率(%)1.71.5—2.0在16/20筛网中保留的重量比(%)93.0在20/40筛网中保留的重量比(%)93.0破碎率(%)7500psi13.14.310000psi19.38.3闭合压力psiCARBO-LITE20/40支撑剂DarciesCARBO-LITE16/30支撑剂Darcies备注05701000支撑剂铺置浓度为2lb/ft2200050097940004338566000319530800019627610000113116120005656140005656160005656180005656CARBO-LITE

支撑剂导流能力

国外支撑剂导流能力对比压裂工程设计一、压前储层评估与压裂选井选层二、压裂工程设计主要内容三、不同类型储层压裂工程设计主导思想四、压裂工程设计基本数学模型五、压裂工程设计常用计算软件六、压裂工程设计实例分析一、压前储层评估与压裂选井选层1、判断油井低产原因近井地带污染所致，采取小型压裂；地层渗透率过低，采取中、大加砂规模压裂；地层能量枯竭，不宜采取压裂2、对于新井、新区块，一般应根据储层油藏分析，确定油气水含量和地层压力系数渗透率小于10×10-3μm2区块，应考虑进行整体压裂改造；地层压力系数一般要求大于0.6，否则应考虑进行注水等地层能量补充措施后再压裂；3、根据地层参数，判断储层是否需要压裂地层系数在0.5-100×10-3μm2·m之间；储层孔隙度一般应大于8-10%(砂岩)；有效渗透率一般应小于10×10-3μm2；4、为了确保隔层不被压窜，一般要求上隔层厚度大于10m，下隔层厚度大于5m；5、压裂井段一般要求大于2m，小于40m，对于厚度较大且比较集中的油层，一般只在油层中、下部射孔；6、压裂井必须有良好的井身结构，无套管变形、损坏，固井质量合格，水泥返高合理，抗内压强度满足压裂要求7、压裂井段上、下有气、水层时，应慎重对待，要求纯泥岩隔层大于20m，当小于20m时，应考虑控缝高技术8、压裂井距离断层至少大于50m9、根据邻井、区块生产情况判断是否压裂二、压裂工程设计主要内容油井基本数据压裂层数据压前试油、生产情况压裂依据压裂目的压裂施工参数（注砂程序、施工压力预测等）压裂材料设计及准备（压裂液、支撑剂、降滤失剂等）压裂工具设计（井口、封隔器、桥塞等）压裂设备设计及要求裂缝参数及增产效果模拟计算结果压裂管柱设计及压前作业要求压后返排、投产要求安全、环保注意事项资料录取要求

四、压裂工程设计基本数学模型（一）二维压裂模型（二）拟三维压裂模型（三）全三维压裂模型（四）集总的综合压裂模型（一）二维压裂模型1、PKN二维压裂模型2、KGD二维压裂模型3、选择二维压裂模型的一般原则4、适用性与局限性1、PKN二维压裂模型岩石是弹性、脆性材料；缝高在整个缝长方向上不变；裂缝断面为椭圆形，最大缝宽在裂缝中部；缝内流体流动为层流；缝端部压力等于垂直于裂缝壁面的总应力；不考虑压裂液滤失于地层。2、KGD二维压裂模型地层均质，各向同性；线弹性应力-应变；裂缝内为层流，考虑滤失；缝宽截面为矩形，侧向为椭圆形。3、选择二维压裂模型的一般原则（1）根据井底压力的变化趋势在正常施工阶段，如果裂缝在垂向上的扩展受到抑制，并且裂缝在长度上的延伸速度大大快于裂缝高度时，随着施工时间的延续，井底压力将不断增加，这种现象符合PKN模型预测的情况，选用PKN模型较好。如果垂向增长的趋势与径向扩展的速度大致相等，井底压力将不断下降，这种现象更适合于KGD模型的假定，以选用KGD模型这宜。（2）根据压裂目的层的埋藏深度PKN和KGD模型的主要区别之一就是压裂层上下岩层之间有无滑移。对浅层来说，作用在压裂层面上的上覆压力与产生滑移时必须克服的摩擦阻力比深层要小得多，更有可能发生层间的滑移效应，所以，浅层的压裂设计一般选用KGD模型，深层的压裂设计一般选用PKN模型。（3）根据压裂层与上下岩层的地应力差压裂层的地应力差值如小于上下岩层，且地应力差大于13.8MPa，则裂缝高度仅扩展到边界界面，此时，PKN和KGD模型都可选用。如果情况相反，或地应力差大于13.8MPa时，对薄压裂层，且上下有泥岩作遮挡层的井，选用PKN模型较好；对块状厚层或射孔井段较长的井，最好选用KGD模型。4、适用性与局限性二维压裂模型对裂缝几何尺寸的求解是一种最简化的方法，这种方法可以满足施工规模较小、地层条件较为简单