1、水力压裂工艺培训教材水 力 压 裂 工 艺 培 训 讲 义第一采油一厂工程技术大队2004年6月前言：水力压裂是油田增产、增注，保持油田稳产的一项重要工艺技术。它利用液体传导压力的性能，在地面利用高压泵组，以大于地层吸收能力的排量将高粘度液体泵入井中，在井底憋起高压，此压力超过油层的地应力和岩石抗张强度，在地层产生裂缝，继续将带有支撑剂的携砂液注入裂缝，裂缝边得到延伸，边得到支撑。停泵后就在油层形成了具有一定宽度的高渗透填砂裂缝，由于这个裂缝扩大了油气流动通道，改变了流动方式，降低了渗流阻力，可起到增产增注作用，这一施工过程就叫油层水力压裂。水力压裂包括理论力学、材料力学、热化学、高分子化学、
2、机械制造等多个学科。一、压裂液压裂液的主要功能是传递能量，使油层张开裂缝并沿裂缝输送支撑剂。其性能好坏对于能否造出一条足够尺寸、并具有足够导流能力的填砂裂缝密切相关，因此，有必要了解压裂液的特点和性能。（一）压裂液的作用压裂液的主要作用是将地面设备的能量传递到油层岩石上，在地层形成裂缝，并携带支撑剂填充到裂缝中。按照在压裂施工中不同阶段的作用可以分为前置液、携砂液、替挤液三种。1、前置液；用来在地层造成裂缝，并形成一定几何形态裂缝的液体。在高温井层中，还具有一定的降温作用。2、携砂液：携带支撑剂进入地层，把支撑剂充填到预定位置的液体。和前置液一样也具有造缝及冷却地层的作用。由于携带比重较高的支
3、撑剂，必须使用交联压裂液。3、替挤液：把压裂管柱、地面管汇中的携砂液全部替入裂缝，以避免压裂管柱砂卡、砂堵的液体。组成与前置液一致。（二）压裂液的性能为确保压裂施工顺利实施，要求压裂液具有以下性能特点1、滤失性：主要取决于压裂液自身的粘度和造壁性，粘度高则滤失少。添加防滤失剂能改善压裂液的造壁性，大大减少滤失量。2、携砂性：指压裂液对于支撑剂的携带能力。主要取决于液体的粘度、密度及其在管道和裂缝中的流速，粘度越高，携带能力越强。3、降阻性：指压裂液在管道中流动时的水力摩擦阻力特性，摩阻越小，压裂设备效率越高。摩阻过高会导致井口压力高，从而降低排量，影响压裂施工。4、稳定性：压裂液应具有热稳定性
4、，不能由于温度升高而使粘度有较大的损失；还应具有抗剪切稳定性，不会由于流速的增加而大幅度降解。5、配伍性：压裂液进入地层后与各种岩石矿物及地层流体相接触，不应产生不利于油气渗流的物理化学反应，例如不会引起粘土膨胀或产生沉淀而堵塞油层。6、低残渣：要尽量降低压裂液中水不溶物的数量，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入液体应能返排出井筒，减少压裂液对地层的伤害。特别是低压井的返排尤其重要。因此，压裂液应具有滤失小、携砂能力强、摩阻低、稳定性好、配伍性好、低残渣、易返排等特点。此外由于压裂施工规模越来越大，压裂液用量越来越大，压裂液还应具有货源广、成本低、配制简单的特点
5、，以满足大型压裂和新井压裂施工的要求。（三）压裂液的分类最早采用的压裂液是油基压裂液，20世纪50年代开始应用胍胶稠化的水基压裂液，60年代发展了交联胍胶压裂液，70年代开发出羟丙基胍胶，80年代采用了延迟交联的水基压裂液，90年代压裂液向“清洁”无伤害压裂液体系发展。按造分散介质的不同，压裂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（清洁）压裂液和浓缩压裂液。重点介绍目前广泛应用的水基压裂液。（四）水基压裂液是以水作为分散介质，添加各种处理剂，特别是水溶性聚合物，形成具有压裂工艺要求的较强综合性能的工作液。一般水溶性聚合物和添加剂的水溶液称为线形胶或稠化
6、水压裂液。线形胶一旦加入交联剂，会形成具有粘弹性的交联冻胶，交联冻胶具有部分固体性质，但在一定的排量和压力下能够流动。水基压裂液以安全、清洁和容易以添加剂控制其性质得到广泛的应用，除了极少数特别是水敏性地层外，水基压裂液是压裂液技术发展最快、最全面的体系。1、线形胶压裂液是由水溶性聚合物稠化剂和其他添加剂组成，具有流动性，一般属于非牛顿流体，可近似用幂率模型来描述。典型压裂液配方：稠化剂（香豆胶0.4-0.6%，胍胶0.3-0.5%，羟丙基胍胶0.2-0.5%）+杀菌剂（甲醛0.2-0.5%）+粘土稳定剂（KCL2%）+破乳剂（SP1690.1-0.2%）+破胶剂（过硫酸铵20-100mg/L
7、）。线形胶压裂液具有一定的表观粘度与低滤失性，减阻性能好，易破胶对地层伤害小；但对温度、剪切速率敏感。一般用于注水井和浅层油气藏压裂。2、交联冻胶压裂液同线形胶压裂液对比，交联冻胶压裂液具有更强的粘弹性和塑性，在造缝和携砂能力等综合性能方面优于线形胶压裂液，但由于破胶降粘相对困难，因而破胶剂的使用由为重要。典型压裂液配方：基液：稠化剂（0.3-0.7%香豆胶、胍胶、羟丙基胍胶）+杀菌剂（甲醛0.2-0.5%）+粘土稳定剂（KCL2%）+破乳剂+助排剂（0.2-0.6%DL）+降滤失剂+PH值调节剂+温度稳定剂。交联液：交联剂（硼砂、有机硼、有机锆、有机钛）+破胶剂（过硫酸铵少量），视交联比和交
8、联性能配制交联液浓度。为了适应不同井层的情况，通过调节添加剂用量，压裂液还可以分为低温（20-60）、中温（60-120）、高温（120以上）体系。3、水基压裂液添加剂（1）稠化剂：水溶性聚合物作为稠化剂是水基压裂液的基本添加剂，用以提高粘度、降低滤失、悬浮和携带支撑剂。可以用植物胶（如胍胶、香豆胶、田箐胶）及其衍生物（羧甲基纤维素、羟乙基纤维素等）、生物聚合物如黄胞胶以及合成聚合物（聚丙烯酰胺）。（2）交联剂：交联剂是通过交联离子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维网状冻胶的化学剂。比较常用且形成工业化的交联剂为硼砂、有机硼、有机锆、有机钛等。（3）粘土稳定剂：使用水基
9、压裂液，将引起粘土沉积、颗粒膨胀或运移。在施工中压裂液对储集层粘土矿物的伤害通常是水敏性和碱敏性叠加作用的结果。水溶性介质能使粘土矿物膨胀、分散或运移；同时水基压裂液以碱性交联为主，滤液粘土稳定剂，使用浓度为1-2%。（4）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，同时阻止储集层内的细菌生长。甲醛、乙二醛、戊二醛具有良好的杀菌防腐作用，使用浓度0.5-1.0%。（5）表面活性剂：水基压裂液的表活剂具有压后助排和防乳破乳作用。由于乳化液的粘度较高，在井筒附近和地层原油发生乳化，会产生严重的生产堵塞。应用表面活性剂可以保持破乳剂的活性，达到防乳破乳作用。（6）抗高温稳定剂
10、：高温下压裂液的粘度下降，主要由于氧的存在加剧了压裂液降解的速度，因此常用甲醇、硫代硫酸钠、三乙醇胺等作为稳定剂。（7）降滤失剂：水基线形胶与冻胶压裂液由于具有较高的表观粘度和能形成滤饼的特性，可控制压裂液降解的速度，但一般天然裂缝发育的储集层应加入降滤失剂。常用的 为柴油、油溶性树脂、聚合物和硅粉。（8）破胶剂：是压裂液中的一种重要添加剂，主要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，减少对储集层的伤害。常用的破胶剂包括酶、氧化剂、和酸。生物酶和催化氧化剂系列适用于20-54的低温破胶剂；一般氧化破胶体系适用于54-93，而有机酸适用于93以上的破胶作用。（9）滤饼溶
11、解剂：压裂液在施工中由于滤失性造成聚合物浓缩，使压裂液在裂缝和裂缝表面形成致密的滤饼，常规破胶剂不能将其破坏，因此需要滤饼溶解剂进行处理。（10）缓冲剂：在水基压裂液中，通常用pH值调节剂控制稠化剂水合增粘速度、所需的PH值范围和交联时间以及控制细菌的生长。常用的PH值调节剂为碳酸氢钠、碳酸钠、柠檬酸、福马酸和氢氧化钠。4、常用水基压裂液及性能指标目前广泛应用的压裂液有田箐胶、香豆粉和胍尔胶压裂液，通过对三种压裂液的性能指标进行对比，可以看出田箐胶水不溶物高，压裂液残渣含量为1200mg/L，对地层和裂缝导流能力伤害较大，而且其流变性和携砂能力较差，因此，我们首选香豆粉、其次为胍胶压裂液。目前
12、常用的胍胶、香豆胶、改性胍胶各项技术标准见表1三种压裂液性能对比 表1压裂液类型水不溶物（%）岩心伤害率（%）残渣（mg/l）田箐胶3045.51200香豆粉923.1334胍胶1634.3356 水基压裂液技术指标表 表2序号项 目指 标1基液粘度mpa.s332冻胶初始粘度 （mpa.s）3003冻胶剪切30min粘度（mpa.s）1504破胶性能（mpa.s）24h粘度小于10mpa.s5残渣含量（mg/l）4006稠度系数（mpa.sn）101027流动行为指数0.2-0.78破胶液表面张力（mN/m）309破胶液煤油界面张力（mN/m）510初滤失量m3/m2210-311滤失系数m
13、/min-2110-3二、压裂支撑剂支撑剂是水力压裂时地层压开裂缝后，用来支撑裂缝阻止裂缝重新闭合的一种固体颗粒。它的作用是在裂缝中铺置排列后形成支撑裂缝，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，使流体在支撑剂中有较高的流通性，减少流体的流动阻力，达到增产、增注的目的。支撑剂通常分为天然和人造两大类。（一）支撑剂的种类1、石英砂石英砂多产于沙漠、河滩和沿海地带。如国内的兰州砂、承德砂、内蒙砂。天然石英砂的化学成分是氧化硅，伴有少量的氧化铝、氧化铁、氧化钾、氧化钙和氧化镁。天然石英砂矿物组分以石英为主。其含量是衡量石英砂质量的重要指标。压裂用石英砂石英含量在80%左右，伴有少量长石、
14、燧石和其他喷出岩、变质岩等岩屑。从石英的微观结构看，可分为单晶石英和复晶石英两种，单晶石英的颗粒质量越大，石英砂抗压强度越高。一般石英砂的视密度2.65g/cm3，体积密度1.70g/cm3，承压20-34Mpa。2、陶粒人造陶粒主要由铝矾土（氧化铝）烧结或喷吹而成的，具有较高的抗压强度，可划分中等强度和高强度两种陶粒。中等强度陶粒是由铝矾土或铝质陶土制成，视密度2.7-3.3g/cm3。组分为氧化铝或铝质，其质量分数46%-77%，硅质含量12%-55%，氧化物约10%。承压55-80Mpa。高强度陶粒是由铝矾土或氧化镐制成，视密度3.4g/cm3。化学组分：氧化铝85%-90%，氧化硅3%
15、-6%，氧化铁约4-7%。氧化钛、氧化锆3%-4%。承压100Mpa。3、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。视密度2.55g/cm3。在低应力下，树脂砂性能与石英砂接近，在高应力下，树脂砂性能远远优于石英砂。中等强度低密度或高密度树脂砂可承压55-69Mpa，它适应了低强度天然石英砂和高强度铝土支撑剂间的强度要求，相对密度较低，便于携砂和铺砂。树脂砂分为两种，固化砂和预固化砂。固化砂是在地层温度下固结，这对防止压后出砂及防止地层吐砂有一定的效果。预固化砂在地面已形成完好的树脂薄膜包裹的砂子，其优点是：（1）树脂薄膜包裹的砂子，增加了砂粒间的接触面积，从而提高了抗闭合
16、能力；（2）树脂薄膜可将压碎了的砂粒、粉砂包裹起来，减少了颗粒的运移与堵塞孔道的机会，从而改善了导流能力；（3）树脂砂的总的体积密度比中强度和高强度人造支撑剂低许多，便于悬浮，降低了对压裂液的要求。 （二）压裂支撑剂的主要性能 1、支撑剂性能的定义（1）支撑剂球度就是指支撑剂颗粒接近球形的程度 SP=dn/dcSP-球度，Dn-颗粒等值体积的球体的直径，mmdc-颗粒外接的球体的直径，mm（2）支撑剂圆度圆度指支撑剂棱角的相对锐度或曲率的量度。（3）酸溶解度在规定的酸溶液及酸溶解时间内，确定一定质量的支撑剂被酸溶解的质量与支撑剂总质量的百分比，称为酸溶解度。（4）支撑剂浊度在规定体积的蒸馏水中
17、加入一定体积的支撑剂，搅拌后液体的浑浊程度称为支撑剂浊度。（5）支撑剂的密度视密度：单位质量的支撑剂与其颗粒体积之比。体积密度：单位质量的支撑剂与其堆积体积之比。（6）抗破碎能力对一定体积的支撑剂，在额定压力下进行承压测试，确定的破碎率表征了支撑剂抗破碎能力，破碎率高，抗破碎能力低。 2、支撑剂性能指标（1）粒径分布标准筛检测组合表 表3粒径范围，mm1.25-0.90.9-0.450.45-0.24目 数16/2020/4040/70标准筛组合mm1.61.250.631.250.90.451.00.630.350.90.50.280.750.450.2240.630.350.125底盘底盘
18、底盘支撑剂的粒径范围可分为0.24-0.45mm，0.45-0.9mm，0.9-1.25mm三种规格。可以根据下表进行检测，落在公称直径范围内的样品质量不低于样品总质量的90%；小于支撑剂下限的质量不应超过总质量的2%；大于顶筛的样品质量不应超过总质量的0.1%；落在支撑剂下限筛子的样品质量不低于样品总质量的10%； （2）支撑剂的球度、圆度 天然石英砂的球度、圆度应大于0.6，人造陶粒的球度、圆度应大于0.8。 （3）支撑剂酸溶解度 各种支撑剂的允许的酸溶解度数值见下表4，天然石英砂和人造支撑剂的酸溶解度数值应符合同一标准。支撑剂酸溶解度表 表4粒径范围，mm酸溶解度最大值，%1.25-0.
19、950.9-0.4550.45-0.247（4）支撑剂的浊度支撑剂的浊度应低于100NTU或100度。（5）支撑剂的破碎率石英砂、陶粒的抗破碎能力应符合表5、表6石英砂抗破碎指标表 表5粒径范围，mm闭合压力，MPa破碎时受力，KN破碎率，%1.25-0.92142.56140.9-0.452856.75140.45-0.243570.948人造陶粒抗破碎指标表 表6粒径范围，mm破碎率，%1.25-0.9250.9-0.45100.45-0.2483、支撑裂缝导流能力的影响因素支撑裂缝导流能力是指裂缝传导储集层流体的能力，并以支撑带的渗透率（Kf）与宽度（Wf）的乘积（KfWf）来表示。影响
20、支撑剂导流能力的因素主要有支撑裂缝承受的作用力、支撑剂的物理性质、支撑剂的铺置浓度，以及支撑剂对岩石的嵌入、承压时间和压裂液的伤害等因素。（1）地应力与地层孔隙压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主地应力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 =minPf支撑剂的导流能力随着闭合压力的增加而降低，见曲线1曲线1导流能力随闭合压力变化曲线（2）支撑剂物理性能对导流能力的影响支撑剂物理性能包括粒径、圆球度、强度、浊度、酸溶解度、密度，其中对裂缝导流能力影响比较敏感的主要是粒径、圆球度、强度。粒径大小及
21、其均匀程度影响着支撑裂缝的孔隙度和渗透率。在低闭合压力，大粒径支撑剂可提供高导流能力，但输送比较困难，要求裂缝有足够的动态宽度。粒径相对集中，比较均匀的支撑剂可提供更高导流能力。圆球度好的支撑剂能承受高的闭合压力，在低闭合压力下，带有棱角的支撑颗粒比圆球度好的具有更高的导流能力。破碎率低，导流能力高，所以通常根据支撑剂的破碎率选择支撑剂。（3）支撑剂铺置浓度对导流能力的影响支撑剂铺置浓度指单位裂缝壁面积上的支撑剂量，单位kg/m2，导流能力随铺置浓度增加而增加，多层铺置可以降低支撑剂的破碎程度，可以提高裂缝宽度，因而提高导流能力。（4）支撑剂压碎和嵌入对导流能力的影响当裂缝闭合在支撑带上时，支
22、撑剂颗粒将由裂缝壁面嵌入岩层或被压碎，两者都影响缝宽和渗透率，导致导流能力下降。这与岩石硬度有重要关系，当岩石杨氏模量大于28000Mpa时，对支撑剂的压碎影响起主要作用；当岩石杨氏模量小于28000Mpa时，对支撑剂的嵌入影响起主导作用。支撑剂在裂缝中多层排列有利于减缓嵌入的影响，铺置浓度越大，嵌入影响就越小。（5）压裂液对导流能力的影响压裂后，压裂液破胶返排，但仍有部分破胶较差的压裂液及残渣滞留在支撑带孔隙中，以及压裂液在缝壁形成的滤饼，都会导致导流能力下降。各种压裂液对裂缝导流能力的影响见下表7压裂液对导流能力影响情况表 表7压裂液种类裂缝导流能力保持系数，%生物聚合物95泡沫压裂液80
23、-90聚合物乳化液65-85油基冻胶45-70线形溶胶45-55羟丙基胍胶10-50三、压裂设备和压裂管柱（一）地面压裂设备1、压裂专用井口压裂井口一般可分为两类：（1）用采油树压裂，按采油树型号分为250、350、600、700、1050型。250型工作压力25 Mpa，用于浅井，其他分别用于中深井、深井和超深井。气井压裂主要采用这类井口，可防止压后产气量大，可以直接关闭井口阀门，用压裂管柱生产。（2）采用大弯管、投球器、井口球阀和井口控制器的专用压裂井口，大弯管、投球器、井口球阀工作压力70 Mpa，最大过砂量150 m3。2、压裂地面管汇常用的有压裂管汇车和专用的地面管汇。专用的地面管汇
24、有8个连接头，压裂车可任选一个连接。高压管汇外径76mm，内径60mm最高压力100 Mpa。（二）压裂车组压裂车组主要包括压裂车、混砂车、仪表车和管汇车。典型压裂车组及性能参数表 表8车 型综合性能参数备 注西方压裂车档位传动箱1900r/min1800r/min1700r/min1、大泵水功率1300马力；2、柱塞直径114.3mm3、冲程203.2mm传动比冲次n/min排量m/min压力MPa冲次n/min排量m/min冲次n/min排量m/min13.65581.80.599.477.50.47373.20.44722.625113.90.69684107.90.659101.90.
25、62232.176137.40.83969.7130.20.795123.00.75141.781167.91.02557150.10.972150.20.91751.563191.31.16850.0181.31.107171.21.04661.279233.81.42841.0221.51.353209.21.27871.000299.11.82732.0283.31.730267.61.63580.718416.6西方混砂车整机参数最大排量15.9m3/min ，最大输砂量=8165kg/min 混合罐容积1.0 m3/min吸、排液管汇8个阀门，有替挤旁通。吸入泵压力0.21MPa 排
26、量15.9 m3/min砂泵压力0.46MPa 排量15.9m3/min液体添加泵泵1排量0191 L/min，泵2 排量76 L/min，交联泵排量=0500 L/min干粉添加泵泵1排量=032kg/min，泵2排量=090kg/min仪表车大泵控制电源、发动机、档位、泵速、紧急制动、报警计算机TS80、PDU监测系统、数显器打印机4笔绘图器其它HDE现场参数校正仪、SMA压差式砂密度计1、压裂车是压裂的主要动力设备，其作用是产生高压，大排量的向地层注入压裂液，压开地层，并将支撑剂注入裂缝。主要由运载汽车、驱泵动力、传动装置、压裂泵四部分组成。2、混砂车作用是将支撑剂、压裂液及各种添加剂按
27、一定比例混合，并将混好的携砂液供给压裂车压入井内。目前混砂车有双筒机械混砂车、风吸式混砂车和仿美新型混砂车。主要由供液、输砂、传动三个系统组成。3、其他设备包括仪表车、液罐、砂罐。仪表车是用于施工中记录各种参数，控制其他压裂设备的中枢系统，又称压裂指挥车。（三）压裂工具和压裂管柱1、压裂工具压裂管柱主要由压裂油管、封隔器、喷砂器、水力锚、安全接头等组成。（1）压裂封隔器压裂封隔器主要起封隔油层的目的，保障压裂细分改造的要求，可分为扩张式和压缩式两类，常用封隔器性能和特点见下表压裂封隔器性能表 表9名称用途工作压力Mpa温度外径mm长度mmK344-114常规低温浅井压裂5070114870K3
28、44-114导压封隔器大砂量、高砂比压裂50901141470K344-114可洗井用于斜直井分层压裂50701141066Y344-114用于中深井压裂701201141255Y344-114可洗井常规井高砂比压裂50701141255Y443-114高温、深井压裂80150114-（2）喷砂器喷砂器的作用一是节流，造成套管内外压差，保证封隔器密封，二是通往地层的通道口，三是避免压裂砂直接冲击套管内壁造成伤害。（3）压裂油管压裂油管应使用专用油管，抗压强度满足设计要求。低压浅井可用钢级J55的62mm油管，呈压55 Mpa；中深井和深井分别应用呈压70Mpa、钢级N80和呈压90Mpa 、钢
29、级P105的外加厚油管。2、压裂管柱（1）滑套式分层压裂管柱该管柱可广泛应用于普通压裂、多裂缝压裂、选择性压裂、限流压裂、重复限流压裂。投球打套子一次可压裂三层，上提可压裂四层。见图1。按照管柱承压可分为40Mpa、55 Mpa管柱。40Mpa常用于普通压裂、多裂缝压裂、选择性压裂等老井压裂，破裂压力低、排量在2.4 m3/min左右；55 Mpa管柱用于破裂压力高、排量要求3.8 m3/min左右的新井限流法压裂。滑套式分层压裂管柱图（图1） （2）平衡压裂管柱适用于三次加密井压裂，其油层性质差、纵向上分散，隔层薄，可以避免压裂压窜。隔层上下的层段都射孔，施工时液体通过平衡器出液口和喷砂器出液口同时进入平衡层和压裂层，打完前置液后投球打下平衡器滤砂滑套，使平衡器出液口出液不出砂。由于压前在需要保护的隔层上下建立起一定的平衡压力，在压裂层形成裂缝、加砂过程中，平衡层仍进液不进砂，从而减小了需要保护的隔层上下压差，使得在压裂过程中需要保护的隔层得到有效的保护，压后平衡层裂缝自然闭合。（3）桥塞压裂管柱针对常规压裂管柱卡距小于40m、跨距小
