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1、1压裂施工工艺培训资料一、水力压裂的基本原理油层水力压裂一般是指利用液体传压的原理，在地面用高压大排量的泵，将具有一定粘度的液体以大于油层所能吸收的能力向油层注入，使井筒压力逐渐增高，当压力增高到大于油层破裂所需要的压力时，油层就会形成一条或几条水平的或是垂直的裂缝。当裂缝形成以后，随着液体的不断注入，裂缝还会不断地延伸和扩展，直到液体注入的速度与油层所能吸收的速度相等时为止，此时若取消外力裂缝还会重新闭合。为了保持裂缝处于张开的状态，随压裂液注入的同时混入一定比例的具有较高强度的固体颗粒做支撑剂来支撑裂缝。由于支撑是经过严格筛选的，它具有良好的粒度和强度，沉淀在裂缝中，使改变了井筒附近地层的
2、导流能力，从而降低了液体由地层流入井筒的阻力。二、水力压裂目的和作用油层水力压裂的目的在于改造油层的物理结构，人为地在油层中形成一条或几条高渗透能力的通道，以降低近井地带的流动阻力，增大渗流能力，使油井获得增产效果。对油层进行水力压裂有以下作用： 解除钻井或修井过程中由于压井液造成的油层污染和堵塞。 改善厚油层上下渗透性不均匀的层内矛盾。 提高低渗透油层的渗透能力，调整油井的层间和平面矛盾，改善开发效果； 扩展和沟通油层原有的裂缝和通道，提高油井的产油能力和注水井的吸水能力三、水力压裂效果评价水力压裂效果评价可以从三个方面进行评价：裂缝状况（几何尺寸、导流能力等参数）压后产量变化，经济效益。水
3、力压裂效果评价的意义：1.小型压裂：获取地层参数、用来指导以后的压裂设计。2.压裂施工结束后：确定几何裂缝的尺寸，3.产量评价：计算经济指标、优化压裂规模。评价的结果可以验证或修正水力压裂中使用的规模、选择压裂液、确定加砂量、加砂程序、采用的工艺以及开发方案等，进而降低压裂成本和提高油气采收率，达到开采油气的目的。根据所选的模型压裂效果评价参数如下：裂缝的长宽高、裂缝的导流能力、压裂液的滤失系数、产量、计算压裂收益。四、泵注期间压力分析4.1施工压力和时间的关系4.1.1裂缝宽度方程22.502.5 (cm)3032535025507510125 (kg/m2)0.601.21.82.43.0
4、3.64.24.85.46.0 (kg/m2)4.1.2裂缝内压力方程裂缝内压力梯度取决于压裂液的流变性、流速、缝宽。沿缝长的压力梯度： 12ninfdpkqxhw地面施工压力计算施工时地面压力可以根据地层破裂压力、井筒摩阻、近井筒摩阻计算得到，计算公式：3P地面 =P破 +P井筒 -P净液柱4.2施工压力分析；较小的正斜率（0.125-0.2）裂缝正常延伸，表明裂缝在高度方向受阻。：压裂不变，意义不明确。可能注入与滤失平衡，裂缝不延伸。：斜率大于1，裂缝底部受阻，缝内砂堵或端部脱砂。：斜率小于0，缝高度增加、压开多条裂缝、或是遇到大规模裂缝体系。4.2.1泵注压力的导数分析压力导数对压力变化
5、的敏感度提高了，用于量化缝高延伸至高应力遮挡层的程度，并实现端部脱砂的及早发现。整个压力数据无明显的变化，压力导数在五十分钟的时候显著增加。25分钟时压力导数增加由于支撑剂加入粘度增加 。44.3泵注期间压力分析泵注压力分析五、国内外压裂液技术现状针对意欲实施增产改造措施的各类储层在温度、渗透率、岩性、孔隙压力等方面的差异，发展出了许多不同类型的压裂液体系以适应不同的储层特性。国外广泛使用的压裂液体系可分为水基压裂液、泡沫压裂液、油基压裂液和乳化压裂液。从50年代初到60年代初是以油基压裂液为主，而在60年代初，以瓜尔胶稠化剂的问世，标志着现代压裂液化学的诞生。70年代，由于瓜尔胶化学改性（如
6、羟丙基瓜尔胶HPG，羟基羧甲基瓜尔胶CMHPG）的成功，以及交联体系的完善（由硼、锑发展到有机钛、有机锆），水基压裂液迅速发展，在压裂液类型占主导作用；随着致密气藏的开采和部分低压油井压后返排困难等因素，在80年代泡沫压裂液技术又大规模在现场应用，取代了部分水基压裂液。90年代，在国外压裂液体系中仍是以水基压裂液为主（占65%），泡沫(占30% )、油基、乳化压裂液(占5%)共存的局面。其中，在水基压裂液中，硼交联压裂液占40% ,钛、锆交联压裂液占10%，未交联线性胶占15%。水基压裂液由聚合物稠化剂（植物胶，如瓜尔胶、香豆胶等）、交联剂、破胶剂、pH值调节剂、杀菌剂、粘土稳定剂和助排剂等组
7、成。水基压裂液可以分为稠化水压裂液和水冻胶压裂液，前者是水溶性聚合物配制成在环境温度下能悬浮支撑剂的粘稠液体，但是随着温度的增加，这类溶液将明显地变得稀薄。增加聚合物浓度可以减缓温度的影响，但此法费用昂贵。用交联剂取而代之的压裂液体系即水冻胶压裂液，可显著地增加聚合物的有效相对分子质量，具有5粘度高、摩阻低、滤失量小、能在指定的时间内破胶排液和配制简便的优点，是水基压裂液中应用较广泛的类型。胍胶是最初用于水基压裂液稠化剂的高分子聚合物之一，但在过程中并不能将胍胶与其它不溶于水的植物成份完全分离，因此在胍胶溶液中仍有6%10%的不溶残余物。羟丙基胍胶（HPG）是胍胶的一种非离子型衍生物，通过反应
8、改变了部分OH的位置，在胍胶的分子结构中引入了极性亲水基团羟丙基，使得稠化剂水溶速度加快且水合温度低、稠化能力增强、耐生物降解，不溶残余物含量仅为2%4%。由于羟丙基的取代作用使HPG在高温下比胍胶更稳定，因此HPG更适用于高温井（150）中。目前，羟丙基胍胶已普遍应用于常规水基压裂液体系。总之，水基压裂液体系具有价廉、安全、可操作性强、综合性能较好、运用范围广等特点，但潜在的问题是损害水敏性储层，以及由于残渣、未破胶的浓缩胶和滤饼造成的导流能力损害。减少伤害、降低成本是其发展方向。泡沫压裂液具有易返排、伤害小、携砂能力强等特点。油基压裂液通常由烃类（原油、柴油）、稠化剂（有机磷酸盐）、交联剂
9、（偏铝酸盐）和破胶剂（强碱弱酸盐）组成。通过两步交联法，提高了其现场可操作性和耐温能力（达130）。它具有与油藏配伍性好，易返排、低伤害，适合于强水敏、低压储层，同时也存在安全性差、成本高、耐温能力较弱、滤失量大等特点。改善施工安全的可操作性，使用高效液体破胶剂是油基压裂液的发展方向。乳化压裂液是介于水基与油基之间的压裂液流体。国内压裂液技术发展前期主要引进和借鉴国外技术，其发展经历了从引进到自主研发的阶段，特别是水基压裂液技术广泛应用以来，结合国内油田的特点和前期经验，制订了一系列水基压裂的标准，发展了一系列自主知识产权的添加剂产品，形成了适合国内油气田储层措施改造的水基压裂液体系。目前，国
10、内压裂液类型以水基压裂液为主（占90%以上），泡沫压裂液有一定的发展（占10%左右），其他类型的压裂液由于国内技术条件不成熟，还处于试验研究阶段。6六、压裂液体系选择根据压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一种以上性能不同的液体，其中还加有不同使用目的的添加剂。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。因此，为了获得好的水力压裂效果，对压裂液的总体性能要求为：1）滤失少；2）悬砂能力强；3）摩阻低；4）耐温耐剪切性好；5）配伍性好；6）低残渣；7）易返排；8）货源广、便于配制、价钱便宜。6.1增稠剂羟丙基胍胶作为水基
11、压裂液体系中一种常用的增稠剂，在国内外应用较为成熟普遍，特别适合于中高温储层压裂施工。室内根据行业标准SY/T5764-2007压裂用植物胶通用技术要求对目前国内常用的几种羟丙基胍胶产品进行了对比评价，结果见表4-1。表4-1 羟丙基瓜胶检测结果生产厂家/检测结果检测项目 一级品 二级品无锡金鑫 长庆井下 江苏昆山 山东金明外观 淡黄色粉末 淡黄色 粉末 淡黄色 粉末 淡黄色 粉末 淡黄色 粉末含水率（%） 10 5.5 6.9 6.9 5.7表观粘度(30,170s -1, 0.6%,mPa.s）110 105 120.0 123.0 115.5 117.0水不溶物（%） 4.0 8.0 3
12、.0 5.6 3.7 3.8pH值 7.07.5 7.0 7.0 7.0 7.0交联性能 交联好，能挑挂 交联好，能挑挂 交联好,能挑挂 交联好，能挑挂 交联好，能挑挂流动性 好 一般 好 好 好 好6.2高效粘土防膨剂常用的粘土稳定剂或防膨剂分为两类:一类是无机型，一类为有机型。它们都是为了保持一定的阳离子交换能力使粘土稳定，其中无机型防膨剂作用明显但有效期短，而有机型防膨剂可吸附在粘土表面具有耐冲刷和有效期长的特点。76.3助排剂压裂施工结束后要求破胶液能够快速返排，助排剂的加入能够降低液体表面张力，从而降低流体的毛管阻力，提高排液效率。6.4杀菌剂杀菌剂是用于抑制和杀死微生物，使配制的基
13、液性质稳定，防止聚合物降解，同时阻止储集层内的细菌生长。6.5交联剂交联剂是水基冻胶压裂液的主要添加剂，它与高聚物形成高粘度凝胶体，使压裂液具有优良的造缝和携砂能力。水基压裂液用交联剂经过了从硼酸盐、金属锑、铝、钛、锆等有机金属交联剂到目前广泛使用的有机硼交联剂。有机钛、有机锆等交联剂耐温耐剪切性能好，但大多数有毒，对地层有不同程度的伤害，而硼交联剂对剪切不敏感，且具有价廉、清洁、无毒等优点，因此，在水基压裂液硼交联剂具有广泛的应用前景。无机硼交联荆的交联机理无机硼在上世纪60年代后期成为植物胶类水基压裂液的主要交联剂，它主要是以硼酸盐为主，有硼砂、硼酸和四硼酸钠等，硼砂是最早使用的交联剂。从
14、以上分析得出，溶液的酸碱度和硼酸根离子浓度是无机硼交联植物胶反应的主要影响因素，决定了反应速率。同时，无机硼交联的冻胶结构中，每个交联点上只有一个硼，交联强度较差，故耐温性能差，且易受剪切作用而发生破坏，剪切速率降低则重新形成和恢复原有的交联结构。因此，该类交联剂只能用于低温浅井层中。为了克服无机硼交联剂瞬时交联产生高摩阻的缺点，从控制溶液的酸碱度和硼酸根离子浓度研究延缓交联技术。对无机硼交联压裂液在延迟交联作用方面，有较多的研究成果。其主要成果有:(1)通过向无机硼压裂液体系中添加一定的活化剂来控制交联速度，制成了延缓交联无机硼压裂体系。这些活化剂的作用机理是缓慢释故碱性物质，使水解反应向有
15、利方向进行，即逐步增加硼酸根离子浓度，以达到延迟交联的作用。这种方式克服了用NaOH调节pH值不易控制的缺点。如Mg0在水解的过程中会不断的释放H，能达到延缓交联的目的。(2)利用缓溶性硼矿物作为延缓交联体系。主要有硬硼钙石、钠硼解石、水方硼石等，因这些溯矿物具有较小的溶解度，降低了硼酸根离子的降放速率，故有效地延迟交联作用。6.6破胶剂破胶剂是压裂液的一种重要添加剂，其主要作用是使压裂液冻胶发生化学降解，由大分子变为小分子，有利于压后返排，减少对储集层的伤害。8常用的破胶剂包括酶、氧化剂和潜在酸。由于潜在酸可控性和配伍性均不好，应用不普遍；酶是一种较理想的破胶剂，具有破胶持续时间长，破胶彻底
16、的优点，但受到使用温度和pH值环境的制约，且成本较昂贵，所以在高温井中应用受到限制；目前，国内普遍使用的是氧化型破胶剂，高温深井作业常选用过硫酸铵及其胶囊作为冻胶破胶剂，且技术比较成熟。因此，选择过硫酸铵及其胶囊作为压裂液体系中的破胶剂。6.7支撑剂支撑剂用于支撑张开的裂缝，以便在停泵和压裂液滤失后，形成一条通往井筒的导流通道。在裂缝内铺置适宜浓度的支撑剂和选择适宜的支撑剂类型是保证水力压裂作业成功的关键。七、裂缝高度延伸机理分析影响水力压裂裂缝高度的主要因素包括：岩石特性、油层和隔层应力差、压裂液性能、工程参数等。（1）岩石特性影响裂缝高度延伸的岩石特性主要包括：弹性模量、波松比、孔隙度、界面强度。其中弹性模量对缝高的影响较明显，如果上下遮挡层的弹性模量高于目的层的话，将会对裂缝高度的延伸起到一定的限制作用。当遮挡层的弹性模量是目的层的5倍时，裂缝将完全被控制在目的层内。（2）地
