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1、水力压裂作业监督基础辽河油田采油工艺处王志明水力压裂作业监督基础第一节 水力压裂基本原理第二节 水力压裂施工设备第三节 水力压裂作业工具第四节 压裂液及其质量检测第五节 支撑剂及其质量检测第六节 水力压裂工艺技术第七节 水力压裂工程设计第八节 水力压裂现场施工第九节 压前完井与储层保护第十节 水力压裂作业安全规定与增产效果评价第一节 水力压裂基本原理一、水力压裂发展概述二、水力压裂增产机理三、水力压裂造缝机理四、水力压裂施工方法一、水力压裂发展概述是一项十分有效油气田增产增注措施。通过高压泵组将压裂液以大大超过地层吸收能 力的排量注入，在井底附近憋起超过井壁附近地应力及岩石抗张强度的压力后，在
2、地层形 成裂缝，随后将带有支撑剂的携砂液注入裂缝中，裂缝继续向前延伸。由于在地层中形成 了足够长度、一定宽度及高度的填砂裂缝，它具有很高的导流能力，使油气能够畅流入井 ，从而起到增产增注作用。近井解堵储层改造地层防砂区块开发用途第一代压裂(1940-1970)：小型压裂加砂量较小，在10m3左右，主要是解除近井地带污染 第二代压裂(1970-1980)：中型压裂加砂量迅速增加，主要是增加地层深部油流通道，提高低渗透油层导流能力第三代压裂(1980-1990)：端部脱砂压裂将压裂增产措施应用到中、高渗储层，双倍缝宽，主要是大幅度提高储层导流能力第四代压裂(1990- )：大型压裂、开发压裂将压裂
3、作为一种开发方式，从油藏系统出发，应用压裂技术压裂措施的产生与发展Mr.哈里伯顿压裂技术研究热点及发展趋势 新型压裂材料的开发，包括清洁压裂液、高质量人造支撑剂等； 高度精密的压裂数据监测与解释技术的开发，包括可实时传输压 力、流量和流体流变参数的井下仪表； 大型压裂技术及相应的硬件设备 深井、超深井压裂工艺、工具、压裂材料的研究 水平井、高斜度井压裂配套工艺技术的研究辽河水力压裂措施现场应用统计第一阶段第二阶段第三阶段压裂措施井次压裂措施井次 当年累计增油当年累计增油平均单井增油平均单井增油1588.311.2610 28920.571027620.5785 520 18434427.281
4、035682528.8辽河油田近年来水力压裂施工井次与增产效果统计二、水力压裂增产机理沟通储层 改变流态 提高导流能力 解除污染裂缝线性流双线性流地层线性流拟径向流径向流在该阶段，进入井筒的流体大部分来源于裂缝中流体 的弹性膨胀，流动基本上是线性的，该流动阶段时间很 短，意义不大。在裂缝线流之后将出现双线性流，即流体自地层线性 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。在压裂井的整个增产有效期内，三个线性流阶段持续 的时间都较短，地层流体向生产井的渗流以拟径向流为 主。但线性流动的渗流阻力要比径向流动小的多，因此 ，在这种流动方式期间，油井产
5、量比较高。在拟径向流阶段，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。压前处于径向流阶段，渗流面积小、渗流阻力大，所 以产量也相对较低。二、水力压裂造缝机理裂缝形态裂缝方位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。ZYX垂直裂缝当Z H时，产生垂直 裂缝，此垂直缝的方位又决定 于两个水平应力X 和Y的大 小，当Y X ，则裂缝处 于垂直于最小主应力X 、平 行于
6、Y的方位；当Z H ，则裂缝处于垂直于最小主应 力Y 、平行于X的方位。YZX水平裂缝当H Z时，产生水平 裂缝。当X=Y时，平面上会 产生均匀的圆形，当XY 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1、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。2、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。3、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
7、.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。模拟油藏就地条件（地应力、孔隙压力、温度），研究岩石孔隙度和 渗透率与有效就地应力的关系，测量岩石的杨氏模量、泊松比、压缩系数 、断裂韧性、热传导系数、孔隙弹性系数和地应力方向等岩 石 力 学 实 验 系 统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
8、。张开型滑开型裂缝的破裂模式称为张开型，裂缝前方有一法向张力；模式称为滑开型，伴随有一个纵向剪力；模式称为撕开型，伴随有一个横向剪力；通常，水力压裂产生的裂缝均为模式，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和模式。ppxyzppxyz撕开型ppxyz裂缝的延伸裂缝的应力强度因子K是指裂缝端部附近的应力大小，其大小取决于净压力，即使 缝内张开的裂缝流体压力Pf和使裂缝闭合的闭合压力Pc。岩石的断裂韧性KC是在裂缝端部之前诱发一个张开的应力yy，它在端部处趋向于 无限大，离开端部逐渐减小，在无限远处为零，当裂缝端部的应力值达到最大，即当 应力强度因子K达到临界值时，称之为岩石的断裂
9、韧性。裂缝在扩展过程中，受周围岩层的断裂韧性的控制，当内压在裂缝边缘某一点诱发 的应力强度因子大于断裂韧性时，即： K KC,裂缝向前延伸。xyrzxyyyz应力强度因子K断裂韧性KC如何判断水力压裂的裂缝方位1、微地震方法2、测斜仪方法3、电阻率方法三、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、
10、 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。(3)注意事项浅井或中深井的常规普通压裂，一般选用21/2油管即可满足施工要求；如果采用油管注入方式进行限流压裂，一般选用3油管，有利于使用大排量进行施工；对于破裂压力较高的井层或在深层压裂，也应选用3油管，但需检验油管抗拉与抗内压强度，以便在既能满足泵注排量，又不致压脱或压破油管的条件下，安全完成施工作业；在采用油套环空注入方式时，应验证入井油管的抗外挤强度，以免压扁油管；一般不宜选用管径过小或过大的油管作压裂管柱。前者沿程摩阻过大， 地面泵压高，过多地浪费设备功率；后者管柱粗重，给起下作业带来 很大困难。2、油套环空注入/油套
11、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。(3)注意事项对需经压裂投产或压裂开发的低渗透油气藏，在完井作业中必须考虑套管的尺寸、规范、抗内压强度以及套管组合，使其满足日后压裂施工的要求；压裂设计必须以套管抗内压强度来选择排量、确定地面压力。如井下有封隔器，压裂时套管平衡压力一般采用地面泵压的1/3-1/5。四、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
12、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
13、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
14、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
15、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。国内常用堵球性能数据表序号密度(g/cm3)耐压(MPa)直径(mm)材料圆度11.0250601920塑料良21.09357020塑料良30.92357019塑料良40.9030401920塑料好50.8525351920塑料好60.8025351920塑料好选择堵球直径的经验公式：D1.25DP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（1.11.2）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
