1、第五章水力壓裂技術§51水力壓裂力學地層中形成水力裂縫的過程與液體流動特性及巖石的力學性質有關。水力造縫的本 質是巖石在液體壓力作用下的破裂與變形問題，因此造縫特性與巖石的受力及力學性 質有關。一.地應力場1 .地應力場概念：地應力是由于巖石變形引起的介質內部單位面積上的作用力。地應力場：是指地應力大小和方向在地層空間位置的分布。2 .地應力剖面概念地應力剖面是指研究地應力大小在縱向上的變化 。二.地應力的類型(1)原地應力：開發之前地應力原始大小。(2)擾動應力：開發引起的地應力改變。(3)構造應力：由構造運動在巖體中引起的應力。(4)殘余應力：除去外力后尚殘存在巖石中的應力。(5

2、)重力應力：由上覆巖層的質量引起的地應力。(6)熱應力：由于地層溫度發生變化在其內部引起的內應力增量。(7)分層地應力：按地層分層給出不同的地應力。(8)古地應力和現今地應力：某地質時期或重要地質事件前的地應力稱古地應力。目前存在或正在活動的稱現今地應力。石油工程關心的是現今地應力。3 .地應力測試1)長源距聲波與密度測井方法該方法通過測井取得剖面上變化的巖石的縱波速度Up和橫波速度Us,然后求出巖石泊松比V的縱向變化，利用下式求出最小水平主應力(Th,而取得地應力剖面。4142圖41水力壓裂測試典型壓力曲線0- h =(0.- P)二二 P1 一、結論：可以認為，裂縫臨界閉合時，裂縫內的流體

3、壓力等于裂縫閉合的最小地應 力。由此可以計算出最小地應力。4 .地應力測量數據根據國家地震局地質研究所收集整理的渤海灣盆地油田水力壓裂地應力測量資 料，在測量深度的范圍內，對地應力測量數據按深度進行線性回歸得到：10H - -2.34 0.0266DH遼河油田（4973473m；入-0.777 0.0182D1二V -0.021DT人=0.7 0.023D大港油田（04000m；人=0.5 0.018D1二 V =0.021D1二 h = -10.5 0.03D華北油田(15003200m二 h 二-5.87 0.021D二v -0.021D10 H - -22.58 0.034D勝利油田(1

4、3003300m；入-11.65 0.022D二V = (0.022 L 0.026) D10 H = -27.1 0.036D1 H中原油田( 18303881)二h = -16.6 0.024 D二V =0.022 0.026 D式中：（TH、（Th、（Tv一分別為最大、最小、垂向地應力， Mpa, D地層深度，m。二.巖石力學參數1 .彈性模量（楊氏模量）E2-4 s2)彈性模量E就是虎克定律中的比例常數。 物理意義：彈性體應力與應變的比值。 彈性體單位截面積上的彈性力稱為應力，單位長度上的變形成為應變。彈性模量對造 縫寬度及壓裂壓力有較大影響。彈性模量表達式：靜態：Es =-動態：Ed

5、二；z式中 （Tz一軸向應力；£ Z一軸向應變；P 巖石密度；%, %巖石縱、橫波速度。1X104 4X104MPa。進行壓裂設計時，砂巖彈性模量的取值范圍為2 .泊松比泊松比：指巖石橫向應變量與縱向應變量的比值，或叫橫向變型系數 。巖石在外 力作用下，縱向上產生伸長的同時，橫向上縮小。具橫向縮小應變量與縱向相對伸長應變量之比。泊松比表達式靜態：' s動態:0.5. p2 - . s2p s、d =22'p - s式中 沔一周向應變。巖石的泊松比取值范圍為0. 150.35.彈性模量E、泊松比n都是反映巖石材料彈性特性的參數。3 .斷裂韌性模擬裂縫延伸時，引用了線彈性

6、力學中應力強度因子的概念，它反映了裂紋尖端附 近區域內各點應力的強弱。當應力強度因子增大到某一臨界值時， 巖石的裂縫將發生急 劇的不穩定擴展。巖石應力強度因子的臨界值稱為巖石的斷裂韌性。 它決定了裂縫在延 伸過程中所需的力。斷裂韌性是水力壓裂設計中一個關鍵參數，試驗求得。常溫常壓下求得的砂巖斷裂 韌性值一般在0.53.0MPm1/2范圍內。4 .孔隙彈性系數« （畢奧特系數）它反映了孔隙壓力對巖石變形的影響，也是求水平地應力的一個重要參數。定義為:l二1.CCb式中 Cb巖石的體積壓縮系數；Cg巖石顆粒（骨架）的壓縮系數。實驗室中測得砂巖的孔隙彈性系數一般在 0. 60. 9之間。5

7、 .巖石抗張強度S巖石抗張強度是巖石本身的一種性質。 巖石處在復雜的應力狀態中，只要所受的拉 伸或剪切應力等于巖石材料本身的抗張強度時，巖石即發生破壞。巖石的主要破壞類型 有拉伸、剪切和塑性流動破壞。對于脆性巖石主要發生拉伸和剪切破壞，對于塑性巖石 主要發生塑性流動破壞。石油工程中最常見的是脆性破壞。作業思考題：1.地應力是怎樣概念的？2.什么是巖石的彈性模量和泊松比？寫出數學表達式?§ 5 2造縫機理.地應力及其分布一般情況下，地層中的巖石處于壓應力狀態。 作用在地下巖石某單元體上的應力為 垂向主應力z z ,及水平主應力（T H（其中又分為互相垂直的G X及6 V ）。（一）地應

8、力1 .作用在單元體上的垂向應力來自上覆巖層的重量 。它的數值為:Hz=0 Psgdz（51）式中垂向主應力，Pa；h地層垂深，mg重力加速度（9 . 81 m/s2）；由于油氣層中有一定的孔隙壓力Pp,故有效垂向應力可表示為:P s上覆層巖石密度，kg/m3。(52)二 z = -z - Pp2 .作用在單元體上的水平主應力：來自巖石 處于彈性狀態，考慮到構造應力等因 素的影響。最大水平主應力為：二 Pp(5 3)1 :匕E 2VgzaPs ) Je IGH = -2 1-v 1 -v 1+v（T h最大水平主應力，Pa；己1,己2水平應力構造系數，可由室內測試試驗結果推算，無因次;'

9、;泊松比，無因次；E巖石彈性模量，Pa；-畢奧特（Biot）常數，無因次。（二）地質構造對應力的影響在逆斷層或褶皺地帶水平應力要比垂向應力大得多，甚至可大到 3倍，在正斷層 地帶，水平應力可能只有垂向應力的三分之一。如果巖石單元體是均質的各向同性材料，巖石破裂時裂縫的方向總是垂直于最小主 應力軸。當已知地層中各應力的大小時，裂縫的形態或方向即可被確定。如圖 43。CM（b）圖4 1構造對應力的影響a一逆斷層區域o- h=3 o- z b正斷層區域o- z=3 o- h圖43人工裂縫方向示意圖（三）井壁上的應力1 .井筒對地應力及其分布的影響鉆井后，井壁及其周圍地應力分布受到井筒的影響，很復雜。

10、簡化起見，將地層中三維應力用二維方法來處理。用無限大平板中鉆有一個圓孔的受力情況來分析。如圖 5-2所示。在無限大平板上鉆了圓孔之后，使板內原來平衡的應力重新分布，造成圓孔附近的應力集中。在雙向應力狀態下，彈性力學給出了 平板為固體、各向同性、彈性材料的周向應 力計算式：3 +。、，' a2、仃丫 一仃、，''3a4 aQ = 、1+斗-1+號 00829(54)(改錯)2 < r J 2< r J式中倒一一圓孔周向應力，Pa；a圓孔半徑，m；r距圓孔中心的距離，m ；9任意徑向與x軸的夾角；0 %一分別為x, y方向上分布的應力。圖4-2無限大平板中鉆一圓

11、孔的應力分布定性分析井壁上應力大?。?1)當 r=a ,僅> 卬，8 =0、180 時，(©min = ( »0o 180o= 3 廠或(2)當 r=a,2> 卬,8=90、270 時，(4)max=(國)90o, 270o=3 ox- y說明最小周向應力發生在 我的方向上，而最大周向應力卻在四的方向上。(3)隨著r的增加，周向應力迅速降低，如圖 4-2(b)所示。大約在幾個圓孔直 徑之外，即降為原地應力值。這種應力分布表明，由于圓孔的存在，產生了圓孔周圍的 應力集中，孔壁上的應力比遠處的大得多，這就是地層破裂壓力大于裂縫延伸壓力的重要原因。2.井眼內壓所引起的

12、井壁應力壓裂過程中，向井筒內注入高壓液體，使井內壓力很快升高。井筒內壓必然產生井 壁上的周向應力?？梢园丫仓車膸r石看作是一個具有無限壁厚的厚壁圓筒，根據彈性力學中的拉梅公式(拉應力取負號) 222 2_ Pee - Pia( Pe - Pi )e -222/22、re - ra r (% - % )式中 Pe 一一厚壁筒外邊界壓力, re 一一厚壁筒外邊界半徑， ra 一一厚壁筒內半徑，m；Pa；(井眼內壓在外邊界產生的壓力)m；Pi內壓，Pa；r 距井軸半徑，cm。當 =°°> Pe=0、r= ra時，井壁上的周向應力為：（T 9= - Pi即：由于井筒內壓而導

13、致的井壁周向應力與內壓大小相等，但符號相反。（利用無窮大定理推導）3、壓裂液徑向滲入地層所產生的井壁應力：由于注入井中的高壓液體在地層破裂前， 滲入井筒周圍地層中，形成了另外一個應 力區，它的作用是增大了井壁周圍巖石中的應力。增加的周向應力值為：(56)(57)1 -2二廣 Pi-Ps二二1.5Cb式中 Cr巖石骨架壓縮系數;Cb巖石體積壓縮系數。、 泊松比；Ps地層壓力。4、井壁上的總周向應力：顯然在地層破裂前，井壁上的總周向應力應為地應力、 井筒內壓及液體滲濾所引起 的周向應力之和，即：c1-2、仃日=（3、）一 Pi +（ Pi - Ps 盧（58）1 -,.造縫的條件油層破裂壓力概念：

14、是指油層被壓開的瞬間，被壓層位所受的壓力。（一）形成垂直裂縫1.當存在液體滲濾時，如果巖石的破裂是純張力破裂時，當井壁上存在的周向應 力行日達到井壁巖石的水平方向的抗拉強度（7th時，巖石將在垂直于水平應力的方向上產生脆性破裂，即在與周向應力相垂直的方向上產生垂直裂縫。此時有：aQ= - （Tth,代入（58）式，并換為有效應力（仃x=Ox- Ps,仃y=by- Ps,。日=。日- Pi）,則可 得到垂直裂縫時的破裂壓力，當產生垂直裂縫時，井筒內注入流體的壓力Pi即為地層的破裂壓力Pf,所以形成垂直裂縫的條件：(5- 9)3；- ythPF =Ps s c 1-2、2 - ：-1 一，Ps,故

15、,2 .無液體滲濾時，地層滲濾應力等于零，井壁上巖石的空隙壓力仍然為CTe=ae-Ps，將其他應力一同代入（58）式，則:PF =R （3 二 y - 二 x %）由于最小總周向應力發生在8 =0o, 180o的對稱點上，垂直裂縫也產生在與井筒相 對應的兩個點上。這就是為什么假定垂直裂縫以井軸為對稱的兩條縫的原因。實際上由于地層的非均質性和局部應力場的影響，產生的裂縫往往是不對稱的（二）形成水平裂縫當產生水平裂縫時，井筒內注人流體的壓力等于地層的破裂壓力， 經過實驗修正后得到形成水平裂縫的條件:Pf =Ps(510)1.94 二式中（7 th 巖石垂向抗張強度（三）破裂壓力梯度B來表示，其物為

16、了便于比較與預測各油田（油井）的破裂壓力，常使用破裂梯度理意義:地層破裂壓力PF地層深度H即：破裂壓力梯度B是指地層破裂壓力與地層深度的比值。三.地面泵壓的確定（1）地層產生垂直裂縫時地面泵壓的確定：（產生垂直裂縫的油藏）Pb = Pf - Pm + Pf（511）式中：Pb一井口施工泵壓，MPa；Pf地層破裂壓力，MPa；Pm一井筒液柱壓力，MPa；Pf 一管線及管柱產生的壓力損失，MPa。（2）地層產生水平裂縫時地面泵壓的確定：（產生水平裂縫的油藏）Pb = Pf-Pm+Pf（512）式中參數同上。結論：無論產生垂直裂或水平裂縫，地面泵壓值主要取決于地層破裂壓力的大小。四.裂縫幾何模型1.

17、 卡特模型（一維模型）2. PKN模型（二維設計模型）特點：（1）裂縫高度一定（油層厚度）（2）長和寬是變化的（3）縫的幾何形狀：長而窄的縫。3. KGD模型（二維設計模型）特點：（1）裂縫高度一定（油層厚度）（2）長和寬是變化的（3）縫的幾何形狀：短而寬的縫。結論：對于低滲油藏，需要壓成長而窄的裂縫，對于高滲油藏，則壓成一個短而 寬的裂縫。圖45 PKN模型圖4 6 KGD模型從無因次裂縫導流能力來分析:kf w裂縫的導流能力：裂縫寬度與填砂裂縫滲透率的乘積無因次裂縫導流能力表達式:CfDKfWKLXf要想使低滲層和高滲層有同樣的高導流能力，從公式中變換兩個參數W 和 Xfo五.水力壓裂增產

18、增注原理1 .壓裂前流體從底層流向井底的流動形態特點：（1）流體流動過程復雜。擬徑向流過 程中，越靠近井底，滲流面積越小，滲流阻力越 大。原因：u = Q, Q不變，A越小，V增大，f A增大。（2）污染帶和井底周圍應力的集中，使近 井地帶的滲透率降低，井筒附近的滲流阻力增 加。結論：水力壓裂前，由于各種阻力的影響， 近井地帶的滲透能力較差。2 .壓裂后流體從地層流向井底的流動形態 壓裂后，地層流體將經歷四種不同的滲流階段:圖4 7壓裂前地層滲流示意圖1地層，2一井眼，3污染帶1）擬徑向流動階段：在供油邊界，地層流體向井底流動以擬徑向流為主。2）地層線性流動階段：只能在裂縫導流能力很高時才能出

19、現。3）雙線性流動階段：流體靠近裂縫時線性流入裂縫，裂縫中的流體線性流入井底。4）裂縫線性流動階段：該流動階段時間短，實際意義不大。（a）擬徑向流階段（b）地層線性流(d)裂縫線性流結論：水力壓裂結果，改變了滲流區的滲流方式，獲得了雙線性流動模式，提高 了近井地帶的滲透能力。3,水力壓裂增產、增注的基本原理利用地面高壓泵組，將高粘液體以大大超過油層吸收能力的排量泵入井中，在井 底附近地層產生裂縫，將帶有支撐劑的攜砂液擠入裂縫中，從而在井底附近地層內形 成一條具有一定長度、寬度和高度的高導流能力的填砂裂縫。由于改變了井底附近流體的滲流狀態，提高了油層的滲流能力，從而達到增產、增注的目的。六.水力

20、壓裂造縫過程1,裂縫起裂"水力裂縫起裂從點源開始，逐步連接成線源縫。段, O.裂縫沿井筒軸向扭曲起裂，在延伸過程中逐步扭曲生、 :到與最小主應力垂直的方向上，然后沿該方向延伸明 一7*井日”并逐步形成一條主縫。起裂首先克服巖石地應力和八弋上抗張強度，也就是破裂壓力。/ /2 .裂縫延伸0小指巖石破裂形成裂縫后，在縫內液體壓力作用下繼續向前跑ms泌泡裂縫幾io聯伸平面 總是垂直于最小主應力方向，沿著最大主應力方向。如圖所示。地層破裂在井筒附近較復雜，也可能是多條，逐步延伸形成一條主縫。若天然裂縫 發育好，可能會出現多條。延伸壓力指裂縫擴展所需壓力，一般低于破裂壓力。3 .裂縫閉合裂縫閉

21、合壓力是指壓裂施工停泵后，裂縫逐漸閉合的壓力。由于施工期間高壓液體 從裂縫壁面向地層慮失，是孔隙壓力增高，引起地應力場變化，所以， 裂縫閉合壓力高 于水平最小主應力。課后小結：通過學習本節課，了解造縫機理，掌握巖石的破裂機理和破裂壓力概念， 掌握表述 巖石裂縫的幾種幾何模型，掌握水力壓裂增產增注原理。作業：1.簡答水力壓裂增產、增注的基本原理？2,簡答水力壓裂造縫過程？§ 5-3壓裂設計一.壓裂設計的原則、方法、內容壓裂設計是壓裂施工的指導性文件，它能根據地層條件和設備能力優選出經濟可行 的增產方案。包括壓裂地質設計和壓裂施工設計。壓裂設計的原則：是最大限度地發揮油層潛能和裂縫的作用

22、，使壓裂后油氣井和注 入井達到最佳狀態，同時還要求壓裂井的有效期和穩產期長。壓裂設計的方法：是根據油層特性和設備能力，以獲取最大產量或經濟效益為目標， 在優選裂縫幾何參數基礎上，設計合適的加砂方案。（主要利用系統軟件設計）。壓裂設計方案的內容：裂縫幾何參數優選及設計；壓裂液類型和配方的選擇；支 撐劑選擇及加砂方案設計；壓裂效果預測和經濟效益分析等。這里簡單介紹壓裂施工 設計的有關內容。二壓裂施工設計1 .優化設計程序（按系統要求輸入參數）壓裂設計過程中，除利用計算機模擬計算外，還有一重要環節是在正式壓裂施工前，現場進行小型壓裂測試（破裂壓力、閉合壓力、壓裂液濾失特性等 ）。2 .壓裂施工泵注程

23、序設計1）注入方式選擇原則：在滿足泵注參數前提下，再限壓以下盡可能選擇最簡單的注入方式。 通常有 油管注入、環空注入、油套混注和套管注入等。常用油管注入。2）加砂程序確定采用線性加砂程序，即砂液比是以一條直線式增加，可實現較理想的支撐剖面。試驗結果證明：采用線性加砂程序裂縫導流能力沿縫長分布更加合理。3 .其他參數確定1）油層破裂壓力的計算油層破裂壓力是指油層被壓開的瞬間被壓裂層位所受的壓力。它取決于油層深度、 巖石強度、滲透率、油層原始裂縫發育情況及壓裂所使用的液體性質等?？梢杂美碚摴?式計算，也可以用經驗公式估算。目前常用的經驗公式為：味二B H（537）式中：p破一油層破裂壓力，MPaH

24、壓裂油層中部深度，m；B油層破裂壓力梯度，MPa/m它是由壓裂工藝統計資料而得的經驗常數。2）施工排量的確定（先確定地層吸液量Q吸，滿足Q排Q吸）經驗公式:q .=丁 .&P破-=PB 1 1.1400式中：AP-一壓裂前的地層壓力與井底流動壓力之差，MPa；Q吸 地層的吸液量，m3/min ；q壓裂前油井白穩定日產量，t;A P破一一破裂壓力與壓前地層壓力之差，MPa。B 原油體積系數，m3（地下）/m3（地面）。0地面原油的密度。地面排量按Q排Q吸來確定。3）地面泵壓的計算確定地面泵壓的目的是為了在滿足裂縫需要的壓力和排量的基礎上，充分發揮設備的能力，減少使用設備的臺數。壓裂時地面

25、泵壓可由下列公式估算：嗪壓=P井口 = P廣7阻+ P局損- Pm（ 439）式中：嗪壓地面泵壓，MPa P泵壓巳:口井口壓力，MPa臉阻一一壓裂液在管柱內流動時的摩阻壓力降，MPa%損一一井下工具對流體的局部阻力損失，MPa嗑柱井筒內液柱壓力，MPa4）壓裂車臺數的確定壓裂時所需總功率Pp =黑平=；P泵壓Q1 2 3一/皿PP壓裂車臺數n =（根據總功率和每臺車發動機功率求出所需壓裂車臺數）Pp以上兩式中 Pp一一壓裂時所需的總功率，W;Pp 每臺壓裂車白發動機功率， W;Q壓裂時泵的排量,m3/ s；印 一一發動機工作效率，取 60%80 %;中 泵的上水效率，取 50%95%;用一一發

26、動機工作時受海拔高度影響后的效率；“一一功率因數，；n所需壓裂車臺數。5）支撐劑用量的確定根據現場經驗，大約每米油層加入1.53m。6）含砂比計算含砂比是指單位體積壓裂液內所含支撐劑的數量（體積比）。 含砂比的計算公式為：c = x 100%（Qbt就是攜砂液的體積）Q t式中：c含砂比（體積比），;V砂加砂的總體積，m3。；Q加砂時地面泵排量，m3/s； t加砂總時間，so7）壓裂液用量的確定壓裂液：前置液、攜砂液、頂替液統稱為壓裂液。 前置液：%：大約用量為：810m（適當多準備一些），有時按井筒容積 的1.52倍來計算。攜砂液：V攜V攜V式中：W一一攜砂7用量，m3;C3V砂預計加砂體積

27、，m ;c 含砂比，%。1.53倍，以夠用就行頂替液：V頂確定方法：一般為井筒容積的壓裂液用量：V總U總、=珀 + V + 1V 4kW注：取下限時加V”取上限時不加V附。P102頁例題：自己做作業：P1079 。補充題：某井油層深度為3000m，采用63mm油管壓裂（63mm油管1000m內容積為3m3）, 預計壓裂泵壓4X107Pa,排量0.025 m3/s,支撐劑15m3,平均含砂比為10%若用400 型壓裂車，其引擎功率為 2. 57X 105w,總的效率為0. 6,試計算400型壓裂車臺數 及至少準備多少壓裂液用量？§ 5-4壓裂設備、管柱及材料一.壓裂設備、管柱（一）地面

28、設備1 .壓裂井口（1）采用采油樹壓裂的井口。采油樹型號：250、350、600、700、1050型等。250型即25MPa,用于淺井，其 余用于中、深、超深井。根據壓裂層深度確定采油樹型號。（2）采用大彎管、投球器、井口球閥與井口控制器的專用壓裂井口。井口承受工作壓力70MPa,最大過砂量150 m3。2 .壓裂管匯。目前壓裂管匯種類很多，承壓和最大過砂能力也不同。常用的有壓 裂管匯車和專用的地面管會。專用的地面管匯由8個接頭，壓裂車可任選一個連接。高 壓管線外徑 76mm內徑60mm最高壓 力可達到100MPa。3 .投球器投球器有兩種：一種是分層壓裂時， 壓裂管柱中投鋼球的投球器；一種是

29、選擇 性壓裂或封堵炮眼投堵球用的投球器。（二）壓裂車組壓裂車組主要包括：壓裂車、混砂車、 儀表車、管匯車。4 .壓裂車作用：是壓裂的主要動力，能夠產生高壓、大排量；向地層注入高壓大排量的壓裂液，壓開地層，并將支撐劑注入裂縫。是 壓裂施工中的關鍵設備。5 .混砂車作用：是將支撐劑、壓裂液及各種添加劑按一定比例混合起來， 并將混合好的攜砂 液供給壓裂車，壓入地層內。混莎車的類型：雙筒機械式、風吸式、仿美新型混莎車。6 .儀表車：儀表車：在壓裂中起著很重要的作用，記錄壓裂過程中各種參數，控制其它壓裂設 備的中樞系統。又稱壓裂指揮車。7 .其它設備：液罐車、運砂車。（三）壓裂管柱組成：主要由壓裂油管、

30、封隔器、噴砂器、水力錨等組成。類型：目前井下管柱分為：籠統壓裂管柱和分層壓裂管柱。1 .壓裂油管（專用油管）2 .封隔器3 .噴砂器（帶滑套、不帶滑套）作用：一是節流作用，造成壓裂管柱內外壓差，保證封隔器座封。二是壓裂液通往地層的通道口。4 .壓裂管柱（1）籠統壓裂管柱：即：油管+水力錨+封隔器+噴嘴（2）分層壓裂管柱 雙封卡單層 壓裂后可以用上提管柱的方法壓裂其它卡距相同的層段。73mn88.9 mm外加厚油管+水力錨+封隔器+噴砂器+封隔器+絲堵三封卡雙層不動管柱壓裂兩層。73mm£88.9 mm外加厚油管+水力錨+封隔器+噴砂器（帶滑套）+封隔器+噴 砂器（不帶滑套）+封隔器+

31、絲堵四封卡三層不動管柱壓裂三層。73mm£88.9 mm外加厚油管+水力錨+封隔器+噴砂器（甲帶滑套）+封隔器+ 噴砂器（乙帶滑套）+封隔器+噴砂器（內不帶滑套）+ 封隔器+絲堵注意：在組配管柱時，要考慮油管因各種因素造成的長度變化，否則卡不準層位。二.壓裂材料（一）壓裂液1 .作用：將地面設備能量傳遞到油層巖石上并壓開裂縫，把支撐劑輸送到裂縫中。1）前置液一般是膠連液體作用：壓開地層并造成一定尺寸的列縫。2）攜砂液含有支撐劑的砂漿作用：將支撐劑帶入地層中，并將支撐劑填在裂縫內預定的位置。3）頂替液一般是活性水作用：將井筒中攜砂液全部替入裂縫中，防止井筒沉砂。1 .壓裂液的性能（1）

32、濾失少。（2）懸砂能力強。（3）摩阻低。（4）穩定性。（5）配伍性。（6）低殘渣。（7）易返排。（8）貨源廣、便于配制、價錢便宜。2 .壓裂液類型壓裂液主要分為：水基壓裂液、油基壓裂液、乳化壓裂液、泡沫壓裂液、醇基壓裂 液、表面活性劑膠束壓裂液、濃縮壓裂液。其中：水基壓裂液成本低，使用安全，現場廣泛應用。水基壓裂液一一是以水為介質，加入各種添加劑，形成具有較強綜合性能的壓裂液。（二）添加劑1 .稠化劑（增稠劑）2 .膠聯劑：通過膠聯離子（基團）將溶解于水中的高分子鏈上的活性基團，以化 學鏈連接起來，形成三位網狀凍膠的化學劑。3 . 土穩定劑；4.殺菌劑；5.表面活性劑；6.抗高溫加I定劑；7.

33、降濾失劑8 .破膠濟；9.濾餅溶解劑；10.緩沖劑（PH值調節劑），作用：調節增粘速度、膠聯劑所需PH值范圍和膠聯時間，控制細菌生長。（三）支撐劑：作用：支撐劑加入壓裂裂縫后，支撐裂縫使之不閉合。1,石英砂 承壓：2034MPa9 .陶粒人造陶粒主要是由鋁研土（氧化鋁）燒結而成。中等強度陶粒： 承壓：55-80Mpa。高強度陶粒：承壓：100 MPa10 樹脂砂是將樹脂薄膜包裹到石英砂表面上。承壓：5569MPa由此可見：按強度大小排列依次是：陶粒 樹脂砂 石英砂作業： Pl06 3 補充：1 .請畫出四封卡三層管柱示意圖§ 5- 5壓裂工藝及現場施工. 壓裂工藝（一）合層壓裂1 .

34、油管壓裂2 .套管壓裂3 .環形空間壓裂4 .油、套管同時壓裂（二）分層壓裂1 .堵球法分層壓裂堵球：尼龍球或包以橡膠的鋁球或塑料球。 適應射孔井壓裂。原理：堵球隨壓裂液進入高滲透層部位的炮眼上，堵塞炮眼憋壓，壓開低滲透層部位的裂縫。施工結束后，井底壓力降低，堵球在壓差作用下，反排出來。堵球的大小和 密度應與炮眼的大小和壓裂相適應。2 .暫堵劑選擇性壓裂同一層壓裂。暫堵劑為：聚乙烯（石蠟）制成的小球。具體方法：在向井內擠入壓裂液的同時混入暫堵劑，因為液體首先被吸入高滲層， 暫堵劑隨之將高滲層部位的孔眼堵住，使其減少或失去吸水能力，此后泵入不帶暫堵劑 的壓裂液，則能在低滲層部位起縫。3 .限流法

35、分層壓裂限流法分層壓裂適用于多層而各層之間的破裂壓力有一定差別的井。原理：通過控制各層的射孔孔眼數及孔眼直徑的方法，來限制各層的吸水能力，達 到逐層壓開的目的。例如：A、B、C三個油層，其相應的破裂壓力為 30MPa 26MPa 28MPa按射孔方 案將各層按一定孔徑和孔眼數射開，當注入井底壓力為 26Mpa時，B層射開，然后提高 排量，因為炮眼的摩阻正比于排量，當 B層摩阻大到2Mpa時，注入的壓力大到28Mpa 此時，C層被壓開，當摩阻達到4Mpa時,A層被壓開。這就是限流分層壓裂法。圖411限流法的工藝過程4 .封隔器卡分法分層壓裂適用于壓裂層滲透性、厚度差異不大，上下夾層具有一定厚度，

36、射孔層段套管完 好無損的井。5 .填砂法分層壓裂自下而上壓裂，壓一層填一層砂，壓完后沖砂投產。（三）一次分壓多層1 .投球法壓裂： 用封隔器及帶滑套的噴砂器。2 .滑套壓裂工具：帶滑套封隔器、帶滑套噴嘴以及特殊接箍。 優點：封隔器不同時工作，被壓 層位上下二個封隔器工作，延長了封隔器的使用壽命。如圖4-13所示。原理：下井時管柱除最下一級封隔器和噴嘴不帶滑套外，其它各級封隔器和噴嘴 都帶滑套，滑套的作用是密封封隔器和噴嘴上的水眼。 壓裂從下往上壓。第一層壓完 后，從井口投球，球下落座在第二級封隔器內的滑套上 （滑套上部是球座，滑套的外經 各級都一樣大小，內經從上往下逐級變?。?，開泵后在壓力作用

37、下剪斷固定滑套的銷釘， 滑套在液體推動下，帶動噴嘴內的滑套一起下行，直到特殊接箍處才停止。這樣第二級 封隔器和噴嘴的水眼被打開，下部水路被封隔，開始壓第二層，壓完后，再投一個球， 同理依次自下而上壓裂。油麼誄哭鬼 壓裂房樂襄層油發圖4 13滑套封隔器壓裂過程示意圖（a）一壓下數第一層；（b） 一壓下數第二層l 一套管；2 油管；3滑套封隔器（未工作狀態）；4 一噴砂器（未工作狀態）；5滑套封隔器（工作犬態）;6 一噴砂器（工作狀態）；7絲堵；8 一鋼球圖412投球法壓裂管柱結構示意圖1 一套管；2 油管；3一工作筒；4 一封隔器；5 一噴砂器（帶滑套）；6 一噴砂器（不帶滑套）；7 一絲堵二現

38、場施工（一）壓裂前準備1 .配置壓裂設備及輔助設施2 .準備壓裂所用材料 （壓裂液、支撐劑、各種添加劑，性能符合要求。）3 .組配管柱4 .準備地面壓裂流程 （彎頭、三通、油壬、管線及配套工具符合設計要求，試壓） （二）壓前作業1 .探砂面、沖砂2 .起原管柱3 .壓井替噴（井內有污染物的井壓裂前要進行替噴）4 .壓裂層段預處理（清孔或排液，注意回收、不污染環境）5 .下壓裂管柱（三）壓裂施工1 .循環：逐臺啟動壓裂車，用清水循環地面管線，清洗管線，關井口。2 .試壓：地面壓裂流程、井口閥門以上設備進行承高壓性能試驗。試驗壓力為預 測泵壓1.21.5倍，穩壓5min 。3 .試擠：打開井口閥門

39、，關閉循環防空閘門，逐臺啟動壓裂車，按壓裂施工設計 規定試擠排量，將壓裂液試擠入油層，壓力由低到高至穩定為止。目的是檢查井下管柱 及井下工具情況，檢查欲壓裂層的吸水能力。4 .壓裂：試擠正常后，啟動壓裂車，以高壓大排量向井內持續擠入前置液，造縫 延伸。注意：當泵工作壓力達到管柱最高承壓能力還不能壓開欲壓裂層位時，應停泵卸 壓，分析原因，制定措施。5 .加砂：油層裂縫已形成，泵壓及排量穩定后便可加砂。注意：加砂要均勻，中途不能停泵，操作要平穩。6.替擠：0圖4 一l壓裂過程井底壓力變化曲線母一地層破裂壓力， P E 一裂縫延伸壓力， P S一地層壓力7 .關井擴散壓力：壓裂施工結束后，關閉井口所

40、有出口閘門，等待壓裂液破膠、 濾失及裂縫閉合，防止支撐劑隨高粘度壓裂液返出裂縫。關井時間不小于壓裂液破膠時間，壓裂液破膠后用小噴嘴放噴，促進裂縫閉合。8 .活動管柱：活動管柱時，上提力不能超過井內管柱懸重 200 KN,上提速度控 制在0. 5 m/min以內，行程不能小于5m,達到提放自如，拉力計顯示管柱重量正常。9 .壓后作業：按壓裂設計要求探砂面，起壓裂管柱，完井，投產。（四）施工中常見的問題1 .壓不開設計層：原因分析：井筒與地層連同不好、管柱砂堵、地層致密吸液差、 設計問題等。2 .壓竄：分析原因：隔層較薄、固井質量差、封隔器膠筒質量問題。3 .砂堵：分析原因：壓裂液攜砂性差、混砂比

41、高、地層濾失性大、破膠速度快、 停泵等。4 .砂卡：分析原因：砂堵嚴重、地層吐砂嚴重、施工故障沉砂、沖砂不徹底等。 這是壓裂后發生的比較常見的而且危險的故障。5 .管柱斷脫：分析原因：絲扣磨損嚴重、絲扣沒有上緊、施工超壓、下井工具課后小結：本章重點：掌握壓裂工藝技術，施工過程，弄懂壓裂施工中常見的問題。作業：P10712, 14.1,壓裂施工中常見的問題有哪些？分析原因。§ 5-6壓裂新技術介紹一.端部脫砂壓裂技術1 .端部脫砂壓裂原理：是在水力壓裂過程中，有控制地使支撐劑在裂縫的端部脫 出、橋架形成一個端部砂堵，從而阻止裂縫進一步延伸。再繼續注入高砂比砂漿時， 可沿縫壁形成全面砂堵

42、，縫中儲液量增加，泵壓增大，促使裂縫膨脹變寬、縫內填砂濃度增大，從而造成一條具有很高導流能力的裂縫。2 .端部脫砂壓裂過程：分為兩個階段，即：造縫到出現 端部脫砂階段；裂縫膨脹變寬及支撐劑大量充填階段。3 .端部脫砂壓裂的適用范圍。主要用于中、高滲透油氣藏和不穩定疏松地層的油井解堵 防砂增產作業。端部脫砂壓裂技術也成為一種新的完井方法。二、高能氣體壓裂技術1 .高能氣體壓裂：就是利用火藥或火箭推進劑燃燒產 生的高溫、高壓氣體處理油層以取得增產效果的方法 。高能 氣體壓裂在井筒附近油層中產生和保持多條多方位的徑向裂縫， 從而達到增產增注目的的工藝措施。2 .高能氣體壓裂的作用3 )機械作用：產生

43、裂縫。4 )水力振蕩作用：高能氣體引起液體振動，產生壓力周期波動，有助于裂縫形成 和清理堵塞。5 )高溫熱作用：火藥燃燒產生高溫，降低原油粘度。4)化學作用：高能氣體壓裂的化學作用指的是在燃氣中的 CO2, HCl、H2s成分遇 水形成的酸液對巖層的酸化作用。三、水力振蕩增產增注技術1 .基本原理：就是利用振動原理處理油層的技術。將水力振蕩器對準油層，依靠 水泥車把液體輸入井下，通過振蕩器產生高頻脈沖式液流直接噴射油層， 以清除近井地 帶的機械雜質、鉆井液及瀝青質和鹽的沉積等堵塞。2 .增產增注機理(1)機械作用：振動波能迫使傳媒介質做劇烈的機械振動，并產生強大的單項作 用力，疏通泄油通道。(

44、2)空化作用：一定頻率的振動波會使液體中原有的或新的氣泡產生共振，在波 的稀疏階段，氣泡迅速膨脹，在波的壓縮階段，氣泡又很快消滅，在消滅的瞬間，氣泡 的內部可產生很高的溫度、壓力和加速度，這是“ 空化現象”，對油層的作用就是空化 作用。在一定的頻率和聲強下，其能量足以粉碎一定尺寸的物質顆粒。(3)熱效應：振動波穿過介質時，介質吸收一定的能量，就會引起局部升溫。頻 率越高，熱效應越顯著，對降粘、溶蠟有一定的作用。四、電脈沖井底處理技術1 .原理：是通過井下液體中電容電極的高壓放電，在油層中造成定向傳播的壓力 脈沖和強電磁場，產生空化作用，解除油層污染，并且可對油層造成微裂縫，從而達到 增產增注的

45、目的。其物理實質是高壓電擊穿充滿在井內的局部介質，在容積很小的通道內迅速釋放 出大量能量，產生強大沖擊波和電磁場。2 .增產增注機理電脈沖井底處理技術的關鍵是井下流體中電容電極的高壓放電：放電過程是在井下儀器的放電室內進行的。流體中的電極偶施加電壓后，當電壓高于介質的擊穿值是產生 放電。但是，在兩電極偶之間的空間內形成兩次擊穿， 放電過程之間有一定的時間問隔， 因而為周期性放電。伴隨放電孔道內流體爆炸釋放大量能量， 其作用機理主要有：(1)產生壓力波和空化作用，解除油層孔道中的堵塞；(2)在油層中產生微裂縫和改造原有裂縫，改善油層流體滲流能力；(3)在脈沖作用下，壓差交替變換大小和方向，減小了

46、毛管力的影響，使油層流 體從滯留區向排液活動區流動，提高原油的采收率。五、超聲波井底處理技術1 .原理：是利用超聲波的振動、空化作用、熱效應 等作用于油層，解除近井地帶 的污染和堵塞，以達到增產增注的目的。(頻率大于20 KHz的聲音超聲波，人聽到的聲 音 2020000HZ。2 .增產增注機理(1)聲波傳遞方向與流體流動方向具有相反的特性，無論其強弱，都會使原油加 速向聲源流動，因而與滲流方向相反的井底輻射波可促進油層流體向井筒滲流和聚集。(2) 超聲波處理可使原油降粘、破乳、凝固點一下降(3) 超聲波的振動、空化作用可以解除近井地帶的堵塞和產生微小裂縫，恢復和提高油層滲透性。(4)超聲波的

47、振動作用使毛管半徑不斷變化，破壞了油層流體的受力平衡，有一利 于部分被毛細管束縛的原油被開采出來(5)對注水井而言，超聲波有降低水的表面張力和毛管滲流阻力的作用，同時具 有殺一菌、防垢等作用。六、人工地震處理油層技術1 .原理：是利用地面人工震源產生強大的波動場作用于油層進行振動處理，從而 提高油層中油相滲透性、毛管滲流和重力滲流速度，促使石油中的原始溶解氣及吸附在 油層中的人然氣進一步分離，達到提高原油產量及采收率的目的。2 .機理：振動波具有很強的穿透能力和其特有的共振現象，當其作用于油層時，將產生以下有利于采油的作用：(1)振動加速油層中流體的流動；(2)振動-可降低原油粘度、降低界面張

48、力，從而改善原油流動和降低水油流度 比，有利于水驅過程；(3)促進氣體從原油或巖石孔隙表面上分一離，產生氣驅油作用；(4)振動使孔隙表面的某此沉淀污染物脫落、分散而被液流攜走，起到疏通孔隙 通道、解除油層污染的作用。西6-9井壓裂施工設計書一.油井基本數據1.油井主要數據井別開發井聯入（m）5.60油補距（m）地理位直河北省河間市北石槽鄉鄧各莊村構造位置冀中坳陷饒陽凹陷南馬樁構造帶西6斷塊開鉆日起2002. 09. 19完鉆日起2002. 09. 28完鉆井深（m）1433.0人工井底（m）1406. 21水泥返深（m）496.2取大井斜深度950 m斜度15.5 °方位角307&#

49、176;井底位移128. 53m總方位296° 19，2.套管情況套管名稱規格(mm)鋼級壁厚(mm)內徑(mm)抗內壓MPa套管下深（m）固井質量表層套管273. 10J558. 89255.32106.81油層套管139. 7J557. 72124. 2637. 41419. 45合格短套管1178. 65-1180. 633.射開井段數據層位射孔 井段 （m）厚度 （m）電阻率（Q .m）聲波 時差（s/m）孔隙度含油飽 和度解釋 結果Es151274.0 1278. 04.03.9349.525.755.6油層61281 . 80-1285. 43.604.4343.425.

50、358.6油層81313. 40-1318. 85.403338.123.842.7差油層111351 . 80-1358. 06.203.6342.724.651.0油層4.生產情況日期日產液(t)日產油(t)含水液面(m)制度泵效2006. 82. 12. 06. 212133. 6/219. 75 .措施情況：無。6.目前井內管柱：d38mm泵x 1219.26m。7.油分析試油井段層位密度 (20C)粘度 (50C)凝固點CWW+ 膠質%含蠟%初儲點C1274. 01358. 0Es10. 880644. 463737. 1515. 40125二.施工原因及方案要求1 .壓裂目的：改善

51、地層滲流能力，提高產液量。2 .壓裂井段：1313.4 1358.0m, 11.6m/2 層。3 .施工管柱：由下至上d62mmi叭口+d73mM卜力口厚2m油管短節1根+壓裂封隔器 卡點x 1292±2m (套管接箍：1288.6, 1299.6m) + d73mm#加厚油管至井口。4 .注入方式：油管注入。5 .壓裂液：改性瓜膠。6 .施工排量：3.0-3.5 m3/min。7 .支撐劑：04.5-0.9 mm陶粒16m3; 90個蠟球。8 .平均砂液比：25 30%o9 .壓裂井口: KQ-700型壓裂井口三.油層及施工參數壓裂頂部(m)壓裂底部 (m)油層厚度 (m)油層中部

52、深度 (m)施工排量(m3/min)破裂梯度Mpa/m1313.4135811.61335.73.0-3.50.019施工水馬力hp破裂壓力MPa摩阻壓力MPa液柱壓力MPa井口壓力MPa1975.025.415.616.024.9四.壓裂前施工步驟1.起出目前井內管柱2.下通井規通井至人工井底，下274.0-1278.0、1281.80-1285.40m 及封d139.7mm套管刮削器至 1300m，在射孔段.隔器卡點處多刮削幾次，用2%KC徹底洗井。4.裝KQ-700型壓裂井口，在井口四個方向加繃純固定，在油管閘門一側接一條硬放噴管線，硬管線裝120。出口至放噴池固定捆牢，在套管閘門一側接一條硬管線五.壓裂前各項準備工作1.車輛準備主壓車混砂車（臺）儀表車（臺）管匯車（臺）砂罐車（臺）壓裂罐（臺）一套11125備注其他輔助車輛根據需要添加2.支撐劑準備名稱粒徑（mm）體積密度（t/m3）視密度（t/m3）總量（m3）產地陶粒0.45-0.91.693.1616鄭州熔盛3.壓裂液準備壓裂液配方表