第五章水力壓裂技術(shù)

1、第五章 水力壓裂技術(shù)§51 水力壓裂力學(xué)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(xué)性質(zhì)有關(guān)。水力造縫的本質(zhì)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(xué)性質(zhì)有關(guān)。 一地應(yīng)力場1地應(yīng)力場概念：地應(yīng)力是由于巖石變形引起的介質(zhì)內(nèi)部單位面積上的作用力。地應(yīng)力場：是指地應(yīng)力大小和方向在地層空間位置的分布。2地應(yīng)力剖面概念地應(yīng)力剖面是指研究地應(yīng)力大小在縱向上的變化。二地應(yīng)力的類型（1）原地應(yīng)力：開發(fā)之前地應(yīng)力原始大小。（2）擾動應(yīng)力：開發(fā)引起的地應(yīng)力改變。（3）構(gòu)造應(yīng)力：由構(gòu)造運動在巖體中引起的應(yīng)力。（4）殘余應(yīng)力：除去外力后尚殘存在巖石中的應(yīng)力。（5）重力應(yīng)力：

2、由上覆巖層的質(zhì)量引起的地應(yīng)力。（6）熱應(yīng)力：由于地層溫度發(fā)生變化在其內(nèi)部引起的內(nèi)應(yīng)力增量。（7）分層地應(yīng)力：按地層分層給出不同的地應(yīng)力。（8）古地應(yīng)力和現(xiàn)今地應(yīng)力：某地質(zhì)時期或重要地質(zhì)事件前的地應(yīng)力稱古地應(yīng)力。目前存在或正在活動的稱現(xiàn)今地應(yīng)力。石油工程關(guān)心的是現(xiàn)今地應(yīng)力。3地應(yīng)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和橫波速度，然后求出巖石泊松比的縱向變化，利用下式求出最小水平主應(yīng)力h，而取得地應(yīng)力剖面。h 41 42 圖41 水力壓裂測試典型壓力曲線式中：v上覆層壓力，通過密度測井得到。P地層壓力；孔隙彈性系數(shù)，通過實驗測的。2）測試壓裂方法（現(xiàn)場常用

3、）測試壓裂：是將不含砂的壓裂液注入地層，造縫后停泵側(cè)壓力降落曲線，待曲線上出現(xiàn)拐點后測試結(jié)束，出現(xiàn)拐點時相應(yīng)的壓力即裂縫閉合壓力，其大小與巖層中垂直于裂縫面的應(yīng)力值相等，也即就是地層最小主應(yīng)力。如圖41所示。上圖中，產(chǎn)生人工裂縫后停泵，裂縫停止擴展處于臨界閉合狀態(tài)，閉合壓力為Ps。結(jié)論：可以認為，裂縫臨界閉合時，裂縫內(nèi)的流體壓力等于裂縫閉合的最小地應(yīng)力。由此可以計算出最小地應(yīng)力。4地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)根據(jù)國家地震局地質(zhì)研究所收集整理的渤海灣盆地油田水力壓裂地應(yīng)力測量資料，在測量深度的范圍內(nèi)，對地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)按深度進行線性回歸得到：遼河油田（4973473m）大港油田（04000m） 華北油田（150

4、03200m）勝利油田（13003300m）中原油田（18303881）式中：H 、h 、v分別為最大、最小、垂向地應(yīng)力，Mpa， D地層深度，m。二巖石力學(xué)參數(shù)1彈性模量（楊氏模量）E彈性模量 E就是虎克定律中的比例常數(shù)。物理意義：彈性體應(yīng)力與應(yīng)變的比值。彈性體單位截面積上的彈性力稱為應(yīng)力，單位長度上的變形成為應(yīng)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(tài)： 動態(tài)：式中 z軸向應(yīng)力；z軸向應(yīng)變；巖石密度；，巖石縱、橫波速度。進行壓裂設(shè)計時，砂巖彈性模量的取值范圍為1×1044×104MPa。2泊松比泊松比：指巖石橫向應(yīng)變量與縱向應(yīng)變量的比值，或叫橫向變

5、型系數(shù)。巖石在外力作用下，縱向上產(chǎn)生伸長的同時，橫向上縮小。 其橫向縮小應(yīng)變量與縱向相對伸長應(yīng)變量之比。泊松比表達式靜態(tài)： 動態(tài)：式中 周向應(yīng)變。巖石的泊松比取值范圍為0.150.35.彈性模量E、泊松比都是反映巖石材料彈性特性的參數(shù)。3斷裂韌性模擬裂縫延伸時，引用了線彈性力學(xué)中應(yīng)力強度因子的概念，它反映了裂紋尖端附近區(qū)域內(nèi)各點應(yīng)力的強弱。當應(yīng)力強度因子增大到某一臨界值時，巖石的裂縫將發(fā)生急劇的不穩(wěn)定擴展。巖石應(yīng)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(shè)計中一個關(guān)鍵參數(shù)，試驗求得。常溫常壓下求得的砂巖斷裂韌性值一般在0.53.0MP·

6、m1/2范圍內(nèi)。4孔隙彈性系數(shù)（畢奧特系數(shù)）它反映了孔隙壓力對巖石變形的影響，也是求水平地應(yīng)力的一個重要參數(shù)。 定義為： 式中 Cb巖石的體積壓縮系數(shù)； Cg巖石顆粒（骨架）的壓縮系數(shù)。實驗室中測得砂巖的孔隙彈性系數(shù)一般在0.60.9之間。5巖石抗張強度 S巖石抗張強度是巖石本身的一種性質(zhì)。巖石處在復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)中，只要所受的拉伸或剪切應(yīng)力等于巖石材料本身的抗張強度時，巖石即發(fā)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(fā)生拉伸和剪切破壞，對于塑性巖石主要發(fā)生塑性流動破壞。石油工程中最常見的是脆性破壞。作業(yè)思考題：1.地應(yīng)力是怎樣概念的？2什么是巖石的彈性模量和泊松比

7、？寫出數(shù)學(xué)表達式？§52 造縫機理一地應(yīng)力及其分布一般情況下，地層中的巖石處于壓應(yīng)力狀態(tài)。作用在地下巖石某單元體上的應(yīng)力為垂向主應(yīng)力z ，及水平主應(yīng)力H(其中又分為互相垂直的x及y )。（一）地應(yīng)力1作用在單元體上的垂向應(yīng)力來自上覆巖層的重量。它的數(shù)值為： （51）式中 z垂向主應(yīng)力，Pa；H地層垂深，m；g重力加速度(981 m/s2)；s上覆層巖石密度，kg/m3。由于油氣層中有一定的孔隙壓力Pp，故有效垂向應(yīng)力可表示為：（52）2作用在單元體上的水平主應(yīng)力：來自巖石處于彈性狀態(tài)，考慮到構(gòu)造應(yīng)力等因素的影響。最大水平主應(yīng)力為：（53）式中 H最大水平主應(yīng)力，Pa；1，2水平應(yīng)力構(gòu)

8、造系數(shù)，可由室內(nèi)測試試驗結(jié)果推算，無因次；泊松比，無因次； E巖石彈性模量，Pa；畢奧特(Biot)常數(shù)，無因次。（二）地質(zhì)構(gòu)造對應(yīng)力的影響在逆斷層或褶皺地帶水平應(yīng)力要比垂向應(yīng)力大得多，甚至可大到3倍，在正斷層地帶，水平應(yīng)力可能只有垂向應(yīng)力的三分之一。圖43 人工裂縫方向示意圖如果巖石單元體是均質(zhì)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(yīng)力軸。當已知地層中各應(yīng)力的大小時，裂縫的形態(tài)或方向即可被確定。如圖43。圖41構(gòu)造對應(yīng)力的影響a逆斷層區(qū)域H=3z b正斷層區(qū)域z=3H（三）井壁上的應(yīng)力1井筒對地應(yīng)力及其分布的影響鉆井后，井壁及其周圍地應(yīng)力分布受到井筒的影響，很復(fù)雜。簡化起見，將

9、地層中三維應(yīng)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52所示。在無限大平板上鉆了圓孔之后，使板內(nèi)原來平衡的應(yīng)力重新分布，造成圓孔附近的應(yīng)力集中。在雙向應(yīng)力狀態(tài)下，彈性力學(xué)給出了平板為固體、各向同性、彈性材料的周向應(yīng)力計算式：（54）（改錯）式中 圓孔周向應(yīng)力，Pa；a圓孔半徑，m；r距圓孔中心的距離，m； 任意徑向與x軸的夾角；分別為x，y方向上分布的應(yīng)力。圖4-2 無限大平板中鉆一圓孔的應(yīng)力分布定性分析井壁上應(yīng)力大?。海?）當r=a，x>y，=0°、180°時，()min= ()0º，180º= 3yx（2）當r=a，

10、x>y，=90°、270°時，()max=()90º，270º=3xy說明最小周向應(yīng)力發(fā)生在x的方向上，而最大周向應(yīng)力卻在y的方向上。（3）隨著r的增加，周向應(yīng)力迅速降低，如圖42(b)所示。大約在幾個圓孔直徑之外，即降為原地應(yīng)力值。這種應(yīng)力分布表明，由于圓孔的存在，產(chǎn)生了圓孔周圍的應(yīng)力集中，孔壁上的應(yīng)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(nèi)壓所引起的井壁應(yīng)力壓裂過程中，向井筒內(nèi)注入高壓液體，使井內(nèi)壓力很快升高。井筒內(nèi)壓必然產(chǎn)生井壁上的周向應(yīng)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(jù)彈性力學(xué)中的拉

11、梅公式(拉應(yīng)力取負號)（55）式中 Pe 厚壁筒外邊界壓力，Pa；（井眼內(nèi)壓在外邊界產(chǎn)生的壓力） re厚壁筒外邊界半徑，m； ra厚壁筒內(nèi)半徑，m； Pi內(nèi)壓，Pa； r 距井軸半徑，cm。當re =、Pe=0、r=ra時，井壁上的周向應(yīng)力為：=Pi即：由于井筒內(nèi)壓而導(dǎo)致的井壁周向應(yīng)力與內(nèi)壓大小相等，但符號相反。（利用無窮大定理推導(dǎo)）3、壓裂液徑向滲入地層所產(chǎn)生的井壁應(yīng)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(yīng)力區(qū)，它的作用是增大了井壁周圍巖石中的應(yīng)力。增加的周向應(yīng)力值為：（56）（57）式中 Cr巖石骨架壓縮系數(shù)；Cb巖石體積壓縮系數(shù)。泊松比；Ps地層壓力。

12、4、井壁上的總周向應(yīng)力：顯然在地層破裂前，井壁上的總周向應(yīng)力應(yīng)為地應(yīng)力、井筒內(nèi)壓及液體滲濾所引起的周向應(yīng)力之和，即：（58）二造縫的條件油層破裂壓力概念：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(yīng)力達到井壁巖石的水平方向的抗拉強度th時，巖石將在垂直于水平應(yīng)力的方向上產(chǎn)生脆性破裂，即在與周向應(yīng)力相垂直的方向上產(chǎn)生垂直裂縫。此時有：= -th，代入（58）式，并換為有效應(yīng)力(，)，則可得到垂直裂縫時的破裂壓力，當產(chǎn)生垂直裂縫時，井筒內(nèi)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：（59）2

13、無液體滲濾時，地層滲濾應(yīng)力等于零，井壁上巖石的空隙壓力仍然為Ps，故，將其他應(yīng)力一同代入（58）式，則：由于最小總周向應(yīng)力發(fā)生在=0º，180º的對稱點上，垂直裂縫也產(chǎn)生在與井筒相對應(yīng)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(zhì)性和局部應(yīng)力場的影響，產(chǎn)生的裂縫往往是不對稱的。（二）形成水平裂縫當產(chǎn)生水平裂縫時，井筒內(nèi)注人流體的壓力等于地層的破裂壓力，經(jīng)過實驗修正后得到形成水平裂縫的條件：（510）式中 th巖石垂向抗張強度。（三）破裂壓力梯度為了便于比較與預(yù)測各油田（油井）的破裂壓力，常使用破裂梯度來表示，其物理意義： （kg/cm

14、2·m）即：破裂壓力梯度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(chǎn)生垂直裂縫時地面泵壓的確定：（產(chǎn)生垂直裂縫的油藏）（511）式中： PB井口施工泵壓，MPa；地層破裂壓力，MPa；井筒液柱壓力，MPa；管線及管柱產(chǎn)生的壓力損失，MPa。（2）地層產(chǎn)生水平裂縫時地面泵壓的確定：（產(chǎn)生水平裂縫的油藏）（512）式中參數(shù)同上。結(jié)論：無論產(chǎn)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卡特模型 （一維模型）2PKN 模型 （二維設(shè)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。 3KG

15、D 模型 （二維設(shè)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(jié)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46 KGD模型從無因次裂縫導(dǎo)流能力來分析： 裂縫的導(dǎo)流能力：裂縫寬度與填砂裂縫滲透率的乘積。無因次裂縫導(dǎo)流能力表達式： 要想使低滲層和高滲層有同樣的高導(dǎo)流能力，從公式中變換兩個參數(shù)W 和 Xf。圖47壓裂前地層滲流示意圖1地層，2井眼，3污染帶五水力壓裂增產(chǎn)增注原理1壓裂前流體從底層流向井底的流動形態(tài) 特點：（1）流體流動過程復(fù)雜。擬徑向流過程中，越靠近井底，滲流面積越

16、小，滲流阻力越大。原因：，Q不變，A越小，V增大，f增大。（2）污染帶和井底周圍應(yīng)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(jié)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(tài)壓裂后，地層流體將經(jīng)歷四種不同的滲流階段：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(dǎo)流能力很高時才能出現(xiàn)。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 (c) 雙線性流 (

17、d) 裂縫線性流 結(jié)論：水力壓裂結(jié)果，改變了滲流區(qū)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(chǎn)、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(chǎn)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(nèi)形成一條具有一定長度、寬度和高度的高導(dǎo)流能力的填砂裂縫。由于改變了井底附近流體的滲流狀態(tài)，提高了油層的滲流能力，從而達到增產(chǎn)、增注的目的。井筒附近復(fù)雜的裂縫幾何形狀六水力壓裂造縫過程1裂縫起裂水力裂縫起裂從點源開始，逐步連接成線源縫。裂縫沿井筒軸向扭曲起裂，在延伸過程中逐步扭曲到與最小主應(yīng)力垂直的方向上，然后沿該方

18、向延伸并逐步形成一條主縫。起裂首先克服巖石地應(yīng)力和抗張強度，也就是破裂壓力。2裂縫延伸指巖石破裂形成裂縫后，在縫內(nèi)液體壓力作用下繼續(xù)向前擴展的過程。其延伸平面總是垂直于最小主應(yīng)力方向，沿著最大主應(yīng)力方向。如圖所示。地層破裂在井筒附近較復(fù)雜，也可能是多條，逐步延伸形成一條主縫。若天然裂縫發(fā)育好，可能會出現(xiàn)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(yīng)力場變化，所以，裂縫閉合壓力高于水平最小主應(yīng)力。課后小結(jié)： 通過學(xué)習(xí)本節(jié)課，了解造縫機理，掌握巖石的破裂機理和破裂壓

19、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(chǎn)增注原理。 作業(yè)：1.簡答水力壓裂增產(chǎn)、增注的基本原理？2簡答水力壓裂造縫過程？§53 壓裂設(shè)計 一壓裂設(shè)計的原則、方法、內(nèi)容壓裂設(shè)計是壓裂施工的指導(dǎo)性文件，它能根據(jù)地層條件和設(shè)備能力優(yōu)選出經(jīng)濟可行的增產(chǎn)方案。包括壓裂地質(zhì)設(shè)計和壓裂施工設(shè)計。壓裂設(shè)計的原則：是最大限度地發(fā)揮油層潛能和裂縫的作用，使壓裂后油氣井和注入井達到最佳狀態(tài)，同時還要求壓裂井的有效期和穩(wěn)產(chǎn)期長。壓裂設(shè)計的方法：是根據(jù)油層特性和設(shè)備能力，以獲取最大產(chǎn)量或經(jīng)濟效益為目標，在優(yōu)選裂縫幾何參數(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計合適的加砂方案。（主要利用系統(tǒng)軟件設(shè)計）。壓裂設(shè)計方案的內(nèi)容：

20、裂縫幾何參數(shù)優(yōu)選及設(shè)計；壓裂液類型和配方的選擇；支撐劑選擇及加砂方案設(shè)計；壓裂效果預(yù)測和經(jīng)濟效益分析等。這里簡單介紹壓裂施工設(shè)計的有關(guān)內(nèi)容。二 壓裂施工設(shè)計1優(yōu)化設(shè)計程序（按系統(tǒng)要求輸入?yún)?shù)）壓裂設(shè)計過程中，除利用計算機模擬計算外，還有一重要環(huán)節(jié)是在正式壓裂施工前，現(xiàn)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壓裂施工泵注程序設(shè)計1）注入方式選擇原則：在滿足泵注參數(shù)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(huán)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(xiàn)較理想的支撐剖面。試驗結(jié)果證明：采用線

21、性加砂程序裂縫導(dǎo)流能力沿縫長分布更加合理。3其他參數(shù)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(fā)育情況及壓裂所使用的液體性質(zhì)等?？梢杂美碚摴接嬎悖部梢杂媒?jīng)驗公式估算。目前常用的經(jīng)驗公式為：=·H （537）式中：油層破裂壓力，MPa； H壓裂油層中部深度，m；油層破裂壓力梯度，MPam，它是由壓裂工藝統(tǒng)計資料而得的經(jīng)驗常數(shù)。2）施工排量的確定（先確定地層吸液量，滿足）經(jīng)驗公式：式中：P壓裂前的地層壓力與井底流動壓力之差，MPa；地層的吸液量，m3min； q壓裂前油井的穩(wěn)定日產(chǎn)量，t；破裂壓力與

22、壓前地層壓力之差，MPa。 B原油體積系數(shù)，m3(地下)m3(地面)。地面原油的密度。地面排量按來確定。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(chǔ)上，充分發(fā)揮設(shè)備的能力，減少使用設(shè)備的臺數(shù)。壓裂時地面泵壓可由下列公式估算：（439）式中：地面泵壓，MPa； 井口壓力，MPa；壓裂液在管柱內(nèi)流動時的摩阻壓力降，MPa；井下工具對流體的局部阻力損失，MPa； 井筒內(nèi)液柱壓力，MPa。4）壓裂車臺數(shù)的確定壓裂時所需總功率 壓裂車臺數(shù) （根據(jù)總功率和每臺車發(fā)動機功率求出所需壓裂車臺數(shù)）以上兩式中 Pp 壓裂時所需的總功率，W；每臺壓裂車的發(fā)動機功率，W； Q壓裂時泵的排

23、量，m3s；1 發(fā)動機工作效率，取6080 %；2泵的上水效率，取5095；3發(fā)動機工作時受海拔高度影響后的效率；功率因數(shù)，%；n所需壓裂車臺數(shù)。5）支撐劑用量的確定根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，大約每米油層加入1.53m3。6）含砂比計算含砂比是指單位體積壓裂液內(nèi)所含支撐劑的數(shù)量(體積比)。含砂比的計算公式為：×100% （就是攜砂液的體積 ） 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，m3s； t加砂總時間，s。7）壓裂液用量的確定壓裂液：前置液、攜砂液、頂替液統(tǒng)稱為壓裂液。 前置液：大約用量為：810m3 (適當多準備一些)，有時按井筒容積的1.52倍來計

24、算。 攜砂液 ：式中： W攜砂液用量，m3； V砂預(yù)計加砂體積，m3； c含砂比，。 頂替液：確定方法：一般為井筒容積的1.53倍，以夠用就行。 壓裂液用量：注：取下限時加，取上限時不加。P102 頁例題：自己做。作業(yè)：P107 9。 補充題：某井油層深度為3000m，采用63mm油管壓裂（63mm油管1000m內(nèi)容積為3m3）,預(yù)計壓裂泵壓4×107Pa，排量0.025m3/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257×105w，總的效率為06，試計算400型壓裂車臺數(shù)及至少準備多少壓裂液用量？§54 壓裂設(shè)備、管柱及材料 一壓

25、裂設(shè)備、管柱（一）地面設(shè)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(jù)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(nèi)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；

26、一種是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。1壓裂車 作用：是壓裂的主要動力，能夠產(chǎn)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(guān)鍵設(shè)備。 2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(nèi)。 混莎車的類型：雙筒機械式、風吸式、仿美新型混莎車。 3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(shù)，控制其它壓裂設(shè)備的中樞系統(tǒng)。又稱壓裂指揮車。4其它設(shè)備：液罐車、運砂車。（三）壓裂管柱 組成：主要由壓裂油管、封隔器、

27、噴砂器、水力錨等組成。 類型：目前井下管柱分為：籠統(tǒng)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(jié)流作用，造成壓裂管柱內(nèi)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(tǒng)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。73mm或88.9 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或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+絲堵 四封卡三層 不動管

28、柱壓裂三層。73mm或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?guī)Щ祝?封隔器+噴砂器（丙不帶滑套）+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(shè)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(nèi)預(yù)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）濾失少。（2）懸砂能力強。（3）摩

29、阻低。（4）穩(wěn)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(xiàn)場廣泛應(yīng)用。水基壓裂液是以水為介質(zhì)，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(lián)劑：通過膠聯(lián)離子（基團）將溶解于水中的高分子鏈上的活性基團，以化學(xué)鏈連接起來，形成三位網(wǎng)狀凍膠的化學(xué)劑。3土穩(wěn)定劑；4殺菌劑；5表面活性劑；6抗高溫穩(wěn)定劑；7降濾失劑8破膠濟；9濾餅溶解劑；10緩沖劑（PH值調(diào)節(jié)劑），作用：

30、調(diào)節(jié)增粘速度、膠聯(lián)劑所需PH值范圍和膠聯(lián)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：2034MPa 2陶粒人造陶粒主要是由鋁礬土（氧化鋁）燒結(jié)而成。中等強度陶粒： 承壓：5580Mpa。高強度陶粒： 承壓：100 MPa3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(yè)：P1063補充： 1請畫出四封卡三層管柱示意圖。§55 壓裂工藝及現(xiàn)場施工 一壓裂工藝（一）合層壓裂1油管壓裂2套管壓裂3環(huán)形空間壓裂4油、套管同時壓裂 （二）分層壓裂1堵球法分層

31、壓裂堵球：尼龍球或包以橡膠的鋁球或塑料球。適應(yīng)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(jié)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(yīng)與炮眼的大小和壓裂相適應(yīng)。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(nèi)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(shù)及孔眼直徑

32、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(yīng)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(shù)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，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(chǎn)。（三）一次分壓多層1投球法壓裂 ：

33、 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(yōu)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413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(nèi)的滑套上(滑套上部是球座，滑套的外經(jīng)各級都一樣大小，內(nèi)經(jīng)從上往下逐級變小)，開泵后在壓力作用下剪斷固定滑套的銷釘，滑套在液體推動下，帶動噴嘴內(nèi)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

34、層，壓完后，再投一個球，同理依次自下而上壓裂。圖412投球法壓裂管柱結(jié)構(gòu)示意圖 圖413滑套封隔器壓裂過程示意圖 1一套管；2一油管；3一工作筒； ( a)一壓下數(shù)第一層；(b)一壓下數(shù)第二層 4一封隔器；5一噴砂器(帶滑套)； l一套管；2一油管；3一滑套封隔器(未工作狀態(tài))；6一噴砂器(不帶滑套)；7一絲堵 4一噴砂器(未工作狀態(tài))；5一滑套封隔器(工作狀態(tài))； 6一噴砂器(工作狀態(tài)) ；7絲堵；8一鋼球二現(xiàn)場施工（一）壓裂前準備 1配置壓裂設(shè)備及輔助設(shè)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

35、合設(shè)計要求，試壓）（二）壓前作業(yè) 1探砂面、沖砂 2起原管柱 3壓井替噴 （井內(nèi)有污染物的井壓裂前要進行替噴）4壓裂層段預(yù)處理 （清孔或排液，注意回收、不污染環(huán)境）5下壓裂管柱 （三）壓裂施工 1循環(huán)：逐臺啟動壓裂車，用清水循環(huán)地面管線，清洗管線，關(guān)井口。2試壓：地面壓裂流程、井口閥門以上設(shè)備進行承高壓性能試驗。試驗壓力為預(yù)測泵壓1.21.5倍，穩(wěn)壓5min 。3試擠：打開井口閥門，關(guān)閉循環(huán)防空閘門，逐臺啟動壓裂車，按壓裂施工設(shè)計規(guī)定試擠排量，將壓裂液試擠入油層，壓力由低到高至穩(wěn)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

36、內(nèi)持續(xù)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(yīng)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(wěn)定后便可加砂。注意：加砂要均勻，中途不能停泵，操作要平穩(wěn)。6替擠：完成加砂后，打開混砂車的替擠旁通流程，向井內(nèi)注入替擠液。圖4一l 壓裂過程井底壓力變化曲線PF地層破裂壓力， PE裂縫延伸壓力， PS地層壓力7關(guān)井擴散壓力：壓裂施工結(jié)束后，關(guān)閉井口所有出口閘門，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(guān)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(nèi)管

37、柱懸重200 KN，上提速度控制在0.5 m/min以內(nèi)，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(yè)：按壓裂設(shè)計要求探砂面，起壓裂管柱，完井，投產(chǎn)。（四）施工中常見的問題1壓不開設(shè)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(shè)計問題等。2壓竄：分析原因：隔層較薄、固井質(zhì)量差、封隔器膠筒質(zhì)量問題。3砂堵：分析原因：壓裂液攜砂性差、混砂比高、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(fā)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

38、質(zhì)量差等。課后小結(jié)：本章重點：掌握壓裂工藝技術(shù)，施工過程，弄懂壓裂施工中常見的問題。作業(yè)：P10712, 14.1壓裂施工中常見的問題有哪些？分析原因。§56 壓裂新技術(shù)介紹一端部脫砂壓裂技術(shù)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(xù)注人高砂比砂漿時，可沿縫壁形成全面砂堵，縫中儲液量增加，泵壓增大，促使裂縫膨脹變寬、縫內(nèi)填砂濃度增大，從而造成一條具有很高導(dǎo)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(xiàn)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、

39、高滲透油氣藏和不穩(wěn)定疏松地層的油井解堵防砂增產(chǎn)作業(yè)。端部脫砂壓裂技術(shù)也成為一種新的完井方法。二、高能氣體壓裂技術(shù)1高能氣體壓裂：就是利用火藥或火箭推進劑燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓氣體處理油層以取得增產(chǎn)效果的方法。高能氣體壓裂在井筒附近油層中產(chǎn)生和保持多條多方位的徑向裂縫，從而達到增產(chǎn)增注目的的工藝措施。2高能氣體壓裂的作用1）機械作用：產(chǎn)生裂縫。2）水力振蕩作用：高能氣體引起液體振動，產(chǎn)生壓力周期波動，有助于裂縫形成和清理堵塞。3）高溫熱作用：火藥燃燒產(chǎn)生高溫，降低原油粘度。4）化學(xué)作用：高能氣體壓裂的化學(xué)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(chǎn)

40、增注技術(shù)1基本原理：就是利用振動原理處理油層的技術(shù)。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(chǎn)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(zhì)、鉆井液及瀝青質(zhì)和鹽的沉積等堵塞。 2增產(chǎn)增注機理（1）機械作用：振動波能迫使傳媒介質(zhì)做劇烈的機械振動，并產(chǎn)生強大的單項作用力，疏通泄油通道。（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(chǎn)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(nèi)部可產(chǎn)生很高的溫度、壓力和加速度，這是“空化現(xiàn)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(zhì)顆粒。（3）

41、熱效應(yīng)：振動波穿過介質(zhì)時，介質(zhì)吸收一定的能量，就會引起局部升溫。頻率越高，熱效應(yīng)越顯著，對降粘、溶蠟有一定的作用。四、電脈沖井底處理技術(shù)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(chǎn)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(chǎn)增注的目的。 其物理實質(zhì)是高壓電擊穿充滿在井內(nèi)的局部介質(zhì)，在容積很小的通道內(nèi)迅速釋放出大量能量，產(chǎn)生強大沖擊波和電磁場。 2增產(chǎn)增注機理 電脈沖井底處理技術(shù)的關(guān)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(nèi)進行的。流體中的電極偶施加電壓后，當電壓高于介質(zhì)的擊穿值是產(chǎn)生放電。但是，在兩電極偶之間的

42、空間內(nèi)形成兩次擊穿，放電過程之間有一定的時間間隔，因而為周期性放電。伴隨放電孔道內(nèi)流體爆炸釋放大量能量，其作用機理主要有：（l）產(chǎn)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(chǎn)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，減小了毛管力的影響，使油層流體從滯留區(qū)向排液活動區(qū)流動，提高原油的采收率。五、超聲波井底處理技術(shù)1原理：是利用超聲波的振動、空化作用、熱效應(yīng)等作用于油層，解除近井地帶的污染和堵塞，以達到增產(chǎn)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(chǎn)增注機理 （l）聲波傳遞方向與流體流動

43、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(chǎn)生微小裂縫，恢復(fù)和提高油層滲透性。 (4)超聲波的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(shù)1原理：是利用地面人工震源產(chǎn)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

44、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(chǎn)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(xiàn)象，當其作用于油層時，將產(chǎn)生以下有利于采油的作用： （l）振動加速油層中流體的流動； （2）振動-可降低原油粘度、降低界面張力，從而改善原油流動和降低水油流度比，有利于水驅(qū)過程； （3)促進氣體從原油或巖石孔隙表面上分一離，產(chǎn)生氣驅(qū)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69井壓裂施工設(shè)計書 一油井基本數(shù)據(jù)1油井主要數(shù)據(jù)井別開發(fā)井聯(lián)入（m）5.60油補距（m）地理位置河北省河間市北石

45、槽鄉(xiāng)鄧各莊村構(gòu)造位置冀中坳陷饒陽凹陷南馬樁構(gòu)造帶西6斷塊開鉆日起20020919完鉆日起20020928完鉆井深（m）1433.0人工井底（m）140621水泥返深（m）496.2最大井斜深度950m斜度15.5°方位角307°井底位移12853m總方位296°192套管情況 套管名稱規(guī)格（mm）鋼 級壁厚（mm）內(nèi)徑（mm）抗內(nèi)壓MPa套管下深（m）固井質(zhì)量表層套管27310J55889255.32106.81油層套管1397J5577212426374141945合格短套管1178651180633射開井段數(shù)據(jù)層位層號射 孔井 段（m）厚度（m）電阻率（.m）

46、聲波時差（s/m）孔隙度%含油飽和度%解釋結(jié)果Es151274.0127804.03.9349.525.755.6油層6128180128543.604.4343.425.358.6油層8131340131885.403338.123.842.7差油層11135180135806.203.6342.724.651.0油層4.生產(chǎn)情況日 期日產(chǎn)液（t）日產(chǎn)油（t）含 水%液面（m）制度泵效%20068212062121336/21975措施情況：無。6目前井內(nèi)管柱：d38mm泵×1219.26m。7油分析試油井段層位密度（20）粘度（50）凝固點瀝青膠質(zhì)% 含蠟%初餾點12740135

47、80Es10880644463737151540125二施工原因及方案要求1壓裂目的：改善地層滲流能力，提高產(chǎn)液量。2壓裂井段：1313.41358.0m，11.6m/2層。3施工管柱：由下至上d62mm喇叭口+d73mm外加厚2m油管短節(jié)1根+壓裂封隔器卡點×1292±2m（套管接箍：1288.6，1299.6m）+ d73mm外加厚油管至井口。4注入方式：油管注入。5壓裂液：改性瓜膠。6施工排量：3.0-3.5m3/min。7支撐劑：04.5-0.9mm陶粒16m3；90個蠟球。8平均砂液比：2530%。9壓裂井口：KQ-700型壓裂井口。三油層及施工參數(shù)壓裂頂部（m)

48、壓裂底部（m）油層厚度（m）油層中部深度（m）施工排量（m3/min）破裂梯度Mpa/m1313.4135811.61335.70.019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(nèi)管柱。2下通井規(guī)通井至人工井底，下d139.7mm套管刮削器至1300m,在射孔段274.0-1278.0、1281.80-1285.40m及封隔器卡點處多刮削幾次，用2%KCL徹底洗井。3完成壓裂管柱（詳見壓裂施工管柱圖），封隔器座驗封合格。4裝KQ-700型壓裂井口，在井口四個方向加繃繩固定，在油管閘門一側(cè)接一條

49、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(cè)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(jù)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(chǎn)地陶粒1.693.1616鄭州熔盛3壓裂液準備壓裂液配方表名 稱防膨液1罐車活性水1罐原膠4罐膠聯(lián)合計（Kg）備注KCL20016001800TDC-15400400FP-3400400AS-10016001600PZ-7200200D-50200200LHX8080DHJ200200JA-18080改性瓜膠600600清水200200LHJ（中、低溫）400400過硫酸銨5050膠囊破膠濟2020備 注破膠濟、膠聯(lián)劑在施工中按錐型加入，加量表由工程技術(shù)大隊給出。4