水力压裂基础设计及现场管理课件

1、水力压裂基础设计及现场管理 1 水力压裂基础、设计及现场管理 水力压裂基础设计及现场管理 2 一、概述 二、水力压裂概念 2.12.1什么是油层水力压裂什么是油层水力压裂 2.22.2完成一口压裂施工井的几个要素完成一口压裂施工井的几个要素 2.32.3压裂机理压裂机理 三、水力压裂工艺 3.13.1压裂地面设备压裂地面设备 3.23.2压裂工艺压裂工艺 四、压裂方案设计 4.14.1压裂方案设计程序压裂方案设计程序 4.24.2压裂工艺的确定压裂工艺的确定 4.34.3压裂液和支撑剂的选择压裂液和支撑剂的选择 4.44.4压裂设计内容压裂设计内容 五、压裂监督 5.15.1压裂现场监督程序压

2、裂现场监督程序 5.25.2安全要求及注意事项安全要求及注意事项 5.35.3压裂施工中的异常情况压裂施工中的异常情况 水力压裂基础设计及现场管理 3 油层水力压裂是在水驱开发油藏的过程中偶然 发现的。20世纪早期，为提高油层吸水量，加大地面注 水压力，人们发现，当压力提高到一定水平后，地层吸 水量陡增，当时人们虽然不能完全解释这一现象，但已 把它作为一项增注技术在矿场大量应用。当后来逐渐认 识到高压下吸水量陡增是地层被压开裂缝的结果后，又 进行了把细粉砂在高压下随注入水带进地层裂缝，以实 现一般压力下提高注水量的试验，这就是油层水力压裂 的雏形。 水力压裂基础设计及现场管理 4 近三十年来，

3、压裂技术得到快速发展，取得了 众多科研成果，形成适用于不同温度条件的压裂液体系、 适合不同闭合压力条件的支撑剂系列，研制出高性能的 施工设备，创建了新的设计模型和分析、诊断方法，使 压裂工艺技术日趋完善，现已成为油田开发过程中不可 缺少的一项采油工艺技术。 大庆油田自1973年应用水力压裂以来，工艺技 术不断创新，设备工具不断完善，下井原材料性能不断 改进，应用效果不断提高，目前已达到了国内油层压裂 行业的先进水平，为油田实现各阶段的开发目标，作出 了巨大贡献。 水力压裂基础设计及现场管理 5 压裂方式经历了笼统压裂、分层压裂，压裂工艺 由最初的滑套式分层压裂，发展到目前适应各种井况和地 层条

4、件的选择性压裂、多裂缝压裂、限流法完井压裂、平 衡限流法压裂、定位平衡压裂工艺、水平缝端部脱砂压裂、 热化学压裂工艺、水平井压裂、斜直井压裂、小井眼压裂 工艺、高能气体复合压裂、CO2泡沫压裂等13套工艺技术。 1、工艺技术方面 水力压裂基础设计及现场管理 6 由初期的水泥车，人工加砂，发展到目前机械混 砂、自动控制的1000型及2000型压裂车组。工具方面，先 后研制了水力压差式封隔器、水力压缩式封隔器、导压喷 砂器、分层滑套装置及井口投球装置、地面投蜡球管汇、 不压井不放喷井口控制装置等。管柱方面，由初期的光油 管喇叭口，发展到分层滑套、可反洗、外围、气井、小井 眼等压裂管柱。 2、设备方

5、面 水力压裂基础设计及现场管理 7 压裂液由初期的清水、原油，发展到海藻、田箐、 胍胶、香豆、魔芋、泡沫、高聚物等，支撑剂由石英砂发 展到陶粒、树脂砂以及核桃壳等。 3、下井原材料方面 另外，在压裂机理研究、设计软件开发方面也都取 得了长足进步。 总之，经过多年的努力，我们的油层压裂技术水平 得到较大提高，同时也取得了较好的应用效果，据统计，自 73年压裂工艺在大庆油田工业化生产以来，共压裂油、水、 气井3万多口，占油田总完钻井数的70%以上，压后当年累积 增油5000104t,累计增注2460.2887104m3,为油田高产稳 产做出了突出贡献。 水力压裂基础设计及现场管理 8 油层水力压裂

6、是利用地面高压泵组，将高粘液体 以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，随即在井底附 近憋起高压。当压力超过井壁附近地应力及岩石抗张强度 后，在地层中形成裂缝。继续将带有支撑剂（一般为石英 砂）的压裂液注入裂缝，使裂缝向前延伸，并在裂缝中填 充支撑剂。这样，在停泵后即可在地层中形成足够长度、 一定宽度及高度的填砂裂缝。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。 2.1什么是油层水力压裂 水力压裂基础设计及现场管理 9 水力压裂分类水力压裂分类 笼统压裂分层压裂 机械分层压裂填砂压裂 桥塞压裂封隔器压裂 水力压裂 水力压裂

7、基础设计及现场管理 10 水力压裂工艺流程水力压裂工艺流程 循环试挤压裂加砂 替挤扩散压力 施工结束 水力压裂基础设计及现场管理 11 压裂施工时液体的流动过程压裂施工时液体的流动过程 压裂液储罐 地面管线井口管汇 加压泵混砂装置 支撑剂储罐 射孔炮眼油套环空喷砂器井下管线 地层 水力压裂基础设计及现场管理 12 施工设备由地面设备和压裂车组两部分组成。 地面设备包括压裂管汇、蜡球管汇、压裂井口装置；压 裂车组包括泵车、混砂车、罐车（液罐车、砂罐车、添 加剂罐车）、仪表车、水泥车。 2.2完成一口压裂施工井的几个要素 2.2.1施工设备 水力压裂基础设计及现场管理 13 施工管柱由油管和下井工

8、具（封隔器、喷砂器） 组成，其作用：一是为传送施工压力提供通道；二是实 现分层。目前应用的施工管柱有普通滑套式分层压裂管 柱、高砂比管柱、外围压裂管柱。 2.2.2施工管柱 水力压裂基础设计及现场管理 14 普通滑套式管柱 名称 封隔器 K344-114 喷 甲 喷 乙 喷 丙 长度 905640640640 最大外径114114114114 通径58413753 管柱工 作压力 MPa 管柱工 作温度 喷砂器 过砂量 m3 最高 砂比 % 适用套 管内径 mm 4050 14 45 124 使用条件 工具参数 水力压裂基础设计及现场管理 15 名称 Y344-114 封隔器 导压 喷砂器 喷

9、咀 长度(mm)1161 660 300 最大外径(mm)114 112 95 最小通径(mm)54 25 25 工具参数 外围深井压裂管柱： 工作 压力 MPa 工作 温 度 喷砂器 过砂量 m3 最高 砂比 % 适用 套管 内径 mm 5590 60 65 124 使用条件 水力压裂基础设计及现场管理 16 包括压裂液和支撑剂两部分。压裂液的主要作 用一是造缝，二是携砂。目前常用的压裂液有田菁胶和 胍胶。田菁胶主要用于老区基础井网压裂井，胍胶和改 性胍胶主要应用于老区二三次加密井和外围低渗透油藏 压裂井。支撑剂的作用是支撑裂缝，增加裂缝的导流能 力。目前常用的支撑剂有石英砂和陶粒两种。 2

10、.2.3下井原材料 水力压裂基础设计及现场管理 17 压裂 液 配比 % 粘度 mpa.s 交联剪切 粘度 mpa.s 残渣 mg/L 适用温度 破胶 性能 mpa.s 田箐0.533100145030603 胍胶0.383310040030903 目前常用的压裂液有田菁胶和胍胶： 田菁胶主要用 于老区基础井 网压裂井。 胍胶和改性胍胶主要应用于 老区二三次加密井和外围低 渗透压裂井。 水力压裂基础设计及现场管理 18 目前常用的支撑剂有石英砂和陶粒： 井深及闭合压力地区（层位）支撑剂类型 1600m以上，小于28MPa 采油一七厂、八厂（葡 萄花层）、九厂（萨、葡 层）、十厂 石英砂 160

11、0-1900m，28-33MPa 采油七厂台105区块、八 厂（扶余层）、九厂（高 台子层）、头台、榆树林 油田（扶余层） 石英砂 尾追部分陶粒 1900-2400m，33-40Mpa 采油八厂（扶、杨层）， 布木格油田（杨大城子 层）、榆树林（杨大城子 层） 中强度陶粒 大于2400m，40-50MPa 目前主要是深层气井勘探 压裂 高强度陶粒 水力压裂基础设计及现场管理 19 施工设计是指导压裂施工的纲领性文件。其核 心内容是根据井层参数、下井原材料参数来优化压裂施 工参数（压力、排量、砂比、砂量、液量），最终给出 合理的施工工序表。 2.2.4施工设计 施工工艺是针对井层条件，为达到改造

12、目的而 采取的合理施工方法。根据不同施工井的改造要求，先 后研究开发了滑套式机械分层、多裂缝、选压、限流法 等十三项压裂工艺。 2.2.5施工工艺 水力压裂基础设计及现场管理 20 施工评价包括两部分：一是工艺评价；二是经 济评价。工艺评价是为了评估压裂施工成功与否、检验 实际施工与设计的符合程度和工艺的适应性，积累经验， 指导下步施工。经济评价是为了评价压裂效益，既投入 与产出的关系，判断经济合理性。 2.2.6施工评价 水力压裂基础设计及现场管理 21 人工裂缝的形态取决于油藏地应力的大小和方 向。裂缝类型与地层中的垂向应力和水平应力的相对大 小有关。一般认为，人工裂缝面垂直于地层最小主应

13、力, 平行于地层最大主应力见图1。 2.3压裂机理 2.3.1地应力 z y x 图1 裂缝壁面与地应力关 系 XY Z或或Y X Z 水力压裂基础设计及现场管理 22 主应力差具有特殊的意义，因为其倾斜角和 最小主应力的倾斜方向是控制人工裂缝的延伸方向的 决定性因素。但是，裂缝形态也受断层、褶皱和天然 裂缝等因素影响。理论研究时，通常假定裂缝形态为 某种简单形式，如图2(a),而实际更接近于图2(b)所示。 （a） (b) 图2 理论与实际裂缝形态 水力压裂基础设计及现场管理 23 经多年的研究与压裂施工实践证明，大庆油 田外围油层裂缝形态与前述的垂直缝形态相同，长垣 内部属多油层水平缝油藏

14、（见图3、4）。 图3 水平裂缝理想形态示意图 图4 多油层压裂形成多条水平缝 水力压裂基础设计及现场管理 24 3.1压裂地面设备 3.1.1泵车 泵车的作用泵车的作用 一是一是泵送液体泵送液体 二是二是使液体升压使液体升压 目前使用的2000型压裂车最高施工压力105MPa,最大单车排量 2.33m3/min。在1900r/min转速、45.9 MPa条件下，单车排量可达 1.87m3/min。完成一般油层压裂需要3台泵车，进行外围探井压裂 时，根据需要确定泵车数量。 水力压裂基础设计及现场管理 25 最大排量15.9 m3/min，最大输送砂量 8165Kg/min,8个泵车接口。 3.

15、1.2混砂车 混砂车的作用 一是把支撑剂与压裂液充分混合 二是为泵车提供充足的液体。 水力压裂基础设计及现场管理 26 3.1.3仪表车 仪表车的作用 一是控制泵车和混砂车的运行参数 二是适时记录及监测分析施工参数 水力压裂基础设计及现场管理 27 水力压裂基础设计及现场管理 28 利用不压井、不放喷井口装置，将压裂管柱及 其配套工具下入井内预定位置，实现不压井、不放喷作 业。当压完第一层（最下一层）后，通过投球器和井口 球阀分别投入不同直径的钢球，逐次将滑套憋到已用喷 砂器内堵死水眼，打开上部喷砂器通道，然后依次再进 行压裂。当最后一层替挤完后，立即活动管柱，并投入 堵塞器，从而实现不压井、

16、不放喷起出油管。 3.2压裂工艺 3.2.1常规分层压裂工艺 原理 水力压裂基础设计及现场管理 29 由投球器、井口球阀、工作筒和堵塞器、水力 压差式压裂封隔器、滑套喷砂器组成，见图5。 管柱结构 滑套喷砂器 丝堵 滑套喷砂器 滑套喷砂器 封隔器 油层 油层 油层 图5 分层压裂管柱图 适用地质条件 地质剖面具有一定厚 度的泥岩隔层，封隔器可 以卡得开，高压下不发生 层间窜通。井下技术状况 良好，套管无变形、破裂 和穿孔，固井质量好。 水力压裂基础设计及现场管理 30 压前：测分层产液量、含水率；投堵；全井酸 化（视井况而定）；下入压裂管柱。 压裂：地面循环，冲管线；地面高压管线试压； 试挤；

17、压裂；加砂；替挤；根据情况决定是否返洗井， 或活动管柱，或上提管柱，或投球压二层、三层。 压后：压裂完后投堵，探砂面，起出压裂管柱； 下完井管柱。 施工程序 可实现不压井、不放喷作业，防止油层污染 所造成的堵塞有利于提高压裂增产效果； 可不动管柱一次连续压多层，从而大幅度减 少作业量，提高施工效率，降低压裂施工成本； 可与其它压裂工艺配套，能适应不同含水期 改造挖潜需要； 工艺简单，成功率高，经济效益显著。 工艺优点 水力压裂基础设计及现场管理 31 通过严格限制炮眼的数量和直径，并以尽可能 大的注入排量进行施工，利用压裂液流经孔眼时产生的 炮眼摩阻，大幅度提高井底压力，并迫使压裂液分流， 使

18、破裂压力接近的地层相继被压开，达到一次加砂能够 同时处理几个层的目的，见图6。 3.2.2限流压裂工艺 原理 夹层 夹层 19.5MPa 17.5MPa 18.5MPa 夹层 夹层 19.5MPa 17.5MPa 18.5MPa 夹层 夹层 19.5MPa 17.5MPa 18.5MPa 夹层 夹层 19.5MPa 17.5MPa 18.5MPa （过程二） （过程一） （过程三）（过程四） 图6 压裂液分流过程 水力压裂基础设计及现场管理 32 主要适用于纵向及平面上含水分布情况不复杂， 渗透率比较低的多层薄油层的完井改造。 适用地质条件 在限流法完井压裂设计中，制定合理的射孔方 案是决定工

19、艺效果的核心，根据限流法工艺特点，结合 油层和井网的实际情况确定射孔方案。 布孔方案编制的原则 保证足够的炮眼摩阻值，在此条件下充分利用设 备能力提高排量，以套管能承受的最高压力为限，尽可能压开 破裂压力高的目的层。 对已见水或平面上容易水窜的层，处理强度应严 格控制。厚层与薄层划为一个层段处理时，强度应有所区别。 水力压裂基础设计及现场管理 33 一般选择层内渗透率最好、有出油把握的部位射开， 当层内存在薄的夹层时，可考虑在夹层上下分别布孔。 考虑裂缝破碎带的影响，当处理层段内层数多，其 炮眼总数因受限制而少于待处理层数的情况下，可在紧相邻的 几个小层的中间位置布孔。 由于目前射孔技术水平有

20、限，个别炮眼的堵塞难以 避免，因而允许实际的布孔数量比理论计算的稍多一些，以利 于顺利完成施工。 一般常用10mm或小于10mm的炮眼直径进行限流，因 小直径孔眼有利于增加炮眼摩阻，可减少施工设备。 为提高限流法压裂施工成功率，各小层的破裂压力 必须相近，即对破裂压力低的层段要减少布孔数和孔径，对于 破裂压力高的层段要做相反的处理。 水力压裂基础设计及现场管理 34 在一个压裂层段内，先压开吸液能力大的层后， 在低压下挤入高强度暂堵剂将先压开层的炮眼堵住，待 泵压明显上升后，再起动泵车压开第二个层，然后再堵 第二个层，再压第三个层，这样可以在一个层段内形成 多个裂缝。 3.2.3多裂缝压裂工艺

21、 原理 低渗透 中渗透 高渗透 水力压裂基础设计及现场管理 35 适用于夹层厚度小于2米，层段内有较发育 的多层不含水或低含水薄油层； 压裂井层必须与注水井连通，且见到注水效 果； 必须经测试找水资料证实，高含水井中具有 低含水或不含水层段。高含水层段内或重复压裂层段内 具有不含水或低含水油层。 适用地质条件 水力压裂基础设计及现场管理 36 利用油层内不同部位 或各油层间吸液能力不同的特 点，通过投入暂堵剂将渗透率 高、吸液能力强、启动压力低 的高含水部位、层或人工裂缝 暂时封堵，迫便压裂液分流， 从而在其它部位或层内压开新 裂缝，达到选择性压裂的目的， 暂堵剂是油溶性的，在一定温 度条件下

22、，可变软溶于原油中， 压后开井即可解堵。常用的暂 堵剂有石蜡、高压聚乙稀、松 香和重晶石粉。 3.2.选择性压裂工艺 原理 低渗透 中渗透 高渗透 水力压裂基础设计及现场管理 37 油层经过压裂后，形成水平裂缝的非均质中、低渗 透砂岩油层，具体选层条件如下： 对于层内非均质差异大，并有一定物性夹层，射开厚度 大于米的含水厚油层，可以暂时封堵高含水部位，压开低 含水或不含水部位，达到层内挖潜的目的； 对油、水层交错分布而封隔器又卡不开的油层，可以选 择压裂低含水或不含水层，达到调整层间差异，实现层间挖 潜的目的。 对重复压裂层可以用暂堵剂堵塞原裂缝，而在油层其它 部位压开新的裂缝，达到多次挖潜增

23、产的目的。 适用地质条件 压裂前利用测试管柱对目的层段进行细分测试，确 定水淹厚度，从而计算堵剂用量，这一点非常重要，很大程 度上决定了施工效果。 选择性压裂工艺简单， 施工成功率在95%以上， 施工成本低，与普通分层压裂比较，费用只增加12%左右。 水力压裂基础设计及现场管理 38 在压裂层段上部或下部具有厚度小的薄夹层时， 为防止压裂层段与高含水层在高压下窜通，在压裂过程 中通过对高含水层射孔进行平衡限流，达到顺利压开油 层的目的。 首先要确定高含水层与目的层的布孔方案，在 施工中恰当控制压裂强度防止压开高含水层，采用套管 补贴或堵剂封堵方法一次封堵射开的多个平衡炮眼。 3.2.5平衡限流

24、压裂工艺 原理 水力压裂基础设计及现场管理 39 平衡限流适用于水淹层与压裂目的层的厚度在0.4m 至0.3m内的低渗透油层的压裂改造，也适用于层内具有岩性 或物性夹层的非均质水淹厚油层中低含水部位的改造挖潜。 适用地质条件 水力压裂基础设计及现场管理 40 定位平衡压裂是一种在已按常规密度布孔的老 井，对低渗透差油层实施薄隔层平衡限流法压裂改造的 方法。通过特定工具，实现常规孔密下的压裂目的层与 相邻高含水层在吸液量上的合理分配，达到平衡限流的 目的，从而使压裂目的层与相邻高含水层间的薄隔层在 整个压裂过程中的上下压力平衡。 3.2.6定位平衡压裂工艺 水力压裂基础设计及现场管理 41 原理

25、 定位平衡压裂技术是针对1.5m 以下薄夹层采用常规压裂工艺无法 实施分层压裂的问题而研究开发的。 其压裂管柱如图1所示。高渗透层安 装一个平衡器，平衡器的作用是只 进液不进砂。在挖潜层正常压裂同 时，压裂液也从平衡器进入下油层 裂缝，根据水力学的液体传压原理， 夹层上下没有压力差，所以不能压 窜夹层。压裂结束后，薄夹层下油 层裂缝因没有支撑剂而闭合，挖潜 层因正常压裂施工造缝而收到挖潜 效果。 人工井底 封隔器 喷砂器 封隔器 封隔器 丝堵 平衡器 工作筒 高含水层 薄夹层 图1 定位平衡压裂管柱示意图 挖潜层 水力压裂基础设计及现场管理 42 1.保护第一压裂层上隔层管柱 2.保护第二压裂

26、层上隔层管柱 3.保护第一压裂层下隔层管柱 4.保护第二压裂层下隔层管柱 5.保护两个压裂层中间隔层管柱 6.压裂一层同时保护上下隔层管柱 可用于常规射孔中的薄互层的挖潜，也可用在与水 淹层相邻的隔层较薄的多个薄油层的挖潜，还可用于具有稳 定物性隔层的厚油层低含水部位挖潜。 适用地质条件 水力压裂基础设计及现场管理 43 与常规压裂工艺技术原理基本相同，可与限流 法压裂、投球法压裂、选择性压裂及常规上提等方法相 结合。主要区别是小井眼的套管直径较小（一般为 101.6mm和114.3mm），因此给压裂施工带来一定难度， 易造成砂卡，下井工具的结构设计和功能配套难度大。 在进行小井眼压裂施工中，

27、需要部分在结构和功能上相 适应的工具。 3.2.7小井眼压裂工艺 水力压裂基础设计及现场管理 44 脱砂压裂是利用压裂液的滤失特性，在压裂过 程中，当裂缝扩展到预定的长度时，在裂缝端部人为地 造成砂堵，从而阻止裂缝进一步扩展。裂缝端部形成砂 堵以后，以大于裂缝向地层中滤失量的排量，继续按设 计的加砂方案向裂缝中注入混砂液。随着注入时间的增 加，注入压力和裂缝宽度会逐渐增加，裂缝中的支撑剂 浓度也越来越高，当地面泵压达到预定的压力时停止施 工，就可以获得较高的裂缝导流能力，这样既控制了裂 缝半径，又实现了较高的裂缝导流能力。 3.2.8脱砂压裂工艺 原理 水力压裂基础设计及现场管理 45 脱砂压

28、裂工艺适用于需要提供较高裂缝导流能 力的中、高渗透率地层和软地层； 对于注采井距较小的加密开发油藏，可以采用 脱砂压裂工艺，合理地控制裂缝长度，实现短宽缝压裂； 在压裂液性质一定时，目的层应具有一定厚度 和渗透率，以满足实现预定裂缝长度的滤失要求。 脱砂压裂的最终施工压力较常规压裂要高，要 求目的层的上下隔层要具有一定的厚度和较好的固井质量； 脱砂压裂在控制不利的情况下，易造成砂堵， 因此应有与脱砂压裂工艺相配套的压裂工具和管柱，以便能 顺利施工或及时处理施工中发生的异常情况； 适用地质条件 水力压裂基础设计及现场管理 46 从脱砂压裂的工艺原理和工艺过程可以看出，要通 过脱砂压裂在地层中实现

29、预定的裂缝参数，在设计时必 须在综合考虑地层和压裂液性能的条件下，研究解决好 三个关键问题：一是确定使裂缝半径延伸到预定长度时， 能够在缝端产生脱砂的前置液用量和第一批混砂液的浓 度；二是模拟计算缝端脱砂后，缝内压力随注入排量和 混砂液量的上升规律；三是根据压力上升到最大允许值 时可以注入的混砂液量，制定出能够实现预定裂缝导流 能力的加砂方案。 水力压裂基础设计及现场管理 47 高能气体复合压裂是一项把高能气体压裂和水力 压裂结合起来压裂技术。高能气体压裂是利用特定的火药 或火箭推进剂在目的油层井段进行燃烧，产生高温高压气 体，以脉冲加载方式冲击油层，使井筒周围的岩层产生多 方位径向裂缝，并沟

30、通天然裂缝。高能气体压裂后,利用 水力压裂使其微小裂缝扩张，进行填砂支撑，从而使近井 地带导流能力增强，增加生产层的出液强度，提高油井产 量。 3.2.9高能气体复合压裂工 艺 原理 水力压裂基础设计及现场管理 48 处理层的上下夹层厚度不小于3m，以保证不致 于因爆炸对固井质量的影响造成层间窜流； 复合改造层应有较好的有效厚度和连通厚度。 适用地质条件 水力压裂基础设计及现场管理 49 用化学药剂作为前置液，利用化学药剂反应产生的气体和热 量来处理油层，降低原油粘度，改变压裂目的层内流体的流变性。化 学药剂反应产生的气体和热量对压裂液返排很有利，从而减少对油层 的污染。化学药剂反应产生的气体

31、和热量作用于近井地带，改变了堵 塞微粒和孔隙张力的重新分布，这种重新分布一般是有利于油层内液 体流动。 3.2.10热化学压裂工艺 原理 就是利用化学药剂反应产生的气体和热量改善地层流 体物性、岩石的空隙渗透性等，从而利于地层流体进入井 底，提高油井产量和采油速度等。 可用于含蜡高、地层温度低、原油稠的油层改造。 适用地质条件 水力压裂基础设计及现场管理 50 斜直井压裂斜直井压裂原理与普通压裂基本相同。 但由于井眼轴线偏离垂线，一是使胶筒密封性变差，二是 倾斜状态下卡段内的油套环空存砂严重，容易造成砂堵或 砂卡管柱，因此,斜直井对工具性能和压裂技术有较高的 要求。 3.2.11斜直井分层压裂

32、工艺 原理 水力压裂基础设计及现场管理 51 安全接头安全接头 套管 死堵 导压喷砂封隔器 反洗井封隔器 油管油管 水力锚水力锚 压裂油层 待压油层待压油层 斜直井压裂管柱 主要由以下部件 组成：油管、安 全接头、水力锚、 返洗井封隔器、 导压喷砂封隔器。 水力压裂基础设计及现场管理 52 是通过在水平井的水平段进行射孔、压裂，形成 高波及效率的与井筒垂直（或平行）的水力压裂裂缝的工 艺技术。 3.2.12水平井多段压裂工艺 水力压裂基础设计及现场管理 53 利用原井套管 做压裂管柱，在水平段 内低密度分段射孔，依 据限流法压裂原理，以 较大排量注入，由于炮 眼摩阻，井底压力升高， 迫使压裂液

33、分流，达到 一次施工压开多条裂缝 的目的。 原理 水力压裂基础设计及现场管理 54 它是以液态CO2或CO2与其它压裂液混合，加入相 应添加剂，来代替压裂施工中所使用的常规水基压裂液的 压裂施工工艺技术。 3.2.13 CO2泡沫压裂工艺 原理 CO2压裂液主要成分是液态CO2、原胶液和若干种 化学添加剂。在压裂施工注入过程中，随深度的增加，温 度逐渐升高，达到一定温度后，CO2开始汽化，形成原胶 为外相，CO2为内相的两相泡沫液。由于泡沫液具有气泡 稠密的密封结构，气泡间的相互作用而影响其流动性，从 而使泡沫具有“粘度”，因而具有良好的携砂性能，在压 裂施工中起到与常规水基压裂液相同的作用。

34、 水力压裂基础设计及现场管理 55 由于液态CO2在地层中既能溶于油，也能溶于水， 所以可改善原油物性，降低油水界面张力。CO2泡沫可在裂 缝壁面形成阻挡层，可大大减少滤失及对地层的伤害。另 外，泡沫压裂液的PH值在3.5左右，可有效防止粘土膨胀， 还对地层起到一定的解堵作用。因此，泡沫压裂液比水基 压裂液更适用于对深层气井、低渗低压油井、水敏性地层 和稠油井的压裂改造。 适用地质条件 水力压裂基础设计及现场管理 56 由于CO2压裂液与普通水基压裂液在性能上有许多 差异，所以施工设备也不同于一般压裂设备，2000年分公司 引进了一套CO2压裂设备，包括2台泵车，8台罐车。已投入 现场应用。

35、水力压裂基础设计及现场管理 57 4.1压裂方案设计程序 接收地质方案 组织相关人员讨论，根据地层条件和地质要求确 定该批次井的特殊工艺。 确定支撑剂的数量和种类，并确定压裂液、替剂 量和压后完井管柱的相关要求。 经二级审核后把压裂设计和地质设计送交油田科。 每日早晨给井下调度打电话询问当天的作业井和 压裂井施工安排。 水力压裂基础设计及现场管理 58 4.2压裂工艺的确定 水力压裂基础设计及现场管理 59 4.3压裂液和支撑剂的选择 4.3.1压裂液 压裂液选择是依据目的井层的温度、渗透率、粘土矿 物含量、流体性质等条件，即要保证压裂施工顺利，又要最 大限度的减小伤害，保证施工效果。 长垣内

36、部油井：（基础井网，一、二次加密井网）。 井深小于1200m、渗透率率大于0.05m2，温度 45左右。由于地层温度低、渗透率高、对压裂液残渣要 求较低，可采取田菁胶压裂液，也可以使用胍胶、香豆胶 压裂液。 水力压裂基础设计及现场管理 60 基础配方： 基液： 胍胶液(香豆胶)粘度33mPa.s，加入0.05%助排 剂； 交联剂:硼砂0.9%，过硫酸钾0.04%； 交联比:20:1 (注:如果溶胶液稳定性小于8h，则加入0.015%NaOH，交联 剂硼砂为0.45%，过硫酸钾0.06%。) 水力压裂基础设计及现场管理 61 长垣内部水井：(含聚合物注入井、低于40的低温油井及 三次加密井) 水

37、井地层条件与油井类似，但注水井为防止残渣 及破胶不彻底，压裂液随注入水进入油层,造成二次伤害, 要求残渣含量要低,破胶要迅速彻底；对于低温井(40) 要防止压裂液破胶不彻底,三次加密表外层,渗透率低,要减 小压裂液伤害。对于这几类油层，建议采用低残渣，低伤 害的快速破胶压裂液，基液采用胍胶或香豆胶，对于聚合 物注入井，建议采用改性胍胶。 水力压裂基础设计及现场管理 62 基础配方： 基液：胍胶（香豆、改性胍胶）粘度30mPa.s 加入 0.05%助排剂 交联剂: 硼砂0.2%+ K2S2O80.06%+JXP-30 0.06% 交联比:5:1 过渡带油水井： 过渡带地区由于原油较稠，粘度较大，

38、为保证 效果，在压裂前置液中加入PB-1降粘剂，加量为1.5-2%。 水力压裂基础设计及现场管理 63 4.3.2支撑剂 支撑剂选用原则确定 综合不同闭合压力下不同支撑剂导流能力及大庆油田 不同埋深地层闭合压力分析结果，确定大庆油田压裂施工 的支撑剂选用原则如下： 对于深度小于1600米，闭合压力小于28 MPa的地 层，施工可采用石英砂作支撑剂，其中1200米以下，闭合 压力在24MPa以下地层，可采用0.9-1.25mm的石英砂；深度 在1200-1600米，闭合压力在20-27MPa地层，首选0.45- 0.9mm石英砂，也可用0.9-1.25mm的石英砂。 水力压裂基础设计及现场管理

39、64 地层深度16001900米，闭合压力28-33MPa,可 选0.9-1.25mm郑州陶粒和宜兴陶粒，也可采用0.45- 0.9mm的石英砂，尾追部分陶粒。 地层深度1900-2400米，闭合压力33-40MPa,应 全部使用陶粒施工，0.45-0.9mm、0.9-1.25mm粒径的陶 粒均可使用。 地层深度在2400米以上，闭合压力大于40MPa, 应全部使用0.45-0.9mm宜兴低密度高强度陶粒。 水力压裂基础设计及现场管理 65 4.4压裂设计内容 4.4.1压裂方案设计内容 压裂方案设计内容根据油水井的不同内容有所变化， 下面分别进行说明。 油井压裂方案设计：一是地质开发数据，如

40、井网类型、开 发层系、井斜和射开地层系数等；二是完井数据填写（可 查阅施工总结）；三是生产数据填写（可从网上日报查 阅）；四是压裂层段工艺参数，除地质方案中已涉及数据 外，还包括裂缝半长、导流能力和设计砂量；五是目前井 下管柱情况；六是工艺方案要求，包括工艺要求、压裂液 要求、支撑剂要求、扩散时间和相关环保要求等；七是完 井要求，包括完井管柱、特殊工艺要求和预产。 水井压裂方案设计：一是基础数据（可查阅施工总结）； 二是原井管柱及生产情况（查阅施工总结和日报）；三是 设计压裂层位（参考地质方案设计）；四是完井要求。 水力压裂基础设计及现场管理 66 水驱井：机型最大冲程3m及以下井，下二级泵；

41、最大冲程 4.2m以上下整筒泵。根据预产、液面和压裂规模适当上提泵 挂。 聚驱油井：压后下三级泵，聚驱油井需要防砂，固砂反应3 天后下泵，泵挂不能太深，以原泵挂为准； 根据预产选择泵径，要考虑到机型和冲程、冲次。 井下有堵水管柱的井，是否拔出根据地质方案要求。 井下有防顿弯装置，磁防蜡器的井，压裂后不再下入。 电泵井起、下泵和螺杆泵井下泵设计由机采室另外出一份。 4.4.2下泵方案设计内容 抽油机下泵方案设计分水驱和聚驱两种。 水力压裂基础设计及现场管理 67 4.4.3扶正器 水驱井：根据偏磨情况决定全井或半井下扶 正器，由采 油矿根据现场决定型号和数量。 聚驱井：全井下扶正器。 4.4.4

42、抽油杆、油管检测 根据大队下发的有关油管检测文件要求，实施现场油管 检测。 根据大队下发的有关换杆文件要求，全井更换抽油杆。 水力压裂基础设计及现场管理 68 5.1压裂现场监督程序 起出的原井油管及抽油杆根数是否与上次施工管杆记录 一样，损坏程度如何。 压前探砂柱高多少，是否冲砂。 下压裂管柱是否遇阻，是否刮蜡。 压前地面管线循环要干净，否则憋压。 破裂压力、施工排量是多少，砂量是否符合设计要求， 加砂时的压力变化，砂罐中的砂量是否加完。 是否按照设计梯形加入破胶剂。 技术大队压裂组主要负责对压裂施工这道工序的监督， 根据井下调度的通知掌握施工进度，主要监督内容包括： 水力压裂基础设计及现场

43、管理 69 替挤要符合设计要求，替挤量是井筒、管线容积的1.1- 1.3倍。 暂堵剂（蜡球）用量，多裂缝第二条缝的破裂压力要高 于前裂缝2MPa以上，否则重新投暂堵剂。 压裂中井场管线有无异常，如漏、串等。 压裂后水驱井稳压40分钟，聚驱井稳压120分钟，如果 采用树脂砂固砂，必须稳压180分钟后再活动压裂管柱。 压裂管柱活动开后是否探砂面、砂柱高，是否冲砂。 压裂施工禁止使用原井油管。 选择堵球数量的经验公式：N（1.11.2）NP 其中：N堵球数量 NP孔眼数量 水力压裂基础设计及现场管理 70 并且，现场得到压裂施工曲线，以备分析压裂效果、 验收压裂井时使用。 矿、小队的监督机构主要负责

44、监督原井管柱的起下， 及压裂后生产管柱的下井质量，确保油井压裂后能够正 常生产。 压裂井的验收由厂油田管理部组织，工程技术大队、 地质大队参加，三方联合验收。对有施工质量问题的压 裂井不验收或相应做出扣款处理，并且，只有三方签字， 方能付款。 水力压裂基础设计及现场管理 71 发动机发动机 压裂泵压裂泵 传动箱传动箱 运载车运载车 仪表监控系统仪表监控系统液气控制系统液气控制系统 5.2地面设备结构及监督部位 水力压裂基础设计及现场管理 72 运载车运载车 发动机发动机 仪表监控系统仪表监控系统 液气控制系统液气控制系统 管汇系统管汇系统 输砂系统输砂系统 水力压裂基础设计及现场管理 73 液

45、体添加剂系统干添加剂系统 监控系统 水力压裂基础设计及现场管理 74 水力压裂基础设计及现场管理 75 显示和分析单元显示和分析单元 控制单元控制单元 单机控制单元单机控制单元 通讯连接单元通讯连接单元 水力压裂基础设计及现场管理 76 5.3支撑剂的评价方法 支撑剂样品的取样方法 1、样品的代表性 是指该样品应与生产厂家出厂成品或用户供应点 送往压裂施工现场的支撑剂一样。 2、取样地点 运至施工井场待用的支撑剂。 3、需要的样品数量 在压裂现场，每5000kg支撑剂提取一个样品(每 个样品约重812kg)，至少取够2袋(50kg)。这些样品必须 混合成一个样品，经样品减少器处理后可得到3kg

46、的试样进 行评价试验。 水力压裂基础设计及现场管理 77 4、取样装置 取样器 长、宽、高各为210、100和150mm，并带有12.7mm开 口的容器，其体积约3270cm3。 样品减少器 其大小可以处理一袋样品(25kg ) ,一次处理可减少 到原量1/4(6.3kg)。 样品分离器 取样器取样器 分离器分离器 水力压裂基础设计及现场管理 78 5、取样方法 将取样器垂直于纵轴并以均匀的速度通过支撑剂流的宽 度。 当取样器取满第一批支撑剂后，至少应停2min再取下一 批样品。 6、减少样品成为试样 以2袋(50kg)支撑剂样品为一组来减少样品。 减少每一组(2袋，50kg)支撑剂样品至原量

47、的1/6(约3kg)。 将每组得到的样品原量的1/16试样均匀地混合在一起成 为一个支撑剂试样。 一个支撑剂试样至少应有3kg。 水力压裂基础设计及现场管理 79 评价标准 第一层筛网上的支撑剂最大不能超过 样品总量的0.1%； 符合规定筛网尺寸的支撑剂量最低不 可能低于样品总量的90%； 落在底盘上的支撑剂量最大可超过1.0%。 水力压裂基础设计及现场管理 80 支撑剂尺寸筛析试验的筛网组合支撑剂尺寸筛析试验的筛网组合 规定的支撑剂尺寸，规定的支撑剂尺寸， 目目 12/2016/2020/4040/70 筛网孔径尺寸筛网孔径尺寸 m 中国中国1.6/0.91.25/0.90.9/0.450.

48、45/0.224 美国美国1.7/0.851.18/0.850.85/0.4250.425/0.212 试验用的筛网组合试验用的筛网组合 8121630 12162040 16183050 18203560 20254070 303050100 底盘底盘底盘底盘底盘底盘底盘底盘 水力压裂基础设计及现场管理 81 支撑剂的圆度和球度 1、定义 圆度：支撑剂颗粒棱角相对尖锐的程度； 球度：支撑剂颗粒接近球体形状的程度。 2、试验方法 (1) 目测比较法 在试样中任取20-30粒支撑剂颗粒； 在10-20倍显微镜下观察每一颗粒的外形，并与圆度与球度 目测图版对照比较； (2) 图象比较法 任取部分支

49、撑剂，把它们铺置成单层。然后，用胶带压在 颗粒上，使其粘上单层支撑剂颗粒； 用扫描电子显微镜或体视显微镜对粘在胶带上的颗粒放大 拍照,与标准圆度、球度图版进行比较。 水力压裂基础设计及现场管理 82 国内外支撑剂圆度和球度最低标准国内外支撑剂圆度和球度最低标准 支撑剂类别支撑剂类别 SY 5108-86标准标准API 推荐标准推荐标准 圆度圆度球度球度圆度圆度球度球度 天然石英砂天然石英砂0.50.70.60.6 人造陶粒人造陶粒0.90.90.70.7 水力压裂基础设计及现场管理 83 支撑剂的表面光滑度 1、试验方法 以测定圆度和球度的颗粒来测定支撑剂的表面光滑度； 将支撑剂颗粒置于可放大

50、60倍的体视显微镜下观察，并对 照支撑剂表面光滑度图版确定支撑剂的表面光滑度。 2、评价标准 支撑剂的表面光滑度程度分为优、中等 和差三个级别。 水力压裂基础设计及现场管理 84 支撑剂的密度 1、定义 支撑剂密度：在充满一个单位体积内支撑剂颗粒的质量。 体积密度：“充满一个单位体积”包括自身所占有的体积 以及支撑剂颗粒之间的空隙体积； 颗粒密度：“充满一个单位体积”仅指实体支撑剂或空心 支撑剂实体占有的体积。 2、评价标准 SY 5108-86标准及API推荐标准对支撑剂密度均无评价标 准。一般认为，如支撑剂的绝对密度（颗粒密度）小于 2.70属低密度范围，2.70-3.40为中等密度，大于

51、3.40则为 高密度。 水力压裂基础设计及现场管理 85 支撑剂的抗压强度 1、主要指标定义 单颗粒抗压强度：压碎单颗粒支撑剂的力与该颗粒直径平方 的比值。 群体破碎率：一定量的支撑剂在规定的压力级别下产生的低 于规定粒径尺寸下限的碎屑量与原试样总量的比值。 2、评价标准 按SY 5108-86标准规定，生产厂家出厂或入井的20/40目成品 支撑剂，其平均粒径允许的最小单颗粒抗压强度，天然石英 砂为7107，人造陶粒支撑剂为2108。 水力压裂基础设计及现场管理 86 5.4安全要求及注意事项 5.4.1距压裂施工现场20 m的范围内不能有易燃易爆的危 险品； 5.4.2压裂施工现场严禁抽烟和

52、使用明火，并做好消防准 备； 5.4.3井场布置要紧凑，高压管线不交叉、不重叠、不悬 空； 5.4.4压裂施工时，应分工明确，井口和压裂车组各部位 设专人负责，操作人员不准跨越地面压裂流程管线，其 他人员要撤出高压区20 m以外； 5.4.5压裂车安全定压超压表严禁超过Q/SY DQ0489规定 的最高限压； 水力压裂基础设计及现场管理 87 5.4.6地面压裂流程管线或设施出现渗漏或故障等异常情 况时，必须先停泵、关井、放压，然后才能进行处理； 5.4.7压裂施工时，作业机不能熄火，以备出现情况及时 处理； 5.4.8正常压裂中，无特殊情况不准进行套管放空； 5.4.9整个压裂施工过程严格控

53、制放喷量，不准随意放喷， 特使情况下须经有关部门批准，并将排出的废液放到指 定的废液容器中进行妥善的处理，避免污染环境； 5.4.10压裂完工时，关严井口阀门后才能放空、拆卸地 面压裂流程。 水力压裂基础设计及现场管理 88 5.5压裂施工中的异常情 况 5.5.1压堵 压堵原因： 加砂时混砂比过大； 加砂时混入赃物； 压裂液滤失系数大或压裂液变质； 地层裂缝发育容易脱砂。 处理方法： 立即停止加砂进行反洗井； 活动管柱以防砂卡； 反洗不通则活动开管柱后起出压裂管柱重新压裂。 水力压裂基础设计及现场管理 89 5.5.2压不开 压不开的原因 管柱堵塞； 喷砂器凡尔打不开； 施工管柱深度差错，使封隔器卡在未射孔井段； 地层岩石致密破裂压力异常； 近井地层污染严重、新井泥浆替喷不彻底，堵塞射孔炮 眼； 射孔质量不高，目的层未完全射开等。 压不开是指压裂施工中，在最高允许压