水力冲击波压裂酸化优化设计

1、成人高等教育毕业设计（论文）题 目 水力冲击波压裂酸化优化设计 学 生指导教师 评 阅 人 教 学 站 西安石油大学继续教育学院 专 业 石油与天然气开采 完成日期 成人高等教育毕业设计（论文）任务书 年 月 日 西安石油大学成人高等教育毕业设计（论文）水力冲击波压裂酸化优化设计摘 要：在低渗透、特低渗透油层的开发中主要采用水力压裂和酸化技术改造油层，但对于地层破裂压力异常高、井温高等复杂油层，单靠常规的水力压裂和酸化技术往往难以有效压开地层。实施要求泵压很高，对压裂设备损伤很大，酸化压裂时难以将酸液挤入地层深处，大大提高了作业成本，难以达到压裂的目的。对再次挖掘开发的老油田，实施重复的水力压

2、裂和酸化压裂技术，有效期和有效率也越来越低，成本在不断加大。为此，开始了水力冲击波压裂酸化技术多元复合工艺技术的研究。水力冲击法籍助简单的装置，简易的工艺，赖以下落液柱的能量形成瞬时高压而使地层的渗流性能得到改善。同时，通过在压裂施工期间加入酸液，消除水力压裂对裂缝壁面附近地层的各类损害；消除各类机械杂质对裂缝导流能力的损害；迫使压裂液快速、合理破胶，减少压裂液残渣对裂缝壁面附近地层的各类损害和对裂缝导流能力的损害；调节压裂液的破胶时间，使裂缝闭合期间支撑剂的沉降和破胶有合理的时间匹配，从而提高裂缝的导流能力，提高产量。关键词：水力冲击波；压裂设备；酸化压裂；优化设计；酸化液目 录1 绪论 .

3、 12 水力压裂技术发展现状 . 42.1 水力压裂技术发展概况 . 43 压裂设备 . 73.1 压裂车 . 73.2 压裂、酸化泵 . 73.3 国内外压袭设备的发展趋势 . 124 水力冲击波压裂酸化优化设计 . 134.1 水力冲击波压裂酸化技术研究 . 134.1. 1 基本原理 . 134.1.2 应用情况 . 144.1.3 水力冲击压裂造缝评价 . 154.2 水力压裂复合酸化技术 . 164.3 压裂工艺优化设计 . 165 酸化液对地层适用性分析 . 195.1 酸液的组成及作用 . 195.2 砂岩酸化酸液体系 . 195.2.1 常用砂岩酸化酸液体系特点简述 . 195

4、.2.2 酸液添加剂的评价与筛选 . 215.2.3 酸化缓蚀剂的评价筛选 . 215.2.4 破乳剂的筛选 . 225.3 酸液体系的确定 . 226 结论 . 23参考文献 . 24致 谢 . 251 绪论水力压裂技术经过了近半个世纪的发展，特别是自80年代末以来，在压裂设计、压裂液和添加剂支撑剂、压裂设备和监测仪器以及裂缝检测等方面都获得了迅速的发展，使水力压裂技术在缝高控制技术、高渗层防砂压裂、重复压裂、深穿透压裂以及大砂量多级压裂等方面都出现了新的突破。现在水力压裂技术作为油水井增产增注的主要措施，已广泛应用于低渗透油气田的开发中，通过水力压裂改善了井底附近的渗流条件，提高了油井产能

5、，在美国有30%的原油产量是通过压裂获得的国内低渗油田的产量和通过水力压裂改造获得的产量也在逐渐增加，水力压裂技术的最优实施和关键性技术的突破，将给石油工业带来不可估量的前景。水力压裂技术自发展半个多世纪以来，为增加油气井产量、提高油气田开发水平作出了不可磨灭的贡献。但不是所有的压裂措施都能达到预期的增产效果，许多油气井压裂以后增产效果不理想甚至没有增产效果，其中一个重要原因就是压裂过程中压裂本身对油气层造成了损害。因此有必要对压裂过程中的裂缝损害进行研究并找出相应的解决措施。水力压裂过程中存在的损害主要包括粘土膨胀与颗粒运移损害、机械杂质引起堵塞损害、支撑裂缝导流能力的损害等。所以，要提高压

6、裂效果，可以从改进压后裂缝导流能力和提高裂缝壁面附近地层的渗透率两个方面入手，这就是要进行水力压裂复合酸化技术研究的依据。酸液体系是否合理是能否消除压裂液对裂缝壁面及支撑剂层损害的关键因素，因此也是水力压裂复合酸化技术能否取得成功的关键。本文对己有的几种酸液配方分别进行压裂液伤害的解堵效果实验，筛选出最合理有效的酸液配方，并进行了对地层的酸化效果评价和对支撑剂层的解堵效果评价。经分析对比表明，通过实验筛选出的合理的酸液配方能较好的改善裂缝壁面附近地层的渗透率和支撑裂缝的导流能力。通过酸液处理后，如果返排彻底，其导流能力可以恢复到裂缝初始导流能力。同样水力压裂技术自应用以来，已被证明是一项行之有

7、效的增产工艺技术，但是，随着压裂井(层 的开发生产，第一次产生的水力裂缝会逐渐失去作用，因此必须进行重复压裂来提高油气井的产量，以保证油气藏实现增产稳产的开发目标。所谓重复压裂是指同层的第二次或更多次的压裂。早在50年代1，国内外就已开始进行重复压裂，在美国将近30%的压裂属于重复压裂，我国则更普遍一些。受当时技术与认识水平的限制，一般认为，重复压裂是原有水力裂缝的进一步延伸或重新张开已经闭合的水力裂缝，且施工规模必须大于第一次压裂作业的24倍，才能获得与前次持平的产量，否则，重复压裂是无效的。到了80年代2中、后期，随着油气价格的变化和现代水力压裂技术的发展，国外(主要是美国 又将重复压裂作

8、为一项重要的技术研究课题，从重复压裂机制、油藏数值模拟、压裂材料、压裂设计、施工等方面进行研究攻关，获得的主要认识有：(1重复压裂的水力裂缝方位可能与第一次形成的裂缝方位有所不同，即重复压裂可能产生出新的水力裂缝；(2重复压裂应重新优选压裂材料；(3对于致密气藏，重复压裂设计的原则是增加裂缝长度，对于高渗透性气藏，则应提高裂缝的导流能力。这些研究成果获得了现场证实，如美国在阿拉斯加的KuparukRiver 油田3在380口生产井中重复压裂了185口，压后采油指数平均提高了2倍，取得了非常好的增产稳产效果。目前我国主要油田已进入中、高含水期的开发阶段，重复压裂作为老油田综合治理、控水稳油的重要

9、组成部分，急需以技术进步来克服我国重复压裂成功率低、增产量低、有效期短、科研落后于现场施工等被动局面。本文结合了胜利桩74断块油藏的特点，研究了不同含水期低渗透油藏的重复压裂技术。借助复压前油藏评估和水力裂缝诊断，对原有水力裂缝失效原因、潜力所在、改进途径进行了研究论证，提出高砂液比进行重复压裂的技术路线；使用油藏模拟、水力裂缝模拟研究了不同含水阶段对重复压裂后产油量和产水量增长幅度的影响及重复压裂设计；在先进实验室的支持下选择了适用于两油藏的重复压裂材料；并在两油藏的8口井(层 上开展了重复压裂现场试验，取得了较好的效果，其中在胜利桩74断块的3口试验井，复压8个月后已累计增产原油42510

10、t ，获得1669万元的经济效益。这些初步研究成果将进一步推动重复压裂技术研究，对注水开发老油田综合治理，实现控水稳油具有重要意义。水力压裂技术是有效开发低渗透油气藏必不可少的主要技术措施，但经过水力压裂后的油气井，在生产过程中由于种种原因可能导致水力裂缝失效对这类油气井很自然就会采取重复压裂措施以保证油气藏稳产增产、提高油气田采收率。早在五、六十年代国内外就开展了大量的重复压裂实践，但由于重复压裂开展的理论研究工作远远落后于现场要求，使重复压裂缺乏必要的、科学的、系统的理论指导，导致大量的重复压裂作业没有取得理想的效果主要表现在施工成功率低、增产效果差、增产有效期短，部分重复压裂甚至无效。我

11、国许多油气田在投入开发初期就普遍进行了压裂改造，获得了很好的开发效果。目前多数主力油气田都已进入开发中后期，重复压裂作为老油气田综合治理的技术措施，是急待解决的重大课题。本文从原有裂缝失效的可能原因与重复压裂的系统评估技术、重复压裂裂缝延伸方式及判断方法、重复压裂的选井选层原则与方法以及重复压裂裂缝延伸模拟方法等方面系统进行了研究，对于指导和实施重复压裂具有重要意义。2 水力压裂技术发展现状水力压裂就是利用地面大功率高压机泵组，以大大超过地层吸收能力的排量将高粘液体注入井中，随即在井底憋起高压而劈开地层形成裂缝；继续注入液体，促使裂缝延伸扩张，而后将带有支撑剂的液体注入地层。这样停泵卸压后即可

12、在地层中形成具有一定长度、一定宽度和高度的填砂裂缝。由于压裂形成的裂缝有很高的导流能力，有效地改善了油气层的渗流条件，为流体提供了很好的渗流通道，降低了流体渗流阻力，从而大幅度提高油、气、水井的产液、产气量或吸水能力。随着油田开发水平的提高，水力压裂技术越来越受到人们的重视。21 水力压裂技术发展概况水力压裂自1947年在美国堪萨斯州胡果顿气田试验成功以来4经过50多年的发展，不仅已成为油气井增产、水井增注的重要技术措施，而且是油藏整体开发的重要组成部分和评价认识储层的重要方法。近年来，水力压裂己广泛用于调整油气层开采中的三大矛盾、提高注水效果和加快油气田的开发速度等领域。此外，它可用于极低渗

13、透率气田的开发，使本来没有工业价值的气田成为具有相当工业储量和开发规模的大气田。如今，水力压裂技术在裂缝模型、压裂井动态预测、压裂液、支撑剂、压裂施工设备、应用领域等方面均取得了惊人的发展。压裂液方面：目前，国内压裂液已形成系列，品种达30多种，常见的水基压裂液，占90%，泡沫压裂液占约10%，油基压裂液使用很少。90年代，研制出了延迟交联技术和新型胶囊破胶剂技术，从而研制出低伤害压裂液，但如前所述，硼酸盐交联压裂液溶具有10%20%的伤害率，这对于低渗透油层乃是十分有害的，于是国外一些公司有相继研制出新型无伤害压裂液。这类压裂液的最大特点是不含聚合物绸化剂，或绸化剂浓度极低。如液态CO 2压

14、裂液就是用100%的纯液态CO 2，它具有返排彻底、无残渣、对地层无伤害等特点。再如粘弹性表面活性剂基压裂液不含聚合物而是含有一种从长链脂肪酸得来的基胺盐，这种压裂液也具有不需要破胶剂，压后返徘彻底、无伤害等特点。自进行大规模水力压裂以来，压裂液无论从单项添加剂研制、整体压裂液配方体系的形成、室内研究仪器设备和方法以及现场应用工艺技术等均发生了重大变化，特别是20世纪90年代以来，压裂液体系研究趋于完善，在压裂液化学和应用工艺技术方面又取得了许多新的突破，并在现场应用中发挥了重要作用。支撑剂方面：近年来，中等强度和高强度支撑剂发展较快，与石英砂形成了支撑剂系列，可满足不同目的的压裂要求。中等强

15、度的支撑剂有树脂包层石英砂。树脂包层支撑剂是70年代末研究出来的，80年代发展完善，目前己代替烧结铝钡土支撑剂。它有两种：固化和预固化。固化砂在地层温度下固结，这对于防止压后裂缝吐砂和防止地层出砂有一定效果；预固化砂则是在地面上已形成完好的树脂薄膜包囊，它的优点是：树脂薄膜包囊起来的砂子，增加了粒间的接触面积，提高了抵抗闭合应力的能力；树脂薄膜可将压碎的砂粒小块、粉砂包囊起来，减少了微粒的运移与堵塞孔道的机会；树脂包层砂总的体积密度比高强度人造支撑剂要低，便于悬浮，降低了对携砂液的要求。支撑剂回流一直是困扰油气采输的难题之一，也是支撑剂发展急需解决的问题。近年来，国外包胶支撑剂及支撑剂回流控制

16、技术得到了不断完善和发展。近期支撑剂的技术进展是：a 双涂层技术；b 部分固化支撑剂：c 吠喃树脂包层支撑剂；d HTL-PCP 支撑剂系统；e 支撑剂返排控制技术；f 支撑剂的优化设计。压裂监测技术的发展：近几年来，各种压裂监测设备和监测技术都得到了较大的发展。裂缝高度检测方法包括井温测量法和放射性同位素示踪法。裂缝方位和几何尺寸的主要检测方法是在裸眼井中下井下电视测量、微地震测量、无线电脉冲测量等方法对裂缝进行探测，通过传送系统在地面进行实时显示，根据图像观察和分析裂缝的方位和几何形态。裂缝模型的发展：压裂设计模型是综合岩石断裂力学和固液两相流体力学、传热学等模拟水力裂缝几何形状和参数，由

17、压裂设计模型编制的压裂设计软件己普遍应用于所有油田的压裂施工。目前国内外己提出许多种复杂程度不同的模型来预测裂缝的几何形状，大致可分为二维模型、拟三维模型、真三维模型。从二维模型到真三维模型，假设条件依次变宽，而求解的复杂度却呈几何级递增，当然模拟实际压裂的准确性也越来越高。在国外，80年代以前，压裂设计使用的主要是二维软件，进入90年代后，拟三维压裂设计软件的使用率达到了80，全三维软件和二维软件各为10%左右3，世界各主要石油服务公司已广泛应用拟三维压裂设计软件，而且己拥有比较成熟的全三维软件。目前，全三维软件由于所需的很多参数无法准确确定和需要较高档的计算工具(工作站 及较长的计算时间，

18、所以在矿场上还没有普遍使用，而主要用于评价拟三维设计软件的精确程度和一些复杂井层的施工设计。论文下节将对主要的压裂模型作简单介绍。缝高控制技术的发展：压裂过程中，当油层为薄油层或上下遮挡层为弱应力层时，压裂裂缝可能会穿透生产层进入遮挡层，达不到压裂效果，严重时甚至连通含水层造成水窜，从而导致压裂失败。因此近几年来，国内外对缝高控制技术进行了广泛的研究。目前的主要方法有：建立人工隔层控制缝高；非支撑剂液体段塞控制缝高；调整压裂液密度控制缝高；冷水水力压裂控制缝高。高砂比与端部脱砂压裂技术：由于压裂液和支撑剂的性能得到改善和提高使高砂比压裂和端部脱砂压裂成为80年代末期发展起来的两项新的压裂工艺技

19、术。高砂比压裂技术是指提高地面砂液比，使支撑裂缝的支撑剂铺置浓度增加，以提高裂缝导流能力，增加水力裂缝的流通面积，降低流体在水力裂缝中的流动阻力。一般把裂缝内单位面积的砂浓度大于10kg 的压裂称为高砂比压裂。70年代后期，由于新型聚合物的发展以及储存、传输、混合、泵送及计量装备的发展，使以提高缝内支撑剂浓度为目的的高砂比压裂迅速发展起来，第一次高砂比压裂作业的设计及施工是1976年在墨西哥州Blaco 油田地层深度1524-1829m 的一口井上进行的。目前，实验及研究己证明高砂浓度支撑裂缝在提高裂缝导流能力方面具有很大的潜力。而端部脱砂压裂技术是1987年由Smith 等人首次提出，它是一

20、种非常规的压裂技术，当裂缝达到预定的缝长时，前置液全部滤失完，这时在裂缝端部将发生脱砂(即砂堵 ，裂缝净压力急剧升高，迫使裂缝在宽度方向上发展，以获得比常规压裂宽几倍至几十倍的支撑裂缝，从而大幅度提高裂缝导流能力。该技术在疏松地层的压裂防砂、中高渗透地层压裂和老井重复压裂中得到了广泛的应用。目前，国内外高砂比与端部脱砂压裂技术还没有系统化、成熟化。3 压裂设备目前，随着国内油气田的开发与发展，对压裂设备的要求也越来越高。目前国内生产大功率、高压力、大排量的压裂设备35很不配套制造水平也较低。按照国家的有关政策，通过引进、吸收、消化和研制，我们对国外压裂设备的成套性、先进性和技术性能已基本掌握，

21、并结合自己实际研制出了105Mpa 压裂成套设备，批量生产，也为140Mpa 酸化压裂设备的研制奠定了基础。我国从1960年开始仿制压裂车到1965年自行设计制造压裂车以来，先后设计制造了SYC 500、YLC 700、YLC 850、YLC 1000和YLC 1200等各型压裂车。并研制生产了混砂车、管汇车等设备。31 压裂车我国目前生产的的压裂车型有SYC 500、YLC 700、YLC 850、YLC 1000和YLC 1200等各型压裂车，其中YLC 850、YLC 1000和YLC 1200等型能适用深井压裂。1）YLC 850型和YLC 1200型850和1200型的传动装置和压裂

22、泵结构相同。只是后者选用的柴油机功率大，所以传动的升速齿轮升速比有所提高，个别传动零件和大泵液力端个别部位的强度有所增加。2）玉门YLC 1000型玉门石油管理局井下研究所于1974年设计制造了YLC 1000型压裂车四台，1976年经改进设计，又制造了YLC 1000B 型压裂车四台。目前正在改进设计C 型。它的大泵与YLC 850型的相似，只是其冲程长，冲次低，对延长易损件寿命有好处。3.2 压裂、酸化泵压裂、酸化泵是油田进行压裂、酸化作业，提高油气产量的重要设备。随着我国油气层储量的逐渐减小，油、气井开采深度不断增加，为了提高采收率，增加油气产量，压裂技术迅速发展。近年来，随着压裂工艺的

23、不断改进，各种新型压裂液的研制成功，压裂工艺对压裂设备的要求越来越高，压裂设备对油田生产的作用越来越重要。目前的压裂作业已不仅仅是老油田中后期开发工作中的主要增产措施，对新油田的开发也起着重要作用，如先大功率、压裂后试油，先压裂后投产。压裂工艺日益强化，压裂设备向着大功率、高压、大排量、多功能、输送介质多样化方向发展。近年来，国内压裂设备的生产厂家在控制、操作、检测等方面作了很多工作，使压裂设备的性能有了较大改善。但是由于压裂设备的关键部件压裂泵的设计水平和生产技术发展较慢，国产压裂泵的品种、规格和产品质量与国外相比仍存在较大差距，国产压裂泵的性能仍难以满足现场生产的需要，严重影响了国产压裂设

24、备的大规模推广使用。随着水力压裂技术的不断改进，压裂设备愈来愈向输送高泵压、大排量、高砂比、大砂径和高酸度、大粘度的新型压裂液方向发展。为了满足这些要求，美国Hallibuton 公司在八十年代已开始研制供大规模强化压裂和深井压裂作业用的高压、高水马力液压泵压裂机组。如：HT 1000压裂泵，这种机组的工作原理是：在液缸里，增压泵以大直径活塞推动小直径活塞工作；大活塞是利用外来的液体作为动力液来推动的；动力液的进、排顺序由程序控制阀控制。该泵最大水功率为1800马力，最高泵压14OMPa ，冲程长度1524mm ，动力液压力21MPa 。液压驱动泵由于采用了长冲程、低冲次的工作方式和用液压驱动

25、代替机械驱动，可降低泵零部件的动载荷，大大提高易损件寿命和工作可靠性；排出压力波动小，大大降低了地面设备、井口装置和管柱的冲击振动；能满足深部地层和超深部地层的水力压裂需要。但由于液压驱动式压裂泵的外形尺寸大，控制系统复杂，我国较少采用。美国Hallibuton 公司、OPI 公司和罗马尼亚“IMAI”机器厂生产的压裂泵的性能，基本代表了国外压裂泵的技术发展水平。下面对这三个公司及其主要产品结构、性能作一简要介绍。1）美国Hallibuton 公司美国Hallibuton 公司是世界上规模较大，多方面为油田服务的综合性制造公司。HT 400型柱塞泵是美国Hallibuton 公司的名牌产品，它

26、的体积小，工作可靠，该泵冲程长度为203Zmm(8英寸 ，泵的总效率为085，最高冲次为275次/min。泵的动力端采用涡轮涡杆传动，传动比为86，涡轮通过一套浮动机构将动力传到曲轴上；曲轴用锻钢制造，由四个滚子轴承支承：连杆采用锻造铝合金制造，大头为剖分式，镶有剖分铸铜滑履；十字头采用锻造铝合金制造。动力端有五种尺寸规格，分别适用于五种柱塞直径。液力端由三个完全相同的单泵头组成；柱塞为空心柱塞，通过弹性杆穿过内孔与十字头相连；泵阀为双向导阀。该公司另一拳头产品HT 2000五缸泵是由HT 400型三缸泵发展而来的，后者保留了前者的优点，仅对动力端作了较大改进，同时充分考虑了零部件的通用性，因

27、此两种泵的液力端几乎所有的易损件和动力端大部份零部件均具有互换性。HT 2000型五缸泵质量功率比为32kg/kw，是目前世界上各种2000水功率车载式压裂泵中质量功率比最小、质量最轻的泵。HT 2000型五缸泵由于采用了五缸结构，大大降低了吸入和排出脉冲，压裂泵的输入端不需要安装减震器。HT 2000压裂泵机组总体设计合理，具有排量大、质量轻和振动小等优点而受到用户的青睐。但是HT 2000泵只适用于Hallibuton 公司生产的压裂泵车上，由于部分零件通用性差，尤其是配件的价格非常昂贵，油田实际使用用户不多。2 美国OPI 公司美国OPI 公司是往复泵的专业制造厂，OPIl8OOAWS

28、型压裂泵是AWS 8大系列产品中最具代表性的压裂泵，该厂已生产三百多台，我国各大油田共引进五十多台。该泵的箱体采用低碳钢焊接，经消除应力处理加工而成。箱体内装有主轴、曲轴、连杆、十字头等传动部件。该泵传动轴为一整体式齿轮轴，其斜齿人字形大齿轮分布于轴的两端；曲轴的两端装有采用铸造的斜齿人字形大齿轮，曲轴为合金钢整体锻件，经渗氮后磨削而成；曲轴及滑履上钻有通向连杆轴颈的强制润滑油道；连杆瓦采用剖分式结构。该泵额定功率为1811马力，冲程2032mm ，柱塞直径为31/3一71/2英寸，动力端减速比为1：63。该泵适用于大型压裂、酸化作业，其柱塞力可达1001kN ，相应液力端最高工作压力可达12

29、35MPa ，因而具有一定的超负荷能力，特殊情况下，该泵可在1235MPa 压力下短期工作，泵最大冲数330次/min。OPIl800AWS 型压裂泵是目前世界上功率最大的多用途常规式压裂泵。3 罗马尼亚“IMAI”机器厂罗马尼亚“IMAI”机器厂生产的ACF 700B 压裂泵，我国在六七十年代进口了很多，该泵最高工作压力686MPa ，采用泵内减速，柱塞直经100mm ，冲程240mm ，排出管名义尺寸50mm ，吸入管径125mm ，动力端减速比409，该泵为ACF 一700A 型压裂该泵虽然较ACF 700有所改进，但变化不大，设备性能较差，整车结构仍显笨重，单位水功率重量偏高，各大油田

30、己逐渐淘汰使用该泵。泵的改进型，工作能力仍较差，输出功率220kw ，仅适用于中、小型压裂酸化作业。我国压裂泵的研制工作始于60年代，经过40多年的艰苦创业，先后成功研制了50、70、85、105、120MPa 压裂泵。从结构上看，国内产品吸收了国外的优点，新产品比老产品有了较大改进，在品种、规格数量上也有了较大发展，并形成一定生产规模，局部缓解了现场生产需要。但由于我国石油机械制造业与国外相比起步较晚、基础较差，投入新产品的研制开发费用较少，从而使我国的压裂设备始终处于模仿国外同类产品的状态，这就造成了我国上述产品在品种、规格、质量和数量等方面同国外相比都还有相当大的差距，主要问题是性能落后

31、、功能不齐全；可靠性差，故障率高，易损件寿命短；没有形成标准化、系列化和型式多样化的产品结构；存在排量小、泵压上升慢；没有制定出统一的压裂酸化设备零部件标准，许多零部件不能互换、通用；还缺乏对压裂(酸化 设备关键零部件和基础件进一步的深入研制工作，直接影响了泵的使用，严重制约了国产压裂设备的发展。随着我国石油工业的发展，战略向西部转移，沙漠压裂设备、浅海滩涂压裂设备、深井、超深井压裂设备、输入特殊介质的压裂设备将会相应得到发展。国内生产压裂泵的厂家较少，主要有江汉第四石油机械厂、兰州通用机器厂和成都般发特种车辆厂。下面分别介绍这三个厂家的压裂泵生产现状。1 江汉第四石油机械厂江汉第四石油机械厂

32、隶属于中国石油天然气总公司，是中国著名的石油装备专业化制造基地。该厂从1980年开始石油钻采设备的生产研制，八十年代后期，在引进美国D S 公司和COOPER 公司的先进技术基础上，结合我国油田实际需要开发了50105MPa 共4个压力等级，包括压裂车、混砂车、仪器车、管汇车及运砂车、供液车等20多种型号的车装、橇装压裂设备，研制开发的压裂泵在国内处于领先地位。江汉第四石油机械厂生产的酸化压裂泵共有三大系列：PG 泵系列、800型泵系列、OPI1800系列。它们均是该厂在引进美国DS 公司及OPI 公司的先进设计和加工技术基础上，不断完善，发展起来的系列产品，并已成为该厂生产的各型固井压裂设备

33、的核心部件。其中PG 泵有35MPa 、50MPa 、70MPa 三种压力等级，该泵最大排量为1536kl/min，柱塞直径有9525mm 、1143mm 、127mm 三种规格，冲程长度为154mm ，最高冲次328次/min，最大水功率22OkW 该泵动力从链轮输入后，分成两股，从主动轴的两端传到曲轴的两端，改善了曲轴的受力情况，使曲轴可设计得轻巧些，同时，曲轴由直轴装上三个偏心块组成，减少了曲轴毛环的切削加工量，并使曲轴的支承可采用较小尺寸的重型滚动轴承；柱塞是实心的，刚度大，柱塞表面喷渡了一层耐磨镍合金：泵阀采用尼龙密封圈，寿命长：液力端的高强度泵头用高合金钢锻造而成的，其内壁经预应力

34、处理，提高了耐腐蚀疲劳强度。800型酸化压裂系列泵是该厂在PG 系列泵的生产技术基础上研制出的大功率柱塞泵该泵结构与PG 系列泵完全相同，共有42 MPa、50MPa 、65 MPa、70MPa 四个压力等级这一系列柱塞泵作业功率与排量较高，特别适合于6000m 井深的固井、压裂和酸化作业的需要，最高泵压为70MPa ，最大水功率380kw ，最大排量2kl/min。OPI1800系列压裂酸化泵是该厂在引进美国OPI 公司制造技术基础上生产出的大功率高压柱塞泵，其结构与OPI 泵基本一致。其压力等级共有145MPa 、125MPa 、99MPa 、80MPa 四种，主要用于压力较高的压裂作业。

35、设备有关参数如下：最高压力145MPa ，最大排量257kl/min，冲程203mm ，最大水功率112OkW 。为满足油田大、中型压裂酸化作业对成套压裂机组的需要，工厂于1995年开展压裂机组国产化研制工作。1996年，第一套国产70MPa 压裂机组(包括6台压裂车、1台混砂车、1台管汇车 研制成功，其压裂车获湖北省1998年度科技进步三等奖。该机组适用于油田深井、中深井和浅井的防砂作业，同时能够满足中深井和浅井的压裂作业。1998年，国内第一套105MPa(1800HP压裂机组(包括6台压裂车、2台混砂车、l 台仪表车 通过鉴定，并获中石化集团公司1999年度科技进步二等奖。1800型压裂

36、机组是目前油田使用最为广泛的压裂机组，既可从事深井、超深井的压裂施工作业，也可单机进行中、小型压裂等作业。2001年，国家十五重大装备国产化项目2000型成套压裂设备研制成功，在吉林油田投入运行。该套压裂设备由6台压裂车、2台混砂车、2台仪器车和1台管汇车(橇 等组成，能够满足C0：和酸化等特殊的压裂工艺要求。目前，该厂正着手研制新的压裂泵以提高该厂压裂泵总体技术水平。2）兰州通用机器厂兰州通用机器厂始建于1872年，是甘肃省近代史上第一家机械制造工厂，也是我国最早的近代机械工厂之一，1955年被国家定点生产石油机械设备，是我国最早生产压裂设备的厂家。生产的压裂设备有YLC 一1050，YLC

37、 一850，YLC 一700，YLC 一500型压裂车。虽然该厂是我国最早的石油设备生产基地，但由于在压裂泵新产品开发上投入较少，该厂压裂设备发展较慢，泵的结构主要是仿制国外产品。YLC 一1050压裂车上用的LT4169型压裂泵是目前该厂压产的最具代表的柱塞泵。下面对该泵的结构作简要介绍。LT4169压裂泵结构与DOWELLPD07型压裂泵结构基本相同，为卧式三缸单作用柱塞泵，采用泵外链条箱减速，链条箱上的减速比为19；压裂泵的动力端由泵体、泵盖、曲轴、连杆、十字头、滑套、盘根盒等零部件组成；泵体由钢板焊成：传动轴为整体式齿轮轴，其斜齿人字形齿轮分布于轴的两端，曲轴的两端装有采用铸钢制造的斜

38、齿人字形大齿轮同斜齿人字形小齿轮啮合传动；曲轴为合金钢锻件；连杆为三段式，小头为整体式，大头为剖分式结构；十字头为整体式铸件，用十字头销和连杆相连。该泵主要技术参数为：最高泵压l03MPa ，最大排量1347kl/min，水功率552kW ，最大柱塞力471ZkN ，柱塞直径有75mm 、95mm 、1016mm 三种规格，冲程203mm ，动力端减速比为464。3）成都航发特种车辆厂成都航发特种车辆厂生产的主要产品有：3PC-270和3PC-350压裂泵，两种泵均仿制罗马尼亚泵结构，主要用于SNC-400型固井车，SNC-400型洗井作业车，YLC-70型压裂车。3PC-350压裂泵最大输入

39、功率224kW ，柱塞直径100mm ，最大工作压力70MPa ，最大排量1411kl/min，柱塞行程240mm ，3PC-270最大输入功率198kW ，柱塞直径有90mm ，100mm ，115nn 。最大工作压力394MPa ，最大排量1197kl/min，水功率171kw ，柱塞行程200mm 。33 国内外压袭设备的发展趋势目前国内外压袭设备的发展趋势主要可概括为以下几点。1）提高产品适应能力，以适应我国气候、地质、地理条件差异大的工作状况；2）提高产品寿命可靠性技术；3）广泛采用电子技术，机、电、液一体化；4）产品系列成套化；5）产品规格多样化。就国外来讲产品配套从几家生产大型压

40、裂设备的公司来看，主要配套件不一定都是自己生产的， 而是他们根据用户的需求，采用最好的配套、最佳的组合来满足用户要求的。这些都值得我们借鉴。4 水力冲击波压裂酸化优化设计在低渗透、特低渗透油层的开发中主要采用水力压裂和酸化技术改造油层，但对于地层破裂压裂异常高、井温高等复杂油层，单靠常规的水力压裂和酸化技术往往难以有效压开地层。实施要求泵压很高，对压裂设备损伤很大，酸化压裂时难以将酸液挤入地层深处，大大提高了作业成本，难以达到压裂的目的。对再次挖掘开发的老油田，实施重复的水力压裂和酸化压裂技术，有效期和有效率也越来越低，成本在不断加大。为此，开始了水力冲击波压裂酸化技术多元复合工艺技术的研究。

41、41 水力冲击波压裂酸化技术研究水力冲击波压裂（酸化）技术是一种利用下落液柱的水力冲击能量使近井地带的渗流性能得到改善的油层改造方法。411 基本原理水力冲击法籍助简单的装置，简易的工艺，赖以下落液柱的能量形成瞬时高压而使地层的渗流性能得到改善。施工时用油管把发生器（图4-1）下入井内。当井口压力提高到某一确定值时（Pti=Pb-Ph+Pf式中Pb 冲击片破裂压力；Ph 水柱静压；Pf 管柱摩阻；Pti 井口压力），冲击片上方形成的稀疏波传到柱塞底部，使该井腔形成瞬时低压，结果使阀门开启，冲压室的空气顺利排出。下落的高速液柱撞击柱塞时，发生正水击，产生极高的瞬时压力。于是柱塞被推出冲压室而打击

42、井底液体，从而在欲处理井段造成显著超过岩层破裂压力的水力冲击力，形成人工裂缝，或扩大自然裂缝，继而向地层内挤进酸液，凭借酸液的溶蚀作用，使所形成的裂缝较多的较长时间地残留下来，从而达到油水井层改造的目的。图4-1 发生器示意图 412 应用情况(1 概况该工艺初期处理36口井（37井次），其中油井30口井（31井次），水井6口井（6井次）。施工情况见表4-1、表 4-2 (2 效果分析资料表明：油井平均有效率8387%，水井平均有效率667%，总有效率8108%，增产增注效果明显。冲压酸化改善了油层的渗透性，降低了施工泵压，提高了地层的吸收能力。该技术到目前共实施冲压措施103口井110井次（

43、含工艺试验70口井，77井次，推广应用33口井33井次；其中油井70口，76井次；水井33口，34井次）。累增原油105706t ，增注水89774m 3。 413 水力冲击压裂造缝评价自该技术成功应用以来，在油水井上实施了水力冲压酸化工艺，绝大多数井都有不同程度的增产增注作用。大部分井在施工过程中都有吸水指数上升的现象，一部分井有明显的压开地层的显示，但是，冲压造缝只有在取得充分的证据后才能被人们接受。为此对六口井（五口注水井、一口油井，其中三口是单独水力冲压，另外三口是水力冲压并辅以酸化）在措施前后进行了不稳定试井，从而使“水力冲压酸化工艺增产的主要因素是水力冲压作用还是酸化作用？水力冲击

44、能否压开地层造成裂缝？冲击作用与酸化作用的关系是什么？”等诸问题得到了初步解答。用不稳定试井方法分析水力冲压效果的井数目还不够多，且施工参数差别也不大，因而可以得到如下的结论。 1）水力冲压肯定可以压开地层，造成裂缝，即使不辅以酸化措施，也有一定长度和宽度的残余裂缝存在。因而有明显的增产效果。2）水力冲压在目前施工条件下，生成的残余裂缝的长度为10米左右，宽度小于05mm ，大多数井冲压后的压力恢复曲线显示了四分之一斜率直线，表明了裂缝导流能力不是无限大，裂缝宽度比较窄。3）即使辅以酸化措施，造成增产效果的主要因素仍是水力冲压。4）为了使酸化成为水力冲压必不可少的组成部分，充分发挥酸化作用的途

45、径是：增加酸液的有效作用距离，降低漏失，增大酸液对裂缝面的作用强度。42 水力压裂复合酸化技术在水力压裂过程中，压裂液不可避免地会对地层及填砂裂缝造成伤害，导致裂缝壁面渗透率降低，影响压裂效果。通过在水力压裂施工期间向裂缝中加入酸液，可以减轻甚至消除压裂液对裂缝壁面渗透率及填砂裂缝导流能力的伤害，从而提高压裂效果，增加油气井产量。水力压裂复合酸化技术的目的是解除压裂液对裂缝壁面及支撑剂层的损害，改进裂缝导流能力和提高裂缝壁面附近地层的渗透率。通过在压裂施工期间加入酸液，消除水力压裂对裂缝壁面附近地层的各类损害；消除各类机械杂质对裂缝导流能力的损害；迫使压裂液快速、合理破胶，减少压裂液残渣对裂缝

46、壁面附近地层的各类损害和对裂缝导流能力的损害；调节压裂液的破胶时间，使裂缝闭合期间支撑剂的沉降和破胶有合理的时间匹配，从而提高裂缝的导流能力，提高产量。水力压裂复合酸化技术有几个突出的特点1）酸岩反应以线形反应为主，有效酸化作用距离远远大于砂岩径向酸化作用半径。2）缓速酸液在腐蚀压裂主裂缝的同时，可能会同时疏通附近某些天然微裂缝，形成分支导流通道。3）受适用地层的岩性限制，该技术应用面较小。4.3 压裂工艺优化设计压裂优化设计遵循以下设计原则：1 对不同的压裂设计，以极大提高压后产量为目标，借助水力裂缝模拟和油藏模拟，进行压裂施工规模的优化设计。2 在以极大提高压后产量为目标的前提下，压裂设计

47、时应在确保压开目的层同时尽量减小裂缝高度的延伸。3 压裂材料的选择应满足本层段的地质条件与工艺要求，应以极大降低对地层的伤害和提高压后效果为目标。4 压裂方法立足于国内现有成熟的工艺技术及现有设备能力，施工参数应经济合理，指标先进，经努力可以实现。优化水力压裂设计技术包括以下3个方面。 1 预测裂缝长度和裂缝导流能力首先用油藏动态模拟器预测不同的裂缝长度和裂缝导流能力可望达到的油气产量，用所测得的数据建立起裂缝长度和净收益之间的关系，确定达到不同裂缝长度和导流能力所需的费用，最大限度地提高经济回收总额。最经济的压裂优化的主要因素之一是使裂缝特性和地层性质之间达到适当的平衡，一般认为渗透率高的储

48、层也需高导流能力的裂缝，但裂缝长度相对要求不太长。2 压裂参数设计影响压裂效果的因素很多，搞好压裂设计的基础是参数设计，也是压裂能否成功的先决条件。目前还不能完全人为地控制裂缝在地层中的延伸状态，但可以人为地选择适当的压裂液、支撑剂等压裂材料的类型、数量、泵入速度。准确控制储层裂缝长度、宽度、裂缝的导流能力、缝高、方位、形状等的方法目前仍处于实验阶段。优化水力压裂设计的关键参数为：支撑裂缝几何形状和导流能力，井口施工条件和生产管柱尺寸，岩石力学性质和地应力分布，压裂液粘度和滤失性，前置液和支撑剂浓度，排量和施工压力等。3 压裂数学模型设计近年来压裂设计水平的提高突出地表现在数学模型的发展和应用

49、上，人们发展和应用了水力压裂的三维数学模型。简单的二维模型，事先人为地假定了裂缝的高度，并认为裂缝的高度在压裂过程中保持不变。裂缝几何尺寸是按线弹性二维计算，流体在裂缝中的流动按一维计算。典型的二维模型有：适应裂缝长而窄，要求缝长远大于缝高的PKN 模型；适应裂缝较短较宽，要求缝高大于缝长的KGD 模型。这两种模型均不符合现场实际压裂条件。在实际的压裂过程中，缝高和缝长在同时增加，不可能保证缝高不变，所以人们开始了拟三维模型的实验研究，它是利用简化的三维裂缝模型的概念发展起来的，可以计算出裂缝在X-Y-Z 方向的三维扩展。在计算方法上采用了二维的线弹性扩展或二维的流体流动，有的采用了一维的流体

50、流动，多采用了PKN 模型作为缝长的延伸，KGD 模型作为缝高的延伸，就是利用两个二维模型计算出三维的扩展，可以近似地预测出裂缝的几何形状，现已为现场广泛采用。全(真 三维模型是根据平衡裂缝的线弹性方程和裂缝平面内的三维流体流动发展起来的。大多使用应力强度因子和裂缝前缘的几何形状，伴之以三维流体流动来模拟裂缝的延伸过程。5 酸化液对地层适用性分析51 酸液的组成及作用自1935年以来，氢氟酸就被广泛应用于酸化增产工艺，典型的砂岩油藏可能含有5085%的二氧化硅，盐酸、硫酸或硝酸等无机酸与砂岩地层中含硅量高的矿物不发生反应，而由氢氟酸酸化过的岩心薄片分析显示：氢氟酸与硅质的反应很独特。尽管氢氟酸

51、与方解石反应的亲和力与盐酸相当，但盐酸更易电离且消耗速率比氢氟酸快。由于在大多数砂岩中方解石的含量相对较少，在氢氟酸中加入盐酸将大大降低氢氟酸在方解石中的消耗，因此盐酸是氢氟酸的一个非常有效的前置液，盐酸能与方解石很快地发生反应，将地层中的粘土暴露以便于氢氟酸的选择性反应。砂岩的油气储集空间和渗流通道就是砂粒与砂粒之间未被胶结物完全充填的孔隙。对于胶结物较多或污染堵塞严重的砂岩油气层，常采用以解堵为目的的常规酸化处理，一般通常首先用盐酸溶解碳酸盐岩胶结物，然后用土酸或能在油气层中生成氢氟酸的物质(如氟硼酸 来溶解粘土、长石等铝硅酸盐矿物，其原理是通过酸液来溶解砂岩油气层之间的胶结物和部分砂粒，或溶解孔隙中的泥质堵塞物及其它结垢物，以恢复、提高井底附近油气层的渗透率。52 砂岩酸化酸液