压裂施工设备-石油工程实验教学中心

第6章压裂施工主要内容：（1）完井（2）射孔（3）压裂施工设备（4）压裂工艺方法（5）压裂施工程序及压裂后井的管理（6）支撑剂回流控制（7）质量控制与环境安全.第一节完井

完井是水力压裂施工前重要的一个环节，良好的完井条件，是水力压裂获得成功的关键因素之一，常见井的类型有：（1）直井；（2）斜井；（3）水平井；（4）多层完井；（5）多底井。不同类型的井有不同的特点，应采用不同的完井方式。需要注意的是，在考虑完井方式时，除了要考虑完井方式对油井生产的影响外，还要充分考虑完井方式对将来压裂、酸化的影响，要统筹考虑，做到既有利于当前油井的生产，又有利于今后可能的压裂酸化作业。.斜井和S型井的完井

对斜井和S型井，应弄清井筒倾角、地层就地应力场（决定裂缝方位）和可能的裂缝几何之间的关系。如果井筒与主应力方向不一致，则裂缝从井筒起始处的情况可能较为复杂，在这种情况下，裂缝不可能是一个简单的单一平面裂缝。这种方向上的误差，可能致靠近井筒的裂缝起始处为多裂缝，或使得裂缝扭转并改变方向，最后与远场最小水平应力方向相一致。问题：可能影响裂缝几何尺寸和生产能力。裂缝与井筒的联通有限，裂缝宽度剖面受到限制，在压裂施工期间，引起支撑剂堵塞和早期脱砂，在压裂施工以后，会影响到产量。.水平井和多底井的完井

水平井的有效压裂施工需要特殊的完井过程，除了通常要考虑的压力和排量以外，还必需要考虑铺砂的问题，是一直铺置到储层内部还是沿着储层铺置。为进行多次压裂施工而进行的层位隔离必须是水平井完井设计的一部分，这就需要全线注水泥，使用套管封隔器，放置永久安装的层位选择工具或可收回的层位隔离工具。多底井可以提供较好的泄油面积和利于管理，在某些情况下，可以用水平井段替换，以满足水力压裂的需要，而在另一些情况下，要达到最佳的储层泄油面积，可能需要将不同的水平井段与压裂相结合，对于这种复杂的完井，制定相应的计划是很重要的。.小眼井和单一井完井使用小眼井和单一井可以降低钻井和完井的成本，小眼井完井的生产套管口径可小到2in，这些管子既是套管，也是油管。小管径限制了一些特殊压裂用管的应用，也限制了施工压力。由于减小了井筒直径，要克服摩阻，地面施工压力就要升高，这就限制了排量和施工的规模，因而也降低了压裂施工的效率。小直径管柱也限制了井下工具的使用，即由于不能使用层位隔离工具而不能进行多层压裂施工。如果是必需要使用小眼井完井技术，那么完井设计应规定使用厚壁管作为套管，这样就能允许较高的泵入排量和较高的施工压力。

.第二节射孔

射孔孔眼为井筒和储层之间提供一种连通方式，而在压裂施工期间，射孔孔眼是裂缝和井筒之间的液体流动通道。射孔参数的选择对压裂施工的质量有很大的影响，射孔参数主要指下面几个方面：

射孔器的尺寸和类型炸药类型射孔密度压裂射孔目标：选择射孔参数，使在压裂施工和生产期间，靠近井筒的压力降落最小。

射孔相位射孔长度射孔方向.一、射孔参数设计主要考虑的问题：参数组合的产能比、套管损害情况和孔眼的力学稳定性1.资料准备①收集射孔枪、弹的基本数据②进行射孔弹穿深、孔径校正③计算钻井损害参数.2.射孔参数优选过程①建立各种储层和产层流体条件下射孔完井产能关系数学模型,获得各种条件下射孔产能比定量关系；②收集本地区、邻井和设计井有关资料和数据，用以修正模型和优化设计；③调配射孔枪、弹型号和性能测试数据；④校正各种弹的井下穿深和孔径；⑤计算各种弹的压实损害系数；⑥计算设计井的钻井损害参数；⑦计算和比较各种可能参数配合下的产能比、产量、表皮系数和套管抗挤毁能力降低系数，优选出最佳的射孔参数配合。.孔深、孔密与油井产能比关系曲线3.影响油井射孔产能的因素孔深、孔密、孔径、相位角、伤害程度、伤害深度、压实程度、压实厚度及非均质性等.相位角和各向异性与油井产能比关系曲线.孔径与油井产能比关系曲线.油井射孔压实程度与产能比关系曲线.二、射孔工艺设计射孔方式、射孔枪、弹和射孔液选择（一）射孔方式选择

电缆输送套管枪射孔

油管输送射孔(TCP)

油管输送射孔联作

电缆输送过油管射孔(TTP)

超高压正压射孔

高压喷射和喷砂射孔.射孔液对油层可能造成损害①射孔液固相颗粒损害②射孔液滤失造成损害③射孔液速敏造成损害（二）射孔枪、弹选择有枪身射孔和无枪身射孔（三）射孔液选择.①密度可调节②腐蚀性小③高温下性能稳定④无固相⑤低滤失⑥成本低、配制方便射孔液性能要求射孔液体系:①无固体清洁盐水射孔液②聚合物射孔液③油基射孔液④酸基射孔液.第三节压裂施工设备

地面动力机械设备

井下工具压裂施工设备压裂车混砂车仪表车管汇车封隔器

喷砂器

水力锚

.压裂车（泵车）

压裂车是压裂的主要设备，它的作用是向井内注入高压的压裂液，将地层压开，并把支撑剂挤入裂缝。压裂车主要由运载、动力、传动、泵体、操作面板等五大件组成。压裂泵是压裂车的工作主机。压裂泵的性能要求：必须具有压力高、功率大、耐腐蚀、抗磨等特点，并要求性能稳定、工作可靠。一、地面动力机械设备.混砂车

作用：将压裂液和支撑剂按一定比例混合后供给压裂车泵入井。要求：性能好、工作可靠、机械化程度高。输砂量一般在30~50t/h，排量达3m3/min左右。混砂车主要由供液系统、输砂系统及传动系统三部分组成。供液系统包括供液泵、混砂装置、砂泵等。.仪表车仪表车是在压裂施工时供现场工程技术人员准确、及时的掌握各种施工参数，帮助了解和判断井下施工情况，正确指导施工的特种车辆。仪表车上装有计量压裂参数的各种仪表，如计量压力、液量、排量、砂量、混砂比等的仪表装置。此外还装有扩大器、送话器等通信联络装置。.管汇车管汇是压裂时高压液流汇集通过的总机关，由高压三通、四通、单流阀、控制阀等部件组成。因为是组装在汽车上的，所以称为管汇车。管汇车要求管汇耐高压、机械强度高、适应性好。

.井场布置.二、井下工具压裂封隔器压裂封隔器是分隔井的压裂层段的主要井下工具。主要有水力压差式、水力机械式和水力压缩式等。

（a)封隔器解封状态；(b)封隔器坐封状态1－上接头；2－钢碗；3－胶筒；4－中心管；5－滤网；6－下接头.压裂喷砂器作用：一是向地层喷砂液；二是造成节流压差，保证封隔器所需的坐封压力。有弹簧式和喷嘴式两种。

1－上接头；2－调节环；3－弹簧座；4－弹簧；5－滑套；6－中心管；7，10－密封圈；8－阀；9－阀座；10－卡簧；12－加重头；13－下接头.水力锚

压裂时，为了防止因压力波动而引起的封隔器上下蠕动，避免因上、下封隔器不协调或下部封隔器损坏而引起的油管上顶，可下入水力锚来固定井下管柱，以保证施工正常进行。

水力锚的主要结构是由主体、扶正器、密封圈、外弹簧、内弹簧、锚体、扶正器套组成。当油管内加压后，随着压力上升，水力锚体开始压缩弹簧向外推移，直到水力锚体外牙与套管壁接触为止。压力越高嵌得越紧，管柱不致上下移动。卸压后，弹簧推动水力锚体，使外牙离开套管内壁，恢复到原来位置。.第四节压裂工艺方法一、选压裂井（层）的一般原则1.压裂选井的原则（1）应优先选择油气显示好，孔隙度、渗透率较高的井；（2）有油气显示，但试油结果较差的井；（3）油气层受污染或被堵塞的井；（4）注水见效区内未见效的井；（5）注水未见效区内应选择油层与注水层位一致的井；（6）储量大、连通好、开采状况差的地区的井；（7）不能满是配产配注的油水井。.2.压裂选层的原则：（1）油层要有足够的含油量，即含油饱和度要高。（2）油层要有充足的能量，即要有足够的地层压力。（3）岩石的渗透性要好，油层具有一定的地层系数（4）压裂后能在井底附近地层形成一条或数条高渗透裂缝通道。

凡属固井质量不好，井况不明和靠近油气水边界的井，均不适宜进行压裂。.二、压裂工艺方式选择合层压裂（1）油管压裂：将高压液体由油管挤入井底，适合于对自喷井压裂。（2）套管压裂：套管压裂是井内不下油管，装好井口直接进行压裂。其优点是施工简单，可以大大降低管路摩阻。但这种方法携砂能力低，一旦造成砂堵，则无法进行循环。（3）油、套管同时压裂：施工时，油管和套管出口各接几部压裂车，同时向井内注入液体，从套管加砂。这种压裂方式的优点是：利用油管泵入的液体流向改变，可以防止压裂砂下沉。一旦发生砂堵便于进行反循环冲洗。因此，油、套管同时压裂适合于深井。其缺点是施工压力受到套管强度的限制。压裂时对层组的各个小层同时进行施工，就叫合层压裂。.分层压裂（1）上提封隔器法。上提封隔器法是用两级封隔器卡住压裂层段。施工时先压下层，压完后上提至第二层，这样依次将各层压开。（2）滑套喷砂器分层压裂。滑套喷砂器分层压裂是采用自下而上直径增大的滑套，用销钉将其固定在喷砂器上堵死喷砂器孔眼。只有最下一级喷砂器不堵，压开最下层后，投球封上面一级滑套，并憋压剪断销钉，使滑套下移，露出上面一级喷砂器孔，使下面一级堵死。压开上面一层后，依次自下而上投球逐层压开，自下而上一次可分压四层。分层压裂就是多层分压或单独压开预定的层位，也叫选择性压裂。.一次压裂多条裂缝（1）塑料球封堵法。对于射孔完成的井，可以采用塑料球、尼龙核心橡胶球、铝合金球、橡胶包铅球等将已压开裂缝处的射孔孔眼暂时封堵起来，继续憋开新的裂缝。

对于厚油层，常希望多压开几条裂缝，以获得较大的增产效果。（2）暂时堵塞剂法。对于不宜用封隔器卡开可采用暂堵剂进行分层压裂。将颗粒状或纤维状堵塞剂，随同压裂液注入井中，较大的堵塞剂在缝口或缝内桥架起来，小颗粒充填于大颗粒之间，将已形成的裂缝堵住，致使地层吸水量下降，井底压力增加，而将其他部位再压开裂缝。

.定向压裂沿着地层的某一预定方位压开裂缝，称为定向压裂。

深层压裂限流压裂

深层的特点是岩石致密坚硬，闭合压力大、地温高、摩阻大。因此在压裂设备、压裂液、井下工具、支撑剂等方面遇到新的需求，一般压裂工艺难以解决这些问题。

限流法完井压裂技术是通过严格控制油层的射孔密度，并尽可能提高注入排量，使最先被压开层吸收大量压裂液面增大炮眼摩阻，造成井底压力大幅度上升，迫使注入的压裂液分流，相继压开破裂压力接近的邻近层，达到一次压裂几个层的目的。

.第五节压裂施工程序及压裂后井的管理

压裂施工就是采用合理的工艺技术和设备、工具等手段，安全、快速、优质地实现施工设计的要求。

压裂是多工序连续作业，每项工序的施工质量对整个施工效果都有直接影响，决定着施工的成败。因此，必须保证各项工序质量全优；油层情况一般都较复杂，施工前必须设想几种可能出现的情况及相应措施，由于是多工种联合作业，必须有严密的组织，以便统一指挥；由于工作压力高，必须有相应的安全措施。.一、施工准备

（1）井况调查。如井场、道路、井架、采油树、不压井装置等地面设备及设施；井内落物、试井情况（包括分层产量、见水层位、含水量、静压、流压、微井径测井资料）、油层出砂情况、井底砂面高度、压井液、水质等井下情况。（2）器材与物质准备。压裂施工井所需要的器材与物质除去一般修井作业所需设备外、还应包括压裂液、支撑剂、大罐、井下工具等。

.（3）清理井筒、下管柱、换装井口、连接管线、布置井场等。摆放车辆时应做到以下几点：安排紧凑，便于操作和施工指挥；摆放整齐，车头向外；尽量缩短压裂车到高压管汇的距离，以减轻施工时管线跳动和减小流动摩阻。

井下工具入井顺序自下而上为：筛管、定压单流阀、封隔器、水力锚、上部油管。此顺序不能错动，否则封隔器不能正常工作。一般定压单流阀应对准处理层段中部，封隔器应避开套管接箍。.（4）安全设施。压裂施工是在高压状态下进行，必须采取有力的安全措施。全部管线和井口装置要进行耐压试验，高压管线区严禁非岗位人员接近，以免管线憋爆造成人身及设备事故。使用油类易燃品做压裂液时，现场严禁明火及吸烟，关闭一切火源，备好消防车、消防砂、灭火机等灭火器材。

.二、压裂施工程序1.循环地面循环：用混砂车将压裂液由大罐打到压裂车再返回大罐，逐车逐挡循环检查地面设备是否通畅：搅拌压裂液使其温、粘均匀。井下循环：用一台压裂车小排量循环井液，检查井口及井下管柱畅通情况。

2.试压将井口总闸关死，用一台车对地面高压管线、井口及连接螺纹、活节等憋压直到破裂压力的1.2~1.5倍，保持2~3min不刺、不漏为合格。地面试压合格后，打开总闸门，先用1~2台车将井内灌满压裂液。

.3.试压投球及胀封隔器

打开投球器，投入阀球（如果无投球器则卸掉压力表接头投球）。待球落座后，憋压胀封隔器。当油压（泵压）升至9.8~14.7MPa时，套压（平衡压）仍为零，证明封隔器已膨胀，应开动平衡车向环形空间注清水平衡。保持油、套压差为14.7~24.5MPa情况下，油套压同时升高。

4.试挤挤至压力稳定为止，以检查井下工具是否正常，并掌握地层吸收指数。吸收指数代表地层形成裂缝前（或后）吸收液体的能力。它的含义是：油井在1MPa的压差下每天能吸收液体的数量。

.5.压裂在试挤压力与排量稳定后，同时启动全部车辆向井内高速泵入压裂液，使地层形成裂缝。压裂过程中的关键环节是判断裂缝是否形成，其判断方法有以下三种：

（1）根据压力与排量的变化判断。压裂施工过程中，压力上升排量随之变化呈一定比例关系。但地层压开裂缝时，出现两种情况：一是泵压迅速下降，排量上升；二是压力不变而排量上升。第一种情况比较好掌握，第二种情况由于压力变化不大，地层开始形成裂缝的突变过程不大，所以较难掌握。对于这种情况，必须待排量增加幅度较大时才能认为裂缝已形成。.（2）根据机械设备的变化判断。裂缝形成之前，由于压力高，压裂车上柴油机载荷大，发出的声音沉重，排气管发出火焰或浓烟。混砂罐里液体排量不大，翻腾较小。一旦地层被压开，开始形成裂缝时，柴油机立即改变声音，混砂罐内液体排量突然增加，形成翻腾浪花，尤其是控制供油泵出口的闸门必须马上开大，才能使液体供应得上。

（3）利用地层吸收指数的变化判断。比较施工时和试挤时的吸收指数，若发现吸收指数较快地增大，说明地层已形成裂缝。因为随裂缝面增加，地层吸收面积增大，打破了原来的排量压力比例关系。

.6.加支撑剂当地层已被压开，待压力、排量稳定以后即可加支撑剂。开始含砂比要小，控制在5%~7%左右，当判断砂子已进入裂缝，再相应提高含砂比，有时先加入70~100目的细砂，可有效的降滤失并集中压开大缝。一般含砂比可以在15%~30%左右，用高粘度压裂液，含砂比可提高到40%~50%。如果采用砂柱式加砂方式，高粘携砂液与中间顶替液交替注入。.预计加砂量全部加完后，就立即泵入顶替液，以便把井筒中的携砂液全部顶替到裂缝中去，防止余砂沉积井底形成砂卡，但如果顶替液过量，井筒附近裂缝会闭合。替挤过程中，随携砂液进入地层，井筒液体相对密度下降，泵压会上升。为使裂缝不闭合，应适当增加排量，补充因泵压上升面使排量下降的影响。7.替挤.反洗是为了防止余砂残存在井筒与封隔器卡距之内，造成砂卡;

活动管柱可加速封隔器的回收。压裂施工程序应根据油层具体情况加以调整。例如对破裂压力较高的油层，先注入少量酸液可降低施工压力，对于高温地层注压裂液前可注入一定量冷却液。

8.反洗或活动管柱各工序结束后，关井8~24h等待压力扩散。?.三、压裂井的管理油井经过压裂，油层的出油状况有了重大变化。在生产管理中应注意适应这一新的情况，使井的工作制度及其他工艺措施要与压裂后的地下状况相适应。否则，将会直接影响井的生产，降低压裂效果。（1）压裂后及时开井排出压裂液。压裂施工结束后，经过一段时间的压力扩散、压裂液水化，就应及时开井排出进入油层的压裂液，使油井正常生产。（2）选择合理的工作制度。经压裂后，油井的生产状况发生了变化，和压裂前相同的油嘴对比，压裂后一般规律是采油指数增加，见水井含水量下降。油管压力、流动压力上升。生产压差变小。因此，压裂后初开井生产时，生产压差不能过大，防止砂子倒流回井筒，掩埋油层或使井壁缝口闭合，影响出油。.（3）取全取准各项生产资料加强井的观察分析。生产中的各项数据，是油井综合分析的依据，必须定期取全取准，不放过任何一个新的变化，定期综合分析，及时采取合理的管理措施。（4）压裂井不得轻易采用压井措施。如果进行其他工艺作业不得不采用压井时，对压井液的性能要严格选择，压井后要酸处理以消除压井液对油层的损害。

.第六节支撑剂回流控制（1）强制闭合

强制闭合是泵注一停止就开始液体返排，强制闭合在理论上的好处是在孔眼处发生相反的脱砂（即裂缝闭合在低于要求的稳定圆顶上）因此，在裂缝中的支撑剂沉降以前裂缝就已经闭合了。

（2）树脂冲洗