水力压裂工艺介绍
采油工程第5章水力压裂技术
(1) 前置液：它的作用是破裂地层并造成一定几何尺寸的 裂缝以备后面的携砂液进入。在温度较高的地层里，它还可起 一定的降温作用。有时为了提高前置液的工作效率，在前置液 中还加入一定量的细砂以堵塞地层中的微隙，减少液体的滤失 (2) 携砂液:它起到将支撑剂带入裂缝中并将支撑剂填在裂 缝内预定位置上的作用。在压裂液的总量中，这部分比例很大 携砂液和其他压裂液一样，有造缝及冷却地层的作用。携砂液 由于需要携带密度很高的支撑剂，所以必须使用交联的压裂液 (如冻胶等)。 (3) 顶替液:中间顶替液用来将携砂液送到预定位置，并有 预防砂卡的作用；最后顶替液是注完携砂液后将井筒中全部携 砂液顶替到裂缝中，以提高携砂液效率和防止井筒沉砂。
乳化压裂液适用于水敏、低压地层。 其他应用的压裂液还有聚合物乳状液、酸基压裂液和醇基 压裂液等，它们都有各自的适用条件和特点，但在矿场上应用 很少。
5.3 支撑剂
支撑剂的作用在于支撑、分隔开裂缝的两个壁面，使压裂施工结束后 裂缝能够得到有效支撑，从而消除地层中大部分径向流，使井液以线性流 方式进入裂缝。水力压裂的目标是在油气层内形成足够长度的高导流能力 填砂裂缝，所以，水力压裂工程中的各个环节都是围绕这一目标选择支撑 剂类型、粒径和携砂液性能以及施工工序等。 支撑剂的性能好坏直接影响着压裂效果。填砂裂缝的导流能力是评价 压裂效果的重要指标。填砂裂缝的导流能力是在油层条件下，填砂裂缝渗 透率与裂缝宽度的乘积，导流能力也称为导流率。 5.3.1 支撑剂的性能要求 （1）粒径均匀，密度小。支撑剂的分选不好，小粒径的支撑剂会运 移到大粒径砂所形成的孔隙中，堵塞渗流通道，影响填砂裂缝导流能力， 所以对支撑剂的粒径大小和分选程度有一定的要求。 （2）强度大，破碎率小。支撑剂的强度是其性能的重要指标。水力 压裂结束后，裂缝的闭合压力作用于裂缝中的支撑剂上，当支撑剂强度比 缝壁面地层岩石的强度大时，支撑剂有可能嵌人地层里；缝壁面地层岩石
水力压裂技术
水力压裂技术
水力压裂技术是一种将深层油气藏岩石的裂缝或孔隙扩展的一种技术，用于提高储层
的孔隙度和渗透率，以提高油气产量。
水力压裂技术最初发展于 20 世纪 50 年代，其原
理是利用高压水在岩石中形成微米级岩石裂缝，从而使石油和天然气易于向外渗出和流动。
水力压裂技术通常用于地层测试或发现新的油田，也可以派生出油气勘探、开采、输送、
储存等一系列相关技术和工艺。
水力压裂技术一般包括三个基本步骤：一是在目标层位灌注高压水，从而在岩石中形
成裂缝；二是通过注入操作助剂，增大灌注压力，进而拓宽并扩大已有的裂缝；三是通过
注入填料、压裂液以及砂颗粒等助剂，保持裂缝扩大的状态，防止岩体被关闭，持续改善
储层的渗透性。
水力压裂技术具有丰富的应用前景，可以有效提高油气储层的渗透性，从而提高产量。
它相对于其他技术来说有着较高的稳定性，可以有效提高油气藏的利用率，改善储层的渗
透性。
同时，水力压裂技术安全可控，利用广泛，可作为一种全新的技术手段来提高储层
的发掘率，在现代油气开采中发挥着不可替代的作用。
第6章 水力压裂技术(20130325)
（2）破裂压力计算方法
裂缝方位： 水力裂缝总是沿着垂直于最小主应力方向延伸。 （1）σz=min(σx ,σy ,σz) 水平缝 垂直缝
（2）σx(σy)=min(σx ,σy ,σz) 方向：取决于最小主应力方向
4.破裂压力梯度
破裂压力梯度用下式表示：
地层破裂压力 油层中部深度
浅层：水平缝
2）粒径及其分布 3）支撑剂类型与铺砂浓度 4）其它因素 如支撑剂的质量、密度以及颗粒园球度等
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第四节
压裂设计的任务：
压裂设计
优选出经济可行的增产方案
压裂设计的原则：
最大限度发挥油层潜能和裂缝的作用 使压裂后油气井和注入井达到最佳状态
压裂井的有效期和稳产期长
压裂设计的方法：
根据油层特性和设备能力，以获取最大产量或经济效 益为目标，在优选裂缝几何参数基础上，设计合适的加砂 方案。
FRCD＝Wf˙Kf＝（KW）f
裂缝参数：Lf，FRCD，是最关键的因素； 最大缝宽： Wmax， Wf
4 Wmax
动态缝宽：施工过程中的裂缝宽度；～10mm 支撑缝宽：裂缝闭合后的宽度 W支；3～5mm。
一、支撑剂的要求 1.粒径均匀；
2.强度大，破碎率小； 3.圆度和球度高；
4.密度小； 5.杂质少。
(2)受地层流体压缩性控制CⅡ ：
当压裂液粘度接近油藏流体粘度时，控制压 裂液滤失的是储层岩石和流体的压缩性，这是因 为储层岩石和流体受到压缩，让出一部分空间压 裂液才得以滤失进去。
C
kCf 4.3 10 P r
3
1/ 2
s 式中： μr－地层流体粘度，mPa· ；
1 C
水力压裂工艺技术
水力压裂工艺技术汇报人：目录•水力压裂工艺技术概述•水力压裂工艺技术流程•水力压裂工艺技术要点与注意事项•水力压裂工艺技术案例与实践•水力压裂工艺技术前景与展望01水力压裂工艺技术概述定义及工作原理水力压裂工艺技术是一种利用高压水流将岩石层压裂，以释放天然气或石油等资源的开采技术。
工作原理通过在地表钻井，将高压水流注入地下岩层，使岩层产生裂缝。
随后，将砂子或其他支撑剂注入裂缝，防止裂缝闭合，从而提高岩层渗透性，便于油气资源流向井口，实现开采。
技术革新随着技术的不断发展，20世纪中后期，水力压裂工艺技术逐渐成熟，并引入了水平钻井技术，提高了开采效率。
初始阶段水力压裂工艺技术在20世纪初开始应用于石油工业，当时技术尚未成熟，应用范围有限。
现代化阶段进入21世纪，水力压裂工艺技术进一步完善，开始采用更精确的定向钻井技术和高性能支撑剂，降低了环境污染，并提高了资源开采率。
技术发展历程水力压裂工艺技术是石油工业中最重要的开采技术之一，尤其适用于低渗透油藏的开采。
石油工业水力压裂工艺技术也广泛应用于天然气领域，通过压裂岩层提高天然气产能。
天然气工业随着非常规油气资源（如页岩气、致密油等）的开采价值日益凸显，水力压裂工艺技术成为实现这些资源商业化开采的关键技术。
非常规资源开采技术应用领域02水力压裂工艺技术流程在施工前，需要对目标地层进行详细的地质评估，包括地层厚度、岩性、孔隙度、渗透率等参数，以确定最佳的水力压裂方案。
地质评估准备水力压裂所需的设备，包括压裂泵、高压管线、喷嘴、砂子输送系统等，确保设备完好、可靠。
设备准备对井口进行清理，确保井口无杂物、无阻碍，为水力压裂施工提供安全的作业环境。
井口准备施工前准备通过压裂泵将大量清水注入地层，使地层压力升高，为后续的压裂创造条件。
注水当地层压力达到一定程度时，通过喷嘴将携带有砂子的高压水射入地层，使地层产生裂缝。
压裂随着高压水的不断注入，砂子被携带进入裂缝，支撑裂缝保持开启状态，提高地层的渗透性。
第6章水力压裂
地层三维应力问题转化为二维方法处理
(2) 当 r ，a 时 x， y
r (时1 ，)(周m3i当n向) 随应r2着，力，0ax,1迅80。的2速3x增降y说y加低2y，。Hx H
明 圆max孔 壁 上90各,270。点 的3 周x y
说向明应最力小相周等向，应且力与发值生在
无限大平板中钻一圆孔的应力分布
圆孔周向应力（弹性力学）：
无方关向。上，而最大周向应 力却y 在 的方向上。
x
y
2
1
a2 r2
x
y
2
1
3a4 r4
cos2
x
11
一、油井应力状况
2.井眼内压所引起的井壁应力
压裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内压力很快升 高。井筒内压必然导致井壁上产生周向应力。根据弹性力学中 的拉梅公式(拉应力取负号)：
6
第一节 造缝机理
造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层的地应 力及其分布、岩石的力学性质、压裂液的渗滤性质及注入方式 有密切关系。
破裂压力 延伸压力
地层压力
压裂过程井底压力变化曲线
a—致密岩石 b—微缝高渗岩石
7
一、油井应力状况
(一)地应力
垂向应力：上覆层的岩石重量。
H
Z 0 S gdz
Pi
Ps
1 2 1
1 Cr
Cb
4.井壁上的最小总周向应力
在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力应为地应力、 井筒内压及液体渗滤所引起的周向应力之和：
3 y x
Pi
Pi
Ps
1 2 1
13
二、造缝条件
（一）形成垂直裂缝的条件
当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的水平方向的抗 拉强度时，岩石将在垂直于水平应力的方向上产生脆性破裂， 即在与周向应力相垂直的方向上产生垂直裂缝。造缝条件为：
水力压裂工艺技术
降低压裂液成本方法研究
新型低成本压裂液开发
01Biblioteka 研究开发新型低成本、高性能的压裂液体系，降低压裂液成本
。
重复利用压裂液
02
通过有效的压裂液回收和再利用技术，降低压裂液成本。
优化施工参数
03
通过优化施工参数，减少压裂液的消耗量，降低压裂液成本。
新型支撑剂材料开发与应用前景展望
高强度支撑剂材料
研究开发高强度、低密度的支撑 剂材料，提高裂缝的支撑能力和
重要性及应用领域
重要性
水力压裂技术对于提高油气藏的 采收率和产能具有重要意义，是 实现油田高效开发的关键技术之 一。
应用领域
水力压裂技术广泛应用于石油、 天然气、煤层气等矿产资源的开 采领域，同时也应用于地质工程 、岩土工程等领域。
02
水力压裂工艺技术原理
裂缝产生机理
01
02
03
岩石破裂
水力压裂通过高压流体作 用在岩石上，克服岩石的 抗拉强度，使其产生破裂 。
应力集中
水力压裂过程中，流体在 岩石中形成应力集中，促 使岩石产生裂缝。
裂缝扩展
一旦岩石产生裂缝，高压 流体将裂缝进一步扩展， 形成更长的裂缝。
裂缝扩展与控制方法
裂缝扩展方向控制
裂缝网络构建
通过调整压裂液的流速、压力等参数 ，控制裂缝的扩展方向。
通过多次压裂，形成复杂的裂缝网络 ，提高储层的渗透性。
03
水力压裂工艺设备与工具
压裂车组设备组成及功能
01
压裂车
用于向地下层注入高压、大排量的 压裂液，使地层产生裂缝。
仪表车
用于监测和控制压裂过程中的各项 参数，如压力、排量等。
03
第六章 水力压裂
第六章水力压裂水力压裂(hydraulic fracturing)是利用地面高压泵组，以超过地层吸液能力的排量将高粘压裂液泵入井内而在井底产生高压，当该压力超过井壁附近地应力并达到岩石抗张强度，使地层产生裂缝。
继续注入压裂液使水力裂缝逐渐延伸；随后注入带有支撑剂的混砂液，使水力裂缝继续延伸并在缝中充填支撑剂。
停泵后，由于支撑剂对裂缝壁面的支撑作用，在地层中形成足够长的、足够宽的填砂裂缝，从而实现油气井增产和注水井增注。
图6-1为水力压裂作业示意图。
水力压裂的增产增注机理主要体现在：(1) 沟通非均质性构造油气储集区，扩大供油面积；(2) 将原来的径向流改变为线性流和拟径向流，从而改善近井地带的油气渗流条件；(3) 解除近井地带污染。
水力压裂主要用于砂岩油气藏，在部分碳酸岩油气藏也得到成功应用。
图6-1 水力压裂作业示意图1—混砂车；2—砂车(罐)；3—液罐（组）；4—压裂泵车(组)；5—井口；6—压裂管柱；7—动态裂缝；8—支撑裂缝；9—压裂液；10—储层本章从水力压裂系统工程角度全面阐述压裂造缝机理、压裂液材料性能与评价方法、裂缝延伸模拟、支撑剂在裂缝中运移分布、水力压裂设计和水力裂缝诊断评估方法，并扼要介绍水力压裂技术新发展。
第一节水力压裂造缝机理水力压裂裂缝的形成和延伸是一力学行为，水力裂缝的形态与方位对于有效发挥压裂对储层的改造作用密切相关，必须掌握水力压裂的裂缝起裂与延伸过程的力学机制。
本节从地应力场分析及获取方法入手介绍水力裂缝的形成机理、造缝条件、裂缝形态与方位、破裂压力预测方法。
图6-2为水力压裂施工泵压变化的典型示意曲线。
F点对应于地层破裂压力（使地层破裂所需要的井底流体压力），E点为瞬时停泵压力（即压裂施工结束或其它时间停泵时的压力），反映裂缝延伸压力（使裂缝延伸所需要的压力），C点对应于闭合压力（即裂缝刚好能够张开或恰好没有闭合时的压力），S点为地层压力。
压裂过程中的泵压是地应力场、压裂液在裂缝中流动摩阻和井筒压力的综合作用结果。
水力压裂技术
第六章水力压裂技术一、名词解释1、水力压裂：常简称为压裂，指利用水力作用使油层形成裂缝的方法，是油气井增产、注水井增注的一项重要技术措施，不仅广泛用于低渗透油气藏，而且在中、高渗油气藏的增产改造中也取得了很好的效果。
2、地应力：指赋存于地壳岩石中的内应力。
3、地应力场：地应力在空间的分布。
4、破裂压力梯度：地层破裂压力与地层深度的比值。
5、闭合压力（应力）：使裂缝闭合的压力，理论上等于最小主应力。
6、分层压裂：分压或单独压开预定的层位，多用于射孔完成的井。
7、裂缝的方位：裂缝的延伸（扩展）方向。
8、压裂液：压裂过程中，向井内注入的全部液体。
9、水基压裂液：以水为基础介质，与各种添加剂配制而成的压裂工作液。
10、交联剂：能将溶于水中的高分子链上的活性基团以化学链连接成三维网状型的结构，使聚合物水溶液形成水基交联冻胶压裂液。
11、闭合压力：使裂缝闭合的压力，理论上等于最小主应力。
二、叙述题1、简述岩石的破坏及破坏准则。
答案要点：脆性与塑性岩石：在外力作用下破坏前总应变小于3%的岩石叫脆性岩石，总应变大于5%的岩石叫塑性岩石，总应变介于3～5%的岩石叫半脆性岩石。
岩石的破坏类型：拉伸破坏；剪切破坏；塑性流动。
其中拉伸破坏与剪切破坏主要发生在脆性岩石。
塑性流动主要发生在塑性岩石。
2、简述压裂液的作用。
答案要点：按泵注顺序和作用，压裂液可分前置液、携砂液和顶替液。
其中，携砂液是压裂液的主体液。
○1前置液的作用：造缝、降温；○2携砂液的作用：携带支撑剂、延伸造缝、冷却地层；○3顶替液的作用：中间顶替液用来将携砂液送到预定位置，并有预防砂卡的作用；注完携砂液后要用顶替液将井筒中全部携砂液替入裂缝中，以提高携砂液效率和防止井筒沉砂。
3、简述压裂液的性能及要求。
答案要点：滤失少；悬砂能力强；摩阻低；稳定性；配伍性；低残渣；易返排；货源广、便于配制、价钱便宜。
4、压裂液有哪几种类型？答案要点：水基压裂液、油基压裂液、泡沫压裂液、乳化压裂液、醇基压裂液、胶束压裂液。
水力压裂工艺技术
调整方案制定
根据评估结果，制定调整 方案，包括重新注入支撑 剂、增加裂缝长度或改变 压裂液类型等。
04
水力压裂技术的关键技术及创新 发展
支撑剂的选择与性能评价
支撑剂的材质与性能
针对不同地层条件，选择合适的支撑剂材质，如陶粒、石英砂等 ，并评估其性能，如硬度、粒径分布等。
支撑剂的表面改性
通过物理或化学方法对支撑剂表面进行改性，提高其润湿性、渗透 性和抗破碎能力。
报, 2016, 37(3): 1-10.
[2] 李四. 水力压裂设计优化 及效果评价[J]. 岩石力学与工 程学报, 2018, 37(6): 1-15.
[3] 王五. 水力压裂技术在*油 田的应用研究[J]. 地球物理学
报, 2020, 63(7): 1-12.
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井筒准备
清洗并准备井筒，包括通井、洗井等 操作，确保井筒内无杂质，为压裂作 业做好准备。
压裂液的配制与注入
01
02
03
压裂液选择
根据地质条件和目标需求 ，选择合适的压裂液，如 瓜胶、羟丙基瓜胶、石英 砂等。
压裂液配制
按照一定的比例和顺序将 压裂液的各成分混合在一 起，确保压裂液的各项性 能指标达到要求。
03
水力压裂技术的工艺流程
压裂前的准备
目标确定
明确压裂的目的和目标，如提高石油 或天然气的产量，改善井筒周围的应 力场等。
地质评估
收集并评估与目标区域相关的地质数 据，如岩石类型、地层厚度、地层破 裂压力等。
设备检查
确保压裂设备（如压裂车、混砂车等 ）处于良好的工作状态，并准备好所 需的物资和器材。
02
水力压裂技术的基本原理
第五章水力压裂技术
第五章 水力压裂技术§5—1 水力压裂力学地层中形成水力裂缝的过程与液体流动特性及岩石的力学性质有关。
水力造缝的本质是岩石在液体压力作用下的破裂与变形问题，因此造缝特性与岩石的受力及力学性质有关。
一．地应力场1．地应力场概念：地应力是由于岩石变形引起的介质内部单位面积上的作用力。
地应力场：是指地应力大小和方向在地层空间位置的分布。
2．地应力剖面概念地应力剖面是指研究地应力大小在纵向上的变化。
二．地应力的类型（1）原地应力：开发之前地应力原始大小。
（2）扰动应力：开发引起的地应力改变。
（3）构造应力：由构造运动在岩体中引起的应力。
（4）残余应力：除去外力后尚残存在岩石中的应力。
（5）重力应力：由上覆岩层的质量引起的地应力。
（6）热应力：由于地层温度发生变化在其内部引起的内应力增量。
（7）分层地应力：按地层分层给出不同的地应力。
（8）古地应力和现今地应力：某地质时期或重要地质事件前的地应力称古地应力。
目前存在或正在活动的称现今地应力。
石油工程关心的是现今地应力。
3．地应力测试1）长源距声波与密度测井方法该方法通过测井取得剖面上变化的岩石的纵波速度P υ和横波速度S υ，然后求出岩石泊松比ν的纵向变化，利用下式求出最小水平主应力σh ，而取得地应力剖面。
σh ()1P P ννσααν=-+- 4—12222212P S P S υυνυυ-=- 4—2 式中：σv —上覆层压力，通过密度测井得到。
P —地层压力；α—孔隙弹性系数，通过实验测的。
2）测试压裂方法（现场常用）测试压裂：是将不含砂的压裂液注入地层，造缝后停泵侧压力降落曲线，待曲线上出现拐点后测试结束，出现拐点时相应的压力即裂缝闭合压力，其大小与岩层中垂直于裂缝面的应力值相等，也即就是地层最小主应力。
如图4—1 所示。
上图中，产生人工裂缝后停泵，裂缝停止扩展处于临界闭合状态，闭合压力为P s 。
图4—1 水力压裂测试典型压力曲线结论：可以认为，裂缝临界闭合时，裂缝内的流体压力等于裂缝闭合的最小地应力。
第06章水力压裂
(2) 降低了井底附近地层中流体的渗流
阻力：裂缝内流体流动阻力小。
其它压裂工艺：
高能气体压裂 利用特定的发射药或推进剂在油气井的目的 层段高速燃烧,产生高温高压气体,压裂地层 形成多条自井眼呈放射状的径向裂缝,清除油 气层污染及堵塞物,有效地降低表皮系数,从 而达到油气井增产的目的的一种工艺技术。 干法压裂 利用100%的液体二氧化碳和石英砂进行压 裂,无水无任何添加剂,压后压裂液几乎完 全排出地层,可避免地层伤害。适用于对驱 替液、冻胶或表面活性剂的伤害敏感的地 层和水敏性储层。
◆韧性支撑剂 如核桃壳、铝球等
特点是变形大，承压面积大，在高闭合压力下不 易破碎 目前矿场上常用的支撑剂有两种：一是天然砂；二 是人造支撑剂（陶粒）。
(一)天然砂
主要矿物成分是粗晶石英 适用于浅层或中深层的压裂，成功率很高。 (二)人造支撑剂(陶粒) 矿物成份是氧化铝、硅酸盐和铁—钛氧化物 形状不规则，强度很高，适用于深井高闭合 压力的油气层压裂。陶粒的密度很高，特别 在深井条件下由于高温和剪切作用，对压裂 液性能的要求很高。 (三)树脂包层支撑剂 中等强度，密度小，便于携砂与铺砂。
y 应力却在
的方向上。
x
2.井眼内压所引起的井壁应力
裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内 压力很快升高。井筒内压必然导致井壁上产 生周向应力。根据弹性力学中的拉梅公式(拉 应力取负号)： 2 2 2 2 Pe re Pi ra Pe Pi re ra 2 2 2 2 2 re ra r re ra 当re=∞、Pe=0及r=ra时,井壁上的周向应力为
rห้องสมุดไป่ตู้
周向应力相等，且与 max 90 ,270。 3 x y 说明最小周向应力发生在 角度无关。
第七章 水力压裂
拉伸破坏 剪切破坏
塑性流动 主要发生在脆性岩石 主要发生在塑性岩石
Xi’an Shiyou University
Chapter 7
第一节 造缝机理 Principle of Fracture Creation
水力压裂多属于脆性破坏
只要岩石所受的最小有效主应力达到该方向的岩石抗
拉强度，岩石即发生拉伸破坏，显然产生的裂缝面总是垂 直于最小主应力方向。
应力均匀分布，若上覆岩石平均密度为2300kg/m3，孔隙弹性
常数为0.8，试计算形成垂直裂缝和水平裂缝的深度界限。 解： 让形成垂直裂缝和水平裂缝的破裂压力相等：
3 y x th z tv 1 2 1 2 2 1.94 1 1
2 r 2 r
Xi’an Shiyou University
Chapter 7
第一节 造缝机理 Principle of Fracture Creation
（2）井筒内注入高压液体所引起的井壁附加应力
,a1 pi
由于井筒内压（即井筒内液体压力）而导致的井壁
周向应力与内压大小相等，但符号相反。
2. 压裂过程中井壁上的应力 （1）钻井后井壁上的应力
Xi’an Shiyou University
第一节 造缝机理 Chapter 7 Principle of Fracture Creation x y a2 x y 3a 4 (1 2 ) (1 4 ) cos 2
Xi’an
第一节 造缝机理 Principle of Fracture Creation
4. 破裂压力梯度（破裂梯度） fracture pressure gradient 地层破裂压力与地层深度的比值。
水力压裂技术
第四章 水力压裂技术水力压裂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， 在井底憋起高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层 产生裂缝。
继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在 支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，使井达到 增产增注的目的。
水力压裂增产增注的原理主要是降低了井底附近地层中流体的渗流阻力和改变了流体的渗流状态，使原来的径向流动改变为油层流向裂缝近似性的单向流动和裂缝与井筒间的单向流 动，消除了径向节流损失，大大降低了能量消耗。
因而油气井产量或注水井注入量就会大幅 度提高。
第一节 造缝机理在水力压裂中，了解裂缝形成条件、裂缝的形态和方位等，对有效地发挥压裂在增产、 增注中的作用都是很重要的。
在区块整体压裂改造和单井压裂设计中，了解裂缝的方位对确 定合理的井网方向和裂缝几何参数尤为重要，这是因为有利的裂缝方位和几何参数不仅可以 提高开采速度，而且还可以提高最终采收率。
造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层的地应力及其分布、岩石的力学性质、压 裂液的渗滤性质及注入方式有密切关系。
图4一l 是压裂施工过程中井底压力随时间的变化曲 线。
P F 是地层破裂压力，P E 是裂缝延伸压力，P S 是地层压力。
图4一l 压裂过程井底压力变化曲线a — 致密岩石;b —微缝高渗岩石 在致密地层内，当井底压力达到破裂压力P F 后，地层发生破裂(图4—1中的a 点)，然后在较低的延伸压力P E 下，裂缝向前延伸。
对高渗或微裂缝发育地层，压裂过程中无明 显的破裂显示，破裂压力与延伸压力相近(图4—1中的b 点)。
一、油井应力状况一般情况下，地层中的岩石处于压应力状态，作用在地下岩石某单元体上的应力为垂向 主应力σZ 和水平主应力σH (σH 又可分为两个相互垂直的主应力σx ，σY )。
水力压裂工艺培训
水力压裂工艺培训1. 简介水力压裂工艺是一种通过将高压水和化学物质注入井内，从而打破岩石，释放固定在其中的天然气或石油的开采技术。
本文将介绍水力压裂工艺的基本原理、操作流程以及培训内容。
2. 基本原理水力压裂工艺依靠高压水将井口的石油或天然气储层打开，从而促进其流动性。
其基本原理如下：•压裂流体注入：高压水和特定化学物质混合后，通过注入井口进入储层。
•压力增大：压裂流体的注入使得井内压力增大，超过岩石的抗压强度。
•岩石破裂：高压水和化学物质的作用下，岩石发生裂缝形成微小的通道。
•硫化物填充：化学物质中的硫化物填充裂缝，防止其重新封闭。
•天然气或石油释放：裂缝中的储气层或储油层随之释放天然气或石油至井口。
3. 操作流程水力压裂工艺的操作流程主要包括以下几个步骤：3.1 井筒准备•井筒清理：清除井底残留物，创建良好的操作环境。
•井筒封堵：使用混凝土或钢筋等材料进行井筒封堵，以防止压裂流体泄漏至地表。
3.2 施工准备•注入井口装置：安装水泵、砂砾分离器等设备，为注入流体做准备。
•井身测量：进行必要的井身测量，判断井筒的深度和形状。
3.3 压裂操作•注入井底：将高压水和化学物质混合后，通过井口装置注入井底。
•压力监测：使用压力监测装置实时监测注入过程中的压力变化。
•断裂起始：等待注入过程中压力达到一定值，从而引发裂缝的起始。
•裂缝扩展：注入过程中，裂缝逐渐扩展，释放储层中的天然气或石油。
•压力释放：注入完毕后，逐渐减少注入压力，确保裂缝稳定。
3.4 后期处理•压裂流体回收：将压裂过程中的流体回收，并进行下一步的处理。
•压力监测：继续监测井底压力变化，判断储层开采效果。
•产能分析：分析释放的天然气或石油的产量和质量，并进行评估。
4. 培训内容水力压裂工艺的培训内容主要包括以下几个方面：4.1 基础知识培训•工艺原理：介绍水力压裂的基本原理和工作原理。
•流体组成：了解压裂流体的组成和作用。
•设备介绍：熟悉压裂过程中所使用的设备和工具。
采油工程(水力压裂)
四、运砂车 运砂车是为加砂压裂作业提供机械化运送 专用压裂配套车辆。 支撑砂的专用压裂配套车辆。运砂车还在 作业中向立式砂罐供砂或直接向混砂车 供砂。 供砂。 五、管汇车 管汇车是为压裂作业提供泵注设备的出口 和井下压裂管柱连接起来的专用井口连 接管汇。 接管汇。
压裂工艺 一、压裂选井的一般的原则 压裂增产的前提是： 的油气， 压裂增产的前提是：油层应当具备有足够 的油气，同 时还具有相对的压力梯度， 时还具有相对的压力梯度，驱使油层流体压开高渗 透裂缝后进入井内。 透裂缝后进入井内。 压裂选井的一般的原则： 压裂选井的一般的原则： 1）在油层渗透率和含油饱和度低的地区，应优先选择 ）在油层渗透率和含油饱和度低的地区， 油层显示好，地层压力高的井。 油层显示好，地层压力高的井。如果油层能量已经 枯竭，压裂增加的产量一般都不足以补充作业费用。 枯竭，压裂增加的产量一般都不足以补充作业费用。 2）油气层受污染和被堵塞的油井。 ）油气层受污染和被堵塞的油井。 3）注水见效区内未受效的油井 ） 4）储量大、连通性好、产量低的油井 ）储量大、连通性好、 5）重复压裂井 ）
压裂机械设备 一、压裂车 压裂车是压裂的主要设备。 压裂车是压裂的主要设备。作用是向井内注入高 压的压裂液，将地层压开， 压的压裂液，将地层压开，并把支撑剂挤入裂 缝。 组成：运载、动力、传动、 组成：运载、动力、传动、泵体和操作平面 二、混砂车 混砂车用来将压裂液和支持剂按一定比例混合， 混砂车用来将压裂液和支持剂按一定比例混合， 然后在供给压裂车泵入井内。 然后在供给压裂车泵入井内。 三、仪表车 仪表车是在施工时为现场工程技术人员及时提供 准确的各种施工参数， 准确的各种施工参数，帮助了解和判断井下作 业动态，正确指挥施工的专用压裂配套车辆。 业动态，正确指挥施工的专用压裂配套车辆。
水力压裂技术
压裂工艺技术 压裂工艺技术是影响压裂增产效果的
一个重要因素。对于不同特点的油气层，
必须采取与之相适应的工艺技术，才能
保证压裂设计的顺利执行和取得较好的增 产效果。
压裂方式选择 压裂方式选择是压裂工艺中的一个很重要的
内容。压裂方式的选择主要是根据地质条
件、井身状况、工艺技术水平而定。
目前常用的压裂方式有：合层压裂、分层压 裂、一次分压多层和深层压裂。
结合离子，从而改变其理化性质，或破坏其离子交换能力，或破坏双
电层离子云之间的斥力，从而达到防止粘土水合膨胀或分散迁移的效 果。
压裂液的主要添加剂
7、降阻剂。在进行深井压裂作业时，需用降阻剂降低压 裂液在注入管柱中的沿程摩擦阻力，以提高泵效。 8、降滤失剂。通过在压裂液中添加降滤失剂可以增强压
裂液造壁性能，降低液体滤失量，提高液体效率。
压裂液的性能
5、配伍性。压裂液要与地层条件下的各种岩石矿物及流体有 较好的配伍性，不应在进入地层后产生不利于油气渗流的物 理-化学反应。 6、低残渣。要尽量降低压裂液中水不溶物的数量（残渣）， 以免降低岩石及填砂裂缝的渗透率。 7、易返排。施工结束后大部分注入液体应能返排出井外，以 减少压裂液的损害。 8、货源广。价格便宜，便于配制。
低压管汇 储液罐
砂罐
混砂车
供液管汇
压裂泵车 监控车 高压管汇
压裂井口
压裂施工现场示意图
压裂增产增注机理
1、降低井底附近渗流阻力 2、改变井底附近渗流形态，使原来的径 向流动改变为油层流向裂缝近似性的单 向流和裂缝到井筒的单向流动，消除了 径向节流损失，大大降低了能量的消耗。
压裂液的定义和作用
压裂液是水力压裂改造油气层过程中的
水力压裂工艺
水力压裂工艺前言：水力压裂是油田增产、增注，保持油田稳产的一项重要工艺技术。
它利用液体传导压力的性能，在地面利用高压泵组，以大于地层吸收能力的排量将高粘度液体泵入井中，在井底憋起高压，此压力超过油层的地应力和岩石抗张强度，在地层产生裂缝，继续将带有支撑剂的携砂液注入裂缝，裂缝边得到延伸，边得到支撑。
停泵后就在油层形成了具有一定宽度的高渗透填砂裂缝，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。
水力压裂包括理论力学、材料力学、热化学、高分子化学、机械制造等多个学科。
一、压裂液压裂液的主要功能是传递能量，使油层张开裂缝并沿裂缝输送支撑剂。
其性能好坏对于能否造出一条足够尺寸、并具有足够导流能力的填砂裂缝密切相关，因此，有必要了解压裂液的特点和性能。
（一）压裂液的作用压裂液的主要作用是将地面设备的能量传递到油层岩石上，在地层形成裂缝，并携带支撑剂填充到裂缝中。
按照在压裂施工中不同阶段的作用可以分为前置液、携砂液、替挤液三种。
1、前置液；用来在地层造成裂缝，并形成一定几何形态裂缝的液体。
在高温井层中，还具有一定的降温作用。
2、携砂液：携带支撑剂进入地层，把支撑剂充填到预定位置的液体。
和前置液一样也具有造缝及冷却地层的作用。
由于携带比重较高的支撑剂，必须使用交联压裂液。
3、替挤液：把压裂管柱、地面管汇中的携砂液全部替入裂缝，以避免压裂管柱砂卡、砂堵的液体。
组成与前置液一致。
（二）压裂液的性能为确保压裂施工顺利实施，要求压裂液具有以下性能特点1、滤失性：主要取决于压裂液自身的粘度和造壁性，粘度高则滤失少。
添加防滤失剂能改善压裂液的造壁性，大大减少滤失量。
2、携砂性：指压裂液对于支撑剂的携带能力。
主要取决于液体的粘度、密度及其在管道和裂缝中的流速，粘度越高，携带能力越强。
3、降阻性：指压裂液在管道中流动时的水力摩擦阻力特性，摩阻越小，压裂设备效率越高。
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水力压裂增产机理
2、沟通油气储集区
由于地质上的非均质性，地层中有产能的地区并不一定 与井底相连通。例如：砂层中透镜体，三角洲沉积的砂 体等不一定都被井所钻穿。通过压裂所形成的人造裂缝， 可以将它们与井底沟通起来，就增加了新的供油区，大 型压裂压出的较长裂缝甚至可将几个透镜体压穿，沟通 油气储集区是压裂增产的重要原因
剖水 面平
PKN
水力裂缝模型
形
，
水 平 剖 面 为 椭 圆 形
模 型 ： 宽 度 剖 面 为
矩
GDK
水力裂缝模型
问缝按在 题内三三 进液维维 行体弹模 处流性型 理动问中
按题， 两进裂 维行缝 流考启 动虑裂
，
压裂施工过程中 净压力与时间关系
压裂工艺技术
大庆油田有限责任公司采油工艺研究院
限流法压裂技术
定位平衡压裂技术
首先建立在水平裂缝的前提下，在常规射孔井进 行水力压裂时，在一定的排量下通过节流产生压 差，使定位压裂封隔器坐封。利用定位平衡压裂 封隔器上的长胶筒和喷砂体的组合来控制压裂目 的层的裂缝形成的位置和吸液炮眼的数量，达到 裂缝定位和使目的层产生水平裂缝的目的。在需 要保护的薄夹层的邻近高含水部位装有平衡装置， 该装置只进液不进砂，使高含水层与压裂目的层 处于同一压力系统中，夹层上下压力平衡而得到 保护。通过大排量施工，依靠压裂液通过吸液炮 眼所产生的摩阻，大幅度提高井底压力，从而相 继压开破裂压力相近的各个目的层，一次施工可 压开3-5个目的层。
水力压裂原理
水力压裂造缝机理
形成水力裂缝的条件：
地应力的大小及其分布 岩石力学性质 压裂液性能 注入方式
三向主应力： σX、σY、σZ
裂缝垂直于最小主应力
水力裂缝形态：
σZ>σH σH >σZ
垂直裂缝 水平裂缝
水力压裂增产机理
1、改变流型
在压裂前，地层中的流体是径向地流向井底，压裂后由 于地层中形成了一条高导流能力的填砂裂缝，从井底延 伸至地层深处，所以流体就先单向地进入裂缝中，然后 单向地流入井底。从原来的径向流改变为单向流，就节 省了大量的能量
对于天然裂缝油藏，在于人工裂缝沟通天然裂缝
3、克服井底附近地层的污染
压裂后的裂缝可以解决井底污染所造成的低产后果。为 此目的所进行的压裂可以是小规模的，只要穿过堵塞区 的深度即可。但是对裂缝的导流能力却要求很高。因为 井底附近裂缝的渗透率矩面 形均 模 ，为 型 裂一 ： 缝椭 宽 高圆 度 度， 剖 恒垂 面 定直 及
采取低密度射孔，大排量施工，依靠压裂液通 过射孔炮眼时产生的摩阻，大幅度提高井底压 力，从而使压裂液自动转向，以相继压开破裂 压力相近的各个目的层 这项技术的关键是，根据目的地层的物性，砂 岩厚度、纵向相邻油层情况及平面上的连通关 系，确定合理的布孔方案，确定每个目的层所 射孔炮眼数量及直径，以此来控制不同油层的 处理强度，获得所需要的产液剖面
我国在五十年代起已开始进行水力压裂技术的研究，迄 今为止已取得了很好的技术成就与较高的经济效益
大庆油田1973年开始采用水力压裂作为油田增产增注的 一项重要技术措施，至今已有30年的历史。随着油田的 开发进程，针对不同时期不同对象及其对于改造技术的 不同要求，压裂工艺技术不断发展、完善和提高
水力压裂是油气井增产、水井增注的一项重要技术 措施。当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，在井底附近憋起超过井壁附近地 应力及岩石抗张强度的压力后，即在地层中形成裂缝。 随着带有支撑剂的液体注入裂缝中，裂缝逐渐向前延伸。 这样在地层中形成了足够长度一定宽度及高度的填砂裂 缝。由于它具有很高的渗滤能力，使油气能够通畅流入 井中，起到增产增注的作用
水力压裂原理
大庆油田有限责任公司采油工艺研究院
压裂技术的发展历程
1947年在美国进行了首次水力压裂增产作业，由于增产 效果十分显著，因此对压裂艺技术的研究和应用受到普 遍重视
五、六十年代，压裂主要作为单井的增产、增注措施， 以追求单井增产增注效果为目标，没有考虑实施压裂措 施后，对油田开采动态和开发效果的影响
进入九十年代以后，水力压裂逐渐成为决定低渗透油田开 发方案的主导因素。在研究制定低渗透油田开发方案时， 按水力裂缝处于有利方位确定井排方位；通过研究分析不 同井网、布井密度及裂缝匹配对各项开发指标的影响，以 提高油田整体开发效果和经济效益为目标，确定井网类型、 布井密度和压裂施工规模，使水力压裂与油藏工程结合的 更加紧密，使低渗透油田的高效开发成为可能
七十年代，进入低渗透油田的勘探开发领域，由于压裂 技术的应用，大大增加了油气的可采储量，使本来没有 工业开采价值的低渗透油气藏，成为具有相当工业储量 和开发规模的大油气田
八十年代，水力压裂已不再仅仅被孤立地作为单井的增产、 增注措施来考虑，而是与油藏工程紧密结合起来，用于调 整层间矛盾（调整产液剖面）、改善驱油效率，成为提高 动用储量、原油采收率和油田开发效益的有力技术措施
计算炮眼摩阻碍的公式为：
Ppf=
3.57Q2ρ n2d4
×106
式中：Ppf：炮眼摩阻，10-1MPa; Q: 注入排量，m3/min； ρ：压裂液密度，kg/m3 n：射孔炮眼数量； d：炮眼平均直径，mm
投球法多裂缝压裂工艺技术
可用于常规射孔井，根据压开层位吸液能力高的特点，在 一个压裂层段内压开第一层后，在低压下挤入高强度暂堵 剂将已压开层的炮眼堵住，提高泵压压开第二层，然后再 堵第二层再压第三层，这样可在一个层段内形成多条裂缝， 达到一井压多段，一段压多层，提高油井产能
其它压裂工艺技术
一、滑套式分层压裂工艺技术
滑套式分层压裂管柱由投球器、井口球阀、工作 筒和堵塞器、水力压差式封隔器、滑套喷砂器组 成。其原理是利用不压井、不放喷井口装置、井 下工作筒和堵塞器，可使压裂管柱实现不压井、 不放喷起下作业。利用井下滑套喷砂器多级开关， 自下而上实现多层压裂。当每压完一层时，从井 口投入不同直径的钢球，将滑套憋到已压开层的 喷吵器上将其水眼堵死，同时打开上一层喷砂器 的水眼，开始对上一层进行压裂，从而实现不动 管柱一次连续压多层。