压裂技术理论及应用
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主讲人：卢云霄
中石化胜利石油管理局井下作业公司
2010.08
1
前
言
压裂酸化技术不仅仅是提高油气井产量，更是认识地层的
重要手段之一。 通过压裂酸化改造，使许多复杂区块的
地质储量得以升级和动用，在勘探试油和油气藏开发中发 挥着日益重要的作用。
近年来压裂酸化技术得到了迅速发展，在滩坝砂、砂砾岩、
储层有效渗透率、孔隙度、含油饱和度、有效厚度、储层地层压力、静态
温度；储层油水的相渗关系、流体性质（密度、粘度、压缩系数与总矿化
度等）；岩石力学性质（弹性模量、泊松比、抗压强度等）；储层就地应 力的垂向分布及水平主应力方位；遮挡层的岩性，厚度与就地应力值、井 的试油、开发生产与生产测试等资料数据。
压 裂 参数
在油藏内形成深穿透、高导流能力的裂缝，提
高油气井产量和增加勘探井可采储量，最终提
高油气田的采收率。
4
压 裂 机 理
水力压裂作业，是利用地面高压泵注设备将高粘度的流体， 以大大超过地层吸收能力的排量注入井筒，在射孔油层附近憋起
高压，当井底压力超过井壁附近地层最小主应力及岩石的抗张强
度后，在地层中形成裂缝并向前延伸。然后，利用高粘度的压裂 液携带支撑剂注入裂缝中，停止注入后，随着压裂液的快速破胶，
8
压 裂 工 艺
压裂工艺流程 压裂裂缝扩展及增产机理 压裂设计方法 压裂工艺技术 压裂测试方法
压裂施工评估方法
9
1.压裂工艺流程
压裂液罐 压裂井口
低压管汇
高压管汇
支撑裂缝
10
11
2.压裂增产机理——水力压裂裂缝增长过程
1 - Fracture initiation as pumping of fluid is started Time during fracture treatment 2 - Fracture propagation with fluid 3 – Proppant (usually sand) enters hydraulic fracture as it is suspended in the fracturing fluid Frac width 4 - Proppant advances further into the fracture as pumping continues 5 – Proppant advances further in the fracture and may reach the tip of the hydraulic fracture as fluid continues to leak into the permeable formation 6 – Pumping of the fluid/proppant mixture is stopped and fluid continues to leak away into the permeable formation
成为常规植物胶水基压裂液体系的换代产品，。
25
清洁压裂液
以粘弹性表面活性剂（VES）
为主体的粘弹性胶束结构体系。清
洁压裂液具有良好的流变性能、滤 失性能、低损害与高导流能力特性。 同时，该清洁压裂液配制简便，将 适量的VES加在盐水中，不需要使
用交联剂、破胶剂和其它添加剂，
不存在残渣，对储层伤害小，应用 前境广阔
GR 30 NPHI 180 0 RHOB 0.3 2.2 IMPH 3 0 Rocktype 70 Shale 2400 2400 Stres s (ps i) 2375 5000 10000
Half-Length K-22 210 ft
2425
2425
2450 K-25U sand
2450
K-25U 165 ft
RG 02
)is p( s s ertS 0005 0007
)is p( s uludoM
...aemreP eroP 0 5.0
)²tf/bl( erutcarF ni tnapporP fo noitartnecnoC
)ni( eliforP htdiW
0029
0029
0029
0039
0039
0039
2475 2475
2500 K-25L sand 2525
2500
K-25L 187 ft
2525
2550
2550
2575
K-30 sand
2575
K-30/35 207 ft
Proppant Concentration (lb/ft² )
2600 Mudstone 2625
2600
2625
0 25
21
压裂液分类
水基压裂液
由于水基液具有价廉、性良且易于控制等特 点，已成为应用最为广泛的压裂液。 用于稠化压裂液的聚合物之一是瓜胶。瓜胶 聚合物具有很强的亲水性，把瓜胶粉加入水中， 瓜胶的微粒将溶胀并与水化合，即瓜胶聚合物分 子与许多水分子缔合，在溶液中展开并延伸。从 而增加了溶液的粘度。因为瓜胶中仍有4-8%的水 不溶物，所以，在聚合物链上又引入了羟丙基， 制成羟丙基瓜胶。
16
3.不同类型油气藏压裂设计原则
低渗透性油藏
需要长裂缝, 但只需要低到中等的裂缝导流能力
中渗透性油藏
需要中等长度、高的裂缝导流能力
高渗透性油藏
只需要短的裂缝，但需要超高的裂缝导流能力
17
4.压裂设计目标
wkf FCD = kL wk f = 裂缝导流能力, md-m
K = 储层渗透率, md L f = 裂缝半长, m 对于 FCD > 30 可以得到无限大的裂缝导流能力，一般
0049
dna S dna S dna S dna S
0049
0049
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0059
e lahS e lahS 2 dna S 2 dna S 0069
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2 dna S 00792 d n a S
0079
0079
0079
0089
e lahS e lahS
粘度大大降低，破胶化水的压裂液沿裂缝流向井底，排出地面，
携带的支撑剂随即在裂缝中沉降，在地层中形成了具有一定长度、 宽度和高度的高导流能力的支撑裂缝。改善了地层附近流体的渗 流方式和渗流条件，扩大了渗流面积，减小了渗流阻力并解除了 井壁附近的污染，从而达到增产、增注的目的。
5
6
A-07 Design
而言，F
CD
≥2就可以满足生产需要。
18
三、压裂工艺技术
1. 压裂设计软件 FRACPRO PT、GOFEER、STIMPLAN
002 TUEN 5.0 epytkcoR 0 0029
dna S dna S dna S dna S dna S dna S dna S 0039 d n a S dna S dna S dna S dna S
中，充满泡沫的液体极大地减少了与地层接触的液量，因此在 水敏地层中泡沫液的效果良好。
27
乳化பைடு நூலகம்裂液
乳化液是两种不融和相的分散体系，如用表面活性剂稳定的水 中油或油中水。乳化基压裂液是高度粘稠溶液，具有良好的传 输性。 乳化液常因乳化剂吸附在地层岩石表面上而破乳。由于聚合物
22
水基压裂液性能试验评价
水基压裂液以有机硼交联体系为主，压裂液耐温条件达到150170℃。
23
油基压裂液
重油最初用作油基压裂液，是因为它们比水基液
对含油气地层的伤害小，油基液本身固有的粘度也
使其比水更具吸引力。但是油基液较贵，而且施工
操作较难处理，所以目前仅用于已知是对水极为敏 感的地层中。
24
清洁压裂液
常规聚合物压裂液（植物胶）由于存在较多的残渣，仅有
30%~45%瓜尔胶聚合物返排。聚合物残留在岩石裂缝表面和支撑 裂缝内，将明显影响支撑裂缝的导流能力，阻碍流体流动，从而降 低压裂改造效果。 理想的压裂液是在满足压裂造缝和携砂能力的同时，要求压裂 液实现快速彻底破胶，降低对储层的伤害，减少储层污染。在20世 纪90年代后期，新一代的压裂液体系被开发成功，在一定程度上，
0.10
0.20 50
0.30 75
0.40
0.50
0.60 125
0.70 150
0.80
0.90
1.0 200
100
175
7
压裂工艺是一个复杂的系统工程，要设计
一次压裂施工并达到预期的效果，与地质分析
（控制着区块的含油分布）、岩石力学（控制
着裂缝几何形态）、流体力学（控制着液体流 动与支撑剂在裂缝中的铺置）、化学（控制着 施工的材料性能）以及机械、材料力学等多学 科有着密切的联系。
20
压裂液
压裂液是压裂工艺技术的一个重要组成部分。主要功能是 造缝并沿张开的裂缝输送支撑剂，因此液体的粘性至关重要。
成功的压裂作业要求液体除在裂缝中具有较高的粘度外，还要
能够迅速破胶；作业后能够迅速返排；能够很好地控制液体滤 失；泵送期间摩阻较低；同时还要经济可行。
最初的压裂液为油基液；20世纪50年代末，用瓜胶增稠的水基液日见普 及。1969年，首次使用了交联瓜胶液。当时仅有约10%的压裂作业使用的是 凝胶油。目前，约有85%以上的压裂施工用的是以瓜胶或羟丙基瓜胶增稠的 水基凝胶液；凝胶油作业和酸压作业各占约5%；增能气体压裂约占10%。
页岩等储层改造中发挥了重要作用。通过压裂改造，使史 南地区、临盘基山砂岩体、正理庄油田、孤北深层气等多 个低渗透、特低渗透油气藏的储量得以探明和动用，有力 地促进了胜利油田的勘探开发。
2
一 压裂技术
二 酸化技术
3
第一部分
压 裂 技术
水力压裂技术自1947年投入现场应用以来， 经过半个多世纪的完善和发展，已经成为提高 单井产量的基本工程手段之一。压裂技术通过
• 10 > k > 0.001 md (Gas)
• 100 > k > 0.1 md (Oil) • 储层厚，含油性好 • 隔层遮挡性好 • 泄油面积大
复杂的压裂储层特性
• • • • • • k ≥ 100mD或 k ≤ 0.1 mD (Oil) k ≤0.001 mD (Gas) 储层薄，含油性差 隔层遮挡性差 透镜体油气藏 敏感性储层
地层评估 参数录取
压裂液和支 撑剂优选
不断认识地层的过程
压后评价
现场实施
软件模拟分析
14
1. 压 裂 设 计 参 数
油气井参数
压裂井的类别、井径、井下管柱（套管、油管）、井口装置、固井质量、 射孔井段的位置、射孔方式、弹型、相位角、孔密与孔眼尺寸、井下工 具规范、尺寸、额定压力，承受温度与位置。
油气层参数
裂缝破裂压力、延伸压力与闭合压力、压裂液的类型、流变性、粘温粘时 性、滤失与损害等数据、支撑剂的类型及其抗压强度、导流能力与裂缝支 撑剂层渗透率等数据、泵注排量、平均砂液比、泵注程序、压裂设备功率
及其压力极限、油藏以往压裂实践及其压裂前后生产反应的资料数据。
15
2. 压裂储层特性
理想的压裂储层特性
1
Frac length
2 3
7 – Formation closes on proppant and a conductive path remains in the reservoir
1 2
3
4 5
6
5 4 6
7
12
7
增产机理 —— 压裂井地层流体流动状态
井筒
13
二、压 裂 设 计 方 法
压裂设计优化程序
26
多相压裂液
泡沫压裂液
泡沫是一种稳定的气液混合物，用表面活性剂可使这种混合物
达到稳定。降低了表面张力。当液体从作业井中返排时，泡沫 中的承压气体（氮或二氧化碳）膨胀将液体从裂缝中驱出。泡 沫加速了支撑裂缝中液体的回收率，因此是一种用于低压储层 中的理想液体。
由于体积气体的泡沫含量高达95%，所以液相最小。在水基液
0099
001
002
003
设计软件处于世界领先技术水平
19
2.压裂液和支撑剂
在压裂施工中，压裂液的主要作用是：造缝和携砂。压裂液 与地层岩石和油藏流体要配伍并且对支撑剂渗透率伤害最小。 一般来说，压裂液体系主要包括：水基压裂液（羟丙基瓜尔 胶）、清洁压裂液、油基压裂液、泡沫压裂液（CO2或N2）以 及相应的交联剂、破胶剂和添加剂，目前胜利油田主要使用 水基压裂液。 目前胜利油田应用的压裂液以羟丙基瓜尔胶（HPG）为主，其 水不溶物含量在6.5～8%，国外羟丙基瓜尔胶（HPG）水不溶 物含量在2～4%。支撑剂包括石英砂和陶粒，目前胜利油田主 要采用陶粒支撑剂。
0089
)²t f/ b l ( n o i t art n ecn o C t n ap p o rP
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dna S dna S
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0
5 1 .0 0 3 .0 5 4 .0 0 6 .0 5 7 .0 0 9 .0
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中石化胜利石油管理局井下作业公司
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前
言
压裂酸化技术不仅仅是提高油气井产量，更是认识地层的
重要手段之一。 通过压裂酸化改造，使许多复杂区块的
地质储量得以升级和动用，在勘探试油和油气藏开发中发 挥着日益重要的作用。
近年来压裂酸化技术得到了迅速发展，在滩坝砂、砂砾岩、
储层有效渗透率、孔隙度、含油饱和度、有效厚度、储层地层压力、静态
温度；储层油水的相渗关系、流体性质（密度、粘度、压缩系数与总矿化
度等）；岩石力学性质（弹性模量、泊松比、抗压强度等）；储层就地应 力的垂向分布及水平主应力方位；遮挡层的岩性，厚度与就地应力值、井 的试油、开发生产与生产测试等资料数据。
压 裂 参数
在油藏内形成深穿透、高导流能力的裂缝，提
高油气井产量和增加勘探井可采储量，最终提
高油气田的采收率。
4
压 裂 机 理
水力压裂作业，是利用地面高压泵注设备将高粘度的流体， 以大大超过地层吸收能力的排量注入井筒，在射孔油层附近憋起
高压，当井底压力超过井壁附近地层最小主应力及岩石的抗张强
度后，在地层中形成裂缝并向前延伸。然后，利用高粘度的压裂 液携带支撑剂注入裂缝中，停止注入后，随着压裂液的快速破胶，
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压 裂 工 艺
压裂工艺流程 压裂裂缝扩展及增产机理 压裂设计方法 压裂工艺技术 压裂测试方法
压裂施工评估方法
9
1.压裂工艺流程
压裂液罐 压裂井口
低压管汇
高压管汇
支撑裂缝
10
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2.压裂增产机理——水力压裂裂缝增长过程
1 - Fracture initiation as pumping of fluid is started Time during fracture treatment 2 - Fracture propagation with fluid 3 – Proppant (usually sand) enters hydraulic fracture as it is suspended in the fracturing fluid Frac width 4 - Proppant advances further into the fracture as pumping continues 5 – Proppant advances further in the fracture and may reach the tip of the hydraulic fracture as fluid continues to leak into the permeable formation 6 – Pumping of the fluid/proppant mixture is stopped and fluid continues to leak away into the permeable formation
成为常规植物胶水基压裂液体系的换代产品，。
25
清洁压裂液
以粘弹性表面活性剂（VES）
为主体的粘弹性胶束结构体系。清
洁压裂液具有良好的流变性能、滤 失性能、低损害与高导流能力特性。 同时，该清洁压裂液配制简便，将 适量的VES加在盐水中，不需要使
用交联剂、破胶剂和其它添加剂，
不存在残渣，对储层伤害小，应用 前境广阔
GR 30 NPHI 180 0 RHOB 0.3 2.2 IMPH 3 0 Rocktype 70 Shale 2400 2400 Stres s (ps i) 2375 5000 10000
Half-Length K-22 210 ft
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RG 02
)is p( s s ertS 0005 0007
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2500 K-25L sand 2525
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K-25L 187 ft
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K-30 sand
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K-30/35 207 ft
Proppant Concentration (lb/ft² )
2600 Mudstone 2625
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压裂液分类
水基压裂液
由于水基液具有价廉、性良且易于控制等特 点，已成为应用最为广泛的压裂液。 用于稠化压裂液的聚合物之一是瓜胶。瓜胶 聚合物具有很强的亲水性，把瓜胶粉加入水中， 瓜胶的微粒将溶胀并与水化合，即瓜胶聚合物分 子与许多水分子缔合，在溶液中展开并延伸。从 而增加了溶液的粘度。因为瓜胶中仍有4-8%的水 不溶物，所以，在聚合物链上又引入了羟丙基， 制成羟丙基瓜胶。
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3.不同类型油气藏压裂设计原则
低渗透性油藏
需要长裂缝, 但只需要低到中等的裂缝导流能力
中渗透性油藏
需要中等长度、高的裂缝导流能力
高渗透性油藏
只需要短的裂缝，但需要超高的裂缝导流能力
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4.压裂设计目标
wkf FCD = kL wk f = 裂缝导流能力, md-m
K = 储层渗透率, md L f = 裂缝半长, m 对于 FCD > 30 可以得到无限大的裂缝导流能力，一般
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粘度大大降低，破胶化水的压裂液沿裂缝流向井底，排出地面，
携带的支撑剂随即在裂缝中沉降，在地层中形成了具有一定长度、 宽度和高度的高导流能力的支撑裂缝。改善了地层附近流体的渗 流方式和渗流条件，扩大了渗流面积，减小了渗流阻力并解除了 井壁附近的污染，从而达到增产、增注的目的。
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A-07 Design
而言，F
CD
≥2就可以满足生产需要。
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三、压裂工艺技术
1. 压裂设计软件 FRACPRO PT、GOFEER、STIMPLAN
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dna S dna S dna S dna S dna S dna S dna S 0039 d n a S dna S dna S dna S dna S
中，充满泡沫的液体极大地减少了与地层接触的液量，因此在 水敏地层中泡沫液的效果良好。
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乳化பைடு நூலகம்裂液
乳化液是两种不融和相的分散体系，如用表面活性剂稳定的水 中油或油中水。乳化基压裂液是高度粘稠溶液，具有良好的传 输性。 乳化液常因乳化剂吸附在地层岩石表面上而破乳。由于聚合物
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水基压裂液性能试验评价
水基压裂液以有机硼交联体系为主，压裂液耐温条件达到150170℃。
23
油基压裂液
重油最初用作油基压裂液，是因为它们比水基液
对含油气地层的伤害小，油基液本身固有的粘度也
使其比水更具吸引力。但是油基液较贵，而且施工
操作较难处理，所以目前仅用于已知是对水极为敏 感的地层中。
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清洁压裂液
常规聚合物压裂液（植物胶）由于存在较多的残渣，仅有
30%~45%瓜尔胶聚合物返排。聚合物残留在岩石裂缝表面和支撑 裂缝内，将明显影响支撑裂缝的导流能力，阻碍流体流动，从而降 低压裂改造效果。 理想的压裂液是在满足压裂造缝和携砂能力的同时，要求压裂 液实现快速彻底破胶，降低对储层的伤害，减少储层污染。在20世 纪90年代后期，新一代的压裂液体系被开发成功，在一定程度上，
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0.90
1.0 200
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压裂工艺是一个复杂的系统工程，要设计
一次压裂施工并达到预期的效果，与地质分析
（控制着区块的含油分布）、岩石力学（控制
着裂缝几何形态）、流体力学（控制着液体流 动与支撑剂在裂缝中的铺置）、化学（控制着 施工的材料性能）以及机械、材料力学等多学 科有着密切的联系。
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压裂液
压裂液是压裂工艺技术的一个重要组成部分。主要功能是 造缝并沿张开的裂缝输送支撑剂，因此液体的粘性至关重要。
成功的压裂作业要求液体除在裂缝中具有较高的粘度外，还要
能够迅速破胶；作业后能够迅速返排；能够很好地控制液体滤 失；泵送期间摩阻较低；同时还要经济可行。
最初的压裂液为油基液；20世纪50年代末，用瓜胶增稠的水基液日见普 及。1969年，首次使用了交联瓜胶液。当时仅有约10%的压裂作业使用的是 凝胶油。目前，约有85%以上的压裂施工用的是以瓜胶或羟丙基瓜胶增稠的 水基凝胶液；凝胶油作业和酸压作业各占约5%；增能气体压裂约占10%。
页岩等储层改造中发挥了重要作用。通过压裂改造，使史 南地区、临盘基山砂岩体、正理庄油田、孤北深层气等多 个低渗透、特低渗透油气藏的储量得以探明和动用，有力 地促进了胜利油田的勘探开发。
2
一 压裂技术
二 酸化技术
3
第一部分
压 裂 技术
水力压裂技术自1947年投入现场应用以来， 经过半个多世纪的完善和发展，已经成为提高 单井产量的基本工程手段之一。压裂技术通过
• 10 > k > 0.001 md (Gas)
• 100 > k > 0.1 md (Oil) • 储层厚，含油性好 • 隔层遮挡性好 • 泄油面积大
复杂的压裂储层特性
• • • • • • k ≥ 100mD或 k ≤ 0.1 mD (Oil) k ≤0.001 mD (Gas) 储层薄，含油性差 隔层遮挡性差 透镜体油气藏 敏感性储层
地层评估 参数录取
压裂液和支 撑剂优选
不断认识地层的过程
压后评价
现场实施
软件模拟分析
14
1. 压 裂 设 计 参 数
油气井参数
压裂井的类别、井径、井下管柱（套管、油管）、井口装置、固井质量、 射孔井段的位置、射孔方式、弹型、相位角、孔密与孔眼尺寸、井下工 具规范、尺寸、额定压力，承受温度与位置。
油气层参数
裂缝破裂压力、延伸压力与闭合压力、压裂液的类型、流变性、粘温粘时 性、滤失与损害等数据、支撑剂的类型及其抗压强度、导流能力与裂缝支 撑剂层渗透率等数据、泵注排量、平均砂液比、泵注程序、压裂设备功率
及其压力极限、油藏以往压裂实践及其压裂前后生产反应的资料数据。
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2. 压裂储层特性
理想的压裂储层特性
1
Frac length
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7 – Formation closes on proppant and a conductive path remains in the reservoir
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增产机理 —— 压裂井地层流体流动状态
井筒
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二、压 裂 设 计 方 法
压裂设计优化程序
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多相压裂液
泡沫压裂液
泡沫是一种稳定的气液混合物，用表面活性剂可使这种混合物
达到稳定。降低了表面张力。当液体从作业井中返排时，泡沫 中的承压气体（氮或二氧化碳）膨胀将液体从裂缝中驱出。泡 沫加速了支撑裂缝中液体的回收率，因此是一种用于低压储层 中的理想液体。
由于体积气体的泡沫含量高达95%，所以液相最小。在水基液
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设计软件处于世界领先技术水平
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2.压裂液和支撑剂
在压裂施工中，压裂液的主要作用是：造缝和携砂。压裂液 与地层岩石和油藏流体要配伍并且对支撑剂渗透率伤害最小。 一般来说，压裂液体系主要包括：水基压裂液（羟丙基瓜尔 胶）、清洁压裂液、油基压裂液、泡沫压裂液（CO2或N2）以 及相应的交联剂、破胶剂和添加剂，目前胜利油田主要使用 水基压裂液。 目前胜利油田应用的压裂液以羟丙基瓜尔胶（HPG）为主，其 水不溶物含量在6.5～8%，国外羟丙基瓜尔胶（HPG）水不溶 物含量在2～4%。支撑剂包括石英砂和陶粒，目前胜利油田主 要采用陶粒支撑剂。
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