压裂基础知识

压裂基础知识
压裂基础知识
一、水力压裂原理
（一）基本原理
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，便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高导流能力的填砂裂缝，使井达到增产增注的目的。

（二）增产原理
1、形成的填砂裂缝的导流能力比原地层系数大得多，可大几倍到几十倍，大大增加了地层到井筒的连通能力;
2、由原来渗流阻力大的径向流渗流方式转变为单向流渗流方式，增大了渗流截面，减小了渗流阻力;
3、可能沟通独立的透镜体或天然裂缝系统，增加新的油源;
4、裂缝穿透井底附近地层的污染堵塞带，解除堵塞，因而可以显著增加产量。

二、压裂材料
（一）压裂液
在压裂过程中注入的液体统称为压裂液，根据压裂过程中注入井内的压裂液在不同施工阶段所起的作用不同，可把压裂液分为前置液、携砂液、顶替液三种。

1、根据作用不同分类
前置液：它的作用是破裂地层并造成一定几何尺寸的裂缝，以便后面的携砂液进人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(粒径100-140目，砂比10%左右)以堵塞地层中的
微隙，减少液体的滤失。

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，必须使用交联的压裂液(如冻胶等)。

顶替液：顶替液是在加砂程序结束后，用来将携砂液全部替人裂缝中，以提高携砂液的效率和防止井筒沉砂。

2、根据类型不同分类
根据压裂液类型不同，可以将压裂液分为水基压裂液、油基压裂液、泡沫压裂液等。

（1）水基压裂液：水基压裂液是用水溶胀性聚合物(称为成胶剂)经交链剂(又叫交联剂)交链后形成的冻胶。

常用的成胶剂有植物胶(瓜尔胶、田菁、皂仁等)、纤维素衍生物(羟乙基纤维素、羧甲基轻乙基纤维素等)以及合成聚合物(聚丙烯酞胺、聚乙烯醇);交链剂有硼酸盐和钛、锆等有机金属盐等。

在施工结束后，为了使冻胶破胶还需要加入破胶剂。

常用破胶剂
有过硫酸铵、高锰酸钾和酶等。

（2）油基压裂液：对水敏性地层，使用水基压裂液会导致地层粘土膨胀影响压裂效果，对此，可使用油基压裂液。

原油或炼厂粘性成品油均可作油基压裂液，但其悬砂能力差，性能达不到要求。

目前多用稠化油，基液为原油、汽油、柴油、煤油或凝析油，稠化剂为脂肪酸皂(如脂肪酸铝皂、磷酸酯铝盐等)，最高砂比可达30%。

稠化油压裂液遇地层水后自动破胶，所以无需加入破胶剂。

油基压裂液虽然适用于水敏性地层，但受价格昂贵、施土困难和易燃等问题的影响，应用受到一定的限制。

（3）泡沫压裂液：泡沫压裂液是近十多年发展起来的用于低压低渗油气层改造的新型压裂液。

其最大特点是易于返排、滤失少以及摩阻低等。

基液多用淡水、盐水、聚合物水溶液;气相为二氧化碳、氮气、天然气;发泡剂用非离子型活性剂。

a.由于井筒气液柱的密度小，产生的气液柱重力小，压裂过程中为达到破裂压力需要较高的注入压力，因而对深度大于
2000m以上的油气层，实施泡沫压裂是困难的。

（地面泵压+静液柱压力=摩阻压力+地层压力）
b.使用泡沫压裂液的砂比不能过高，在需要注入高砂比情况下，可先用泡沫压裂液将低砂比的支撑剂带入，然后再泵入可携带高砂比支撑剂的常规压裂液。

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，但在油田上应用很少。

(二)支撑剂
支撑剂用于支撑张开的裂缝，以便在停泵和压裂液滤失后，形成一条通往井筒的导流通道。

在裂缝内铺置适宜浓度的支撑剂和选择适宜的支撑剂类型是保证水力压裂作业成功的关键。

支撑剂按其力学性质分为两大类:一类是脆性支撑剂，如石英砂、玻璃球等，特点是硬度大，变形小，在高闭合压力下易破
碎;另一类是韧性支撑剂，如核桃壳、铝球等，特点是变形大，承压面积随之加大，在高闭合压力下不易破碎。

目前常用的支撑剂有两种:一是天然砂;二是人造支撑剂(陶粒)。

此外，在压裂中曾经使用核桃壳、铝球、玻璃珠等支撑剂，由于强度、货源和价格等方面的原因，现多已淘汰。

1、天然砂（石英砂）
自从世界上第一口压裂井使用支撑剂以来，天然砂已广泛使用于浅层或中深层（1500m）的压裂中，而且都有很高的成功率。

高质量的石英砂往往都是古代的风成砂丘，在风力的搬运和筛选下沉积而成，因此石英含量高，粒径均匀，圆、球度也好。

另外，石英砂资源很丰富，价格也便宜。

天然砂的主要矿物成分是粗晶石英，在高闭合压力下会破碎成小碎片，虽然仍能保持一定的导流能力，但效果已大大下降，所以在深井中应慎重使用。

石英砂的最高使用应力为21.0-35.OMPa。

2、人造支撑剂（陶粒）
最常用的人造支撑剂是烧结铝矾土，即陶粒。

它的矿物成分是氧化铝、硅酸盐和铁一钛氧化物;形状不规则，圆度为0.65,密度为3800kg/m3，强度很高。

在70.OMPa的闭合压力下，陶粒所支撑缝的渗透率约比天然砂的高一个数量级。

因此它能适用于深井高闭合压力的油气层压裂。

陶粒的强度虽然很大，但密度也很高，给压裂施工带来一定的困难，特别是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。

为此，近年来研制了一种具有空心或多孔的陶粒，其空心体积约为30%，视密度接近于砂粒。

试验表明:这种多孔或空心陶粒的强度与实心陶粒相当，因而实现了低密度高强度的要求。

但由于空心陶粒的制作比较困难，目前现场还没有广泛使用。

3、树脂包层支撑剂（树脂砂）
树脂包层支撑剂是中等强度，低密度或高密度，能承受56.0-70.OMPa的闭合压力，适用于低强度天然砂和高强度陶粒之间强度要求的支撑剂。

其密度小，便于携砂。

它的制作方法是用树脂把砂粒包裹起来，树脂薄膜的厚度约为0.0254mm，约占总质量的5%以下。

树脂包层支撑剂可分为固化砂与预固化砂，固化砂是在地层的温度和压力下固结，这对于防止地层出砂和压裂后裂缝的吐砂有一定的效果;预固化砂则在地面上已形成完好的树脂薄膜包裹砂粒，像普通砂一样随携砂液进入裂缝。

（三）添加剂
1、交联剂
按一定比例在压裂液中加入交联剂，可以使压裂液形成冻胶，增大了液体的携砂能力。

很多金属离子都可以用来交联水溶性聚合物。

硼酸盐、钛、
锆和铝化合物等都是常用的交联剂。

硼酸盐化合物和过渡金属复合物通过半乳糖边链上的顺式¡ªOH对与胍胶和HPG反应生成复合物。

当分子重叠时，复合物便与其他聚合物反应生成交联网。

形成的新物质是聚合物分子重量的两倍。

由于每个聚合物链都有很多顺式羟基，故可在多处被交联，形成分子量极大的交联网，特别是在静态条件下，从而形成了高粘度溶液。

最简单的交联剂之一，硼酸盐离子与胍胶和HPG反应生成极具粘性的凝胶，在1490C时仍保持稳定。

当pH值大于8时，硼酸盐离子和胍胶可在瞬间形成高粘度凝胶。

2、破胶剂
破胶剂和交联剂的作用恰好相反，它的作用是使交联的液体解除交联的状态。

用粘度相对较高的压裂液把支撑剂输送到裂缝中。

把高粘度压裂液留在裂缝中将降低支撑剂充填层对油和气的渗透性，从而影响了压裂作业的效果。

使用凝胶破胶剂可降低与支撑剂
混合在一起的压裂液粘度。

破胶剂是通过把聚合物分解成小分子量的碎片来降低液体粘度的。

3、降滤失剂
控制液体滤失是有效压裂作业的关键。

降滤失剂用于减少压裂液从裂缝中向地层滤失，从而减少压裂液对地层的污染并使压裂时压力迅速提高。

压裂作业的主要目的是形成一条由产层到井筒的高导流通道。

理想情况下，降滤失剂不应当伤害地层的渗透率、裂缝面或支撑剂填充层。

但实际上，许多这类液体和添加剂都具有长期耐久性，难以从裂缝中清除。

对中渗储集层而言，限制长期产能的主要因素是支撑裂缝的导流能力，而不是地层渗透率。

因此，降滤失剂对地层面的伤害通常属次要问题。

4、杀菌剂
在水基聚合物压裂液中加入杀菌剂是为了防止因聚合物细
微降解而导致粘度下降。

用来稠化水的多糖聚合物类(蔗糖聚合物)是细菌的极佳食物源。

通过降低聚合物分子量，细菌不仅能够破坏凝胶的性能，而且还可使储层流体发酵变酸。

一旦进入储层，部分存活的细菌把硫酸盐离子还原为(H2S)硫化氢，污染储层。

5、稳定剂
稳定剂用于防止多糖聚合物凝胶在温度高于2000℉或120℃时发生降解。

常用的稳定剂为甲醇和硫代硫酸钠。

为使压裂液达到最大稳定性，必须考虑压裂液的pH值。

胍胶及其衍生物在pH值较低时发生水解，尤其是在高温中。

因此，若要求压裂液具有长期稳定性，应该使用pH值较高(为9-11)的液体。

6、表面活性剂与粘土稳定剂
表面活性剂是以低浓度吸附在两种非混相物质界面上的一
种材料。

非混相物质可以是两种液态物质，如水和油、液体和气体，或一种液态和一种固体物质。

表面活性剂进入界面，降低了界面膨胀所需的能量。

如泡沫中的表面活性剂是促进形成稳定泡沫的必要成分。

在复合乳化液中用它稳定水溶油乳化剂。

此外，表面活性剂还用作表面张力降减剂和地层调节剂，有利于清洗裂缝中压裂液。

有些杀菌剂和粘土控制剂也是表面活性剂。

粘土是平均尺寸为2um的硅氧化物和铝氧化物颗粒，呈层状排列。

当正电(铝)与负电(氧)间的电荷平衡因阳离子置换或颗粒中断而遭到破坏时，产生了带负电荷的粒子。

源于液体中的阳离子包围了粘土颗粒并且形成了带正电荷的电子云。

这样颗粒相互排斥并且易于运移。

粘土颗粒一旦分散，即可堵塞岩石中的孔隙空间从而降低渗透率。

压裂液中常用1%-3%KCL溶液作为基液以稳定粘土并防止其膨胀，除了KCL外，有机阳离子四甲基氯化铰也是一种有效
的稳定剂。

所有这些盐类都有助于维持粘土颗粒的化学环境，但不能永久性地保护。

三、压裂设备
（一）压裂车
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（底盘）、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。

现场施工时对压裂泵的技术性能要求很高，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。

绝大多数压裂车装备的压裂泵为卧式三缸或五缸单作用柱塞泵。

如图3.1为YLC105-1100型压裂车外观图（原西方压裂车）。

（二）混砂车
混砂车的作用是根据施工设计要求，将压裂液和支撑剂按一定比例混合后供给压裂车泵入井内。

所有压裂车均由混砂车供给压裂液，所以要求混砂车性能好、工作可靠、机械化程度
高。

混砂车台上设备主要由吸入排出流程、输砂系统、各种添加剂加入装置、气路液路电路控制系统等构成。

单个砂绞龙最大输砂量在3m3/min左右，混合液排量最高达10m3/min左右。

图3.2为HSC240混砂车外观图。

三、压裂设备
三、压裂设备
（三）仪表车
仪表车是压裂施工的指挥和控制中心，在压裂施工时，通过采集井口压力、液排量、液总量、砂排量、砂总量、砂比等参数，使现场人员能准确、及时地掌握各种施工参数，帮助了解和判断井下施工情况。

现场指挥人员、施工人员、泵控人员都在仪表车内对设备进行控制，仪表车能控制压裂车的运行，并通过无线对讲机与混砂车操作手及外部协调人员进行通信，对施工步骤进行协调指挥，保证施工的顺利进行。

图3.3为杰瑞公司生产的JR5140XYQ型仪表车外观。

三、压裂设备
三、压裂设备
（四）平衡车
分层压裂施工中，压裂管柱最上部封隔器的上、下压力不一样，且相差很大。

在这样的工作条件下，封隔器强度要受影响。

如果封隔器受到破坏，压裂管柱中的高压液体就会通过套管环形空间向上窜。

封隔器上部的套管压力突增，可能导致套管断裂或其他恶性事故。

另一方面，当封隔器上、下压差过大时，可能使压裂层段的高压液体通过夹层上窜，破坏夹层。

为了保护封隔器，平衡车从油套管环形空间注入一定压力的液体，平衡封隔器的部分压差，改善封隔器的工作条件。

另外，当施土中出现砂堵砂片等事故时，平衡车可立即进行反洗或反压井，排除故障。

三、压裂设备
三、压裂设备
（五）管汇车
管汇车是用来运载和吊装高压主管汇、高压硬管线（0.5m、
1m、1.5m、2m）、低压软管线（3m-10m）以及高压弯头、三通等器件的车辆。

管汇车台上有随车吊，能方便的进行各种大重量器件的吊装。

三、压裂设备
三、压裂设备
（六）液氮泵车
液氮是气井压裂中，利用氮气从井底返出井口时巨大的推动力，帮助压裂液反排。

液氮泵车是伴随压裂液或混砂液将液氮注入井内的设备。

我公司2009年引进的两台360KSCFH热回收式氮泵液氮泵车，最高液氮排量能达到0.5m3/min左右。

三、压裂设备
四、压裂相关井下工具
为实现压裂工艺要求，除了地面设备外，还必须有一套适应压裂的井下工具，这就是以井下压裂封隔器为主体的井下压裂管柱。

其中包括压裂封隔器、喷砂器、水力锚等，如后图所示。

压裂时，液体的传压作用，使封隔器胶筒张开分隔层段，
水力锚的锚体伸出紧贴套管壁，起固定管柱的作用。

油管内的压力增加到一定值时，喷砂器开启，压裂液流向目的层。

图4.1为各种井下工具在井下的结构示意图。

四、压裂相关主要井下工具
四、压裂相关井下工具
（一）封隔器
压裂封隔器是分隔井的压裂层段的主要井下工具。

各油田根据井的特点使用的压裂封隔器各有不同，主要有水力压差式、水力机械式和水力压缩式等。

现以K344-114水力压差式封隔器为例，如图4.2所示，其结构是由上接头、下接头、密封盒、钢碗、中心管、胶筒、滤网等几部分组成，其工作原理是当封隔器下入井内预定位置以后，地面泵开始向井内注入液体，使压力增高。

当液体通过封隔器的滤网而进入胶筒与中心管的环形空间时，由于液体的压力作用，促使胶筒向外扩张，直到与套管内壁接触，使油套管环形空间上下隔绝。

随着压力的增高，胶筒的密封性也越来越可靠。

四、压裂相关井下工具
四、压裂相关井下工具
（二）压裂喷砂器
喷砂器，如图4.3所示。

其作用: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。

目前有弹簧式和喷嘴式两种。

四、压裂相关井下工具
四、压裂相关井下工具
（三）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。

五、压裂施工
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。

五、压裂施工
（一）施工前的准备
1、井况调查。

如道路、井场、井架、采油树等地面设备及设施。

2、器材与物质准备。

压裂施工井所需要的器材与物质包
括压裂车组、压裂液、支撑剂、大罐或液罐车、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。

（图5.1为井场设备摆放图）
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。

五、压裂施工
五、压裂施工
（二）压裂施工程序
1、循环：一般是将清水由混砂车供给压裂车，压裂车从尾车到头车逐车循环检查，通过压力的微小变化（0.5Mpa左右）
及压裂车上水管线的振动情况来判断设备上水好不好，如果上水不好一般可以通过反复顶大泵凡尔体来解决，特殊情况下可以打开侧压盖（排气阀），用混砂车供液压力顶出泵内空气来解决。

五、压裂施工
2、试压：将井口总闸关死，用一台车对地面高压管线、井口及弯头、活节、短接等憋压，直到破裂压力的1.2-1.5倍（一般为60Mpa），保持2-3min不刺、不漏为合格。

地面试压合格后，打开总闸门。

五、压裂施工
3、试挤：以较低排量（1.0-1.5m3/min）向井内注入液体，挤至压力稳定为止，以检查井下工具是否正常。

也可以停泵后通过观察压力降低速度，大致掌握地层液体扩散情况，为正式施工时的排量调整提供参考。

五、压裂施工
4、加前置液
在试挤压力与排量稳定后，逐一启动设备，按施工设计提高排量，向井内高速泵入前置液。

前置液一般是在加砂以前使用的液量，包括压裂施工中试挤所用的液量。

前置液的任务在于建立井底压力，逐渐达到地层的破裂压力，将地层压开，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，还可以起到一定的降温作用。

设计中一般要求前置液量要达到总液量的三分之一左右。

五、压裂施工
压裂过程中的重要环节是判断裂缝是否形成，可以根据压力与排量的变化来判断。

压裂施工过程中，压力和排量变化呈一定正比例关系。

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。

五、压裂施工
前置液阶段可以加一定量的段塞(粒径为100-140目的细砂，砂比10%左右)，段塞的作用：一是可以封堵初期的细小裂缝以使主裂缝延伸的更宽更长，有利于后期的加砂；二是在炮眼摩阻较大时打磨炮眼，降低炮眼摩阻和弯曲摩阻。

五、压裂施工
5、加携砂液
按施工设计完成前置液注入后，在压力、排量比较稳定的前提下即可开始加支撑剂。

支撑剂加入的方法是从小砂比到大砂比，可以按砂排量(m3/min）、砂浓度(kg/m3)、砂比(%)、或者砂绞龙转速(L/r)来提升，提升砂排量的大小和提升的频率一般按照施工设计，但更要根据现场实际情况，根据压力曲线
的变化的趋势，凭借施工经验判断井底裂缝延伸情况，调整加砂方式。

在加砂过程中如果出现油管压力持续缓慢上涨，则一般采取加大液排量来扩大造缝速度，在压力过快上涨时，则应该立即停止加砂进行顶替。

五、压裂施工
6、顶替（替挤）
加砂完成后，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，堵塞了油气向井筒的流通通道，也叫“包饺子”。

顶替过程中，随携砂液进入地层，井筒液体相对密度下降，井筒内的液柱产生的静液柱压力降低，地层压力会降低，而泵压会相对上升。

为使裂缝不闭合，可以适当增加排量，补充因泵压上升而使排量下降的影响。

也有一种说法是在顶替的时候降低排量，使井底井筒附近在高砂比时闭合，防止过量顶替。

五、压裂施工
六、压裂施工常见问题
（一）砂堵（砂卡）
砂堵是指支撑剂停留在井筒内无法顺利进入地层的情况。

发生砂堵后可能严重影响施工质量，以及造成严重的经济损失，所以，如果不是特殊需要，尽量避免砂堵的发生。

在特殊压裂施工时以大幅度提高砂比造成砂堵，以求得井底近井附近在混砂液为大砂比的情况下闭合，使井底近井附近的裂缝宽度达到最大，使油气能更顺利地进入井筒，提高产量。

六、压裂施工常见问题
解决办法：
1、发生砂堵后，应该立即停泵，进行放喷，利用地层的压力把井筒内的含砂液吐出来。

放喷时，应注意当含砂液完全吐出来后随时关闸门，尤其是在对气井放喷时，不能让井底巨大的压力爆发出来形成井喷。

2、如果放喷无法使砂液吐出来，则用平衡车从套管打液，将含砂液从油管里反替出来。