水力压裂基础、设计及现场管理第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队目目 录录一、概述 二、水力压裂概念 2.1什么是油层水力压裂 2.2完成一口压裂施工井的几个要素 2.3压裂机理 三、水力压裂工艺 3.1压裂地面设备 3.2压裂工艺 四、压裂方案设计 4.1压裂方案设计程序 4.2压裂工艺的确定 4.3压裂液和支撑剂的选择 4.4压裂设计内容 五、压裂监督 5.1压裂现场监督程序 5.2安全要求及注意事项 5.3压裂施工中的异常情况第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队一、概述一、概述 油层水力压裂是在水驱开发油藏的过程中偶然发现的。20世纪早期，为提高油层吸水量，加大地面注 水压力，人们发现，当压力提高到一定水平后，地层吸 水量陡增，当时人们虽然不能完全解释这一现象，但已 把它作为一项增注技术在矿场大量应用。当后来逐渐认 识到高压下吸水量陡增是地层被压开裂缝的结果后，又 进行了把细粉砂在高压下随注入水带进地层裂缝，以实 现一般压力下提高注水量的试验，这就是油层水力压裂 的雏形。第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队近三十年来，压裂技术得到快速发展，取得了众多科研成果，形成适用于不同温度条件的压裂液体系 、适合不同闭合压力条件的支撑剂系列，研制出高性能 的施工设备，创建了新的设计模型和分析、诊断方法， 使压裂工艺技术日趋完善，现已成为油田开发过程中不 可缺少的一项采油工艺技术。大庆油田自1973年应用水力压裂以来，工艺技术不断创新，设备工具不断完善，下井原材料性能不断 改进，应用效果不断提高，目前已达到了国内油层压裂 行业的先进水平，为油田实现各阶段的开发目标，作出 了巨大贡献。第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队压裂方式经历了笼统压裂、分层压裂，压裂工艺由最初的滑套式分层压裂，发展到目前适应各种井况和地层条件的选择性压裂、多裂缝压裂、限流法完井压裂、平衡限流法压裂、定位平衡压裂工艺、水平缝端部脱砂压裂、热化学压裂工艺、水平井压裂、斜直井压裂、小井眼压裂工艺、高能气体复合压裂、CO2泡沫压裂等13套工艺技术。1、工艺技术方面 第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队由初期的水泥车，人工加砂，发展到目前机械混砂、自动控制的1000型及2000型压裂车组。工具方面，先后研制了水力压差式封隔器、水力压缩式封隔器、导压喷砂器、分层滑套装置及井口投球装置、地面投蜡球管汇、不压井不放喷井口控制装置等。管柱方面，由初期的光油管喇叭口，发展到分层滑套、可反洗、外围、气井、小井眼等压裂管柱。 2、设备方面 第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队压裂液由初期的清水、原油，发展到海藻、田箐 、胍胶、香豆、魔芋、泡沫、高聚物等，支撑剂由石英砂 发展到陶粒、树脂砂以及核桃壳等。 3、下井原材料方面 另外，在压裂机理研究、设计软件开发方面也都取 得了长足进步。总之，经过多年的努力，我们的油层压裂技术水平 得到较大提高，同时也取得了较好的应用效果，据统计，自 73年压裂工艺在大庆油田工业化生产以来，共压裂油、水、 气井3万多口，占油田总完钻井数的70%以上，压后当年累积 增油5000104t,累计增注2460.2887104m3,为油田高产稳 产做出了突出贡献。 第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队二、水力压裂概念二、水力压裂概念油层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，随即在井底附近憋起高压。当压力超过井壁附近地应力及岩石抗张强度后，在地层中形成裂缝。继续将带有支撑剂（一般为石英砂）的压裂液注入裂缝，使裂缝向前延伸，并在裂缝中填充支撑剂。这样，在停泵后即可在地层中形成足够长度、一定宽度及高度的填砂裂缝。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。2.1什么是油层水力压裂第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队水力压裂分类 笼统压裂分层压裂机械分层压裂填砂压裂桥塞压裂封隔器压裂水力压裂第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队水力压裂工艺流程 循环试挤压裂加砂替挤扩散压力施工结束第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队压裂施工时液体的流动过程压裂液储罐地面管线井口管汇加压泵混砂装置 支撑剂储罐射孔炮眼油套环空喷砂器井下管线地层第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队施工设备由地面设备和压裂车组两部分组成。地面设备包括压裂管汇、蜡球管汇、压裂井口装置；压裂车组包括泵车、混砂车、罐车（液罐车、砂罐车、添加剂罐车）、仪表车、水泥车。2.2完成一口压裂施工井的几个要素2.2.1施工设备 第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队施工管柱由油管和下井工具（封隔器、喷砂器 ）组成，其作用：一是为传送施工压力提供通道；二是 实现分层。目前应用的施工管柱有普通滑套式分层压裂 管柱、高砂比管柱、外围压裂管柱。 2.2.2施工管柱 第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队普通滑套式管柱名称封隔器 K344-114喷 甲喷 乙喷 丙长度905640640640最大外径114114114114通径58413753管柱工 作压力 MPa管柱工 作温度喷砂器 过砂量 m3最高 砂比%适用套 管内径 mm40501445124使用条件工具参数第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队名称Y344-114 封隔器导压 喷砂器喷咀长度(mm)1161660300最大外径(mm)11411295最小通径(mm)542525工具参数外围深井压裂管柱： 工作 压力 MPa工作温 度喷砂器 过砂量 m3最高 砂比 %适用 套管 内径 mm5590606512 4使用条件第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队包括压裂液和支撑剂两部分。压裂液的主要作用一是造缝，二是携砂。目前常用的压裂液有田菁胶和胍胶。田菁胶主要用于老区基础井网压裂井，胍胶和改性胍胶主要应用于老区二三次加密井和外围低渗透油藏压裂井。支撑剂的作用是支撑裂缝，增加裂缝的导流能力。目前常用的支撑剂有石英砂和陶粒两种。2.2.3下井原材料 第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队压裂 液配比 %粘度 mpa.s交联剪切 粘度 mpa.s残渣 mg/L适用温度 破胶 性能 mpa.s田箐0.533100145030603胍胶0.383310040030903目前常用的压裂液有田菁胶和胍胶：田菁胶主要用 于老区基础井 网压裂井。 胍胶和改性胍胶主要应用于 老区二三次加密井和外围低 渗透压裂井。 第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队目前常用的支撑剂有石英砂和陶粒：井深及闭合压力地区（层位）支撑剂类型1600m以上，小于28MPa采油一七厂、八厂（葡 萄花层）、九厂（萨、葡 层）、十厂石英砂1600-1900m，28-33MPa采油七厂台105区块、八 厂（扶余层）、九厂（高 台子层）、头台、榆树林 油田（扶余层）石英砂 尾追部分陶粒1900-2400m，33-40Mpa采油八厂（扶、杨层）， 布木格油田（杨大城子层 ）、榆树林（杨大城子层 ）中强度陶粒大于2400m，40-50MPa目前主要是深层气井勘探 压裂高强度陶粒第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队施工设计是指导压裂施工的纲领性文件。其核 心内容是根据井层参数、下井原材料参数来优化压裂施 工参数（压力、排量、砂比、砂量、液量），最终给出 合理的施工工序表。2.2.4施工设计施工工艺是针对井层条件，为达到改造目的而 采取的合理施工方法。根据不同施工井的改造要求，先 后研究开发了滑套式机械分层、多裂缝、选压、限流法 等十三项压裂工艺。 2.2.5施工工艺 第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队施工评价包括两部分：一是工艺评价；二是经 济评价。工艺评价是为了评估压裂施工成功与否、检验 实际施工与设计的符合程度和工艺的适应性，积累经验 ，指导下步施工。经济评价是为了评价压裂效益，既投 入与产出的关系，判断经济合理性。2.2.6施工评价第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队人工裂缝的形态取决于油藏地应力的大小和方向。裂缝类型与地层中的垂向应力和水平应力的相对大小有关。一般认为，人工裂缝面垂直于地层最小主应力,平行于地层最大主应力见图1。2.3压裂机理2.3.1地应力图1 裂缝壁面与地应力关 系 XY Z或Y X Z第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队主应力差具有特殊的意义，因为其倾斜角和最小主应力的倾斜方向是控制人工裂缝的延伸方向的决定性因素。但是，裂缝形态也受断层、褶皱和天然裂缝等因素影响。理论研究时，通常假定裂缝形态为某种简单形式，如图2(a),而实际更接近于图2(b)所示。（a） (b) 图2 理论与实际裂缝形态第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队经多年的研究与压裂施工实践证明，大庆油田外围油层裂缝形态与前述的垂直缝形态相同，长垣内部属多油层水平缝油藏（见图3、4）。 图3 水平裂缝理想形态示意图 图4 多油层压裂形成多条水平缝 第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队三、水力压裂工艺三、水力压裂工艺 3.1压裂地面设备 3.1.1泵车泵车的作用 一是泵送液体 二是使液体升压 目前使用的2000型压裂车最高施工压力105MPa,最大单车排量2.33m3/min。在1900r/min转速、45.9 MPa条件下，单车排量可达 1.87m3/min。完成一般油层压裂需要3台泵车，进行外围探井压裂 时，根据需要确定泵车数量。 第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队最大排量15.9 m3/min，最大输送砂量 8165Kg/min,8个泵车接口。3.1.2混砂车混砂车的作用 一是把支撑剂与压裂液充分混合二是为泵车提供充足的液体。第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队3.1.3仪表车 仪表车的作用一是控制泵车和混砂车的运行参数二是适时记录及监测分析施工参数 第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队利用不压井、不放喷井口装置，将压裂管柱及 其配套工具下入井内预定位置，实现不压井、不放喷作 业。当压完第一层（最下一层）后，通过投球器和井口 球阀分别投入不同直径的钢球，逐次将滑套憋到已用喷 砂器内堵死水眼，打开上部喷砂器通道，然后依次再进 行压裂。当最后一层替挤完后，立即活动管柱，并投入 堵塞器，从而实现不压井、不放喷起出油管。3.2压裂工艺3.2.1常规分层压裂工艺 原理 第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队由投球器、井口球阀、工作筒和堵塞器、水力 压差式压裂封隔器、滑套喷砂器组成，见图5。管柱结构图5 分层压裂管柱图适用地质条件 地质剖面具有一定厚 度的泥岩隔层，封隔器可 以卡得开，高压下不发生 层间窜通。井下技术状况 良好，套管无变形、破裂 和穿孔，固井质量好。第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队压前：测分层产液量、含水率；投堵；全井酸 化（视井况而定）；下入压裂管柱。 压裂：地面循环，冲管线；地面高压管线试压 ；试挤；压裂；加砂；替挤；根据情况决定是否返洗井 ，或活动管柱，或上提管柱，或投球压二层、三层。 压后：压裂完后投堵，探砂面，起出压裂管柱 ；下完井管柱。施工程序 可实现不压井、不放喷作业，防止油层污染 所造成的堵塞有利于提高压裂增产效果； 可不动管柱一次连续压多层，从而大幅度减 少作业量，提高施工效率，降低压裂施工成本；可与其它压裂工艺配套，能适应不同含水期 改造挖潜需要；工艺简单，成功率高，经济效益显著。工艺优点 第六采油厂工程技术大队第六采油厂工程技术大队通过严格限制炮眼的数量和直径，并以尽可能 大的注入排量进行施工，利用压裂液流经孔眼时产生的 炮眼摩阻，大