文献综述
前言
水力压裂是油田增产一项重要技术措施。由地面以超过地层吸收能力的排量高压泵组将液体注入井中，此时，在井底附近便会蹩起压力，当蹩气的压力超过井壁附近地层的最小地应力和岩石抗张强度时，在地层中便会形成裂缝。随之带有支撑剂的液体泵入缝中，裂缝不断向前延伸，这样，在地层中形成了具有一定长度、宽度及高度的填砂裂缝。由于压裂形成的裂缝提高了产油层导流能力，使油气能够畅流入井内，从而起到了增产增注的作用。
为了完成水力压裂设计，在地层中造成增产效果的裂缝，需要了解与造缝有关的地应力、井筒压力、破裂压力等分布与大小。这些因素控制着裂缝的几何尺寸，同时对与地面与井下设备的选择有关。同时，用于水力压裂的压裂液的性能、数量，支撑剂的排布情况关系到裂缝的几何尺寸，压裂技术-端部脱砂技术，对提高压裂效果起到很大作用，这些因素关系到能否达到油田增产的目的，需要进行详细研究。在建立适当的裂缝扩展模型的基础上，实现现场实际生产情况的模拟研究，对进一步优化水力压裂参数，提高压裂经济实用性起到很大作用。
这项油田增产措施自发展以来，得到国内外广泛采用，并且经不断的开发试验，已取得很大成效。
水力压裂技术的发展过程
水力压裂技术自 1947 年美国堪萨斯州进行的的第一次试验成功以来，至今近已有60余年历史。它作为油井的主要增产措施，正日益受到世界各国石油单位的重视及采用 ,其发展过程大致可分以下几个阶段:
60 年代中期以前 ,各国石油公司的工作者们的研究工作已适应浅层的水平裂缝为主，此时的我国主要致力于油井解堵工作并开展了小型压裂试验。
60 年代中期以后 ,随着产层加深 ,从事此项事业的工作者以研究垂直裂缝为主。已达成解堵和增产的目的。这一时期 ,我国发展了滑套式分层压裂配套技术。
70 年代 ,工作进入到改造致密气层的大型水力压裂阶段。我国在分层压裂技术的基础上 ,发展了蜡球选择性压裂工艺 ,以及化学堵水与压裂配套的综合
技术。
80 年代 ,逐步进入了低渗油藏改造时期，并开始了优化水力压裂设计。这一时期我国发展了适用于低渗透、薄油层多层改造的限流法完井压裂和投球法多层压裂技术。
90 年代 ,工作者们从各种不同的方向出发，研究了与水力压裂技术有关的新材料、新技术、新方法和新工艺 , 不断对压力设计方法改进发展至今 ,各国工作者们在研究拟二维及三维压裂模型基础上 ,利用编制的软件系统 ,将裂缝几何参数设计、支撑裂缝设计和压裂液体系设计、裂缝闭合期间和生产过程中填砂裂缝的动态变化进行了综合考虑和优化设计，以实现应用广泛、便于控制、经济有效、损害程度低水力压裂技术。
我国水力压裂技术现状
1955 年至今,我国水力压裂研究与应用工作与时俱进，已取得较大成效。全国已完成压裂酸化作业18. 9万井次 ,总计增油 9572 × 4 t 以上。
水力压裂技术在增加油田产量方面起到了重要的作用 ,成为油田一项重要的作业措施。总的来说 ,国内在压裂技术已接近国际先进水平。在水力压裂设计、压裂技术、压裂材料、压裂监测等方面均取得一定成效。具体体现在以下几个方面。
(1) 水力压裂设计方面：已达到国际先进水平，不断引进并开发了裂缝模拟软件及开发方案经济评价模型。虽不能完全控制裂缝的延伸情况，但通过不断的实验研究，可根据已有研究成果选择较为适当的压裂参数，并由二维开发模型软件向三维过度，实现裂缝的仿真模拟。
(2) 水利压裂技术应用方面：它不仅仅用于低渗油气田的改造 ,而且在中高渗透性地层的应用 ,也得到到广泛的重视。我国主要开展了特低渗透性油气藏的平衡限流完井压裂技术和总体上接近国际先进水平 ,存在较小的差距。
(3)水力压裂材料方面：经过不断的研发试验，以开发应用多种用于压裂的压裂液，如水基冻胶压裂液、沫压裂液、稠化等。支撑剂的研究工作也日趋完善，并研制了中等支撑剂及高等强度支撑剂，石英砂等。为适应各种地层的压裂，对压裂液中添加剂也做了充分研究，以提高压裂液性能，从而提高压裂效果。
(4)水力压裂新技术方面：不断地致力于端部脱砂压裂技术（TSO）、重复压
裂技术、整体压裂技术、开发压裂技术、超深井压裂技术、酸压与闭合酸化技术等研究，并以取得一定成效，提高了压裂效率。
另外 ,裂缝诊断与现场实施监测接近国际先进水平 , 并不断学习与引进国外先进缝高控制技术、高渗层防砂压裂技术、低渗层深穿透压裂技术、低渗层大砂量多级压裂技术等的研究。
水力压裂实施过程及增产机理
水利压裂利用地面高压泵组，以超过地层吸收能力的排量，将具有一定粘度压裂液注入井筒，在井底附近产生高压，当该压力克服了井壁附近的地应力和岩石的抗拉强度时，地层破裂并向前逐渐延伸。随着压裂液不断注入，裂缝向前继续延伸，在造成的裂缝具有一定尺度后，注入混有支撑剂的携砂液，携砂液在缝内流动，促使裂缝继续延伸，并将支撑剂输送到裂缝内。当携砂液注入完毕后，泵送破胶剂，将黏性压裂液破胶降为低黏度的液体，液体流回井筒，返排到地面，当泵注工作结束后，裂缝内只留下支撑剂，起到支撑裂缝壁面的作用，形成了一条具有高导流能力的裂缝通道，起到降低井底附近的渗流阻力的作用，有利于地层远处的油气流向井底，从而提高油气井产量。
通过水力压裂可达到以下效果：
（1）改变流型。生成的具有高导流能力的裂缝通道，使地层中流体由径向流向井底变为单向流向井底节省了大量能量。
（2）沟通油气储集区。对于地层中那些没有与井底相连通的产能区，通过水力压裂，将他们连接起来，增加了新的供油区。
（3）减少采油井数量，长裂缝使远处的油气得到开发采集，减少单位面积上开发井的数量。
（4）克服井底附近地层污染。通过水力压裂可以解除堵塞区所造成的低产后果。
水利压裂新技术——端部脱砂技术
为满足于于中高渗透性地层的水力压裂，形成短而宽的裂缝，开发了端部脱砂压裂技术，并很快应用于现场，取得了较好的效果。
（1）基本原理
端部脱砂压裂就是在水力压裂的过程中，使支撑剂在裂缝的端部脱砂，形成
砂堵，阻止裂缝向前延伸，继续注入高浓度的砂浆，使裂缝内的压力增加，促迫使裂缝变宽，裂缝内填砂浓度变大，从而造出具有较宽和较高导流能力的裂缝。
这一过程分为两个阶段，第一阶段是常规的水力压裂过程，造缝到端部脱砂；第二阶段是裂缝膨胀变宽及支撑剂充填阶段，扩大裂缝截面面积，提高到流能力。
（2）技术特点
在端部脱砂压裂技术中，压裂液的粘度起着至关重要的作用。既要保证液体能悬砂，又要有利于脱砂。若压裂液的粘度过低，则不能保证悬砂，也容易导致井筒内沉砂。反之，压裂液的粘度过高，滤失就会很慢，难以适时脱砂。
为了减缓裂缝的延伸速度，端部脱砂压裂技术的泵注排量要小一些，从而更好的控制缝高和便于脱砂；前置液的用量也比常规压裂少，可以使砂浆前缘能在停泵之前达到裂缝周边；端部脱砂压裂的加砂比通常高于常规压裂，目的是提高裂缝的支撑效率。
（3）端部脱砂压裂的适用范围
端部脱砂压裂技术只能在一定的条件下使用。主要用于浅层或中深地层(能够憋压地层)、高渗透或松软地层以及必须严格限制缝高的地层。
（4）端部脱砂压裂设计
端部脱砂的设计主要是影响参数的优化选择，包括压裂液的性质，支撑剂的选择，加砂比，排量等，主要过程如下：
1. 选择合理的缝长及缝高；
2. 按常规算法计算达到此缝长所需的时间及此刻的液体效率；
3. 计算前置液用量；
4. 计算出开始泵入低砂比携砂液的时间；
5. 规定结束施工的时间,估算此刻的液体利用率；
6.计算开始泵入高砂比携砂液的时间；
7. 计算单位面积的砂重及总砂重；
8. 加砂设计；
9. 根据加砂设计计算裂缝导流能力；
10. 检查计算结果，必要时改变各种设定的参数重新计算。
水利压裂裂缝延伸模型
为了模拟裂缝开裂延伸过程的复杂情况，目前已经建立了很多裂缝几何模型。裂缝几何模型由简单的二维模型发展到三维模型。一些二维模型是建立在GDK 形式几何模型的基础上，一些是建立在PKN形式的基础上。同时，很多三维模型也发展起来了。
简单的二维模型 ,事先人为地假定了裂缝的高度压裂过程中不变，裂缝几何尺寸是按线弹性二维理论计算的 ,流体在裂缝中的流动是按一维计算。典型的二维模型有适应于裂缝长而窄 ,要求缝长远大于缝高的 P KN模型和适应于裂缝较短较宽、要求缝高大于缝长的KGD 模型。这两种模型均不符合现场实际压裂条件。在实际的压裂过程中 ,缝高也是变化的，因此，三维模型更加符合裂缝实际的延伸过程，所以近年来，很多工作者致力于这种模型的实验研究。
PKN模型
GDK模型
三维模型
PKN模型、GDK模型、三维模型的适用条件及计算结果有一定的差异，例如PKN模型适用于缝长远大于缝高情况，GDK模型适用于缝高大于缝长的情况。总之三种模型各有自己的优缺点，应根据实际条件选择合适的模型。论文将建立PKN模型进行压裂设计及裂缝求解。
水力压裂设计
影响水利压裂效果的因素很多 ,而进行压裂设计的基础是设计参数 ,压裂设计所涉及基本参数有：地层的力学参数、最小主应力的大小和方向、目的层的上下应力情况及地层的滤失特性等。水力压裂参数的设计包括裂缝参数设计与施工参数设计。
（1）裂缝参数设计包括裂缝延伸方向、裂缝几何形态、最佳压裂长度和宽度及裂缝数目的设计，从而确定裂缝的导流能力。水力压裂裂缝的设计主要是建立在适当的裂缝模型的基础上进行。
（2）施工参数的设计，在已知井况基础数据的基础上，预测施工压力、施工排量使用装备的选择，从而确定泵入速度、压裂液用量、浓度，支撑剂，数量选择等等。
水力压裂技术发展方向
（1）水力压裂新型材料的开发应用。随着水力压裂施工的要求不断提高，压裂液和支撑剂的性能也应随之提高，因此必须加强高性能压裂液和支撑剂的研究与开发，如进一步降低压裂液的成本和提高耐温性能，加强支撑剂回流控制方面的研究等 ,以达到压裂的高效及实用性。
（2）进一步研究开发压裂新技术。尤其加强端部脱砂压裂技术、重复压裂技术、缝高控制技术等先进技术的研究应用，并不断开发引进国外先进技术，力求扩大水力压裂技术的应用范围。
（3）开发实时现场压裂分析。应不断缩短实验室模拟和现场试验之间差距 ,进行水力压裂设计时 ,应该满足水力裂缝系统与井网与的最佳组合 ,以实现整体开发和宏观预测。根据现场具体情况 ,随时对以后的压裂设计、现场施工操作实施监测修正 ,实现压裂过程的有效控制。
（4）发展和研究裂缝的检测技术。目前，对于压裂后裂缝的检测技术仍然是水力压裂技术一个较薄弱的环节，目前的检测方法虽然已取得了一定的成效，但还有一定局限性，还需要进一步的研究，开发出更好的监测诊断装置 ,诊断出实际裂缝的形态 ,这是水力压裂技术进一步发展的关键。
（5）加强建立模型进行裂缝模拟研究 ,包括裂缝扩展模型及产量预测模型，在考虑实际情况的基础上，进行仿真研究，并不断优化压裂参数。
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水力压裂过程中页岩渗透渗吸作用实验研究 摘要：水力压裂技术已经广泛应用于页岩储层以显著提高产量。然而，据钻井人员汇报大量压裂液流失于地下不能回收，滞留压裂液对页岩组成的影响机制尚不清晰，滞留压裂液可被页岩基质、微裂缝和裂缝表面吸收，本文旨在研究渗吸作用对页岩基质渗透性、微裂缝渗透性和裂缝渗透性的影响，首次探究页岩渗透性变化与页岩渗吸作用二者之关系，并提供大量水力压裂过程中页岩伴随渗吸作用渗透性增减结果。 本文实验采用压力恢复法测定岩样渗透率，采用失重法进行渗吸实验，样品来源于Niobrara、HornRiver及Woodford地区页岩地层。 实验结果表明，滞留压裂液会损害页岩基质渗透性，使其渗透率大为降低，样品吸收液体越多，基质渗透率降低越显著，渗吸作用造成张开裂缝渗透率减小，但减小量不及基质渗透率，此外，润滑作用使页岩样品微裂缝再次张开，导致渗吸作用过程中微裂缝渗透率提升。 渗透率这一指标决定着页岩地层长期产气量，本文研究水力压裂过程中渗吸作用影响下页岩渗透率变化情况，观察得到渗吸作用不仅损害页岩组成，还会通过张开闭合或密封天然裂缝增加渗透率而对页岩组成造成潜在影响。 1.简介 随着水力压裂技术在页岩和其他非常规地层的成功应用，预计到2020年，美国原油的产量将从2008年的5百万桶/日增加至10.6百万桶/日；同时页岩和其他低渗储层的石油产量将增长到全国原油总产量的一半。从2008年开始美国页岩气产量预计将增长近9倍（EIA，2015）。 水力压裂技术的一般程序主要分为5个步骤，包括垫注，凝胶浆注射，冲洗注射，注井和水回收。水回收是该井投入生产前水力压裂处理的最后一步。这一步在水力压裂过程中很重要和必要，因为它可以控制和最小化压裂液的损伤。不过，很多操作人员报道注入页岩储层的压裂液只有不到50％可以回收（Alkouh和Wattenbarger，2013）。这个可能是因为水力压裂后页岩储层系统能量较低。一般来说，裂缝较为常规、较不复杂时系统能量较高。能量越高，会导致回收液体流流量越大、流速越高。但是页岩储层的裂缝很复杂，导致裂缝回收液体占比很少，需要花费几周来完成回流，比常规页岩储层长得多（King，2010；Wu等，2010）。在页岩中，如此大量的剩余液体对产量的影响成为一
水力压裂安全技术要求 SY/T6566－2003 国家经济贸易委员会2003－03－18批准 2003－08－01实施 前言 本标准由石油工业安全专业标准化技术委员会提出并归口。 本标准起草单位：吉林石油集团有限责任公司质量安全环保部、井下作业工程公司。 本标准主要起草人：宋泽明、宫长利、朱占华、毛杰民、付新冬、崔伟。 引言 水力压裂施工是油田开发、评价和增产的重要技术措施，也是一项风险较大的作业。由于压裂施工应用高压技术，野外作业，流动性大，涉及其它相关作业，经常接触石油、天然气等易燃易爆和其它有毒有害物质，易发生人员伤亡、环境污染等事故。为加强井下压裂施工安全管理，规范操作，搞好全过程施工作业，最大限度地避免发生事故，促进油田开发，提高经济效益，特制定本标准。 1 范围 本标准规定了水力压裂安全施工方法和技术要求。 本标准适用于水力压裂及相关施工作业。 2 规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 GB 150 钢制压力容器 SY 5727 井下作业井场用电安全要求 SY/T 5836 中深井压裂设计施工方法 SY 5858 石油企业工业动火安全规程 SY/T 6194 套管和油管 SY 6355 石油天然气生产专用安全标志 3 压裂选井和设计及施工队伍要求 3．1 压裂选井和设计应按SY/T 5836执行，并符合下列安全要求： a）套管升高短节组配与油层套管材质、壁厚相符； b）使用无毒或低毒物质； c）下井工具、连接方式应能保证正常压裂施工，并有利于压裂前后的其它作业； d）通往井场的道路能够保证施工车辆安全通行； e）场地满足施工布车要求。 3．2 压裂设计中应包括下列与安全有关的内容： a）存在可能影响压裂施工的问题； b）施工井场、施工车辆行驶路线说明及要求； c）地面流程连接、施工设备检查要求； d）试压、试挤要求； e）施工交接、检查要求；
2．地应力场确定 地应力场确定包括地应力大小和方向。主要手段主要有： 1) 水力压裂法 微型压裂(mini-frac)压力曲线计算应力场。 2)实验室分析方法 应用定向取心技术保证取出岩心样品的主应力方位与其在地层中主应力方位一致。岩心从地下三向压应力状态改变到地面自由应力状态，根据岩心各方向的变形确定主应力方位和数值。 (1) 滞弹性应变恢复（ASR） 基于岩心与其承压岩体发生机械分离后所产生的应力松弛，按各个方向测量应变并确定主应变轴。并假定主方向与原位应力主轴相同，按已知的弹性常数和上覆岩层载荷情况间接计算应力值。 (2) 微差应变分析（DSCA） 从井底取出的岩心由于应力释放和应变恢复会发生膨胀，产生或重新张开微裂缝。基于应变松弛作为“应力史”痕迹的思想，应变松弛形成的微裂缝密度和分布与岩心已经出现的应力下降成正比。通过描述微裂隙分布椭球，即可揭示以前的应力状态。根据和这些微裂缝相关的应变推断主应力方向，并从应变发生的最大方向估算出最小主应力值。 3) 测井解释方法 利用测井（主要是密度测井、自然伽玛测井、井径测井和声波时差测井以及中子测井、自然电位测井等）资料，首先基于纵横波速度与岩石弹性参数之间的关系解释岩石力学参数，再结合地应力计算模式获得连续的地应力剖面。 4) 有限元模拟 根据若干个测点地应力资料，借助于有限元数值分析方法，通过反演得到构造应力场。强烈取决于根据研究工区所建立的地质模型、数学力学模型和边界条件。 此外，测定地应力方向的常用方法还有声波测定、井壁崩落法、地面电位法、井下微地震法和水动力学试井等方法。 3．人工裂缝方位 在天然裂缝不发育的地层，压裂裂缝形态取决于其三向应力状态。根据最小主应力原理，水力压裂裂缝总是产生于强度最弱、阻力最小的方向，即岩石破裂面垂直于最小主应力方向。当s z最小时，形成水平裂缝（horizontal fracture）；当s y最小时，形成垂直裂缝(vertical fracture)。 对于显裂缝地层很难出现人工裂缝。而微裂缝地层可能出现多种情况，人工裂缝面可以垂直于最小主应力方向；也可能基本上沿微裂缝的方向发展，把微裂缝串成显裂缝。 二、破裂压力 地层岩石破裂前，井壁最终应力场为钻孔应力集中、向井筒注液产生的应力、注入压裂液径向滤失诱发应力的迭加。基于最终应力分布结合岩石破裂准则确定破裂压力计算公式。 1．井壁最终应力分布 1）井筒应力分布 对于裸眼井，记井眼半径为r w。钻井完成后地层中应力分布可视为无限大均质各向同性岩石平板中有一圆形孔眼时的应力状态，。记压应力为正、张应力为负，根据弹性力学理论计算图中任意点(r ,q) 处的应力分布。 离井壁越远，周向压应力迅速降低，径向压应力逐渐增加；而且大约几个井径之后，周向压应力降为原地应力，径向应力增加到原地应力。 实际上，由于岩石的抗压强度比抗张强度大得多，而且钻井孔眼引起的应力集中使得井壁处应力大于原地应力，因此，水力压裂造缝时主要关心的应是井壁处的周向应力s q。通常记s x>s y，则 当q=0°或180°，井壁处周向应力最小。s qmin = 3s y-s x 当q=90°或270°，井壁处周向应力最大。s qmax = 3s x-s y
水力压裂水力压裂：： 一项一项经久不衰的技术经久不衰的技术经久不衰的技术 自从Stanolind 石油公司于1949年首次采用水力压裂技术以来，到今天全球范围内的压裂施工作业量将近有250万次。目前大约百分之六十新钻的井都要经过压裂改造。压裂增产改造不但增加油井产量，而且由于这项技术使得以前没有经济开采价值的储量被开采了出来（仅美国自1949年以来就约有90亿桶的石油和超过700万亿立方英尺的天然气因压裂改造而额外被开采出来）。另外，通过促进生产，油气储量的静现值也提高了。 压裂技术可以追溯到十八世纪六十年代，当时在美国的宾夕法尼亚州、纽约、肯塔基州和西弗吉尼亚州，人们使用液态的硝化甘油压浅层的、坚硬地层的油井。目的是使含油的地层破裂，增加初始产量和最终的采收率。虽然使用具有爆炸性的硝化甘油进行压裂是危险并且很多时候是违法的，但操作后效果显著。因此这种操作原理很快就被应用到了注水井和气井。 在十九世纪三十年代，人们开始尝试向地层注入非爆炸性的流体（酸）用以压裂改造。在酸化井的过程中，出现了一种“压力从逢中分离出来”现象。这是由于酸的蚀刻会在地层生成不能完全闭合的裂缝，进而形成一条从地层到井的流动通道，从而大大提高了产量。这种“压力从逢中分离出来”的现象不但在酸化的施工现场，在注水和注水泥固井的作业中也有发生。 但人们就酸化、注水和注水泥固井的作业中形成地层破裂这一问题一直没有很好的理解，直到Farris 石油公司（后来的Amoco 石油）针对观察井产量与改造压力关系进行了深入的研究。通过此次研究，Farris 石油萌生出了通过水力压裂地层从而实现油气井增产的设想。 第一次实验性的水力压裂改造作 业由Stanolind 石油于1947年在 堪萨斯州的Hugoton 气田完成（图 1）。首先注入注入1000加仑的粘 稠的环烷酸和凝稠的汽油，随后是 破胶剂，用以改造地下2400英尺 的石灰岩产气层。虽然当时那口作 业井的产量并没有因此得到较大 的改善，但这仅仅是个开始。在 1948年 Stanolind 石油公司的 J.B.Clark 发表了一篇文章向石油 工业界介绍了水力压裂的施工改造过程。1949年哈里伯顿固井公司（Howco）申请了水力压裂施工的专利权。 哈里伯顿固井公司最初的两次水力压裂施工作业于1949年3月17日，一次在奥克拉荷马州的史蒂芬郡，总花费900美元；另一次在位于得克萨斯州的射手郡，总花费1000美元，使用的是租来的原油或原油与汽油的混合油与100到150磅的砂子（图2）。在第一年中，332口井被压裂改造成功，平均增加了75%的产量。压裂施工被大量应用，也始料未及地加强了美国的石油供应。十九世纪五十年代中期，压裂施工达到了每月3000口井的作业量。第一个过五十万英镑的压裂施工作业是由美国的Pan 石油公司（后来的Amoco 石油，现在的BP 石油）于1968年10月在奥克拉荷马州的史蒂芬郡完成的。在2008年世界范围内单级花费在1万到6百万美元之间的压裂作业超过了5万级。目前，一般的单井压裂级数为8到40
水力压裂操作规程 第一条 系统组成 高压水力压裂系统由乳化泵、水箱、水表、压力表、高压管、封孔器及相关装置连接接头等组成。 图2 水力压裂系统装置连接示意图 高压铁管高压软管 注 水 泵水 箱卸压阀压力表 连接管水管 压裂钻孔 注：设备之间的连接必须保证密封无泄漏，且应实现快速连接。 第二条 压裂时间 压裂时间与注水压力、注水量等参数密切相关，注水压力、流速不同，相同条件下达到同样效果的注水时间也不同。注水过程中，煤体被逐渐压裂破坏，各种孔裂隙不断沟通，高压水在已沟通的裂隙间流动，注水压力及注水流量等参数不断发生着变化，注水时间可根据注水过程中压力及流量的变化来确定，当注水泵压降为峰值压力的30%左右，可以作为注水结束时间。 第三条 工艺流程 1.先施工4个效果考察钻孔，施工完成后立即进行封孔，将其接入抽放系统，抽放队安排测流员收集效果考察钻孔浓度、负压，并进
行计量。 2.在施工1个压裂钻孔，压裂钻孔施工到位后，立即进行封孔， 3.所有钻孔封孔完成并凝固24小时后，开始进行高压水力压裂，压裂时一旦出现效果考察孔有水流出时，立即关闭高压闸门，直至乳化泵的水箱内水位不再下降时停止压裂。 4.压裂过程实施完成后，由抽放队测流员每天收集压裂钻孔和效果考察钻孔的数据，并计算瓦斯抽放量。 5.高压水力压裂流程图，如下所示：
第四条压裂步骤 在注水的前期，注水压力和注水流量呈线性升高；随后，注水压力与流量反向变化，并呈波浪状。这直观反映出了在注水初期，具有一定压力和流速的压力水通过钻孔进入煤体裂隙，克服裂隙阻力运动；随后，当压裂液充满现有裂隙后，水流动受到阻碍，由于煤体渗透性较低，水流量降低，压力增高而积蓄势能；当积蓄的势能足以破裂煤体形成新的裂隙时，势能转化为动能，压力降低，水流速增加；当压力液携带煤泥堵塞裂隙时，煤体渗透性降低，水难以流动使流量下降，压力上升。 压裂实施过程中，按照如下步骤实施： 1.同时打开井下高压泵水箱的水闸门与注水孔口的闸门； 2.启动高压注水泵，然后采用动压注水压裂; 3.当乳化泵压力急剧上升或水箱内水位不在下降时，立即停止压力。 启泵时压力选为20MPa，调节控压闸门，每5min升压2MPa，泵压达到28MPa以上，稳定20min后，若压力迅速下降，说明已开始压裂；继续注水10min钟，水压不再上升，此时停泵，关闭卸压阀，压裂程序结束。若从开泵开始，压力持续上升，则说明未压裂，并持续加压至30MPa后压力仍不下降或稳定，说明煤体未被压裂，此时停止压裂工作，分析原因，重新考虑制定措施、方案。 第五条水力压裂施钻规定 1.每班施钻前必须先检查撤退路线是否畅通、安全设施是否完好，若有一样不符合规定，当班禁止施工（当班班长负责，安瓦员监督）。 2.施钻当班负责人必须携带便携式瓦斯报警仪，并将其吊挂在距
文献综述 前言 水力压裂是油田增产一项重要技术措施。由地面以超过地层吸收能力的排量高压泵组将液体注入井中，此时，在井底附近便会蹩起压力，当蹩气的压力超过井壁附近地层的最小地应力和岩石抗张强度时，在地层中便会形成裂缝。随之带有支撑剂的液体泵入缝中，裂缝不断向前延伸，这样，在地层中形成了具有一定长度、宽度及高度的填砂裂缝。由于压裂形成的裂缝提高了产油层导流能力，使油气能够畅流入井内，从而起到了增产增注的作用。 为了完成水力压裂设计，在地层中造成增产效果的裂缝，需要了解与造缝有关的地应力、井筒压力、破裂压力等分布与大小。这些因素控制着裂缝的几何尺寸，同时对与地面与井下设备的选择有关。同时，用于水力压裂的压裂液的性能、数量，支撑剂的排布情况关系到裂缝的几何尺寸，压裂技术-端部脱砂技术，对提高压裂效果起到很大作用，这些因素关系到能否达到油田增产的目的，需要进行详细研究。在建立适当的裂缝扩展模型的基础上，实现现场实际生产情况的模拟研究，对进一步优化水力压裂参数，提高压裂经济实用性起到很大作用。 这项油田增产措施自发展以来，得到国内外广泛采用，并且经不断的开发试验，已取得很大成效。 水力压裂技术的发展过程 水力压裂技术自 1947 年美国堪萨斯州进行的的第一次试验成功以来，至今近已有60余年历史。它作为油井的主要增产措施，正日益受到世界各国石油单位的重视及采用 ,其发展过程大致可分以下几个阶段: 60 年代中期以前 ,各国石油公司的工作者们的研究工作已适应浅层的水平裂缝为主，此时的我国主要致力于油井解堵工作并开展了小型压裂试验。 60 年代中期以后 ,随着产层加深 ,从事此项事业的工作者以研究垂直裂缝为主。已达成解堵和增产的目的。这一时期 ,我国发展了滑套式分层压裂配套技术。 70 年代 ,工作进入到改造致密气层的大型水力压裂阶段。我国在分层压裂技术的基础上 ,发展了蜡球选择性压裂工艺 ,以及化学堵水与压裂配套的综合
ABAQUS水力压裂模拟|XFEM和Cohesive方法关键字：单缝、多缝、交叉缝、体积缝、转向缝、缝间干扰、储隔层 我是星辰北极星，水力压裂，对于石油工程的朋友并不陌生，它是石油开采和增产的重要手段；也广泛应用于地热开采、地基处理等领域。由于毕业于石油大学，所以有很多机会接触这方面的问题，也关注着ABAQUS在压裂领域的应用。这个专题将分享自己在水力压裂仿真中的一些积累，希望大家喜欢。 【主要内容】 一、内容概述 二、仿真要点介绍 2.1 ABAQUS水力压裂模拟常用仿真方法 2.2 地应力平衡分析（Geostatic） 2.3 渗流-位移耦合分析（Soils） 2.4 材料与单位制讲解 2.5 特殊的输出需求与定义 2.6 交叉裂缝处理 三、实例讲解 3.1 基于Cohesive单元的二维水力压裂模拟 3.2 基于Cohesive单元的三维水力压裂模拟 3.3 水力裂缝与天然裂缝相交模拟-Cohesive单元法 3.4 裂缝发育地层的水力压裂模拟-Cohesive单元法 3.5 基于XFEM的水力裂缝转向模拟 3.6 基于XFEM的水平井多段压裂裂缝的缝间干扰问题研究 【二维水力压裂模拟（Cohesive）】 通过这个简单的案例讲述采用Cohesive单元模拟水力压裂的基本技巧，让大家掌握注液、停泵憋压等基本设置，以及前后处理的一些技巧。
【三维水力压裂模拟（Cohesive）】 三维模型计算量较大，但可以模拟储隔层压裂过程中，水力裂缝限制在储层中扩展的形态，当然，下图中的裂缝形态主要受储隔层的材料性质和地应力状态影响；不合适的地层条件将导致水力裂缝窜层现象的发生。 【水力裂缝与天然裂缝相交模拟】 本例中采用Cohesive单元模拟水力裂缝交叉，并可通过该模型分析不同地应力情况下水力裂缝遇到天然裂缝后的扩展轨迹。应力差较小时，易促使天然裂缝张开；应力差较大时，水力裂缝可穿过天然裂缝。
2016年第61卷第1期：72~81 引用格式: 庄茁, 柳占立, 王涛 , 等 . 页岩水力压裂的关键力学问题 . 科学通报, 2016, 61: 72–81 Zhuang Z, Liu Z L, Wang T, et al. The key mechanical problems on hydraulic fracture in shale (in Chinese). Chin Sci Bull, 2016, 61: 72–81, doi: 10.1360/N972015-00347 ? 2015《中国科学》杂志社https://www.doczj.com/doc/9e14156681.html, https://www.doczj.com/doc/9e14156681.html, 《中国科学》杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 第517次学术讨论会?页岩气开发中的工程科学问题 页岩水力压裂的关键力学问题 庄茁①*, 柳占立①, 王涛①, 高岳①, 王永辉②, 付海峰② ①清华大学航天航空学院, 北京 100084; ②中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院廊坊分院, 廊坊 065007 *联系人, E-mail: zhuangz@https://www.doczj.com/doc/9e14156681.html, 2015-07-14收稿, 2015-08-30修回, 2015-08-31接受, 2015-10-16网络版发表 国家自然科学基金(11372157)和教育部博士点专项研究基金(20120002110075)资助 摘要页岩气的开采成为我国绿色能源开发的新领域. 尽管北美页岩气革命取得了成功, 水力压裂是成功的开采方式, 目前采收率仅为5%~15%, 问题出在哪里呢? 由此给力学家提出了巨大的挑战和机遇. 本文针对页岩水力压裂的关键力学问题, 阐述理论、计算和实验的研究进展和技术难点, 主要内容有: 页岩人工裂缝扩展的大型物理实验模拟平台; 考虑时间相关性的各向异性本构模型; 页岩起裂、分叉及多裂缝相互作用的断裂力学准则和模拟方法; 裂缝簇稳定性扩展的力学条件和创造缝网的多尺度有限元模型; 耦合断裂力学和流场压力的裂缝网扩展数值模拟方法. 关键词页岩, 水力压裂, 力学问题 1 “页岩气革命”风吹中国 页岩气是指以吸附和游离、时而还有流体相的形 态状态赋存于泥页岩中的非常规天然气. 美国和加 拿大是页岩气进行规模开发的主要国家, 页岩气年 产量约占天然气(干气)产量的1/4. 2013年, 美国能源 部能源信息管理局预测中国的页岩气储量排名世界 第一, 占比全球储量的36%, 是美国的1.5倍, 达到 1115×1012m3[1]. 北美页岩气的商业化开采给世界各 国的能源结构调整带来巨大影响, 加快页岩气资源 勘探与开发已成为页岩气资源大国的共同目标, 特 别是在我国不合理的能源消费结构背景下, 页岩气 开采将成为绿色能源开发的新领域, 从而成为缓解 原油产量不足, 降低减少煤化石燃料环境污染的有 效途径. 页岩油气规模开发主要依靠水平井和水力压裂 改造两项关键技术, 目标是增加储层宏观渗透率. 页 岩基质中气体的微流动(吸附、解吸、扩散与渗流)是 影响产气量的决定因素, 这也是页岩气不同于常规 天然气藏的主要区别. 北美“页岩气革命”取得了成 功, 但是根据美国页岩油气田的产量数据表明, 目前 采收率仅为5%~15%. 尽管水力压裂是成功的开采方 式, 仍不足以开采出大部分的油气, 地下几千米, 看 也看不见, 问题出在哪里呢? 由此给力学家提出了 巨大的挑战和机遇. 美国科学院院士、西北大学的Ba?ant等人[2]认为 在水力压裂裂缝扩展过程中, 局部裂缝失去扩展稳 定性是主要原因之一. 从现有页岩气开采技术层面 看, 我国页岩气开采同样面临更多的技术和方法的 选择与挑战. 我国的页岩地质条件与美国相比更加 复杂, 这是因为美国页岩储层主要是海相沉积, 而我 国有极其发育的陆相沉积; 美国页岩气产区主要分 布在比较稳定的大地构造岩层内, 页岩气埋藏深度 平均在1500 m; 而我国众多的页岩层都经历了强烈 的后期改造. 以四川和塔里木盆地为例, 其页岩气埋
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。 5、简述常用破胶剂及其作用。 答案要点：主要作用：是使压裂液中的冻胶发生化学降解，由大分子变成小分子，有利于压后返排，减少对储集层的伤害。 常用的破胶剂：包括酶、氧化剂和酸。生物酶和催化氧化剂系列是适用于 21～54 ℃的低温破胶剂；一般氧化破胶体系适用于 54～93 ℃，而有机酸适用于 93 ℃以上的破胶作用。 6、影响支撑剂选择的因素有哪些？ 答案要点：（1）支撑剂的强度：一般地，对浅地层（深度小于1500m ）且闭合压力不大时使用石英砂；对于深层且闭合压力较大时多使用陶粒；对中等深度（ 2000 m 左右）的地层一般用石英砂，尾随部分陶粒。 H p F F =α
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，必须学握水力压裂的裂缝起裂与延伸过程的力学机制。木节从地应力场分析及获取方法入于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。 在致密地层，首先向井内注入斥裂液使地层破裂，然后不断注液使斥裂缝向地层远处延伸。显然.地层破裂斥力昴拓.反映出注入流体斥力要克服由于应力集中而产生的枚為井壁应力以及岩石抗张强度。一旦诱发人匸裂缝.井眼附近应力集中很快消失，裂缝在较低的圧力下延伸?裂缝延伸所需要的斥力随着裂缝延伸引起的流体流动摩阻増加使得井底和井口斥力増加。停泵以后井筒摩阻为零.斥裂缝逐渐闭合?施匸压力逐渐降低。 对于商渗透地层或存在裂缝带.地层破裂时的井底压力并不出现明显的峰值。 一、地应力场分析与测量 地下岩石的应力状态通常是三个相互垂直且互不相等的主应力(principal stress)。地应力场不但影响到水力压裂造缝过程?而且通过井网与人1：裂缝方位的配合关系彩响到汕藏开发效果。 1.地应力场 存在于地壳内的应力称为地应力(in-situstress),是由于上樓岩层重力、地壳内部的垂直运动和水平运动及 其它因素综合作用引起介质内部做位面积上的作用力。包括原地应力场和扰动应力场两部分。前者主要包括重力应力、构造应力.孔隙流体斥力和热应力等：后者主要是指由于人匚扰动作用引起的应力。 1)重力应力场 是指沉积盆地中的储层受到上覆岩层重力作用而形成的应力分布。 在地层中孔隙流体压力作用下，部分上覆岩层的重力被孔隙流体压力所支撑。但由于颗粒间胶结作用.孔隙压力并未全部支撑上覆地层圧力。 Terzaghi认为：地层岩石变形由有效应力引起。假设地层岩石为理想的均质各向同性线弹性体，弹性状态下垂向载荷产生的水平主应力分量由广义胡克(Hook)定律汁算。 E和v为岩石力学参数，典型值见表6?1。它们与岩石类型和所受到的困汗.温度有关。 表6?1常见岩石的泊松比与杨氏模址 因岩体水平方向上应变受到限制，即ex=0. ey=Oo 砂岩的泊松比一般在0.15^0.27之间。泊松比越大.水平主应力越接近垂向应力。考虑孔隙流体圧力后的地层水平主应力。 2)构造应力场 构造应力场是指构造运动引起的地应力场増虽。它以矢虽形式迭加在地层重力应力场中?使得水平主应力场不均匀。一般而言，在正断层和裂缝发育区是应力释放区.例如，正断层中的水平主应力可能只有垂向应力的1/3.而在逆断层或褶皱地帯的水平应力可以大到垂向应力的3倍。通常?构造应力场只有两个水平主应力，属于水平的平面应力状态，而且挤斥构造引起挤乐构造应力，张性构造引起拉张构造应力c 3)热应力场 热应力场是捋由于地层温度变化在其内部引起的内应力増虽.与溫度变化虽和岩石性质有关。油IB开发中的注水.注蒸汽和火烧油层等可以改变油藏的主应力大小，甚至主应力方向。 将油藏边界视为无穷大.考他其侧向应变受到约束.温度变化引起的水平应力増SDsx. DSy 2.地应力场确定
南桐矿业公司鱼田堡煤矿穿层钻孔定向水力压裂煤层增透 技 术 报 告 （初稿） 二〇一一年三月
防止煤与瓦斯突出在煤矿安全上一直是世界性的难题。在近年来重庆发生的煤矿安全重大事故中，瓦斯突出占了很高的比例。随着采深的不断增加，煤层瓦斯含量和瓦斯压力在不断增加，瓦斯问题日益凸显。为解决重庆地区瓦斯治理难题，重庆能源投资集团科技有限公司联合重庆大学开展了定向水力压裂增透技术相关研究，并在松藻煤电有限责任公司逢春煤矿和南桐矿业有限责任公司鱼田堡煤矿进行了应用研究。在理论研究和实验室实验研究的基础上，在南桐矿业公司鱼田堡煤矿34区-350m东抽放道实施了水力压裂并取得了以下成果： 通过2011-1-8日的实验得出，在鱼田堡煤矿34区-350m东抽放道5#煤层起裂压力为23MPa，延伸压力为19MPa。实验共进行了40min，注水量为6.9m3。经现场查看，发现压裂孔东侧10m考察孔出口处压力表读数为15.6MPa，上方、西侧考察孔压力均超过压力表量程（10MPa），下方压力表没有读数，但有水流出。可以判断，鱼田堡5#煤层在40分钟以内其有效压裂范围能够达到10m以上。 分别在在4个考察孔附近钻进4个抽放孔进行瓦斯抽放考察压裂后瓦斯抽放参数。并于2011-01-26开始接抽，截止到2011-02-17，压裂孔平均抽放浓度为95.4%，平均抽放纯量为0.0673m3/min；抽放孔1#平均抽放浓度为25.6%，平均抽放纯量为0.0147m3/min；抽放孔2#平均抽放浓度为33.1%，平均抽放纯量为0.02m3/min；抽放孔1#平均抽放浓度为25.6%，平均抽放纯量为0.0147m3/min；抽放孔3#平均抽放浓度为33.4%，平均抽放纯量为0.0177m3/min；抽放孔4#平均抽放浓度为36.1%，平均抽放纯量为0.0192m3/min。压裂范围内平均抽放浓度为44.72%，平均抽放纯量为0.1389m3/min；相比同一抽放道普通钻孔抽放浓度（13.28571%）提高了 3.37倍，抽放纯量（0.00796 m3/min）提高了17.45倍。共抽放23天，5个孔共抽放瓦斯纯量为4725m3，相比同一抽放道5个钻孔瓦斯抽放纯量（368m3）提高了12.83倍。
水力压裂设计的新模型和新方法 翁定为1,2 付海峰1,2 梁宏波1,2 1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院压裂酸化中心 2.国家能源致密油气研发中心储层改造部 翁定为等. 水力压裂设计的新模型和新方法.天然气工业，2016,36(3):49-54. 摘 要 压裂设计是水力压裂技术的核心，由于非常规储层的特殊性，使得压裂设计面临一系列的挑战。为此，梳理了国内外压裂设计各环节的新模型和新方法，并分析了其发展方向。压裂设计的新模型和方法主要分布在储层描述、水力裂缝刻画、水力裂缝优化以及水力裂缝模拟等4个方面，其中储层描述主要是在创新参数获取基础上建立新的地质力学模型；水力裂缝刻画主要体现在开发新方法，并结合物理模拟实验认识，提高现有监测手段的准确性；水力裂缝优化方面主要进展是挖掘储层与流体的相互作用，并通过规律性描述，形成新型的油气藏数值模拟软件；水力裂缝模拟主要通过方法创新，研发新型的适用于水平井分段多簇压裂的裂缝数值模拟器。因此，建议国内同行在坚持工具、设备等硬件投入的基础上，加强基础研究，力争在各种评价模型和软件方面取得突破，从而提高压裂设计的科学性，进而实现非常规油气藏的高效经济开发。 关键词 水力压裂压裂设计储层描述裂缝刻画水力裂缝优化裂缝模拟数学模型国内外 DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.03.007 New models and methods for hydraulic fracturing design Weng Dingwei1,2, Fu Haifeng1,2, Liang Hongbo1,2 (1. Fracturing and Acidizing Center, Langfang Branch of PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Langfang, Hebei 065007, China; 2. Stimulation Department of National Energy Tight Oil and Gas R&D Center, Beijing 100083, China) NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 3, pp.49-54, 3/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese) Abstract: Fracturing design is the core of hydraulic fracturing technologies. The particularity of unconventional reservoirs brings about challenges to the fracturing design. In this paper, the development direction of fracturing design was analyzed after new models and methods for fracturing design all over the world were investigated. These new models and methods mainly involve reservoir description, and fracture depiction, optimization and simulation. Reservoir description mainly involves a new geomechanical model built based on the acquisition of innovation parameters. Fracture depiction focuses on new method development to increase the accuracy of the existing monitoring means based on physical simulation experimental results. Progress in fracture optimization focuses on the interaction between reservoirs and fluids and the development of new numerical reservoir simulation models on the basis of law description. Hydraulic frac-ture stimulation involves the research and development of new numerical fracture simulators suitable for multi-stages and multi-clusters fracturing in horizontal wells by means of innovative methods. It is strongly recommended to strengthen basic research and try to realize breakthroughs in terms of various evaluation models and software so as to improve the quality of fracturing design and develop uncon-ventional resources efficiently and economically in China while the investment on tools and equipments are guaranteed. Keywords: Hydraulic fracturing; Fracturing design; Reservoir description; Fracture depiction; Hydraulic fracture optimization; Fracture simulation; Mathematical model; Domestic and overseas 基金项目：国家科技重大专项“低渗、特低渗油气储层高效改造关键技术”（编号:2011ZX05013-003）。 作者简介：翁定为，1981年生，高级工程师，博士；从事压裂工艺方面的研究工作。地址:（065007）河北省廊坊市44号信箱。电话: （010）69213147。ORCID:0000-0003-3482-449X。E-mail:wendw69@https://www.doczj.com/doc/9e14156681.html,
水力压裂概念与基本过程 水力压裂是油气并增产、水井增注的一项重要技术措施。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，随即在井底附近造成高压。此压力超过井壁附近地应力及岩石的抗张强度后，在地层中形成裂缝。继续将带有支撑剂的压裂液注入缝中，此缝向前延伸，井在缝中填以支撑剂。这样，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。它具有很高的渗流能力，可大大地改善油气层的渗透性，使油气畅流入并，起到增产、增注的作用。 水力压裂的基本过程如下： (1)选井选层：根据油层特性、油井开采情况选择压裂的井层。 (2)压裂设计：根据油层的基本情况进行压裂参数设计，并结合并和地面设备等情况作出施工设计书。 (3)施工前推备：主要包括油井测试、井场的平整、压裂液的配制、井口设备的更换与安全保护等。 (4)压裂施工：包括将压裂施工设备按设计要求在井场摆放，试压，打前置液、携砂液、顶替液，关井等施工，不同井有不同的设计要求。 (5)返排：返排是压裂的一项重要步骤，其主要目的是减少压裂液对油层的伤害。
水力压裂施工工程项目大，需要投入资金多，应用设备多，其主要设备包括： (1)储罐：用来制备和储存压裂液。 (2)压裂泵车：其作用是将压裂液升压并送人井中 (3)混砂车：其作用是将压裂液与支撑剂混合。 (4)运砂车：其作用是将压裂施工所需的支撑剂运到井场。 (5)管汇车：用于压裂作业时多台联机作业车辆之间的高压、低压管线连接，并可吊装运输各种配套的高压、低压管汇及连接管线，车上装有液压吊臂，吊装简单方便。 (6)仪表车(压裂指挥车)：它是压裂机组的指挥中心和数据采集、分析中心，可以同时操纵6—8台压裂车联机作业。该车数据采集、显示、记录、分析功能齐全，配有工控微机及专业压裂数据采集分析软件，接口与压裂车、混砂车等匹配，操作安全可靠，自动化程度高。 (7)其他车辆：为了防止施工中出现意外，通常需要消防车、救护车；为了保证深井压裂的成功实施而不损坏油井，在采用油管压裂时井下装有封隔器，通常需要水泥车平衡油套环空的压力。
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。
中国能源报/2012年/4月/9日/第011版 科技创新 寻找水力压裂法的废水处理之道 本报记者何英 因为有了水力压裂法才有了页岩气在美国的蓬勃发展，但关于水力压裂法的争论也是此起彼伏、不绝于耳。 一方认为，得益于水力压裂法，天然气开发热潮引发了美国的能源变革，减少了对外国能源的依赖，并创造了国内就业机会；另一方认为，水力压裂法是将砂、水和化学剂注入到页岩层来提取天然气的过程，该过程耗水量大，并且具有毒害性，将有毒化学物质泵入土地，污染了空气和水，也给人类、野生动物和农业生产带来了危害。两种截然相反的观点让水力压裂法成为争议焦点。 水力压裂法，即借助高压将大量水、沙子、以及化学物质的混合物通过钻孔打入地下，对页岩层进行液压破碎，从而将其中的石油或天然气储备释放出来的开采方法。该方法带来了大量的油气产量，但同时每年采出水数量也很惊人。这些水中混有烃类和其他化学物质、天然水以及压裂井中随着气体一同回到地表的剩余液压液等。该技术在消耗大量淡水资源的同时，还产生了大量需要处理的废水。这引发了公众和业界的担忧。 据统计，美国近百万口石油天然气井每年产生的采出水就达210多亿桶。 不少专家表示，开发一系列水处理技术，最大程度地寻求水处理过程的经济合理性，并根据矿井在生命周期不同阶段的不同需求对水进行循环利用是水力压裂法可持续前进的一个重要因素。 根据全球领先的水务公司威立雅公司向记者提供的相关材料显示，水力压裂法所使用的水包括地下水、地表水和饮用水，目前地下水使用率一般占比为45%到90%。开采一口页岩气井，需要耗费120万到350万加仑的水，而且压裂用水要求较高，要符合特定的水质要求，要避免有腐蚀性，要与操作过程相匹配等。另外，水力压裂法回流水，即废水重复利用的比例一般介于15%-60%之间。 经过多年研发试验，威立雅公司已拥有专利技术、精密技艺来处理页岩气生产过程中产生的废水或再回收利用，继续萃取天然气或将废水再处理，用于其它用途，从而减少了废水量以及污染水的储存。 在美国加州的圣阿尔多项目页岩气项目中，雪佛龙与威立雅就废水再利用展开合作，威立雅为该项目提供集工艺流程设计、基础工程、设备采购以及建设管理等于一体的交钥匙工程，有效地提高采出水的回收利用水平。 圣阿尔多项目最初的采出水水温是99.3摄氏度，每单位采用出水中含有25ppm的散油，80ppm 的碳类物，240ppm的二氧化硅，26ppm的硼，240ppm的坚硬物以及6500ppm的总溶解固体颗粒。 为达到给水要求：总溶解固体颗粒少于510ppm, 硼少于0.64ppm，水中坚硬物如碳酸钙少于2ppm，可回收利用75%的采出水，威立雅支招如下解决方案。一是前期处理步骤，主要依靠其专利的 OPUS技术进行散油分离，提高采出水质量，并通过系列软化程序，用直流蒸汽发生器（OTSG）来补给水。二是散油分离系统，包括感应天然气浮选系统以及过滤系统，将散油含量减少至0.5ppm以内。三是通过OPUS技术，其中包括多种处理步骤如热传导、除气、化学软化、媒介过滤、离子交换软化、双向反渗透系统等，这样一来，经处理的污水质量显著提高。并且，该过程中产生的固体物质也进行了脱水，并安置在垃圾掩埋场。四是系列软化系统，包括两级强酸性阳离子软化器，减少给水的硬度，以满足水质要求。