第六章水力压裂技术
第一节造缝机理
一、教学目的
了解压裂含义，和各种压裂的种类，熟练掌握油井的应力状况，能够计算简单的地应力，掌握形成裂缝的条件以及破裂压力梯度，会对压裂施工曲线进行分析与应用，了解裂缝方位的判断方法。
二、教学重点、难点
教学重点
1、地应力的计算
2、压裂过程中井壁的周向应力
3、形成水平裂缝、垂直裂缝的条件
教学难点
1、压裂施工曲线的分析与应用
2、有裂缝和无裂缝时的破裂压力梯度计算
三、教法说明
课堂讲授并辅助以多媒体课件展示相关的数据和图表
四、教学容
本节主要介绍四个方面的问题：
一、油井应力状况
二、造缝条件
三、压裂施工曲线的分析与应用
四、裂缝方位的判断
压裂：用压力将地层压开一条或几条水平的或垂直的裂缝，并用支撑
剂将裂缝支撑起来，减小油、气、水的流动阻力，沟通油、气、水的流动通道，从而达到增产增注的效果。
压裂的种类(根据造缝介质不同)??
???干法压裂高能气体压裂水力压裂 水力压裂：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，使井达到增产增注目的工艺措施。
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。其关键技术是混合砂子进入液体二氧化碳中的二氧化碳混合器。适用于对驱替液、冻胶或表面活性剂的伤害敏感的地层，适合的储层包括渗水层、低压层及有微粒运移的储层以及水敏性储层。
水力压裂的工艺过程：
水力压裂增产增注的原理: (1) 改变流体的渗流状态：使原来径向流动改变为油层与裂缝近似的
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，降低了能量消耗。
(2) 降低了井底附近地层中流体的渗流阻力：裂缝流体流动阻力小。 造缝机理： ??
?????????提高原油采收率提高采油速度井网部署裂缝的方位裂缝的形态裂缝形成条件 有利的裂缝状态及参数能够充分发挥其在增产、增注的作用。 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。
（一） 油井应力状况
1、 地应力
图6-1 压裂过程井底压力变化曲线
a —致密岩石
b —微缝高渗岩石
在上覆岩层的作用下，地下任一岩石单元体均受到三个方向上的
应力作用，即位于水平面上的水平主应力???y
x H σσσ 位于垂直方向上的垂直主应力z σ
（1） 垂向应力z σ：上覆层的岩石重量。
dz g H
S Z ?=0ρσ 一般浅层：33/100.2m kg s ?=ρ
深层（<300m ）：33/106.2m kg s ?=ρ
取33/103.2m kg s ?=ρ
∴ H z 23=σ （KPa ） H z 023.0=σ （MPa ） z σ的大小因油田而异，统计得到的z σ的分布围为：z σ=（21～
25）H （KPa ）。
对于海上油田，仍以海平面为基准，则z σ要小些（∵ s w ρρ<）
（2）水平应力H σ（x σ、y σ）
如果岩石处于弹性状态，可根据广义虎克定律建立岩石的有效水平应力与有效垂向应力的关系：
在三向应力作用下，x 轴方向上的应变分别为： L L x x
//1?=E =σε （规定压缩为正） E -=/2νσεy x
y σ的作用是使岩石在x 方向伸长，故为负 E -=/3
νσεz x 由于单元体处于地层之中，侧向上是无限连续介质，存在侧向应力的限制，所以不能产生侧向变形，即侧向应变为0，即
()[]01321=+-=++=z y x x x x x E
σσυσεεεε 令：y x σσ= 得：z y x συυσσ-==1
注意：这里的ν、E 是指岩石骨架的泊松比和氏模量。
对于砂岩：ν=0.15～0.17
则 ==y x σσ（0.08～0.37）z σ
对于盐岩层：ν=0.5
则 x σ、y σ=z σ （套管易于损坏）
当ν>0.5时，x σ>z σ，则会出现把地层拉起来的现象。
考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大、最小水平主应力为：
()S S Z H P E P E ανξνασννξσ+??
????++----=11212121max ()S S Z H P E P E ανξνασννξσ+??
????+-----=11212121min （3）有效应力
在油气层中均有一定的孔隙压力s P （即地层压力或流体压力），在s P 的作用下，x σ、
y σ与z σ均会变小，故引入有效水平应力x σ、y
σ和有效垂向应力z σ。 x σ=x σ－s P
y σ=y σ－s P
z σ=z σ－s P
假定：①孔隙中的流体是化学惰性
②岩石的渗透性保证传压是处处相等
③流体中的压力完全由岩石骨架所承受
应用虎克定律得： z y x σνν
σσ-==1
这里的泊松比ν是含有流体，实际应用时并没有分清。
2、地质构造对地应力的影响
可见，受地质构造力的影响，应力之间的关系变化很大。
3、主应力大小与裂缝形态的关系
从力学的观点来看，裂缝总是产生于强度最弱、抗力最小的地方，在地层中出现裂缝也是这样的。
结论：岩石破裂时，裂缝面总是垂直于最小主应力轴（假设前提：岩石单元体是均质的，各向同性材料）——判断准则
①由于浅地层的z σ相对小些，且近地表地层中构造运动也较多，
H σ>z σ的几率也多，且浅地层中层理发育，所以浅地层多出
现水平裂缝。
②深地层z σ相对大些，z σ>H σ的几率多，所以深地层压开的多
好垂直裂缝。
4、压裂过程中井壁上的周向应力
钻井以后，井底处的应力分布受井筒的影响，在井筒附近产生应力集中，为简便起见，将三维应力问题简化为二维来处理。
对油层的几个假设：
①油层为弹性体
②油层均质
③油层各向同性
在上述假设下，井筒对地应力及其分布的影响可用弹性力学中无限大平板上钻一孔眼的理论来加以分析。
（1） 地应力在井壁上形成的周向应力（1θσ）
如图有一无限大平板上钻一孔眼，在x 、y 方向上分布着压应力x σ、y σ，假设x σ>y σ，则根据弹性力学理论可得出孔眼壁上的周向应力1θσ为：
θγσσγσσσθ2cos 3121244221???
? ??+--???? ??
++=a a y x y x 式中：γ——距孔眼中心线的距离
a ——孔眼半径
θ——任意径向与x 轴夹角
当γ=a 时，()θσσσσσθ2cos 21y x y x --+=
讨论（分析圆孔周边的应力分布）：
①当x σ=y σ时，（r =a ）H x y σσσσθ2221===
②当x σ≠y σ时，（r =a ）
图6-2 无限大平板中钻一圆孔的应力分布
a.当θ=0°、180°时（A 、B ）
x y σσσθ-=31 ①
b.当θ=90°、270°时（C 、D ）
`23y x σσσθ-=
c.当x σ=y σ时
()()x
y 、σσσσθθθ-==??=318001min 1 ()()y x 、σσσσθθθ-==??=3270901max 1
d.当x σ ()()y x 、σσσσθθθ-==??=3270901min 1 ()()x y 、σσσσθθθ-==??=318001max 1 e.当x σ=3y σ时 ()0min 1=θσ f.当y σ=3x σ时 ()0min 1=θσ ③当x σ=y σ=H σ时（a r ≠） ???? ? ?+=2211r a H σσθ 可见，r ↗→1θσ↓；当r =（4～6）a 时 1θσ→H σ，说明孔壁上的应力比远处的大得多，同时圆孔周围产生了应力集中。所以压裂时，地层破裂压力（P F ）>延伸压 力（P E ）。 （2）注入压力所引起的井壁周向应力2θσ 简化处理：把井筒周围的岩石看成是一个厚壁圆筒（壁厚∞） 根据弹性力学中的厚壁筒理论 由拉梅公式（压应力P e 取正号，拉压力P i 取负号）得 ()() 2222222222a e e a i e a e a i e e r r r r r P P r r r P r P --+--=θσ 当a r r =，P e =0时 ∞→e r 即：i e a i e e a e a i e r P r r P P r r r r P P e -=?????????????????? ??--+???? ??-???? ??-=∞→2222 11lim θσ ② 负号：表示拉应力 ②式表明井筒压产生2θσ与压大小相等，符号相反，即压在井壁周围产生拉应力，正是它的作用才造成地层岩石破裂。 （3）压裂液径向滤失所引起的井壁周向应力3θσ 在地层破裂前，压裂液径向渗入井底附近地层中，形成滤失应力区，会增大井壁上的周向应力3θσ，其值为： ()ν νσθ--???-=1213s i p p ③ 式中：?——Biot 常数（多孔弹性介质常数） ?=11<-b r c c r c ——岩石骨架压缩系数 b c ——岩石体积压缩系数 一般取?=0.82 （4）井壁上的总的周向应力θσ 在地层破裂前，井壁上的总周向应力应为由于井眼存在，井筒压 及压裂液渗滤所引起的周向应力之和，即：θσ=1θσ+2θσ+3θσ 假定：x σ>y σ时 ()()? ?==18001min 1、θθθσσ 由于2θσ、3θσ在周向上各点是相等的，因此，1θσ为最小值时θσ即为最小值。 ()()()ν νσσσθ--???-+-+-=1213s i i x y P P P ④ 考虑实际地层岩石孔隙中有液体作用，所以④式中应用有效应力代入，分两种情况考虑。 a.压裂液无滤失（孔隙压力s p ）： ?? ???-=-=-=s s y y s x x P P P θθσσσσσσ 代入④式得 i s x y P P -+-=σσσθ3 ⑤ b.压裂液有滤失： 井壁附近孔隙压力i P 地层深部孔隙压力s P ?? ???-=-=-=i s y y s x x P P P θθσσσσσσ 代入④式得 ()?? ????--?----=ννσσσθ12123s i x y P P ⑥ （二）造缝条件 要使地层破裂，必须使井底压力>θσ+t σ。 1、形成垂直裂缝 （1）有滤失时 假设地层的破裂属于纯力破坏，那么随着压裂液的不断不入，使井壁上的θσ稍大于h t σ时，岩石将发生破裂，即有滤失时形成垂直裂缝的条件为： ???=-=F i h t P P σσθ 即有：()()h t s i x y P P σννσσ-=?? ????--?----12123 由于破裂时F i P P = 所以得：s h t x y F P P +--?-+-=ν νσσσ12123 ⑦ 式中11210<--?<ν ν 破裂压力为破裂时的注入压力i P 。 （2）无滤失时 地层破裂时???=-=F i h t P P σσθ 代入得：s h t x y F P P ++-=σσσ3 ⑧ 分析： a.公式⑦、⑧计算点为A 、B 两点，此时x σ>y σ，如以C 、D 为 计算点，此时y σ>x σ，则有： s h t y x s F P P P +--?-+-+=ν νσσσ12123 （有滤失） s h t y x F P P ++-=σσσ3 （无滤失） b.由分析知：地层将产生两翼对称的垂直缝。 c.两条缝产生于A 、B 两点，还是C 、D 两点，视x σ与y σ的大小 而定。 若x σ>y σ 产生于A 、B 两点 若y σ>x σ 产生C 、D 两点 d.当液体有渗滤时，其破裂压力要小（11210<--<ν ν）。因为带压力的液体进入地层后，增加了受压面积，从而降低了F p ， 在裸眼井中，滤失使F P 降低25～40%。 e.F P 与h t σ有关（一般h t σ较小，不超过0.5MPa ） f.公式⑦、⑧适用于裸眼井 2、形成水平裂缝 其理论要简单一些，它不象垂直裂缝那样要克服周向应力，而只须将地层向上拉。 （1）有滤失时 有滤失时增加的垂向应力为： ()ν ν---?121s i P P 因此总的垂向应力为： ()ν νσσ--?-+=121s i z Z P P ???-=-=s z z i Z Z P P σσσσ 代入后得： ()?? ????--?--+=ννσσ1211s i z Z P P 有滤失时形成水平裂缝条件： ???=-=F i h t Z P P σσ 从而可得： ν νσσν--?-+=-1211t z s F P P ⑨ 这里11210<--?<ν ν （2）无滤失时 具有水平裂面 条件： ①i P 能克服垂向应力z σ ②i P 能克服垂向抗拉强度νσt i P =z σ+νσt 因s z z P -=σσ i P =F P 所以F P -s P =+z σνσt ⑩ 公式分析： a.F P >z σ（注入压力必须能把地层抬举起来，否则无法形成水平 裂缝 b.F P 与x σ、y σ无关，主要取决于Z σ c.有滤失时的F P 大于无滤失时的F P 而Hullevt Willis 两人研究的结果表明：有滤失时可以 降低破裂压力，这样就与公式⑨发生了矛盾，其原因就是应力 区的问题，其研究结果为： 有滤失时： νν σσν--?-+=-12194.1t z s F P P ○ 11 无滤失时： 94.0νσσt z s F P P +=- ○ 12 实际应用时多采用○ 11○12两式。 d.公式仅适用裸眼井 3、套管射孔空井的破裂压力 其破裂压力大于裸眼井的破裂压力。 射孔的方位不影响裂缝的方位，但影响破裂压力的大小。 （F P ）射孔井=k （F P ）裸眼井 （k =1.3～2.0） 4、形成水平缝与垂直缝的深度界线估算： 考虑无滤失的情况，令x σ=y σ，由于在此深度界线上出现两种裂缝的可能性都存在，所以可令⑧=⑩式，有： ννσσσσt x t z +=+2 即：()()h t s z t s z P P σσνν σσν+--=+-12 ○ 13 假设：z σ=23H s P =10H h t σ=5000kPa ν=0.17 由于沉积岩的νσt 一般很小，所以可令νσt =0， 代入○ 13式得：H=5000/7.67=652m 计算说明652m 是水平缝与垂直缝的深度界线，但这浅层理论上的估算，由于地下的应力状态是复杂的，有些因素也是上述方程式所考虑不到的，因此652m 仅作为参考。 5、破裂压力梯度（破裂梯度β） （1）定义：指在某地区为造成裂缝，单位深度所需要的破裂压力： H P F /=β （kPa/m ） （2）破裂梯度的确定 a.理论计算 以垂直裂缝为例 假定：无滤失 x σ=y σ h t σ=0 利用公式⑧得： s h t x y F P P ++-=σσσ3 s y P +=σ2 s z P +-?=σνν 12 由于s z z P -=σσ ∴ ()s s z F P P P +--=σν ν12 s z P ν νσνν--+-=13112 ○14 ∴ H P H H P s z F ννσννβ--+-==13112 s P ——目前地层压力 z σ=H r s =23H ν——泊松比 由于作了过多的简化，因此上式在使用中与实际β可能有差别。 上式应用的条件为：①垂直裂缝、②无液体渗滤、③x σ=y σ、 ④忽略岩石的抗强度（h t σ=0）。 若在○14式的基础上考虑地区性的影响水平应力的构造力T σ，则： T s z F P P σννσνν+?? ? ??--+??? ??-=13112 T σ——小型压裂测试得到 假定T σ与z σ成比例关系 定义：应力z T m σσ= （1 ∴ s z F P m m P ?? ? ??---+??? ??+-=ννσνν13112 可见，由于地质构造力T σ的存在，β↗。 b.统计法 现场使用的β值都是统计出来的，根据大量的压裂实验，可以找出本地区的β。 在右图中，直线的斜点即为β（β=θtg ） 一般围β=（15～18）～（22～25）（kPa/m ） 江汉油田β=15～23（kPa/m ） （3）β值的应用 ①判断裂缝类型 a. β<（15～18） 形成垂直裂缝（深地区） b. β>（22～25）（或β>23） 形成水平裂缝（浅地区） ②估算F P ，以便进行工程计算 根据F P ，确定为压开地层所需的注入速度、注入量、注入压力等。 ③判断预处理的必要性 若F P 过高，难以正常施工，就必须进行预处理，以降低F P ，预处理的实质是降低井底附近地层的应力，破坏应力集中，如聚能射孔、密集射孔、小规模配化等（一般β>0.28时需进行预处理）。 ④压裂时有些地层β特高，有些地层破裂时没有明显破裂峰值。 β特高的原因： a.可能是由于构造关系或岩石抗强度特大的缘故。 b.也可能是一种假象，当井底附近地层严重堵塞时，?可能很大。 没有明显破裂峰值的可能原因： a.两个水平应力的比值大，井壁上的θσ小（当x σ/y σ=3时， θσ=0） ，此时F P 就低，而不出现明显的破裂峰值。 b.地层中有微隙（t σ低，甚至为0）或井经过预处理，地层的K 很高。 （三）压裂施工曲线的分析与应用 1、有关参数 （1）破裂压力（F P ）：开始形成裂缝时的最高压力 （2）延伸压力（E P ）：地层一旦被压开，高压液体进入裂缝， 而井筒附近地层应力集中消失，然后裂缝在此压力的作用下，一直向外扩，其缝面垂直于最小主应力，一般都把井壁处裂缝中的压力称为裂缝的延伸压力。 （3）闭合压力（C P ） ：停泵后作用在裂缝上欲使之闭合的压力 （4）有效（净）压裂压力（ef P ）： 裂缝中的压力超过闭合压力的那一部分压力，有效压裂压力在抗拒岩石的弹性下更宽的打开裂缝，在有效压裂压力下裂缝一直向前延伸。 2、压裂施工曲线的分析与应用 （1）分析： C 点：瞬时关井压力I P （地面压力） D 点：裂缝开始闭合时的地面压力（cs P ） E 点：地面的地层压力ss P fr P ：压裂液沿井筒的摩阻力 ef P ：有效（净）压裂压力 （2）应用： ①求破裂压力：F P =FS P -fr P +H P 式中H P ——井筒液柱压力 ②求延伸压力：E P =ES P -fr P +H P =I P +H P ③估算地应力： 假定形成垂直裂缝 E P =min 假定停泵后裂缝停止延伸，若min σ=y σ，则y σ=E P 假定无滤失，则F P -s P =3y σ-x σ 即：F P -s P =3y σ-x σ-2s P ∴ x σ=3y σ-F P -s P =3E P -F P -s P 垂向地应力：z σ=23H 对于水平裂缝：E P →min σ→z σ （四）裂缝方位的判断 1、地面电测法 V 压前电位差 V 压后电位差 V 压后 2、声波测试法 3、周向声波测试法 A 、C ——发射器 B 、D ——接收器 4、水动力学试井（脉冲试井） 5、井下电视 五、教学后记 通过本节课的学习，同学们基本了解了压裂的含义，和各种压裂的种类，能够熟练掌握油井的应力状况，计算简单的地应力，掌握形成裂缝的条件以及破裂压力梯度，会对压裂施工曲线进行分析与应 用，了解裂缝方位的判断方法。 六、教学参考书 1、王鸿勋. 水力压裂原理. 石油工业 2、王鸿勋，琪. 采油工艺原理. 石油工业 3、朱恩灵. 试油工艺技术. 石油工业 4、何艳青，王鸿勋. 用数值模拟方法预测压裂井产量. 石油大 学学报 5、士诚. 水力裂缝参数对采收率影响的研究. 低渗透油田开发 技术座谈会论文集. 石油学报 6、能宇，士诚，王鸿勋. 区块整体压裂改造水力裂缝参数对采 收率影响研究. 石油学报 七、复习思考题 1、水力压裂的基本原理是什么？其增产增注的实质是什么？ 2、形成水平和垂直裂缝的造缝条件各是什么？ 3、试分别捡推证有滤失与无滤失条件下形成垂直裂缝时破裂压力的表达式。 4、典型压裂施工曲线的分析与应用。 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； 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是地层破裂压力，P是裂缝延伸压力，P是地层压力。SEF 压裂过程井底压力变化曲线图4一l —微缝高渗岩石致密岩石; ba—在致密地层内，当井底压力达到破裂压力P后，地层发生破裂(图4—1中的a点)，F然后在较低的延伸压力P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E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σ和水平主应力σ(σ又可分为两个相互垂直的主应力σ，σ)。YHHxZ （一）地应力 作用在单元体上的垂向应力来自上覆地层的岩石质量，其大小可以根据密度测井资料计 算，一般为： ????gdz?1）（4— s?0式中σ——垂向主应力，Pa；Z H——地层垂深，m； 2)；．81 m/s g——重力加速度(93。——上覆层岩石密度，ρkg/m s 1 由于油气层中有一定的孔隙压力Ps，故有效垂向应力可表示为： ??（4—2）P??szz如果岩石处于弹性状态，考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大水平主应力为： ???????P?2EE1??S???124—3）P????（?? SH????11?21???式中σ——最大水平主应力，Pa；H ξ，ξ——水平应力构造系数，可由室内测试试验结果推算，无因次；21?—— 龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/df17775912.html, 煤矿井下水力压裂技术的发展现状与前景 作者：郭晨 来源：《科学与财富》2016年第07期 摘要：我国煤炭安全生产形势依然严峻，增加煤层透气性、进行有效瓦斯抽放迫在眉 睫。水力压裂技术是目前增加煤层透气性最有效的方法之一，文章从水力压裂机理、封孔技术、工艺设备发展三方面，综述了我国井下煤层水力压裂技术的发展和应用前景。 关键词：水力压裂；煤层；增透；发展现状 基金项目：重庆科技学院研究生科技创新计划项目，编号：YKJCX2014047 目前我国煤炭行业的安全形势依然严峻，由于煤层透气性低、瓦斯难以有效抽放导致的瓦斯突出、爆炸等事故屡见不鲜，造成了巨大的人员伤亡和经济损失，因此，加强瓦斯抽放、增加煤层透气性势在必行。水力压裂技术已成为增加煤层透气性最有效方法之一，本文通过介绍水力压裂机理、封孔技术及工艺设备的研究现状，指出水力压裂技术研究的必要性与可行性，以期为工程应用提供参考。 1.水力压裂机理研究 水力压裂技术1947年始于美国，起初主要用于低渗透油、气田的开发中，在地面水力压裂方面的研究仅仅局限在石油、油气藏以及地热资源的地面钻井开采过程中[1]。前苏联科学 家在20世纪60年代开始在卡拉甘达和顿巴斯矿区进行井下水力压裂的试验研究[2]。目前针对井下煤层水力压裂增透技术的研究已取得了明显发展，国内学者郭启文、张文勇等经过试验与现场应用研究了煤层的压裂分解机理，指出水力压裂技术只能够在煤层内产生很少的裂缝，并会在裂缝周围产生应力集中区[3]，存在一定局限性。李安启等将理论与实践相结合，研究了 煤层性质对水力裂缝的影响，还在煤层压裂裂缝监测基础上提出了煤层水力裂缝的几何模型。 在水力压裂机理方面的研究，国内外学者对水力压裂在油气系统地面钻井压裂、煤炭行业井下增加煤层透气性方面都进行了较为深入的研究，但其压裂机理方面仍存在一定分歧，不能很好的控制水力压裂的效果。随着我国煤炭安全生产逐步发展和穿煤隧道等工程的逐步建设，水力压裂技术将大范围推广应用，因此加强水力压裂技术理论研究势在必行。 2.压裂钻孔封孔技术研究 煤层水力压裂钻孔封孔是有效实施水力压裂技术的关键，而封孔质量的好坏取决于两个主要因素：①封孔材料，需要选择性能良好、价格适中、易于操作的材料；②封孔的长度，封孔长度太短会导致高压水的渗漏，太长会造成人力、材料、时间的浪费。因此，要使水力压裂技术能够有效开展，必须在选取“物美价廉”的封孔材料的同时，研究材料承载能力与封孔长度之 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40 280 水力压裂技术又称水力裂解技术，是开采页岩气时普遍采用的方法，先多用于石油开采和天然气开采之中，其原理时利用水压将岩石层压裂，从而形成人工裂缝，然后让裂缝延伸到储油层或者储气层，从而提高油气层中流体流动能力，然后通过配套技术使石油天然气在采油井中流动，从而被开采出来。这项技术具有非常广泛的应用前景，可以有效的促进油气井增产。 1?水力压裂技术的出现和发展 水力压裂技术是1947年在美国堪萨斯州实验成功的一项技术，其大规模利用是出现在1998年，在美国开采页岩气的时候，作为一项新的技术使用，而这项技术的运用，使美国美国页岩气开发的进程和效率大大加快。 水力压裂技术在中国的研究和开发开始于二十世纪五十年代，而大庆油田于1973年开始大规模使用这项技术，迄今已有30年历史。而随着时代的发展，中国的压裂技术已经有了长足进步，已经非常接近国际先进水平。而在技术方面，由于不断引进和开发相关的裂缝模拟软件等，通过多次的实验研究，在很大程度上实现了裂缝的仿真模拟。而相应的技术也使用在了低渗透油气田的改造工作中，并且在中高渗透性油田也有广泛应用。这项技术在低渗透油田的应用技术已经非常接近国际水平，相比较差距非常小。 2?水力压裂技术的发展现状 随着时代的发展，水力压裂技术也随之不断发展，逐渐成为一项成熟的开采技术。而这项技术具有一定的进步性，主要表现在以下方面： （1）从单井到整体的优化。最开始的时候，由于受技术限制，水力压裂技术只能针对一口井来使用，难以考虑到整体的效益。而随着技术的逐渐成熟，这项技术可以广泛的运用到整个油藏之中，可以对整个油藏进行优化设计，实现油藏的有效合理开发。 （2）在低渗透油藏的开发运用。由于受各种因素的影响，低渗透油藏大都难以有效的开发利用，虽然在各项新技术的使用下得到了一定得好转，但是低渗透油藏的开发依旧是举步维艰。而水力压裂技术的日益成熟，很大程度上改善了这一状况。通过综合考虑水利裂缝的位置和导油能力，使用水力压裂技术使油藏的流体流动能力进一步增强，从而实现低渗透油藏的最大程度的开采利用。 （3）水力裂缝的模型逐渐从二维转变为拟三维。水力裂缝的拟三维模型可以适用于各种不同的地层，可以非常真实的模拟水力压裂的过程，可以更好的更为直观的预测和观测水力压裂的使用进度，更好的对水力压裂过程进行控制，不但提高了效率，还可以在很大程度上节约成本。 （4）水力压裂规模扩大。随着技术的成熟和配套设施的完善，水力压裂的作业规模也随之变大，从最初的几立方米到现在几十甚至上百立方米，在很大程度上提高了效率，也提高了低渗透油藏的采油率，实现了油藏的有效利用，因而成为开采作业中非常重要的技术之一。 3?水力压裂技术的发展方向和前景 水力压裂技术具有广阔的发展前景，因为随着石油资源的逐年开采，低渗透油藏广泛出现，水力压裂技术之外的技术虽然可以一定程度上改善低渗透油藏难以开采的现状，但是随着时代的发展，水力压裂技术逐渐广泛使用在低渗透油藏之中，使低渗透油藏的开采效率大大增加。 （1）在低渗透油藏重复压裂促进采油率。主要的发展研究方向主要是加强对油藏状况的研究，建立科学的压裂模型，还要做到实时监测水力裂缝，对裂缝进度进行模拟和控制，其次利用高排量和大输砂量的泵注设备，进行注入作业，从而实现低渗透油藏的有效开发。 （2）做好拟三维化模型向全三维化模型的转换，全三维化模型可以非常有效的、更为直观的模拟和观测地下裂缝的进度，可以非常有效的控制水力压裂技术的科学使用。还要做好油气藏模拟技术的研发，配合三维化模型，更好的观测和了解油藏状态，从而做出合理的高效的开采计划。 （3）针对传统的水力压裂技术会出现污染地下水的问题，可以在无水压裂液体系做出研究，实现高能气体压裂技术和高速通道压裂技术等新技术的开发和利用，实现提高开采效率和环境保护的双赢。 有水压裂到无水压裂，从直井压裂到水平井分段压裂，从常规的压裂技术到现在的体积改造技术，压裂技术不断进步的同时，为人类带来了丰富的油气资源。而随着油藏开发，大量低渗透油藏的出现，给水力压裂技术的使用带来了广阔的空间，因而水力压裂技术拥有非常好的发展前景。 4?结束语 水力压裂技术是油气开发中所需要的非常重要的配套技术，而水力压裂技术和开采开发之间的结合，很大程度上提高了采油效率，降低了成本，在很大程度上提高了开采水平，使低渗透油藏得以稳定生产。而我国在这一技术上进行了大量投入，从研究人员和设施上，为技术的发展提供了很好的支持。而这一技术的逐步发展，在很大程度上提高了我国油气的开发效率，也很大程度改善了我国的石油供应紧张的现状，为我国的可持续发展做出了重大贡献，而作为油气开发的重要技术，水力压裂技术也会进一步发展，实现更高效率的油气开采。 国内水力压裂技术现状 续震?1，2 卢鹏?1，3? 1.西安石油大学 陕西 西安 710000 2. 延长油田股份有限公司杏子川采油厂 陕西 延安 717400 3.延长油田股份有限公司下寺湾采油厂 陕西 延安 716100 摘要：最早的水力压裂技术出现于1947年，而现代使用的水力压裂技术则是1998年首次使用。这项技术的出现，是油气井增产出现了新的希望，帮助石油开采取得了很好的技术成就和经济效益，从而使这项技术在我国石油开采上广泛应用，并取得了很好的成果。本文针对我国水力压裂技术的现状和发展前景做出研究。 关键词：水力压裂?现状?前景 关于水力压裂设备及技术的发展及应用 【摘要】水力压裂技术经过了半个多世纪的发展，在设备和技术应用上都取得了较大的发展，在全球各地的石油开采中也发挥了关键性的作用，是目前仍在广泛应用的评价认识储层的一种重要方法，水力压裂技术也是油田煤矿等产业生产中确保安全、降低危险的重要技术。近年来，水力压裂的几部发展很快，在压裂设备材料上也有了较大突破，压裂技术在油田勘探开发应用中和其他行业的应用中的前景还是十分广阔的。 【关键词】水力压裂；发展现状；趋势 随着技术进步和应用范围的扩大，施工对压裂技术也提出了更高的要求，对压裂设备性能、压裂液等材料的要求也越来越高，不同地理环境下的压裂技术应用也有不同的需求，所以水力压裂设备和技术的研究也在不断进行，笔者在此对水力压裂技术的发展应用现状和今后的发展前景进行了展望，具体内容如下。 一、水力压裂设备技术的发展应用现状 （一）端部脱砂压裂技术 现代油气田勘探开发技术发展应用速度快，各种新技术工艺也都得到了综合运用，过去压裂设备和技术主要应用于低渗透油田，现在应用范围有了明显的扩大，在国内许多大型油田的中高渗透地层中不但应用了压裂设备和技术，且在技术上有了更大的突破。压裂技术应用于中高渗透地层时，实现短宽型的裂缝能够更好的控制油气层的开发，所以端部脱砂压裂技术应运而生，并在应用中取得了非常好的效果，近年来端部脱砂压裂技术在浅层、中深地层、高渗透以及松软地层都得到了应用，该技术的相关设备也在应用中得到了不断的改进。 （二）重复压裂技术 随着油田开发的不断深入，出现越来越多的失效井和产量下降的压裂井，二重复压裂技术正是针对该类油井改造和提高产量的有效技术措施。全球范围内各个国家对重复压裂设备和技术的研究都很重视，经过实践检验其应用效果也十分显著，重复压裂的成功率能够达到75%左右。在美国还有油田企业在应用重复压裂技术的同时还采用了先进的强制闭合技术和端部脱砂技术，取得了很好的经济效益。重复压裂技术设备能够用于改造低渗透和中渗透的油层，在直井、大斜度井以及水平井中都具有很高的应用效果，对提高产能具有很好的作用。 （三）高渗层防砂压裂技术 高渗层防砂压裂技术不但能够实现高渗透油藏的压裂，还能够同时完成充填防砂作业。传统的砾石充填防砂技术很容易造成对高渗透油层的破坏，导致导流能力下降，而高渗透防砂压裂技术是结合的端部脱砂技术，使裂缝中的支撑剂浓 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 万方数据 万方数据 万方数据 ６４江汉石油职工大学学报 ８压裂实时监控技术 实时监控和监测技术，是通过在施工现场实时地测定压裂液、支撑剂和施工参数，模拟水力裂缝几何形状的发展，随时修改施工方案，以获得最优的支撑裂缝和最佳的经济效益。 （１）施工参数监控，包括排量、泵压、砂比等由仪表车直接显示和控制。 （２）压裂质量监测：分别监测混砂车出、人口压裂液（携砂液）的流变性、温度、ｐＨ值等参数，对压裂液流变性，特别是加人各种添加剂后的性能以及携砂能力进行定量分析，常用的仪器为范氏系列粘度计，并在模拟剪切和地层温度条件下模拟整个施工过程。对于延缓硼交联压裂液和延缓释放破胶剂体系，矿场实时监测更为重要。 （３）实时压力分析：根据测定的施工参数和压裂液参数用三维压裂模拟器预测井口或井底压力，并与实际值进行拟合，预测施工压力变化（泵注和闭合期间）和裂缝几何形状。主要用途如下： ①识别井筒附近的摩阻影响（射孔和井筒附近裂缝的弯曲），并能定性判断其主要影响因素，判断井筒附近脱砂的可能性； ②评价压裂设计可信程度：如果施工压力与矿场实时预测压力相吻合，则设计的裂缝几何形状是可信的； ③预测砂堵的可能性； ④确定产生的水力裂缝几何形状Ｉ ⑤提供施工过程的图像和动画信息。 矿场实时分析随着便携式计算机的发展，在矿场上得到了广泛应用，除ＧＲＩ外，其它石油公司也都相继研制和发展了这套系统。在实际应用中．经常与小型压裂测试分析结合应用。 ９ＦＡＳＴＦｒａｃ压裂管柱 贝克石油工具公司新近开发出一种连续油管压裂系统一ＦＡ刚下ｒａｃ压裂管柱，用于对先前未处理到的层位进行选择性的增产措施，从而获得比常规压裂更高效、更经济的压裂效果。应用该技术能一趟管柱实现多层隔离与措施。从而降低了修井作业成本，节省了完并时间。由于该连续油管传送系统能保证高比重压井液不接触生产层，使完井和增产措施均不造成油井伤害，从而快速实现生产优化。ＦＡｓＴＦｒａｃ工具与Ａｕｔｏ—Ｊ系统组成一个整体，Ａｕｔｏ—Ｊ系统的作用是保证连续油管将压裂管柱送入或从井筒中起出。措施时，上部封隔元件和下部封隔元件能隔离一个或多个生产层。一旦第一次措施完毕，系统就复位并重新设置，下入另一个生产层。无论是ＦＡ跚下ｒａｃ封隔器和桥塞系统，还是固定跨式双封隔器系统均能对过去遗漏的小型袋状油气藏实施经济高效的增产措施。 １０新型ＣＫＦＲＡＱ压裂充填系统 贝克石油工具公司新近研制成功新型ＣＫＦＲＡＱ系统，该系统由多个高性能井下工具组件组成，尤其适用于极高流速和高砂比条件下。在应用软件的辅助下，ＣＫＦＲＡＱ系统可以对压裂充填作业（用陶瓷支撑剂）中的泵的排量和容量进行优化，同时还可以将卡泵和套管腐蚀风险降至最低。经过大量模拟和小规模室内实验，该工具被应用于现场。人们还通过小规模室内试验，对工具转向孔的几何形状进行了评估，目的是找出哪种几何形状的转向孔遭遇的腐蚀最轻。此外，还进行了样机试验，以确保尽可能地延长套管的使用寿命。 贝克石油工具公司称，从毁坏性对比试验中可以看出，ＣＫＦＲＡＱ系统的各种性能都胜过其它竞争产品。 今后的发展方向： （１）随着水力压裂施工的要求越来越高，压裂液和支撑剂的性能也需越来越高，因此必须加强高性能压裂液和支撑剂的研究与开发。 （２）开展有效的裂缝检测技术研究。目前压裂后裂缝的检测技术仍然是水力压裂技术的一个薄弱环节，国内外采用的检测方法虽然取得了一定的成效，但还有很大的局限性，还需要进一步的研究。 （３）在中高渗透地层中应用端部脱砂压裂技术，扩大水力压裂技术的应用范围。 （４）发展矿场实时监测和分析技术，提高施工的成功率和有效率。 ［参考文献］ ［１］Ｆ．ＧＵＥＫｕｒｕ等著．冯敬编译，一种适用于低渗透浅层油藏的压裂方法［Ｊ］．特种油气藏，２００４（６）．［２］吴信荣，彭裕生编，压裂液、破胶剂技术及其应用［Ｍ］．北京：石油工业出版社，２００３，９． ［３］马新仿，张士诚．水力压裂技术的发展现状［Ｊ］．河南石油，２００２（１）． ［４］ＰａｕｌＷＫｔｅ，ＪｏｈｎＤ．Ｈａｒｋｒｉｄｅｒ，ＦｒａｃｔｕｒｅＳｔｉｍｕｌａｔｉｏｎＯｐｔｉ删功ｔｉｏｎｉｎａＭａｔｕｒｅＷａｔｅｒｆｌｏｏｄＲｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，《ＪＰｌｒ》，Ｊａｎｕａｒｙ，２００３． ［５］ｓｈｙａｐｏｂｅｒｓｋｙＪ，ｃｈｕｄｎｏｖｓｋｙ．Ａｒｅｖｉｅｗｏｆｒｅｃｅｎｔｄｅｖｅｌ—ｏｐｍｅｎｔｉｎｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｃｓ诵ｔｈｐｅｔｒｏｌｅｕｍｅｎｇｉｎｅｅｒ—ｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＳＰＥ２８０７４。１９９４．（下转第６７页） 万方数据 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 滑套式水力喷射分段压裂技术 【摘要】滑套式水力喷射分段压裂技术将投球打滑套工艺同水力喷射相结合。施工时从油管投入相应尺寸阀球，打开喷枪内置滑套，同时封堵下层。然后地面加压，在喷嘴形成高速射流，切开套管，水泥环，在地层中形成一定直径和深度的孔眼；同时油套环空小排量注入，使得环空压力略低于地层破裂压力，继续喷射，即可在喷射点形成裂缝。本层施工结束后，再从油管投入相应尺寸阀球，打掉上层喷枪滑套，封堵本层，即可进行上层施工。依此投入由小到大阀球可实现分层压裂。 【关键词】滑套式水力喷射 1 引言 滑套式水力喷射分段压裂工艺是基于定点水力喷射基础上研发的。滑套式水力喷射压裂工艺可以实现多层压裂，且无须拖动管柱，只需按顺序逐级投入由小到大阀球。操作简单、施工周期短、造缝位置准确、作业成本低，避免了机械封隔器分段压裂时可能带来的封隔器卡阻问题，适用于大部分水平井和直井分层段压裂，对于已射孔、井段大、无隔层压裂井改造非常有针对性。目前压裂公司已在辽河油区内外成功施工了6口井（4口直井、2口水平井），效果显著。 2 技术原理 滑套式水力喷射是将水力喷射和打滑套分层技术相结合的一门工艺技术。 水力喷射由油管及环空挤压共同完成。通过安装在施工管柱上的水力喷射工具，高压能量转换成动能，产生高速射流冲击（或切割）套管和岩石，在地层形成一个（或多个）喷射孔道，完成水力射孔。高速流体的冲击作用在近井地带产生微裂缝，裂缝产生后环空增加一定压力使产生的微裂缝得以延伸，实现水力喷射压裂。同时由于喷嘴出口周围流体速度最高，其压力最低，故流体会自动泵入裂缝而不会流到其它地方。环空的流体也会在压差作用下进入射流区被吸入地层（图1）。 滑套式水力喷射分段压裂工艺是基于水力喷射基础上研发的。在喷枪内安置滑套，由销钉固定。从油管投入钢球，销钉在一定压差下剪断，滑套打落，喷嘴露出，同时钢球落入球坐，封堵下层，然后进行水力喷射。 3 技术优势 （1）水平井或直井多段压裂不用封隔器或桥塞等隔离工具，可实现自动封隔，施工风险小且操作简便。 （2）利用滑套式喷射器实现不动管柱喷射压裂工艺，一次管柱可进行多段 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/df17775912.html, 报告题目：水力压裂技术近期发展及展望 目录 一、弓I 言.............................................................. -2-.. 二、发展及简介........................................................... 般-… 2.1发展历程 ........................................................ 般-… 2.2原理简介 ........................................................ 般-… 三、近期进展............................................................ -.3-… 3.1植物胶及其衍生物 ................................................ -3-. 3.2纤维素及其衍生物 ................................................ -3-. 3.2.1 羧甲基纤维素钠(CMC) ................................. -.4- 3.2.2改性羧甲基纤维素(CMPC) (4) 3.2.3羟乙基纤维素(HEC) (4) 3.2.4羧甲基羟丙基纤维素醚(CMHPC) .......................... .-4- 3.3合成聚合物 ...................................................... -5-.. 3.3.1丙烯酰胺类................................................ - 5-.. 3.3.2丙烯酸酯类................................................ - 5-.. 水力压裂增加原油产量的机理概述 水力压裂是一项有广泛应用前景的油气井增产措施，水力压裂法是 目前开采天然气的主要形式，要求用大量掺入化学物质的水灌入页岩层 进行液压碎裂以释放天然气。这项技术在10年中在美国被大范围推广， 但美国人正在担忧这项技术将污染水源,从而威胁当地生态环境和居民 身体健康。并认为这种技术给环境带来了极大的伤害，包括使自来水自 燃，引发小幅地震等。但目前它仍是使用较为广泛的一种增产措施。 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，使井达到增产增注目的工艺措施。该项技术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。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 变流体的渗流状态，使原来的径向流动改变为油层与裂缝近似性的单向 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。如果水力裂 缝能连通油气层深处的产层(如透镜体)和天然裂缝，则增产的效果会更 明显。另外，水力压裂对井底附近受损害的油气层有解除堵塞作用。 一、水力压裂造缝机理 （一）应力分析 在水力压裂中，了解造缝的形成条件、裂缝的形态(垂直或水平)、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，相反，则可能会出现 生产井过早水窜，降低最终采收率。 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和水平主应力。 1.地应力 作用在单元体上的垂向应力来自上覆层的岩石重量，它的大小可以根据 密度测井资料计算。水力压裂安全技术要求
水力压裂技术
煤矿井下水力压裂技术的发展现状与前景
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