水 力 压 裂 工 艺
培 训 讲 义
第一采油一厂工程技术大队
2004年6月 1
前言：
水力压裂是油田增产、增注，保持油田稳产的一项重要工艺技术。它利用液体传导压力的性能，在地面利用高压泵组，以大于地层吸收能力的排量将高粘度液体泵入井中，在井底憋起高压，此压力超过油层的地应力和岩石抗张强度，在地层产生裂缝，继续将带有支撑剂的携砂液注入裂缝，裂缝边得到延伸，边得到支撑。停泵后就在油层形成了具有一定宽度的高渗透填砂裂缝，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。水力压裂包括理论力学、材料力学、热化学、高分子化学、机械制造等多个学科。
一、压裂液
压裂液的主要功能是传递能量，使油层张开裂缝并沿裂缝输送支撑剂。其性能好坏对于能否造出一条足够尺寸、并具有足够导流能力的填砂裂缝密切相关，因此，有必要了解压裂液的特点和性能。
（一）压裂液的作用
压裂液的主要作用是将地面设备的能量传递到油层岩石上，在地层形成裂缝，并携带支撑剂填充到裂缝中。按照在压裂施工中不同阶段的作用可以分为前置液、携砂液、替挤液三种。
1、前置液；用来在地层造成裂缝，并形成一定几何形态裂缝的液体。在高温井层中，还具有一定的降温作用。
2、携砂液：携带支撑剂进入地层，把支撑剂充填到预定位置的液体。和前置液一样也具有造缝及冷却地层的作用。由于携带比重较高的支撑剂，必须使用交联压裂液。
3、替挤液：把压裂管柱、地面管汇中的携砂液全部替入裂缝，以避免压裂管柱砂卡、砂堵的液体。组成与前置液一致。
（二）压裂液的性能
为确保压裂施工顺利实施，要求压裂液具有以下性能特点
1、滤失性：主要取决于压裂液自身的粘度和造壁性，粘度高则滤失少。添加防滤失剂能改善压裂液的造壁性，大大减少滤失量。
2、携砂性：指压裂液对于支撑剂的携带能力。主要取决于液体的粘度、密 2 度及其在管道和裂缝中的流速，粘度越高，携带能力越强。
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；
2.4 煤层水力压裂技术
2.4.1 水力压裂技术的机理
水力压裂是在石油天然气工业中成熟的，用以提高油、气井生产能力的技术。在美国已经把它应用到好几个煤田的瓦斯排放工作中（杜尔，1989）。它的基本原理是：选定压裂的煤层后在地面上用泵产生高压水流，从钻孔进入煤层，把煤层中原有的裂缝撑开，继续压入水流，使煤层中被撑开的裂缝向四周发展，与此同时，在水中加入筛过的沙子，把它当作支撑剂，送进煤层中被撑开的裂缝里，当压裂结束，压裂用水返排后沙子仍然留在煤层中支撑开的裂缝中。水力压裂造成瓦斯流动的通道从钻孔底部向四周延伸到一百多米远的地方。使煤层的钻孔排放瓦斯范围扩大，因而瓦斯涌出量也增加。
煤层内天然裂缝对水力压裂是有影响的。主要的天然裂缝是垂直于煤层层面的。井下实际观察资料表明，水力压裂所造成的裂缝多数是垂直于煤层层面，其方向与重要的天然裂缝平行，偏差不过10°。它们常常与次裂缝的方向垂直。但是在335.28m深的钻井内，压裂的压力超过地层的垂直覆盖的压力时，也可以在，煤层内造成平行于煤层层面的水平裂缝。
煤层与顶、底板岩层的接触面对压裂的裂缝也会有影响，对压裂孔作井下实地观测表明压裂形成的裂缝通常是在煤层内，或者是沿煤层与顶、底板接触面而发展，也不垂直进入岩层，这可能是因为接触面的机械强度比较弱，阻力比较小。
在美国依州六号煤层内，为了增加压裂液携带沙子的能力，使用轻型胶液作为压裂液在煤层形成的压裂裂缝最长达126.8m。压裂使用泡沫做压裂液，携带沙子，也能得到比较长的压裂裂缝。相距152m、305m的钻孔在压裂中沟通，证明泡沫压裂能造成比较长的裂缝。
压裂压力与煤层所受地压力之差值影响压裂裂缝的宽度，差值越大，宽度越大，反之则相反。压裂液的流量与它的黏度对裂缝的宽度也有影响，用黏性较大的胶液，压裂流量为1.59m3/min时产生的裂缝有63.5mm宽；用黏性小的压裂液时，同样的压裂流量，产生的裂缝宽度只有3.2~9.5mm。用黏性大的胶液再加一些防止流失的附加剂作为压裂液时，虽然压裂流量只有1.23m3/min，也能造成127mm宽的裂缝。显然，压裂液的黏度比压裂液注入的速度对裂缝宽度的影响更为重要。
力喷射分段改造技术是90年代末发展起来的目前国外应用比较广泛的技术,其技术原理是根据伯努利方程,将压力能转换为速度,油管流体加压后经喷嘴喷射而出的高速射流(喷嘴喷射速度大于126
m/s)在地层中射流成缝,通过环空注入液体使井底压力刚好控制在裂缝延伸压力以下,射流出口周围流体速度最高,其压力最低,环空泵注的液体在压差作用下进入射流区,与喷嘴喷射出的液体一起被吸入地层,驱使裂缝向前延伸,因井底压力刚好控制在裂缝延伸压力以下,压裂下一层段时,已压开层段不再延伸,因此,不用封隔器与桥塞等隔离工具,实现自动封隔。通过拖动管柱,将喷嘴放到下一个需要改造的层段,可依次压开所需改造井段。水力喷射压裂技术可以在裸眼、筛管完井的水平井中进行加砂压裂,也可以在套管井上进行,施工安全性高,可以用一趟管柱在水平井中快速、准确地压开多条裂缝,水力喷射工具可以与常规油管相连接入井, 也可以与大直径连续油管( 60.3 mm)相结合,使施工更快捷,国内外已有数百口井用此技术进行过酸压或加砂压裂处理。
水平井压裂主要分为笼统压裂和分段压裂，笼统压裂产生纵向缝，全井段改造，解除深度井筒伤害；分层压裂产生横切缝，主要用来强化处理低渗油气层，而分层的方法有很多种，水力喷射压裂是其中一种。
水力喷射压裂技术（HJF），是集水力射孔、压裂、隔离一体化的新型增产改造技术，它是借助一种特殊的喷射/压裂工具、利用水动力学原理在直井中分层或在水平井段分段压裂而不需其他机械封隔的方法：通过油管把水力喷射井下装置下到指定层位，地面流体加压，通过井下装置喷嘴形成高压高速射流，在地层中形成一定直径和深度的孔眼；关闭油套环空，保持环空压力略低于地层破裂压力，继续喷射，根据伯努利方程，在孔眼顶部的驻点压力将高于地层破裂压力，此时地层中的裂缝将仅在水力喷射形成的孔眼里破裂、扩展，但水平段端部由于环空压裂液压力低于地层起裂压力而不再开裂所以水力喷射射孔压裂是基于伯努利（Bernoulli）方程式，维持低的井底压力并且进行有效的压裂。
