水力压裂技术的研究与优化设计

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。

第３２卷第３期　２０１０年５月　石　油　钻　采　工　艺　ＯＩＬ　ＤＲＩＬＬＩＮＧ＆ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖ０１．３２　Ｎｏ．３　Ｍａｖ　２０１０　

文章编号：１０００—７３９３（２０１０）０３—００７２—０４　

水力喷砂分段压裂优化设计与施工　

陈作　王振铎　郑伟　邱晓惠　孟祥燕　（Ｉ．中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊０６５００７；２．新疆油田公司工程技术处，新疆克拉玛依８３４０００）　

摘要：依据水力喷砂分段压裂的技术特点结合常规加砂压裂设计方法，建立了水力喷砂分段压裂优化设计方法。通过数　值计算，给出了喷嘴数量与施工排量的匹配关系曲线和环空压力与排量的关系曲线，借助实验手段，模拟现场油管与环空注入　压裂液的比例研究了压裂液混合液的黏弹性恢复能力和耐剪切性能，为现场水力喷砂射孔啧嘴数量、排量和射流速度的设计，　加砂压裂油管和环空排量的优化提供了参考。　

关键词：水平井；水力压裂；喷砂射孔；喷嘴；射流参数；设计；施工　

中图分类号：ＴＥ３５７．１　文献标识码：Ａ　

Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓａｎｄ　ｂｌａｓｔｉｎｇ　ｓｅｇｒｅｇａｔｅｄ　ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

ＣＨＥＮ　Ｚｕｏ　，ＷＡＮＧ　Ｚｈｅｎｄｕ０　，ＺＨＥＮＧ　Ｗｅｉ　，ＱＩＵ　Ｘｉａ０ｈｕｉ　，ＭＥＮＧ　Ｘｉａｎｇｙａｎ　

（１．Ｌａｎｇｆａｎｇ　Ｂｒａｎｃｈ，Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，Ｌａｎｇ￣ａｎｇ　０６５００７，Ｃｈｉｎａ；　２　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＸｉｎｊｉａｎｇ　Ｏｉｌｆｉｅｌｄ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｋａｒａｍａｙ　８３４０００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓａｎｄ　ｂｌａｓｔｉｎｇ　ｓｅｇｒｅｇａｔｅｄ　ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｎ—　

２０１７年第２期　内蒙古石油化工　

水力喷砂射孔填砂压裂技术研究　

汪小龙，杨　勇　

（川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司，陕西西安７１００１　８）　

摘　要：水平井体积压裂工艺技术已经成为当今油气田开发的主体技术，但在现场体积压裂施工　Ｐ　

多有施工效率低、卡钻、遇阻等问题，为此提出常规油管传输水力喷砂射孔填砂压裂技术，该技术核心为　

填砂技术。文章介绍了填砂压裂技术的原理和特点以及在现场开展的试验情况。通过现场试验证实水　

力喷砂射孔填砂压裂技术是可行的，填砂技术可替代封隔器作用，实现层间有效封隔。填砂技术的实现　

方式分为油管填砂和套管环空填砂两种方式，且现场试验表明套管环空填砂更为可取。现场施工和应川　

效果表明水力喷砂射孔填砂压裂技术是一种安全高效的水平井体积压裂技术。为油田改造提供了一个　

新的思路。　

关键词：填砂技术；压裂；油管填砂；套管环空填砂；现场试验　

中图分类号：ＴＥ３５７　文献标识码：Ａ　文章编号：ｌＯＯ６—７９８１（２０１７）ｏ２一Ｏ０６５—０４　

上世纪９Ｏ年代，在水平井开发试验初期，长庆　

油田采用填砂打液体胶塞技术进行分段压裂，那时　

的工艺采用的是油管传输火药射孔，单上封钻具油　

管加砂压裂，抽汲求产后再进行填砂，然后射孔、压　

裂……，作业周期长。２００５年，引进了水力喷射压裂　

技术，先后经历了射流封隔、胶塞封隔、底封隔器封　

隔压裂等阶段。从２０１０来，带底封隔器水力喷射压　

裂技术已经成为长庆油田油水平井开发的主体技　

术，具有快速、高效等特点。但随着致密油的开发和　

体积压裂的规模化应用，带底封隔器的水力喷射压　

裂工艺也暴露出一些问题，易出现封隔器失效、喷枪　

损坏等施工问题（图１所示），导致换钻具频繁、井控　

风险大。此外，因固井质量和套管质量问题导致的井　

底漏失现象在该油田区块也亦有出现，增加了试油　

工作的复杂性。故为提高试油气现场施工效率，减少　

施工异常，经过论证和分析，提出水力喷砂射孔填　

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 。