1、水力壓裂工藝培訓講義第一采油一廠工程技術大隊2004 年 6 月前言： 水力壓裂是油田增產、增注，保持油田穩產的一項重要工藝技術。它利用 液體傳導壓力的性能，在地面利用高壓泵組，以大于地層吸收能力的排量將高 粘度液體泵入井中，在井底憋起高壓，此壓力超過油層的地應力和巖石抗張強 度，在地層產生裂縫，繼續將帶有支撐劑的攜砂液注入裂縫，裂縫邊得到延伸， 邊得到支撐。停泵后就在油層形成了具有一定寬度的高滲透填砂裂縫，由于這 個裂縫擴大了油氣流動通道，改變了流動方式，降低了滲流阻力，可起到增產 增注作用，這一施工過程就叫油層水力壓裂。水力壓裂包括理論力學、材料力 學、熱化學、高分子化學、機械制造等多個學

2、科。一、壓裂液 壓裂液的主要功能是傳遞能量，使油層張開裂縫并沿裂縫輸送支撐劑。其性 能好壞對于能否造出一條足夠尺寸、并具有足夠導流能力的填砂裂縫密切相關， 因此，有必要了解壓裂液的特點和性能。（一）壓裂液的作用 壓裂液的主要作用是將地面設備的能量傳遞到油層巖石上， 在地層形成裂 縫，并攜帶支撐劑填充到裂縫中。按照在壓裂施工中不同階段的作用可以分為 前置液、攜砂液、替擠液三種。1、前置液 ；用來在地層造成裂縫，并形成一定幾何形態裂縫的液體。在高 溫井層中，還具有一定的降溫作用。2、攜砂液： 攜帶支撐劑進入地層，把支撐劑充填到預定位置的液體。和前 置液一樣也具有造縫及冷卻地層的作用。由于攜帶比重較

3、高的支撐劑，必須使 用交聯壓裂液。3、替擠液： 把壓裂管柱、地面管匯中的攜砂液全部替入裂縫，以避免壓裂 管柱砂卡、砂堵的液體。組成與前置液一致。（二）壓裂液的性能 為確保壓裂施工順利實施，要求壓裂液具有以下性能特點1、濾失性： 主要取決于壓裂液自身的粘度和造壁性，粘度高則濾失少。添 加防濾失劑能改善壓裂液的造壁性，大大減少濾失量。2、攜砂性： 指壓裂液對于支撐劑的攜帶能力。主要取決于液體的粘度、密度及其在管道和裂縫中的流速，粘度越高，攜帶能力越強。3、降阻性 ：指壓裂液在管道中流動時的水力摩擦阻力特性，摩阻越小，壓 裂設備效率越高。摩阻過高會導致井口壓力高，從而降低排量，影響壓裂施工。4、穩定

4、性： 壓裂液應具有熱穩定性，不能由于溫度升高而使粘度有較大的 損失；還應具有抗剪切穩定性，不會由于流速的增加而大幅度降解。5、配伍性： 壓裂液進入地層后與各種巖石礦物及地層流體相接觸，不應產 生不利于油氣滲流的物理化學反應，例如不會引起粘土膨脹或產生沉淀而堵 塞油層。6、低殘渣： 要盡量降低壓裂液中水不溶物的數量，以免降低油氣層和填砂 裂縫的滲透率。7、易返排： 施工結束后大部分注入液體應能返排出井筒，減少壓裂液對地 層的傷害。特別是低壓井的返排尤其重要。因此，壓裂液應具有濾失小、攜砂能力強、摩阻低、穩定性好、配伍性好、 低殘渣、易返排等特點。此外由于壓裂施工規模越來越大，壓裂液用量越來越 大

5、，壓裂液還應具有貨源逛、成本低、配制簡單的特點，以滿足大型壓裂和新 井壓裂施工的要求。（三）壓裂液的分類最早采用的壓裂液是油基壓裂液， 20世紀 50年代開始應用胍膠稠化的水基 壓裂液， 60 年代發展了交聯胍膠壓裂液， 70 年代開發出羥丙基胍膠， 80年代采 用了延遲交聯的水基壓裂液， 90 年代壓裂液向“清潔”無傷害壓裂液體系發展。按造分散介質的不同，壓裂液主要分為水基壓裂液、油基壓裂液、乳化壓 裂液、泡沫壓裂液、醇基壓裂液、表面活性劑（清潔）壓裂液和濃縮壓裂液。重點介紹目前廣泛應用的水基壓裂液。（四）水基壓裂液 是以水作為分散介質，添加各種處理劑，特別是水溶性聚合物，形成具有 壓裂工藝

6、要求的較強綜合性能的工作液。一般水溶性聚合物和添加劑的水溶液 稱為線形膠或稠化水壓裂液。線形膠一旦加入交聯劑，會形成具有粘彈性的交 聯凍膠，交聯凍膠具有部分固體性質，但在一定的排量和壓力下能夠流動。水 基壓裂液以安全、清潔和容易以添加劑控制其性質得到廣泛的應用，除了極少 數特別是水敏性地層外，水基壓裂液是壓裂液技術發展最快、最全面的體系。1、線形膠壓裂液是由水溶性聚合物稠化劑和其他添加劑組成，具有流動性，一般屬于非牛 頓流體，可近似用冪率模型來描述。 典型壓裂液配方：稠化劑（香豆膠 0.4-0.6% ， 胍膠 0.3-0.5% ，羥丙基胍膠 0.2-0.5% ）+殺菌劑（甲醛 0.2-0.5%

7、 ）+粘土穩定劑 （KCL2%）+破乳劑（ SP1690.1-0.2%）+破膠劑（過硫酸銨 20-100mg/L）。線形膠壓裂液具有一定的表觀粘度與低濾失性，減阻性能好，易破膠對地 層傷害小；但對溫度、剪切速率敏感。一般用于注水井和淺層油氣藏壓裂。2、交聯凍膠壓裂液同線形膠壓裂液對比，聯凍膠壓裂液具有更強的粘彈性和塑性，在造縫和 攜砂能力等綜合性能方面優于線形膠壓裂液，但由于破膠降粘相對困難，因而 破膠劑的使用由為重要 。典型壓裂液配方：基液：稠化劑（ 0.3-0.7% 香豆膠、胍膠、羥丙基胍膠）+殺菌劑（甲醛 0.2-0.5% ） +粘土穩定劑（ KCL2%）+破乳劑+助排劑（0.2-0.6

8、%DL）+降濾失劑+PH值調節劑 + 溫度穩定劑。交聯液： 交聯劑（硼砂、有機硼、有機鋯、有機鈦） +破膠劑（過硫酸銨少 量），視交聯比和交聯性能配制交聯液濃度。為了適應不同井層的情況，通過調節添加劑用量，壓裂液還可以分為低溫 （20-60）、中溫（ 60-120 ）、高溫（ 120以上）體系。3、水基壓裂液添加劑（1）稠化劑 ：水溶性聚合物作為稠化劑是水基壓裂液的基本添加劑，用以 提高粘度、降低濾失、懸浮和攜帶支撐劑。可以用植物膠（如胍膠、香豆膠、 田箐膠）及其衍生物（羧甲基纖維素、羥乙基纖維素等） 、生物聚合物如黃胞膠 以及合成聚合物（聚丙烯酰胺） 。（2）交聯劑： 交聯劑是通過交聯離子將

9、溶解于水中的高分子鏈上的活性基 團以化學鏈連接起來形成三維網狀凍膠的化學劑。比較常用且形成工業化的交 聯劑為硼砂、有機硼、有機鋯、有機鈦等。（3）粘土穩定劑 ：使用水基壓裂液，將引起粘土沉積、顆粒膨脹或運移。 在施工中壓裂液對儲集層粘土礦物的傷害通常是水敏性和堿敏性疊加作用的結 果。水溶性介質能使粘土礦物膨脹、分散或運移；同時水基壓裂液以堿性交聯為主，濾液粘土穩定劑，使用濃度為 1-2%。（4）殺菌劑： 用于抑制和殺死微生物，使配制的基液性能穩定，防止聚合 物降解，同時阻止儲集層內的細菌生長。甲醛、乙二醛、戊二醛具有良好的殺菌防腐作用，使用濃度 0.5-1.0% 。（5）表面活性劑： 水基壓裂

10、液的表活劑具有壓后助排和防乳破乳作用。由 于乳化液的粘度較高，在井筒附近和地層原油發生乳化，會產生嚴重的生產堵 塞。應用表面活性劑可以保持破乳劑的活性，達到防乳破乳作用。（6）抗高溫穩定劑： 高溫下壓裂液的粘度下降主，要由于氧的存在加劇了 壓裂液降解的速度，因此常用甲醇、硫代硫酸鈉、三乙醇胺等作為穩定劑。（7）降濾失劑： 水基線形膠與凍膠壓裂液由于具有較高的表觀粘度和能形 成濾餅的特性，可控制壓裂液降解的速度，但一般天然裂縫發育的儲集層應加 入降濾失劑。常用的 為柴油、油溶性樹脂、聚合物和硅粉。（8）破膠劑： 是壓裂液中的一種重要添加劑，主要使壓裂液中的凍膠發生 化學降解，由大分子變成小分子，

11、有利于壓后返排，減少對儲集層的傷害。常 用的破膠劑包括酶、氧化劑、和酸。生物酶和催化氧化劑系列適用于 20-54 的 低溫破膠劑；一般氧化破膠體系適用于 54-93 ，而有機酸適用于 93以上的 破膠作用。（9）濾餅溶解劑： 壓裂液在施工中由于濾失性造成聚合物濃縮，使壓裂液 在裂縫和裂縫表面形成致密的濾餅，常規破膠劑不能將其破壞，因此需要濾餅 溶解劑進行處理。（10）緩沖劑： 在水基壓裂液中，通常用 pH 值調節劑控制稠化劑水合增粘 速度、所需的 PH值范圍和交聯時間以及控制細菌的生長。常用的 PH值調節劑為碳酸氫鈉、碳酸鈉、檸檬酸、福馬酸和氫氧化鈉。4、常用水基壓裂液及性能指標 目前廣泛應用

12、的壓裂液有田箐膠、香豆粉和胍爾膠壓裂液，通過對三種壓 裂液的性能指標進行對比，可以看出田箐膠水不溶物高，壓裂液殘渣含量為 1200mg/L，對地層和裂縫導流能力傷害較大，而且其流變性和攜砂能力較差， 因此，我們首選香豆粉、其次為胍膠壓裂液。目前常用的胍膠、香豆膠、改性胍膠各項技術標準見表 1壓裂液類型水不溶物（%）巖心傷害率（%）殘渣（ mg/l ）田箐膠3045.51200香豆粉923.1334胍膠1634.3356三種壓裂液性能對比表1水基壓裂液技術指標表 表 2序號項目指標1基液粘度 mpas332凍膠初始粘度 （mpas）3003凍膠剪切 30min 粘度（ mpas）1504破膠性能

13、（ mpas）24h 粘度小于 10mpas5殘渣含量（ mg/l）4006稠度系數（ mpa.sn）101027流動行為指數0.2-0.78破膠液表面張力（ mN/m）309破膠液煤油界面張力（ mN/m）510初濾失量 m3/m2210-311濾失系數 m/min-2110-3二、壓裂支撐劑 支撐劑是水力壓裂時地層壓開裂縫后，用來支撐裂縫阻止裂縫重新閉合的 一種固體顆粒。它的作用是在裂縫中鋪置排列后形成支撐裂縫，從而在儲集層 中形成遠遠高于儲集層滲透率的支撐裂縫帶，使流體在支撐劑中有較高的流通 性，減少流體的流動阻力，達到增產、增注的目的。支撐劑通常分為天然和人 造兩大類。（一）支撐劑的種

14、類1、石英砂 石英砂多產于沙漠、河灘和沿海地帶。如國內的蘭州砂、承德砂、內蒙砂。 天然石英砂的化學成分是氧化硅，伴有少量的氧化鋁、氧化鐵、氧化鉀、氧化鈣和氧化鎂天然石英砂礦物組分以石英為主。其含量是衡量石英砂質量的重要指標。 壓裂用石英砂石英含量在 80%左右，伴有少量長石、燧石和其他噴出巖、變質巖 等巖屑。從石英的微觀結構看，可分為單晶石英和復晶石英兩種，單晶石英的顆粒 質量越大，石英砂抗壓強度越高。一般石英砂的視密度 2.65g/cm 3，體積密度 1.70g/cm 3，承壓 20-34Mpa。2、陶粒人造陶粒主要由鋁礬土 （氧化鋁）燒結或噴吹而成的， 具有較高的抗壓強度， 可劃分中等強度

15、和高強度兩種陶粒。中等強度陶粒是由鋁礬土或鋁質陶土制成， 視密度 2.7-3.3g/cm 3。組分為氧 化鋁或鋁質，其質量分數 46%-77%，硅質含量 12%-55%，氧化物約 10%。承壓 55-80Mpa。高強度陶粒是由鋁礬土或氧化鎬制成，視密度 3.4g/cm 3。化學組分：氧化鋁 85%-90%，氧化硅 3%-6%，氧化鐵約 4-7%。氧化鈦、氧化鋯 3%-4%。承壓 100Mpa。3、樹脂砂 樹脂砂是將樹脂薄膜包裹到石英砂的表面上，經熱固處理制成。視密度 2.55g/cm 3。在低應力下，樹脂砂性能與石英砂接近，在高應力下，樹脂砂性能 遠遠優于石英砂。中等強度低密度或高密度樹脂砂可

16、承壓55-69Mpa，它適應了低強度天然石英砂和高強度鋁土支撐劑間的強度要求，相對密度較低，便于攜 砂和鋪砂。樹脂砂分為兩種，固化砂和固化砂。固化砂是在地層溫度下固結，這對防 止壓后出砂及防止地層吐砂有一定的效果。預固化砂在地面已形成完好的樹脂 薄膜包裹的砂子，其優點是：（1）樹脂薄膜包裹的砂子，增加了砂粒間的接觸面積，從而提高了抗閉合 能力；（2）樹脂薄膜可將壓碎了的砂粒、粉砂包裹起來，減少了顆粒的運移與堵 塞孔道的機會，從而改善了導流能力；（3）樹脂砂的總的體積密度比中強度和高強度人造支撐劑低許多，便于懸 浮，降低了對壓裂液的要求。（二）壓裂支撐劑的主要性能1、支撐劑性能的定義1）支撐劑球

17、度就是指支撐劑顆粒接近球形的程度SP=dn/dcSP 球度，Dn- 顆粒等值體積的球體的直徑， mmdc- 顆粒外接的球體的直徑， mm（ 2）支撐劑圓度 圓度指支撐劑棱角的相對銳度或曲率的量度。（3）酸溶解度 在規定的酸溶液及酸溶解時間內，確定一定質量的支撐劑被酸溶解的質 量與支撐劑總質量的百分比，稱為酸溶解度。（ 4）支撐劑濁度 在規定體積的蒸餾水中加入一定體積的支撐劑，攪拌后液體的渾濁程度 稱為支撐劑濁度。（5）支撐劑的密度 視密度：單位質量的支撐劑與其顆粒體積之比。 體積密度：單位質量的支撐劑與其堆積體積之比。（ 6）抗破碎能力 對一定體積的支撐劑，在額定壓力下進行承壓測試，確定的破碎

18、率表征 了支撐劑抗破碎能力，破碎率高，抗破碎能力低。2 、支撐劑性能指標（1）粒徑分布標準篩檢測組合表 表 3粒徑范圍， mm1.25-0.90.9-0.450.45-0.24目數16/2020/4040/70標準篩組合 mm1.61.250.631.250.90.451.00.630.350.90.50.280.750.450.2240.630.350.125底盤底盤底盤7支撐劑的粒徑范圍可分為 0.24-0.45mm，0.45-0.9mm，0.9-1.25mm 三種規格。可以根據下表進行檢測，落在公稱直徑范圍內的樣品質量不低于樣品總質 量的 90%；小于支撐劑下限的質量不應超過總質量的 2

19、%；大于頂篩的樣品質量 不應超過總質量的 0.1%；落在支撐劑下限篩子的樣品質量不低于樣品總質量的 10%；（2）支撐劑的球度、圓度天然石英砂的球度、 圓度應大于 0.6 ，人造陶粒的球度、 圓度應大于 0.8（3）支撐劑酸溶解度各種支撐劑的允許的酸溶解度數值見下表 4，天然石英砂和人造支撐劑的 酸溶解度數值應符合同一標準。支撐劑酸溶解度表表4粒徑范圍， mm酸溶解度最大值， %1.25-0.950.9-0.4550.45-0.247（4）支撐劑的濁度 支撐劑的濁度應低于 100NTU或 100 度。（5）支撐劑的破碎率 石英砂、陶粒的抗破碎能力應符合表 5、表 6 石英砂抗破碎指標表 表 5

20、粒徑范圍， mm閉合壓力， MPa破碎時受力， KN破碎率， %1.25-0.92142.56140.9-0.452856.75140.45-0.243570.948人造陶粒抗破碎指標表 表 6粒徑范圍， mm破碎率， %1.25-0.9250.9-0.45100.45-0.2483、支撐裂縫導流能力的影響因素支撐裂縫導流能力是指裂縫傳導儲集層流體的能力，并以支撐帶的滲透 率（ Kf）與寬度（ Wf ）的乘積（ Kf Wf ）來表示。影響支撐劑導流能力的因素主要有支撐裂縫承受的作用力、支撐劑的物理性質、支撐劑的鋪植置濃度，以及支 撐劑對巖石的嵌入、承壓時間和壓裂液的傷害等因素。（1）地應力與地

21、層孔隙壓力的影響 對于壓裂井，壓裂后形成的支撐帶中的支撐劑承受著裂縫閉合壓力PP，他是地層地應力即最小主地應力 min 與地層孔隙壓力之差，生產時最低的地層孔 隙壓力應是井底流壓 Pf，即：PP =min -Pf 支撐劑的導流能力隨著閉合壓力的增加而降低，見曲線 1支撐劑導流能力變化曲線1400000000087654321 力能流導10 20 30 40 閉合壓力 Mpa50石英砂 樹脂砂 陶粒曲線 1 導流能力隨閉合壓力變化曲線（ 2）支撐劑物理性能對導流能力的影響 支撐劑物理性能包括粒徑、圓球度、強度、濁度、酸溶解度、密度，其中 對裂縫導流能力影響比較敏感的主要是粒徑、圓球度、強度。 粒

22、徑大小及其均勻程度影響著支撐裂縫的孔隙度和滲透率。在低閉合 壓力，大粒徑支撐劑可提供高導流能力，但輸送比較困難，要求裂縫有足夠的 動態寬度。粒徑相對集中，比較均勻的支撐劑可提供更高導流能力。 圓球度好的支撐劑能承受高的閉合壓力，在低閉合壓力下，帶有棱角 的支撐顆粒比圓球度好的具有更高的導流能力。 破碎率低，導流能力高，所以通常根據支撐劑的破碎率選擇支撐劑。（3）支撐劑鋪置濃度對導流能力的影響支撐劑鋪置濃度指單位裂縫壁面積上的支撐劑量，單位 kg/m2，導流能力 隨鋪置濃度增加而增加，多層鋪置可以降低支撐劑的破碎程度，可以提高裂縫 寬度，因而提高導流能力。（4）支撐劑壓碎和嵌入對導流能力的影響

23、當裂縫閉合在支撐帶上時，支撐劑顆粒將由裂縫壁面嵌入巖層或被壓碎， 兩者都影響縫寬和滲透率，導致導流能力下降。這與巖石硬度有重要關系，當 巖石楊氏模量大于 28000Mpa 時，對支撐劑的壓碎影響起主要作用；當巖石楊 氏模量小于 28000Mpa 時，對支撐劑的嵌入影響起主導作用。支撐劑在裂縫中多層排列有利于減緩嵌入的影響，鋪置濃度越大，嵌入影 響就越小。（5）壓裂液對導流能力的影響 壓裂后，壓裂液破膠返排，但仍有部分破膠較差的壓裂液及殘渣滯留在 支撐帶孔隙中，以及壓裂液在縫壁形成的濾餅，都會導致導流能力下降。各種壓裂液對裂縫導流能力的影響見下表 7壓裂液對導流能力影響情況表 表 7壓裂液種類裂

24、縫導流能力保持系數， %生物聚合物95泡沫壓裂液80-90聚合物乳化液65-85油基凍膠45-70線形溶膠45-55羥丙基胍膠10-50三、壓裂設備和壓裂管柱（一）地面壓裂設備1、壓裂專用井口 壓裂井口一般可分為兩類：（1）用采油樹壓裂，按采油樹型號分為 250、350、600、700、1050 型 250 型工作壓力 25 Mpa，用于淺井，其他分別用于中深井、深井和超深井。氣 井壓裂主要采用這類井口，可防止壓后產氣量大，可以直接關閉井口閥們，用 壓裂管柱生產。（2）采用大彎管、投球器、井口球閥和井口控制器的專用壓裂井口，大 彎管、投球器、井口球閥工作壓力 70 Mpa，最大過砂量 150

25、m3。2、壓裂地面管匯常用的有壓裂管匯車和專用的地面管匯。 專用的地面管匯有 8 個連接頭， 壓裂車可任選一個連接。高壓管匯外徑 76mm，內徑60mm最高壓力 100 Mpa。10（二）壓裂車組 壓裂車組主要包括壓裂車、混砂車、儀表車和管匯車。典型壓裂車組及性能參數表 表 8車型綜合性能參數備注西方壓 裂車檔 位傳動箱1900r/min1800r/min1700r/min1、大泵水功 率 1300馬 力；2、柱塞直徑 114.3mm3、沖程203.2mm傳動比沖次 n/min排量 m/min壓力MPa沖次 n/min排量 m/min沖次 n/min排量 m/min13.65581.80.59

26、9.477.50.47373.20.44722.625 113.90.69684107.90.659101.9 0.62232.176 137.40.8399.7130.20.795123.0 0.75141.781 167.91.02557150.10.972150.2 0.91751.563 191.31.1680.0181.31.107171.2 1.04661.279 233.81.4281.0221.51.353209.2 1.27871.000 299.11.8272.0283.31.730267.6 1.63580.718 416.6西方 混砂車整機參數最大排量15.9m3/mi

27、n ，最大輸砂量=8165kg/min 混合 罐容積1.0 m3/min吸、排液 管匯 8個閥門，有 替擠旁通。吸入泵壓力 0.21MPa 排量 15.9 m 3/min砂泵壓力 0.46MPa排量 15.9m3/min液體添加 泵泵1排量0191L /min，泵2 排量76 L/min，交聯泵排 量=0500 L/min干粉添加 泵泵1排量=032kg/min ，泵2排量=090kg/min儀表車大泵控制電源、發動機、檔位、泵速、緊急制動、報警計算機TS80、PDU監測系統、數顯器打印機4筆繪圖器其它HDE現場參數校正儀、 SM A壓差式砂密度計1、壓裂車是壓裂的主要動力設備，其作用是產生高

28、壓，大排量的向地層注入壓裂液， 壓開地層，并將支撐劑注入裂縫。主要由運載汽車、驅泵動力、傳動裝置、壓 裂泵四部分組成。2、混砂車作用是將支撐劑、壓裂液及各種添加劑按一定比例混合，并將混好的攜砂11 液供給壓裂車壓入井內。目前混砂車有雙筒機械混砂車、風吸式混砂車和仿美 新型混砂車。主要由供液、輸砂、傳動三個系統組成。3、其他設備 包括儀表車、液罐、砂罐。儀表車是用于施工中記錄各種參數，控制其他 壓裂設備的中樞系統，又稱壓裂指揮車。（三）壓裂工具和壓裂管柱1、壓裂工具 壓裂管柱主要由壓裂油管、封隔器、噴砂器、水力錨、安全接頭等組成。（1）壓裂封隔器 壓裂封隔器主要起封隔油層的目的，保障壓裂細分改造的要求，可分為 擴張式和壓縮式兩類，常用封隔器性能和特點見下表壓裂封隔器性能表 表 9名稱用途工作壓力Mpa溫度外徑 mm長度 mmK344-114常規低溫淺井 壓裂5070114870K344-114 導壓封隔器大砂量、高砂比 壓裂50901141470K344-114可洗井用于斜直井分 層壓裂50701141066Y344-114用于中深井 壓裂701201141255Y34