水力压裂工艺培训教材

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

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

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度及其在管道和裂缝中的流速，粘度越高，携带能力越强。

3、降阻性：指压裂液在管道中流动时的水力摩擦阻力特性，摩阻越小，压裂设备效率越高。摩阻过高会导致井口压力高，从而降低排量，影响压裂施工。

4、稳定性：压裂液应具有热稳定性，不能由于温度升高而使粘度有较大的损失；还应具有抗剪切稳定性，不会由于流速的增加而大幅度降解。

5、配伍性：压裂液进入地层后与各种岩石矿物及地层流体相接触，不应产生不利于油气渗流的物理—化学反应，例如不会引起粘土膨胀或产生沉淀而堵塞油层。

6、低残渣：要尽量降低压裂液中水不溶物的数量，以免降低油气层和填砂裂缝的渗透率。

7、易返排：施工结束后大部分注入液体应能返排出井筒，减少压裂液对地层的伤害。特别是低压井的返排尤其重要。

因此，压裂液应具有滤失小、携砂能力强、摩阻低、稳定性好、配伍性好、低残渣、易返排等特点。此外由于压裂施工规模越来越大，压裂液用量越来越大，压裂液还应具有货源逛、成本低、配制简单的特点，以满足大型压裂和新井压裂施工的要求。

（三）压裂液的分类

最早采用的压裂液是油基压裂液，20世纪50年代开始应用胍胶稠化的水基压裂液，60年代发展了交联胍胶压裂液，70年代开发出羟丙基胍胶，80年代采用了延迟交联的水基压裂液，90年代压裂液向“清洁”无伤害压裂液体系发展。

按造分散介质的不同，压裂液主要分为水基压裂液、油基压裂液、乳化压裂液、泡沫压裂液、醇基压裂液、表面活性剂（清洁）压裂液和浓缩压裂液。

重点介绍目前广泛应用的水基压裂液。 （四）水基压裂液

是以水作为分散介质，添加各种处理剂，特别是水溶性聚合物，形成具有压裂工艺要求的较强综合性能的工作液。一般水溶性聚合物和添加剂的水溶液称为线形胶或稠化水压裂液。线形胶一旦加入交联剂，会形成具有粘弹性的交联冻胶，交联冻胶具有部分固体性质，但在一定的排量和压力下能够流动。水基压裂液以安全、清洁和容易以添加剂控制其性质得到广泛的应用，除了极少数特别是水敏性地层外，水基压裂液是压裂液技术发展最快、最全面的体系。

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1、线形胶压裂液

是由水溶性聚合物稠化剂和其他添加剂组成，具有流动性，一般属于非牛顿流体，可近似用幂率模型来描述。典型压裂液配方：稠化剂（香豆胶0.4-0.6%，胍胶0.3-0.5%，羟丙基胍胶0.2-0.5%）+杀菌剂（甲醛0.2-0.5%）+粘土稳定剂（KCL2%）+破乳剂（SP1690.1-0.2%）+破胶剂（过硫酸铵20-100mg/L）。

线形胶压裂液具有一定的表观粘度与低滤失性，减阻性能好，易破胶对地层伤害小；但对温度、剪切速率敏感。一般用于注水井和浅层油气藏压裂。

2、交联冻胶压裂液

同线形胶压裂液对比，联冻胶压裂液具有更强的粘弹性和塑性，在造缝和携砂能力等综合性能方面优于线形胶压裂液，但由于破胶降粘相对困难，因而破胶剂的使用由为重要 。

典型压裂液配方：

基液：稠化剂（0.3-0.7%香豆胶、胍胶、羟丙基胍胶）+杀菌剂（甲醛0.2-0.5%）+粘土稳定剂（KCL2%）+破乳剂+助排剂（0.2-0.6%DL）+降滤失剂+PH值调节剂+温度稳定剂。

交联液：交联剂（硼砂、有机硼、有机锆、有机钛）+破胶剂（过硫酸铵少量），视交联比和交联性能配制交联液浓度。

为了适应不同井层的情况，通过调节添加剂用量，压裂液还可以分为低温（20-60℃）、中温（60-120℃）、高温（120℃以上）体系。

3、水基压裂液添加剂

（1）稠化剂：水溶性聚合物作为稠化剂是水基压裂液的基本添加剂，用以提高粘度、降低滤失、悬浮和携带支撑剂。可以用植物胶（如胍胶、香豆胶、田箐胶）及其衍生物（羧甲基纤维素、羟乙基纤维素等）、生物聚合物如黄胞胶以及合成聚合物（聚丙烯酰胺）。

（2）交联剂：交联剂是通过交联离子将溶解于水中的高分子链上的活性基团以化学链连接起来形成三维网状冻胶的化学剂。比较常用且形成工业化的交联剂为硼砂、有机硼、有机锆、有机钛等。

（3）粘土稳定剂：使用水基压裂液，将引起粘土沉积、颗粒膨胀或运移。在施工中压裂液对储集层粘土矿物的伤害通常是水敏性和碱敏性叠加作用的结果。水溶性介质能使粘土矿物膨胀、分散或运移；同时水基压裂液以碱性交联

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为主，滤液粘土稳定剂，使用浓度为1-2%。

（4）杀菌剂：用于抑制和杀死微生物，使配制的基液性能稳定，防止聚合物降解，同时阻止储集层内的细菌生长。

甲醛、乙二醛、戊二醛具有良好的杀菌防腐作用，使用浓度0.5-1.0%。 （5）表面活性剂：水基压裂液的表活剂具有压后助排和防乳破乳作用。由于乳化液的粘度较高，在井筒附近和地层原油发生乳化，会产生严重的生产堵塞。应用表面活性剂可以保持破乳剂的活性，达到防乳破乳作用。

（6）抗高温稳定剂：高温下压裂液的粘度下降主，要由于氧的存在加剧了压裂液降解的速度，因此常用甲醇、硫代硫酸钠、三乙醇胺等作为稳定剂。

（7）降滤失剂：水基线形胶与冻胶压裂液由于具有较高的表观粘度和能形成滤饼的特性，可控制压裂液降解的速度，但一般天然裂缝发育的储集层应加入降滤失剂。常用的 为柴油、油溶性树脂、聚合物和硅粉。

（8）破胶剂：是压裂液中的一种重要添加剂，主要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适用于20-54℃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。

（9）滤饼溶解剂：压裂液在施工中由于滤失性造成聚合物浓缩，使压裂液在裂缝和裂缝表面形成致密的滤饼，常规破胶剂不能将其破坏，因此需要滤饼溶解剂进行处理。

（10）缓冲剂：在水基压裂液中，通常用pH值调节剂控制稠化剂水合增粘速度、所需的PH值范围和交联时间以及控制细菌的生长。

常用的PH值调节剂为碳酸氢钠、碳酸钠、柠檬酸、福马酸和氢氧化钠。

4、常用水基压裂液及性能指标

目前广泛应用的压裂液有田箐胶、香豆粉和胍尔胶压裂液，通过对三种压裂液的性能指标进行对比，可以看出田箐胶水不溶物高，压裂液残渣含量为1200mg/L，对地层和裂缝导流能力伤害较大，而且其流变性和携砂能力较差，因此，我们首选香豆粉、其次为胍胶压裂液。

目前常用的胍胶、香豆胶、改性胍胶各项技术标准见表1

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三种压裂液性能对比 表1

压裂液 类型 田箐胶 香豆粉 胍胶 水不溶物 （%） 30 9 16 岩心伤害率 （%） 45.5 23.1 34.3 残渣（mg/l） 1200 334 356

水基压裂液技术指标表 表2 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 项 目 基液粘度mpas 冻胶初始粘度 （mpas） 冻胶剪切30min粘度（mpas） 破胶性能（mpas） 残渣含量（mg/l） 稠度系数（mpa.sn） 流动行为指数 破胶液表面张力（mN/m） 破胶液煤油界面张力（mN/m） 初滤失量m3/m2 滤失系数m/min-2 指 标 ≥33 ≥300 ≥150 24h粘度小于10mpas ≤400 ≥10×102 0.2-0.7 ≤30 ≤5 ≤2×10-3 ≤1×10-3

二、压裂支撑剂

支撑剂是水力压裂时地层压开裂缝后，用来支撑裂缝阻止裂缝重新闭合的一种固体颗粒。它的作用是在裂缝中铺置排列后形成支撑裂缝，从而在储集层中形成远远高于储集层渗透率的支撑裂缝带，使流体在支撑剂中有较高的流通性，减少流体的流动阻力，达到增产、增注的目的。支撑剂通常分为天然和人造两大类。

（一）支撑剂的种类

1、石英砂

石英砂多产于沙漠、河滩和沿海地带。如国内的兰州砂、承德砂、内蒙砂。 天然石英砂的化学成分是氧化硅，伴有少量的氧化铝、氧化铁、氧化钾、

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氧化钙和氧化镁。

天然石英砂矿物组分以石英为主。其含量是衡量石英砂质量的重要指标。压裂用石英砂石英含量在80%左右，伴有少量长石、燧石和其他喷出岩、变质岩等岩屑。

从石英的微观结构看，可分为单晶石英和复晶石英两种，单晶石英的颗粒质量越大，石英砂抗压强度越高。

一般石英砂的视密度2.65g/cm3，体积密度1.70g/cm3，承压20-34Mpa。

2、陶粒

人造陶粒主要由铝矾土（氧化铝）烧结或喷吹而成的，具有较高的抗压强度，可划分中等强度和高强度两种陶粒。

中等强度陶粒是由铝矾土或铝质陶土制成，视密度2.7-3.3g/cm3。组分为氧化铝或铝质，其质量分数46%-77%，硅质含量12%-55%，氧化物约10%。承压55-80Mpa。

高强度陶粒是由铝矾土或氧化镐制成，视密度3.4g/cm3。化学组分：氧化铝85%-90%，氧化硅3%-6%，氧化铁约4-7%。氧化钛、氧化锆3%-4%。承压100Mpa。

3、树脂砂

树脂砂是将树脂薄膜包裹到石英砂的表面上，经热固处理制成。视密度2.55g/cm3。在低应力下，树脂砂性能与石英砂接近，在高应力下，树脂砂性能远远优于石英砂。中等强度低密度或高密度树脂砂可承压55-69Mpa，它适应了低强度天然石英砂和高强度铝土支撑剂间的强度要求，相对密度较低，便于携砂和铺砂。

树脂砂分为两种，固化砂和固化砂。固化砂是在地层温度下固结，这对防止压后出砂及防止地层吐砂有一定的效果。预固化砂在地面已形成完好的树脂薄膜包裹的砂子，其优点是：

（1）树脂薄膜包裹的砂子，增加了砂粒间的接触面积，从而提高了抗闭合能力；

（2）树脂薄膜可将压碎了的砂粒、粉砂包裹起来，减少了颗粒的运移与堵塞孔道的机会，从而改善了导流能力；

（3）树脂砂的总的体积密度比中强度和高强度人造支撑剂低许多，便于悬浮，降低了对压裂液的要求。 （二）压裂支撑剂的主要性能 1、支撑剂性能的定义

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（1）支撑剂球度

就是指支撑剂颗粒接近球形的程度 SP=dn/dc SP------球度，

Dn---颗粒等值体积的球体的直径，mm dc---颗粒外接的球体的直径，mm （2）支撑剂圆度

圆度指支撑剂棱角的相对锐度或曲率的量度。 （3）酸溶解度

在规定的酸溶液及酸溶解时间内，确定一定质量的支撑剂被酸溶解的质量与支撑剂总质量的百分比，称为酸溶解度。

（4）支撑剂浊度

在规定体积的蒸馏水中加入一定体积的支撑剂，搅拌后液体的浑浊程度称为支撑剂浊度。

（5）支撑剂的密度

视密度：单位质量的支撑剂与其颗粒体积之比。 体积密度：单位质量的支撑剂与其堆积体积之比。 （6）抗破碎能力

对一定体积的支撑剂，在额定压力下进行承压测试，确定的破碎率表征了支撑剂抗破碎能力，破碎率高，抗破碎能力低。 2、支撑剂性能指标

（1）粒径分布

标准筛检测组合表 表3

粒径范围，mm 目 数 1.25-0.9 16/20 1.6 1.25 1.0 0.9 0.75 0.63 底盘 0.9-0.45 20/40 1.25 0.9 0.63 0.5 0.45 0.35 底盘 7

0.45-0.24 40/70 0.63 0.45 0.35 0.28 0.224 0.125 底盘 标准筛组合 mm

支撑剂的粒径范围可分为0.24-0.45mm，0.45-0.9mm，0.9-1.25mm三种规格。可以根据下表进行检测，落在公称直径范围内的样品质量不低于样品总质量的90%；小于支撑剂下限的质量不应超过总质量的2%；大于顶筛的样品质量不应超过总质量的0.1%；落在支撑剂下限筛子的样品质量不低于样品总质量的10%；

（2）支撑剂的球度、圆度

天然石英砂的球度、圆度应大于0.6，人造陶粒的球度、圆度应大于0.8。 （3）支撑剂酸溶解度

各种支撑剂的允许的酸溶解度数值见下表4，天然石英砂和人造支撑剂的酸溶解度数值应符合同一标准。

支撑剂酸溶解度表 表4

粒径范围，mm 1.25-0.9 0.9-0.45 0.45-0.24 （4）支撑剂的浊度

支撑剂的浊度应低于100NTU或100度。 （5）支撑剂的破碎率

酸溶解度最大值，% ≤5 ≤5 ≤7 石英砂、陶粒的抗破碎能力应符合表5、表6

石英砂抗破碎指标表 表5

粒径范围，mm 1.25-0.9 0.9-0.45 0.45-0.24 闭合压力，MPa 21 28 35 破碎时受力，KN 42.56 56.75 70.94 破碎率，% ≤14 ≤14 ≤8 人造陶粒抗破碎指标表 表6

粒径范围，mm 1.25-0.9 0.9-0.45 0.45-0.24 3、支撑裂缝导流能力的影响因素

破碎率，% 25 10 8 支撑裂缝导流能力是指裂缝传导储集层流体的能力，并以支撑带的渗透

率（Kf）与宽度（Wf）的乘积（KfWf）来表示。影响支撑剂导流能力的因素主要

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有支撑裂缝承受的作用力、支撑剂的物理性质、支撑剂的铺植置浓度，以及支撑剂对岩石的嵌入、承压时间和压裂液的伤害等因素。

（1）地应力与地层孔隙压力的影响

对于压裂井，压裂后形成的支撑带中的支撑剂承受着裂缝闭合压力PP，他是地层地应力即最小主地应力σmin与地层孔隙压力之差，生产时最低的地层孔隙压力应是井底流压Pf，即： PP =σmin-Pf

支撑剂的导流能力随着闭合压力的增加而降低，见曲线1 支撑剂导流能力变化曲线 140130 120110 10090 80石英砂70 60树脂砂50 陶粒4030 2010 0 1020304050闭合压力Mpa 导流能力um2.cm曲线1导流能力随闭合压力变化曲线

（2）支撑剂物理性能对导流能力的影响

支撑剂物理性能包括粒径、圆球度、强度、浊度、酸溶解度、密度，其中对裂缝导流能力影响比较敏感的主要是粒径、圆球度、强度。

①粒径大小及其均匀程度影响着支撑裂缝的孔隙度和渗透率。在低闭合压力，大粒径支撑剂可提供高导流能力，但输送比较困难，要求裂缝有足够的动态宽度。粒径相对集中，比较均匀的支撑剂可提供更高导流能力。

②圆球度好的支撑剂能承受高的闭合压力，在低闭合压力下，带有棱角的支撑颗粒比圆球度好的具有更高的导流能力。

③破碎率低，导流能力高，所以通常根据支撑剂的破碎率选择支撑剂。

（3）支撑剂铺置浓度对导流能力的影响

支撑剂铺置浓度指单位裂缝壁面积上的支撑剂量，单位kg/m2，导流能力随铺置浓度增加而增加，多层铺置可以降低支撑剂的破碎程度，可以提高裂缝宽度，因而提高导流能力。

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（4）支撑剂压碎和嵌入对导流能力的影响

当裂缝闭合在支撑带上时，支撑剂颗粒将由裂缝壁面嵌入岩层或被压碎，两者都影响缝宽和渗透率，导致导流能力下降。这与岩石硬度有重要关系，当岩石杨氏模量大于28000Mpa时，对支撑剂的压碎影响起主要作用；当岩石杨氏模量小于28000Mpa时，对支撑剂的嵌入影响起主导作用。

支撑剂在裂缝中多层排列有利于减缓嵌入的影响，铺置浓度越大，嵌入影响就越小。

（5）压裂液对导流能力的影响

压裂后，压裂液破胶返排，但仍有部分破胶较差的压裂液及残渣滞留在

支撑带孔隙中，以及压裂液在缝壁形成的滤饼，都会导致导流能力下降。

各种压裂液对裂缝导流能力的影响见下表7

压裂液对导流能力影响情况表 表7

压裂液种类 生物聚合物 泡沫压裂液 聚合物乳化液 油基冻胶 线形溶胶 羟丙基胍胶 三、压裂设备和压裂管柱 （一）地面压裂设备

1、压裂专用井口

裂缝导流能力保持系数，% 95 80-90 65-85 45-70 45-55 10-50 压裂井口一般可分为两类：

（1）用采油树压裂，按采油树型号分为250、350、600、700、1050型。250型工作压力25 Mpa，用于浅井，其他分别用于中深井、深井和超深井。气井压裂主要采用这类井口，可防止压后产气量大，可以直接关闭井口阀们，用压裂管柱生产。

（2）采用大弯管、投球器、井口球阀和井口控制器的专用压裂井口，大弯管、投球器、井口球阀工作压力70 Mpa，最大过砂量150 m3。

2、压裂地面管汇

常用的有压裂管汇车和专用的地面管汇。专用的地面管汇有8个连接头，

压裂车可任选一个连接。

高压管汇外径ф76mm，内径ф60mm最高压力100 Mpa。

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（二）压裂车组

压裂车组主要包括压裂车、混砂车、仪表车和管汇车。

典型压裂车组及性能参数表 表8 车 型 综合性能参数 备 注 西方压裂车 1900r/min 1800r/min 1700r/min 传动箱 档 冲次 排量 压力 冲次 排量 冲次 排量 位 传动比 n/min m/min MPa n/min m/min n/min m/min 1、大泵水功率1300马1 3.655 81.8 0.5 99.4 77.5 0.473 73.2 0.447 力； 柱塞直径2 2.625 113.9 0.696 84 107.9 0.659 101.9 0.622 2、114.3mm 3 2.176 137.4 0.839 69.7 130.2 0.795 123.0 0.751 3、冲程203.2mm 4 1.781 167.9 1.025 57 150.1 0.972 150.2 0.917 5 1.563 191.3 1.168 50.0 181.3 1.107 171.2 1.046 6 1.279 233.8 1.428 41.0 221.5 1.353 209.2 1.278 7 1.000 299.1 1.827 32.0 283.3 1.730 267.6 1.635 8 0.718 416.6 最大排量＝15.9m3/min ，最大输砂量=8165kg/min 混合整机参数 罐容积＝1.0 m3/min 西方 混砂车 吸入泵 砂 泵 液体添加泵 吸、排液 管汇 3压力＝0.46MPa 排量＝15.9m/min 8个阀门，有泵1排量＝0~191 L/min，泵2 排量＝76 L/min，交联泵排替挤旁通。 量=0~500 L/min 压力＝0.21MPa 排量＝15.9 m3/min 干粉添加泵1排量=0~32kg/min，泵2排量=0~90kg/min 泵 大泵控制 电源、发动机、档位、泵速、紧急制动、报警 仪表车 计算机 打印机 其它 TS—80、PDU监测系统、数显器 4笔绘图器 HDE现场参数校正仪、SM—A压差式砂密度计 1、压裂车

是压裂的主要动力设备，其作用是产生高压，大排量的向地层注入压裂液，压开地层，并将支撑剂注入裂缝。主要由运载汽车、驱泵动力、传动装置、压裂泵四部分组成。

2、混砂车

作用是将支撑剂、压裂液及各种添加剂按一定比例混合，并将混好的携砂

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液供给压裂车压入井内。目前混砂车有双筒机械混砂车、风吸式混砂车和仿美新型混砂车。主要由供液、输砂、传动三个系统组成。

3、其他设备

包括仪表车、液罐、砂罐。仪表车是用于施工中记录各种参数，控制其他压裂设备的中枢系统，又称压裂指挥车。 （三）压裂工具和压裂管柱 1、压裂工具

压裂管柱主要由压裂油管、封隔器、喷砂器、水力锚、安全接头等组成。

（1）压裂封隔器

压裂封隔器主要起封隔油层的目的，保障压裂细分改造的要求，可分为扩张式和压缩式两类，常用封隔器性能和特点见下表

压裂封隔器性能表 表9 名称 K344-114 K344-114 导压封隔器 K344-114 可洗井 Y344-114 Y344-114 可洗井 Y443-114 用途 常规低温浅井 压裂 大砂量、高砂比压裂 用于斜直井分层压裂 用于中深井 压裂 常规井高砂比压裂 高温、深井压裂 工作压力 Mpa 50 50 50 70 50 80 温度 ℃ 70 90 70 120 70 150 外径 mm 114 114 114 114 114 114 长度 mm 870 1470 1066 1255 1255 - （2）喷砂器

喷砂器的作用一是节流，造成套管内外压差，保证封隔器密封，二是通

往地层的通道口，三是避免压裂砂直接冲击套管内壁造成伤害。

（3）压裂油管

压裂油管应使用专用油管，抗压强度满足设计要求。低压浅井可用钢级J55的ф62mm油管，呈压55 Mpa；中深井和深井分别应用呈压70Mpa、钢级N80和呈压90Mpa 、钢级P105的外加厚油管。

2、压裂管柱

（1）滑套式分层压裂管柱

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该管柱可广泛应用于普通压裂、多裂缝压裂、选择性压裂、限流压裂、重复限流压裂。投球打套子一次可压裂三层，上提可压裂四层。见图1。

按照管柱承压可分为40Mpa、55 Mpa管柱。40Mpa常用于普通压裂、多裂缝压裂、选择性压裂等老井压裂，破裂压力低、排量在2.4 m3/min左右；55 Mpa管柱用于破裂压力高、排量要求3.8 m3/min左右的新井限流法压裂。

滑套式分层压裂管柱图（图1）

扩张式封隔器

（2）平衡压裂管柱

适用于三次加密井压裂，其油层性质差、纵向上分散，隔层薄，可以避免压裂压窜。

隔层上下的层段都射孔，施工时液体通过平衡器出液口和喷砂器出液口同时进入平衡层和压裂层，打完前置液后投球打下平衡器滤砂滑套，使平衡器出液口出液不出砂。由于压前在需要保护的隔层上下建立起一定的平衡压力，在压裂层形成裂缝、加砂过程中，平衡层仍进液不进砂，从而减小了需要保护的隔层上下压差，使得在压裂过程中需要保护的隔层得到有效的保护，压后平衡层裂缝自然闭合。

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压裂层段3 喷砂器3（带套） 压裂层段2 喷砂器2（带套） 压裂层段1 喷砂器1（不带套） 丝堵

（3）桥塞压裂管柱

针对常规压裂管柱卡距小于40m、跨距小于140m的局限性，引进了适合大跨距，油层分散的井段施工的桥塞压裂管柱。

压裂时将可取式桥塞释放于预设压裂层段的下面，上提管柱至待压层段上

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图2保护隔层压裂原理图

图3 桥塞管柱示意图

面，此时卡距内没有油管连接，能够将多个分散的薄差油层封隔在一个压裂层段中进行改造，降低了压裂成本，提高了薄差油层的开发价值。由于具有反洗井功能，可满足施工中控制替挤量和高砂比的要求。

1、 四、压裂工艺

2、

1、普通压裂工艺

利用不压井、不放喷井口装置，将压裂管柱及其配套工具下入井内预定位置，实现不压井、不放喷作业。当压完第一层（最下一层）后，通过投球器和井口球阀分别投入不同直径的钢球，逐次将滑套憋到已用喷砂器内堵死水眼，打开上部喷砂器通道，然后依次再进行压裂。当最后一层替挤完后，立即活动管柱，并投入堵塞器，从而实现不压井、不放喷起出油管。

适用于普通射孔完井，一个压裂卡段压裂加砂只形成一个支撑裂缝，是我厂主要采用压裂工艺。

3、

2、多裂缝压裂工艺

根据被压开油层的吸液启动压力低，吸液量大的特点，压开一个层后，在较低的排量向油层替入高强度水溶（或油溶）转向剂、（蜡球、树脂球）封堵已压开层的射孔炮眼，迫使压裂液转向进入其它层，在替入泵压明显升高，启动其它泵车压裂第二层。整个过程，压裂加砂—封堵—压裂加砂，在一个压裂卡距中，通过蜡球封堵射孔炮眼，压裂液转向，压裂加砂改造多层。

其工艺特点，在普通射孔完井，达到一井压裂多层，一段压多缝的目的。用于常规射孔井，分层压裂管柱卡不开的多个性质相近的差油层压裂改造。

4、

3、选择性压裂工艺

利用油层内不同部位或各油层间吸液能力不同的特点，通过投入暂堵剂将渗透率高、吸液能力强、启动压力低的高含水部位、层或人工裂缝暂时封堵，迫便压裂液分流，从而在其它部位或层内压开新裂缝，达到选择性压裂的目的，暂堵剂是油溶性的，在一定温度条件下，可变软溶于原油中，开井即可解堵。

用于常规射孔井，针对厚油层改造采用的一种压裂工艺。常用的暂堵剂有石蜡、高压聚乙稀、松香和重晶石粉。

5、

4、限流法压裂工艺

用于加密井，薄、差油层完井改造。要求低密度、定位射孔，大排量压裂施工，其原理：当破裂压力较低的油层被压开后，吸液能力增加，其射孔炮眼产生节流压力损失，在排量增加的条件下，套管内压力继续升高，依次压开破压相近的油层，在一定压裂排量下，达到一次压裂加砂处理多个目的层。每个

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压裂卡段炮眼10个左右。

如果地面能够提供足够大的注入排量，就能一次加砂同时处理更多目的层。

19.5MPa 夹层 17.5MPa 夹层 18.5MPa 夹层 18.5MPa 夹层 17.5MPa 19.5MPa （过程一）

19.5MPa 夹层 17.5MPa 夹层 18.5MPa （过程二）

19.5MPa 夹层 17.5MPa 夹层 18.5MPa （过程三） （过程四）

6、 限流法压裂示意图 图4

7、

5、复合压裂工艺

适用于常规射孔井，复合压裂这里指在一个作业期内，采用高能气体燃爆压裂与普通水力压裂对油、水井先后进行压裂改造，其工艺技术特点。利用这两种压裂工艺造缝机理不同，两者相互补充，高能气体压裂先在井筒近井地带一次燃爆形成立体网状裂缝体系，随后进行普通水力压裂，在高能气体燃爆形成的裂缝的引导下，使这些裂缝得到延伸、支撑。在井筒近井地带形成立体网状支撑裂缝，发挥两种压裂工艺优势，提高油井工艺效果。

复合压裂工艺是我们厂首次在大庆油田提出此工艺概念，并实施了第一口压裂井。该工艺适用于多油层、非均质常规射孔井的油层改造，施工时应适当提高压裂液粘度、前置液量和施工排量，避免狭窄裂缝过多引起砂堵。

6、CO2泡沫压裂工艺

它是以液态CO2或CO2与其它压裂液混合，加入相应添加剂，来代替压裂施工中所使用的常规水基压裂液的压裂施工工艺技术。

CO2压裂液主要成分是液态CO2、原胶液和若干种化学添加剂。在压裂施工注入过程中，随深度的增加，温度逐渐升高，达到一定温度后，CO2开始汽化，形成原胶为外相，CO2为内相的两相泡沫液。由于泡沫液具有气泡稠密的密封结构，气泡间的相互作用而影响其流动性，从而使泡沫具有“粘度”，因而具有

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良好的携砂性能，在压裂施工中起到与常规水基压裂液相同的作用。 由于液态CO2在地层中既能溶于油，也能溶于水，所以可改善原油物性，降低油水界面张力。CO2泡沫可在裂缝壁面形成阻挡层，可大大减少滤失及对地层的伤害。另外，泡沫压裂液的PH值在3.5左右，可有效防止粘土膨胀，还对地层起到一定的解堵作用。因此，泡沫压裂液比水基压裂液更适用于对深层气井、低渗低压油井、水敏性地层和稠油井的压裂改造。 7、端部脱砂压裂工艺

脱砂压裂是利用压裂液的滤失特性，在压裂过程中，当裂缝扩展到预定的长度时，在裂缝端部人为地造成砂堵，从而阻止裂缝进一步扩展。裂缝端部形成砂堵以后，以大于裂缝向地层中滤失量的排量，继续按设计的加砂方案向裂缝中注入混砂液。随着注入时间的增加，注入压力和裂缝宽度会逐渐增加，裂缝中的支撑剂浓度也越来越高，当地面泵压达到预定的压力时停止施工，就可以获得较高的裂缝导流能力，这样既控制了裂缝半径，又实现了较高的裂缝导流能力。

该工艺主要应用于油层渗透率较高，油水井井距小，需要形成短宽缝压裂施工的井层。选用压裂液粘度相对较低，以保证一定的滤失量；同时要用反洗井管柱，避免砂堵事故。

五、压裂油层保护

压裂对油层的伤害主要是压裂液和储集层岩石及地层流体相互作用的综合结果，因此降低压裂液的伤害，应加强室内研究，并注重在施工过程中进行保护。

（一）地层伤害的因素

1、由于压裂液的注入，改变了地层原始含油饱和度，并产生两相流动，流动阻力加大，毛细管力的作用致使压裂液返排困难和阻力增加，甚至出现严重和持久的水锁现象。

2、压裂液残渣及压裂液在裂缝壁面上形成难以降解的滤饼对地层的伤害。残渣会堵塞地层孔喉，还会滞留在裂缝中损害裂缝导流能力。

3、压裂过程中引起的粘土矿物的膨胀和颗粒运移，使流动孔隙减小；粘土颗粒随压裂液滤入地层，形成桥堵，造成伤害。

4、压裂液与原油乳化，乳化液通过毛细管、喉道时存在贾敏效应，造成液堵。 5、压裂液进入地层后，由于地层流体温度下降，由于冷却效应，使原油中蜡及沥青析出，造成伤害。

6、压裂液与地层流体的配伍性不好，产生化学反应生成沉淀，以及添加剂使用不当造成岩石润湿性改变等伤害。

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7、支撑剂的伤害。杂质含量过高堵塞地层孔道；小颗粒支撑剂运移堵塞裂缝；支撑剂破碎率高形成微颗粒，降低裂缝导流能力。

8、措施不当导致地层伤害。钻井液、压井液的伤害；未加防膨剂导致水敏地层被伤害；酸敏地层采取常规酸化处理也会导致伤害。

（二）压裂施工油层中保护措施 1、优选压裂液降低储层的伤害

压裂液残渣滞留在裂缝和空隙中，对裂缝导流能力和储层渗透率回造成较大的影响，应优选增稠剂，使用合理的浓度和交联比，在满足施工的条件下，降低粉剂浓度。

2、降低乳化伤害。适当的加入破乳剂可有效防止乳化带来的影响。

3、降低水敏影响。采用KCL防膨剂可抑制粘土颗粒的分散；有机防膨剂还可以以长分子链形式吸附在粘土表面，防止颗粒的运移和分散。

4、降低滤液导致的水锁伤害。采用高效助排剂可有效降低返排阻力，降低压裂液的表面张力、界面张力，有效改善增产措施效果。

5、合理控制扩散压力时间，及时返排，必要时采取强制闭合的方法，使用小喷嘴放喷，减少压裂液滤失，使裂缝在不断排出的同时快速闭合。

6、提高各种添加剂的连续性和稳定性，提高破胶剂性能，减少地层伤害和污染。

六、压裂施工和质量要求 （一）压裂施工过程

压裂施工一般包括以下工序：循环、试压、试挤、压裂、加砂、替挤、扩散压力、活动管柱。特殊情况可进行酸预处理、小型压裂测试、压后压降监测等工序。

1、循环：目的是检查压裂车组设备性能，保证地面流程管线畅通。循环时单车排量不低于1m3/min，时间不少于30s。

2、试压：平稳启动压裂车高压泵，对井口阀门以上的设备和地面管线进行承压性能试验，压力为预测泵压的1.2-1.5倍，稳压5min，不刺不漏压力不降为合格。

3、试挤：打开井口阀门，关闭循环放空阀门，逐台启动压裂车，按设计要求排量将压裂液挤入地层，压力由低到高直到稳定。检查井下管柱和工具情况，检查压裂层位的吸液能力。

4、压裂：试挤正常后，逐台启动压裂车，以高压大排量持续挤入前至液，使裂缝形成并扩展延伸。油层破裂的瞬间破裂压力与地层深度的比值，称为压

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裂破裂梯度，反映油层破裂的难易程度。

5、加砂：油层裂缝形成后，泵压和排量稳定后便可加砂。要分段控制好混砂比，要逐渐提高且均匀加砂，保证压力、排量平稳，严禁中途停泵。

6、替挤：加砂完成后，打开混砂车的旁通替挤流程，向井内注入替挤液，将携砂液替挤到油层裂缝中，要严格执行设计，严禁超量替挤。

7、关井扩散压力：压裂施工结束后，关闭所有进出口阀门，等待压裂液破胶滤失及裂缝闭合，防止出砂，造成裂缝口铺砂浓度过低。

8、活动管柱：负荷应不超过管柱悬重的200KN，上提速度控制在0.5m/min，活动行程不小于5m。要达到管柱提放自如，拉力表悬重正常。 （二）压裂施工质量要求

1、压裂管柱质量要求

（1）压裂管线应用N80以上钢级油管或短接连接，严禁应用玻璃油管、涂

料油管、和软管线连接。

（2）高压管汇初端到井口距离在40-600m，连接方向为进液管指向井口的

方向；压裂管柱无水利锚，应在井口套管头、压裂装置用19mm钢丝绳固定。

（3）压裂管柱喷砂器与下封隔器直接连接，最下一级封隔器以下的尾管长

度不小于8m，压裂管柱底端距井内砂面或人工井底的距离不小于10m。 （4）K344-113压裂管柱最多允许使用4级封隔器，上提一次；Y344-114

压裂管柱最多允许使用2级封隔器，上提2次。 （5）严禁用压裂管柱进行替喷、冲砂、压井、打捞作业。

2、压前作业质量要求

（1）探砂面：一律采用光油管硬探，砂面深度以指重表悬重下降二格，拉

力表下降0.5吨，连探三次数据一致为准，其管柱深度为砂面深度。 （2）冲砂：冲砂管柱丝扣要上紧，做到不刺不漏，冲砂管以砂面以上2米左右进行冲砂，液量充足，排量不低于20方/时。连续三次测得出口含砂量小于0.2%为合格。

（3）压井：压裂施工严禁压井，如确需压井作业，必须履行审批手续。 （4）替喷：深度必须距人工井底1-2m；替喷要彻底，水量充足（一般为井筒容积2.5倍），排量20方/小时，出口比重1.01为合格；出水中准接软管线，不准接90度弯头。

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（5）刮蜡：

a、刮蜡用小于套管内径6mm刮蜡器进行刮蜡，如下不去可根据实际情况缩小刮蜡器外径。

b、泵挂深度小于800m，则刮蜡深度至800m，泵挂深度大于800m，则刮蜡至设计泵挂深度。

c、刮蜡后，替入井筒容积的1.2-1.5倍热水进行循环，洗出井内死油、死蜡，如压井刮蜡，则用同比重泥浆进行循环。

3、压裂施工过程质量要求

（1）压裂前后要探砂面，底界距砂面或井底距离大于15m。

（2）循环时单车泵排量不低于1m3/min，时间大于30s，排静残液、余砂。 （3）加砂过程要保持连续性，不抽空，加砂均匀严禁中途停泵； （4）加砂施工要注意观察套压表，压力上升超过8mpa应停止施工，打开

套管放空，再观察压力变化，如在6mpa以下套压能稳住，可继续加砂施工。

（5）投钢赇打喷砂器滑套时，投入钢球规格与喷砂器滑套对应，排量控制

在0.4-0.6 m3/min。

（6）压裂施工中严禁放喷，已防砂卡及压裂层段吐砂。

（7）多裂缝压裂投暂堵剂排量控制在0.4-0.6 m3/min；破裂压力要在同排

量下提高2mpa以上，否则再次封堵，追加1/2蜡球量。在限压40mpa时，如第一条缝超过35mpa以上，可终止多裂缝施工。

（8）替挤量小于井下管柱和地面管线容积的1.2倍，采用打开混砂车的替

挤旁通流程挤入替挤液。

（三）压裂施工异常情况处理

压裂施工过程中，经常出现压不开、压窜、砂堵、砂卡等事故。可利用井口泵注压力、套压表、注入排量、砂比的变化及压裂液排量的记录曲线准确判断，及时处理。

1、压不开

压力随注入量的增加急剧上升，很快达到施工许可压力上限，原因主要是由于：

（1）地层性质、吸液能力差；

（2）管柱堵塞、工具问题、管柱深度有误；

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（3）射孔质量问题，井筒与地层连通不好。 处理方法

⑴磁性定位校验卡点深度。深度无差错则挤酸处理目的层，降低地层破裂压力及解除近井污染后再压裂。

⑵深度若有差错，则调整准确后再压裂。

⑶磁性定位测井时，根据下井仪器的遇阻深度判断管柱是否堵塞。有堵塞则起出管柱，通油管后重下压裂管柱再压裂。

⑷管柱无堵塞且深度准确，仍压不开则起出压裂管柱，检查喷砂器凡尔是否卡死，凡尔卡死则换喷砂器等工具，重下压裂管柱再压裂。

⑸如深度准确、无堵塞、喷砂器均正常，则进行扩层、改层压裂，或放弃对该层压裂。

2、压窜

压窜是指压裂施工中，压裂液由某一异常通道返至第一级封隔器以上油套环空，使地面套压持续升高；或返至最下一级封隔器以下油套环空，使管柱上顶的异常施工现象。

压窜原因分两大类，一是管外窜槽，二是管柱问题。管外窜槽有：地层窜槽、水泥环窜槽；管柱问题有：封隔器不坐封、封隔器胶筒破裂、油管破裂、油管接箍短脱、管柱深度差错等。

处理方法

⑴停泵，套管放空，反复2～3次。 ⑵仍有窜槽显示则磁性定位校验卡点深度。 ⑶深度无差错则上提管柱至未射孔井段，验封。

⑷验封仍有窜槽显示则起出管柱，发现管柱短脱则进行打捞，正常验封起出则检查油管和封隔器破损情况。

⑸验封没有窜槽显示则说明地层窜，进行扩层、改层压裂，或放弃对该层压裂。

3、砂堵

加砂过程中，压力大幅度上升说明有砂堵迹象，应立即停砂或降低砂比。如压力继续上升可能发生端部脱砂或砂堵。原因是：

（1）压裂液携砂性或抗剪切性差； （2）砂比过高或提的过快；

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（3）地层滤失性大，裂缝发育，压裂液滤失严重； （4）前置液量过少，压裂液破胶过快。

处理方法：发生砂堵后应立即进行放喷、返排，在管柱允许条件下进行反洗。 七、压裂新工艺

（一）注入井树脂砂压裂技术

1、注入井压裂失效原因分析

分析注入井压裂措施效果差、有效期短的原因主要是由于注聚井的注入压力较高，接近破裂压力。由于聚合物溶液中团块的作用，将导致井下的注入压力瞬间超破裂压力，此时压裂的裂缝就会张开。同时具有高携砂能力的聚合物溶液将把裂缝中的支撑剂向地层深处推动，使井筒附近的裂缝闭合。没有支撑剂的裂缝与未压裂的地层渗透率相近，造成注聚井压裂有效期短。聚驱注入井由于注入压力高和地层二次堵塞等原因，存在瞬间超破裂压力注入的现象，导致注入液将裂缝口支撑剂带到地层深部，裂缝口闭合，压裂失效。

基于以上认识，通过大量的室内实验研究，优选出树脂砂进行现场试验，近两年的研究和实践证明，在注入井采用尾追树脂砂压裂工艺可有效的防止压裂裂缝口闭合，可将压裂有效期由目前的不足3个月延长到20个月，确保压裂井增注效果和有效期。

2、树脂砂压裂机理

树脂涂层砂是在压裂石英砂颗粒表面涂敷一层薄而有一定韧性的树脂层，该涂层可以将原支撑剂改变为具有一定面积的接触。当该支撑剂进入裂缝以后，由于温度的影响，树脂层首先软化，然后在固化剂的作用下发生聚合反应而固化。从而使颗粒之间由于树脂的聚合而固结在一起，将原来颗粒之间的点与点接触变成小面积接触，降低了作用在砂砾上的负荷，增加了砂粒的抗破碎能力。而且，固结在一起的砂砾形成带有渗透率的网状滤段，阻止压裂砂的运移。试验表明原油、地层水和酸对树脂涂层砂没有影响。

如图4、图5所示在压裂加尾砂施工中，加入一定量的树脂砂，通过合理的替挤量，使树脂砂均匀分布在裂缝口周围，压裂后扩散压力使裂缝闭合，关井96小时保证有足够的固化时间，待树脂砂充分固化后开井注入。

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图5树脂砂压裂原理图

图6树脂砂压裂俯视图

1—井筒、2—石英砂、3—地层、4—树脂砂

3、树脂砂压裂施工工艺

树脂砂加砂半径及加砂量的确定

根据室内实验结果，在模拟裂缝内当聚合物溶液的流速为0.1388mm/s时石英砂开始运移。因此现场聚合物注入井裂缝内的流速高于此值范围内都应采用树脂砂。经计算压裂过程中树脂砂的加砂半径应为11m，需要尾追1m3的树脂砂。现场压裂过程中尾追树脂砂量为1.3m3，可以防止裂缝内所有支撑剂在聚合物溶液作用下的运移。

树脂砂固化时间的确定

树脂砂固化时间测试表明，在 40 ℃环境温度下，树脂砂初始固化时间为 30min，最终固化时间为96hr。压裂施工结束后地层温度恢复时间约为30min。 因此现场制订现场施工工序为：单层压裂结束后先不动管柱等候120min，待压力扩散且树脂砂初凝后再起压裂管柱。压裂井投注前关井96hr，使树脂砂充分固结。

4、树脂砂压裂控制替挤量技术研究

合理的替挤量才能确保树脂砂均匀充填到裂缝口，在替挤过程中，携砂液

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不是以段塞状推进，而是呈循环状态移动，替挤液为压裂液基液，其用量根据压裂管柱的不同有所区别，目前常规压裂沿用1：1.3的替挤比例，由于人员素质和计量不准等原因，无法满足树脂砂压裂替挤要求，因此，开展了以下工艺研究：

1）只压裂一层段应用尾喷嘴压裂管柱：

其替剂量可以按井筒容积+地面管线容积的1倍施工，施工中即使有一定量的沉砂，也不会影响压裂施工的正常进行。在201站上返井北1-330-P43井施工时采用该管柱，满足1：1替挤的要求。

北1-330-P43井压裂管柱示意图

层段数据（m） 卡点位置（m）

安全接头 水力锚2级 未射（m） Y341-114 955 短接 970.6 ?25mm喷嘴 956.9 人工井底 1087.3

图7北 1-330-P43井施工管柱图

2）压裂多层的55 MPa压裂管柱

该管柱一趟最多可压裂4层，为确保施工顺利进行和施工安全，确定替剂量由常规压裂的井筒容积+地面管线容积的1.3倍以上降到目前的1.2倍。

3）桥塞式压裂管柱

该管柱由可取式桥塞、打捞头、和封隔器组成，可实现耐压55 Mpa，耐温90。C，该管柱通过上提一次施工可完成2-3层段的压裂，且不受卡距限制，适合大卡距、高砂比、低替挤量施工。

（二）新井压裂高效助排剂的应用

室内实验研究证实，压裂液对岩心的伤害率达到40%以上，因此减少压裂液的滤失、加快和提高压裂液的返排是减小压裂液伤害的重要措施。为提高返排率，保证压裂措施效果，推广应用了高效发泡助排剂。

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1、发泡助排剂原理

高效发泡助排剂是由两种无机盐、发泡剂、表面活性剂、稳定剂、清防蜡剂组成。两种无机盐在65℃以上或在催化剂的作用下反应释放热量，可以解除高粘油区块由于低温液体的注入所造成的腊质、胶质的伤害；释放热量的同时并生成大量的惰性气体，它可以有效提高地层返排压力，以利于压后快速返排，提高返排率；发泡剂在生成气体过程中产生大量的泡沫，它可以有效的降低压裂液的滤失；表面活性剂可以改变地层润湿性降低表面张力，减小毛细管的阻力，以利压裂液的返排；同时发泡助排剂还具有防膨的作用，由于配方中一种无机盐为氨盐，具有很好的防膨性能。

2、现场应用情况:

针对新井压裂存在注采不同步，同时由于新井压裂后投产时间长，压裂液对地层伤害大的实际问题，为确保新井限流压裂效果，在南一区55口新井压裂应用了高效发泡助排剂，见到明显效果。

（1）现场施工情况

该工艺在每层前置液阶段压开裂缝后，以1 m3/min的排量泵入助排剂1 m3，同时加入25kg过硫酸钾破胶剂，然后以大排量泵入前置液；在加砂阶段，楔形加入35kg过硫酸钾破胶剂。

在施工中，我们重点把住追加破胶剂和压后返排两道工序，确保压裂液的及时破胶和返派，压后扩散40min打开套管，取返排液测试粘度低于3mpa.s返排液已破胶。返排液由专用罐车运送返排液，平均初期返排率达到40 %以上，每口井压后都达到了一定的喷势。

（2）压后返排量、返排率对比

返排率、返排液量对比表 表10

项目 加助排剂 未加助排剂 差值 层初返排终返排总液量 初返排率 终返排（%） 率（%） 38 25 13 68 54 14 数 量（m3） 量（m3） （m3） 3.5 4 83 61 21 148 131 17 218 242 （三）保护薄隔层压裂工艺

三次加密井由于井距小，目的层位于主力油层的变差部位；储层间隔层厚度小，目的层薄且纵向分散跨距大。目前的压裂工艺受隔层2m和卡距40m的限制，适应性差，细分改造程度低，无法满足需要，急需研究应用适应三次加密

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井压裂技术，以保证压裂效果提高动用程度。

1、平衡压裂管柱原理

适用于三次加密井压裂，可以避免压裂压窜。按照保护隔层位置可分为保护上隔层、保护下隔层和保护中间隔层。最小隔层可以达到0.6m。隔层上下的层段都射孔，施工时液体通过平衡器出液口和喷砂器出液口同时进入平衡层和压裂层，打完前置液后投球打下平衡器滤砂滑套，使平衡器出液口出液不出砂。由于压前在需要保护的隔层上下建立起一定的平衡压力，在压裂层形成裂缝、加砂过程中，平衡层仍进液不进砂，从而减小了需要保护的隔层上下压差，使得在压裂过程中需要保护的隔层得到有效的保护，压后平衡层裂缝自然闭合。

2、应用情况及效果

为满足地质细分改造的要求，进一步发挥压裂工艺的潜力，应用保护隔层压裂工艺5口井。均为保护中间隔层，平均单井砂岩厚度9.6m、有效厚度4.3m；平均隔层厚度1.4m，最小隔层1.1m，压前压后验窜证实不窜。

保护薄隔层压裂井统计表 表11

井号 北1-330-P46 北1-1-18 北1-丁2-P50 北1-1-P48 南1-31-侧斜14 平 均 井别 水 油 油 油 水 压裂 日期 03.3.22 03.4.13 03.4.5 砂岩 有效 （m） (m) 9.1 9.8 7.5 9.6 方式 隔层厚1.3 1.4 1.1 1.7 1.6 1.4 压后不窜 不窜 不窜 不窜 不窜 度（m） 验窜 备注 树脂砂压裂 上返 03.1.11 11.2 7.1 中间 3.2 中间 3.9 中间 3.9 中间 3.6 中间 4.3 03.5.19 10.4 如南1-31-侧斜14井，该水井SII1-2、SII2-3两层间最小隔层厚度为1.6m，采用保护中间隔层压裂管柱进行压裂，该井6个小层均得到有效改造，压后初期日增注39m3，压力下降2.9Mpa。

（四）聚驱采出井防砂压裂

聚驱采出井、电泵井压裂普遍有较好的改造效果，但随着聚驱采出井压裂井数的增加，压裂后出砂卡泵的现象日益突出。压裂后出砂，降低了裂缝的导流能力，如吐砂严重，危害性极大，将导致砂埋油层或井筒砂堵造成油井停产作业、地面和井下设备严重磨蚀砂卡、频繁地冲砂检泵等工作量增大，既提高了施工作业成本，又影响了压裂整体效果。

1、聚驱采出井压裂后出砂机理研究

聚合物采出井出砂现象严重，主要与裂缝出砂机理、聚驱采出井地层、井

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内流体特性及压裂工艺有着密切的关系。

（1）裂缝出砂机理

通过室内实验对支撑剂在裂缝的力学稳定性进行研究，在模拟裂缝条件下，支撑剂受力情况如图所示。假设裂缝完全闭合，支撑剂主要受裂缝的压实作用T、压实作用产生的静摩擦力F（阻止支撑剂排出的作用力），同时裂缝中的支撑剂还受到在一定 生产压差下压力和井内流体携带共同引起的推拽力dPf。（各个支撑剂相互间的作用力可忽略不计）因此，当井内流体向井筒流动时，对支撑剂的推拉力可描述为： T1 dPf=dPA+μAV/d （1）

dPf F 式中 μ---流体粘度；

T2 A---渗流面积

V---流速 d---颗粒直径

图8 裂缝内支撑剂受力示意图

由公式可以看出，随着流体粘度的增加，拉力增大，流体的携砂能力增强。当生产压差增大时，流体的流速增加，推拽力增大。

通过室内实验，可以给出在不同闭合压力、不同生产压差下缝宽、颗粒直径的关系。

裂缝内支撑剂力学稳定性实验结果 表12

缝宽/粒径 6.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.6 支撑剂粒径（mm） 0.56 0.56 0.56 0.56 0.56 0.71 0.71 净闭合压力MPa 6.48 6.48 6.48 6.48 6.48 14.82 14.82 压力梯度Mpa/m 1.67 1.60 3.39 2.26 1.67 1.80 1.80 稳定性 不稳定 稳定 不稳定 不稳定 稳定 不稳定 不稳定 可以看出

①当缝宽与颗粒直径比Wf/d>5.5裂缝处于不稳定状态，容易遭到破坏，造成支撑剂返排；

②在相同缝宽和闭合压力下，当压力梯度Pd增大时，裂缝趋于不稳定，当

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Pd数值达到1.67时，裂缝遭到破坏，有支撑剂返排；

③闭合压力超出裂缝强度时，由于支撑剂破碎，也会引起出砂。 （2）聚驱采出井出砂原因分析 ①生产压差增大，造成出砂

压裂后，由于增大了生产压差，降低流压，已增加初期产能，使裂缝内压裂梯度随着增加，裂缝稳定性降低，导致出砂。

②流体粘度增大，携砂能力增强导致出砂

随着采出液浓度的增加，混合液的增稠特性越来越显著，从而使粘度加大，流体对支撑剂的推拽力增加，采出液携砂性增强，裂缝易出砂；

③采用短宽缝压裂工艺，缝宽大易出砂

由于高砂比压裂形成缝宽大，当缝宽与颗粒直径比Wf/d>5.5裂缝处于不稳定状态，易造成出砂。

2、防砂工艺原理 （1）尾追核桃壳防砂原理

该方法是在尾追砂中加入大粒径核桃壳防砂，一方面利用核桃壳自身颗粒的抗压强度和特有的可压缩性，摩擦系数大，在裂缝近井筒附近形成“防砂井壁”，使压裂砂不能进入井筒效果比较明显，成功率高。另一方面由于增大了支撑剂的平均粒径，使裂缝宽度与支撑剂的平均粒径的比值降小，从而裂缝的稳定性增强，防止裂缝吐砂。

石英砂与核桃壳样品导流能力和渗透率实验 表13

纯石英砂 1：1 2：1 3：1 闭合压力 导流能力 渗透率 导流能力 渗透率 导流能力 渗透率 导流能力 渗透率 （Mpa） （um2.cm） (um2) (um2.cm) (um2) (um2.cm) (um2) (um2.cm) (um2) 10 84.3 254 94.9 227 96.2 255 106.8 293 20 66.4 206 49.6 126 54.0 144 59.1 166 30 40.4 125 21.8 57 26.4 72 26.9 78 40 16.8 53 9.0 24 12.1 34 12.9 38 上表是粒径为1.2 ～2.0mm吉林通化核桃壳与石英砂不同体积比样品室内实验数据表。从表中可以看出：导流能力及渗透率随地层闭合压力的增加而降低；在相同闭合压力下，导流能力、渗透率及破碎率随石英砂与核桃壳体积比的增加而增大。

通过进行核桃壳的破碎率实验，核桃壳支撑剂在21Mpa下基本不破碎，50Mpa下产生微量破碎，破碎率仅为2.5%（28Mpa下石英砂破碎率7.8%）。

（2）树脂砂防砂工艺

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应用树脂砂可以有效防止支撑剂的破碎、嵌入和运移，同时随着油层深度的增加，闭合压力变大，其破碎率明显低于石英砂，因而可以提高裂缝导流能力，从其防砂机理来看，与注入井防止支撑剂向地层内运移相反，是在裂缝口形成一个防砂整体，防止支撑剂进入井筒。引入该工艺可有效解决比较严重的压后出砂问题，是对尾追核桃壳防砂压裂的有益补充，施工工艺同注入井工艺完全相同。

3、防砂工艺应用效果

采用尾追核桃壳压裂工艺在我厂聚驱采出井应用3年多，在电泵井、抽油机井共应用51口井，成功率达到90.2%，防砂效果显著，从压裂措施效果对比，与未采用防砂的压裂井改造效果基本持平。

由于核桃壳自身存在的缺陷，今年针对中区东部、东区聚驱采出井压裂出砂严重的问题，引入树脂砂压裂技术进行采出井压裂防砂试验，同注入井压裂工艺相同，采用单层尾追树脂砂1.4m3，压后保证扩散压力和固化时间。到目前共实施6口井，已开井5口，压裂前后对比日增液33 m3，增油6.8t，（其中2口井自喷生产）。另外一口井中41-P26，由于作业队施工后未认真执行相关技术标准，压裂后直接开井生产未能保证固化时间，导致防砂失败，目前拔不动待处理。该工艺措施有效期有待于进一步观察。

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大庆油田有限责任公司

厂 矿 队 井压裂监督跟踪记录

井别：[ ] 油井 [ ]水井 [ ]水驱 [ ]聚驱 [ ]老井 [ ]新井

作业队： 施工时间： 压裂队： 施工时间： 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 监督项目 施工设计 施工设备 施工队伍 质量要求 有施工设计书 并履行审批手续 根据井场条件，合理摆放满足施工项目要求 有资质证或准入证 施工与准入项目相符 监督记录 监督 结果 月 日 时 月 日 时 月 日 时 月 日 时 月 日 时 月 日 时 月 日 时 月 日 时 月 日 时 月 日 时 月 日 时 月 日 时 月 日 时 月 日 时 月 日 时 月 日 时 监理签字 压前探砂面、射孔井段底界距砂面的距离 冲砂 大于15米，否则应冲砂 起原井管柱 压井、替喷 地面管线和辅助设施 压裂管柱 压裂液 验证原井管柱符合率 应履行审批手续，符合设计要求 地面管线承压达到设计要求 辅助设施齐全完好 按设计要求下入压裂管柱 井下工具有检测合格证 有检测合格报告，各项参数 和用量达到设计要求 有检测合格报告，各项参数 和用量达到设计要求 符合设计要求 试挤压力和排量、前置液量 符合设计要求 砂比和压力、排量符合设计要求，应连续加砂 液体压送排量控制在0.4~0.6m3/min，工作压力 应高于挤入压力2Mpa以上 液体压送排量控制在0.4~0.6m3/min， 替挤压力、排量、液量符合 设计要求，严禁超量替挤 10 支撑剂 11 12 13 压裂层预处理 试挤 加砂 14 投暂堵剂 15 16 投刚球 替挤 30

17 18 19 20 21 22 上提压裂管柱 关井扩散压力 先关井扩散压力40min，再活动管柱 关井扩散压力时间符合设计要求 月 日 时 月 日 时 月 日 时 月 日 时 月 日 时 月 日 时 月 日 时 月 日 时 压后探砂面、冲砂至人工井底 冲砂 下完井管柱 新井返排 安全环保 符合设计要求、丝扣涂均密封脂 符合设计要求 符合安全环保的有关规定 存在问题及处理结果： 备注：1、井下作业监理对作业全过程严格按施工设计内容和有关技术标准进行监督。

2、监督记录栏要填写相应的数据。对未列的监督项目可填在空行处。 3、对监督合格的项目在监督结果一栏打“√”否则打“×”，未发生的打“0”。

4、在监督结果一栏打“×”的项目应将存在的问题以及分析、处理结果进行详细描述。 5、现场监督记录一式二份：甲方一份、施工单位一份。 6、第1、8~22项为重点监督项。

7、采油队压裂井监督率100%、重点工序监督率100%；工技大队监督率35%、重点科研、推广、

压裂新工艺工序监督率100%。

8、此表由采油队监督员保存，压裂施工时填写2份并签名，采油队保留一份，交作业队一份作为

验收必备资料。

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培训题：

1、水力压裂的目的：

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。在油层形成了具有一定宽度的高渗透填砂裂缝，达到改造油层目的。

2、水力压裂包括理论力学、材料力学、热化学、高分子化学、机械制造等学科。

1、 压裂液有哪几部分，各有什么作用？

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。

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。 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。

8、 5、目前常用的压裂工艺有哪7种？各种工艺的适应性？ 9、 有普通压裂工艺适用于普通射孔完井。

10、 多裂缝压裂工艺用于常规射孔井，分层压裂管柱卡不开的多个性质相

近的差油层压裂改造。 11、 选择性压裂工艺

用于常规射孔井，针对厚油层改造采用的一种压裂工艺。 限流法压裂工艺用于加密井，薄、差油层完井改造。

重复限流压裂工艺 用于限流压裂完井的生产井，对射孔井段进行重新组合，定位射孔，组成压裂改造卡段。

复合压裂工艺适用于常规射孔井，复合压裂这里指在一个作业期内，采用高能气体燃爆压裂与普通水力压裂对油、水井先后进行压裂改造。

12、 三次加密井平衡压裂技术

13、 适用于三次加密井压裂，可避免压裂压窜。

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