水力压裂工艺原理

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

水力压裂概述

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水力压裂概述

一、单井水力压裂的增产作用及其效果预测方法

从油藏工程观点看，水力裂缝是油层中带有方向性的具有一定长、宽、高的几何形状的高渗带。单井压裂后，水力裂缝与井筒所组成的系统，与油层连通的面积远大于无水力裂缝时井筒的面积，显著地降低了单井生产时地层的渗流阻力，这是压裂改造后单井的基本增产机制。当钻开油层后，井底附近地带因受钻井液等伤害而使产量下降，通过压裂使水力裂缝穿过伤害地带（一般伤害带小于2m）进入未受伤害的油层，使未伤害油层中的油流通过水力裂缝进入井筒，恢复并提高了井的自然产能。在单井压裂时，往往两种机制都起作用。

一般来说，在相对较高的渗透率油藏，由于生产井压后投产很快就进入拟稳态流状况，所以产量预测求解可以用径向流动方程，通常，这可用Prats 与McGuire 和Sikora 方法来求解。相反地，在渗透率相对较低的油藏，生产井压后投产，油层中液体将长时间保持非稳态流状况，所以对裂缝的影响应在非稳态条件下求解，可应用非稳态流的单相油藏数值模拟或Agarwal 等人或Holditch 等人的典型曲线图版。若油藏处于注水开发期并进行了整体压裂，其产量预测需使用三维三相油藏

水力压裂新工艺和新技术

1、端部脱砂压裂技术（TSO）

随着油气田开采技术的发展和多种工艺技术的交叉综合运用，压裂技术应用范围已不再局限于低渗透地层，中高渗透地层也开始用该技术提高开发效果。当压裂技术应用于中高渗透性地层时，希望形成短而宽的裂缝，并尽可能地将裂缝控制在油气层范围内。为了适应这一特殊的要求，国外于20世纪80年代中期研制开发了端部脱砂压裂技术，并很快应用于现场，目前国内也开展了这方面的研究，并取得了很大的进展。

（1）端部脱砂压裂的基本原理

端部脱砂压裂就是在水力压裂的过程中，有意识地使支撑剂在裂缝的端部脱砂，形成砂堵，阻止裂缝进一步向前延伸；继续注入高浓度的砂浆后使裂缝内的净压力增加，迫使裂缝膨胀变宽，裂缝内填砂浓度变大，从而造出一条具有较宽和较高导流能力的裂缝。端部脱砂压裂成功的关键是裂缝的周边脱砂，裂缝的前端及上下边的任何部分不脱砂都不能完全达到预期的目的。

端部脱砂压裂分两个不同的阶段。第一阶段是造缝到端部脱砂，这实际上是一个常规的水力压裂过程，目前的二维或三维模型都可以应用。第二阶段是裂缝膨胀变宽和支撑剂充填阶段，这一阶段的设计是以物质平衡为基础，把第一阶段最后时刻的有关参数作为输入参数来完成的。

（2）端部脱砂压裂的技术特点

在端

水力压裂新工艺和新技术

1、端部脱砂压裂技术（TSO）

随着油气田开采技术的发展和多种工艺技术的交叉综合运用，压裂技术应用范围已不再局限于低渗透地层，中高渗透地层也开始用该技术提高开发效果。当压裂技术应用于中高渗透性地层时，希望形成短而宽的裂缝，并尽可能地将裂缝控制在油气层范围内。为了适应这一特殊的要求，国外于20世纪80年代中期研制开发了端部脱砂压裂技术，并很快应用于现场，目前国内也开展了这方面的研究，并取得了很大的进展。

（1）端部脱砂压裂的基本原理

端部脱砂压裂就是在水力压裂的过程中，有意识地使支撑剂在裂缝的端部脱砂，形成砂堵，阻止裂缝进一步向前延伸；继续注入高浓度的砂浆后使裂缝内的净压力增加，迫使裂缝膨胀变宽，裂缝内填砂浓度变大，从而造出一条具有较宽和较高导流能力的裂缝。端部脱砂压裂成功的关键是裂缝的周边脱砂，裂缝的前端及上下边的任何部分不脱砂都不能完全达到预期的目的。

端部脱砂压裂分两个不同的阶段。第一阶段是造缝到端部脱砂，这实际上是一个常规的水力压裂过程，目前的二维或三维模型都可以应用。第二阶段是裂缝膨胀变宽和支撑剂充填阶段，这一阶段的设计是以物质平衡为基础，把第一阶段最后时刻的有关参数作为输入参数来完成的。

（2）端部脱砂压裂的技术特点

在端

石油勘探与开发年叮八

卫

第

期

水力压裂裂缝的起裂和扩展黄荣禅华东石油学院

提要

本文综合国外关于水力压裂裂缝的起裂和扩展的研究。

,

提出了垂直裂缝和水

平裂缝的起裂判据并分析了影响裂缝延伸方向的各种因素文章认为裂缝的形成主要决定于井壁上的应力状态,

而确定及影响此应力状态的因

素有

地壳应力地层的孔隙压力井内液体压力,

、

、

、

压裂液向地层中的渗滤流动以及被压。

裂地层的机械物理性质题,

并对此进行了较详尽的分析,

作者注意到目前国外正引用线弹性断裂力学来分析裂缝延伸的方向及延伸的阻挡问提出裂缝的延伸方向主要取决于地应力认为不论井壁上初始形成的裂缝方位如何,,

在远离井眼后力外,

裂缝便趋于垂直最小主地应力的方向、、

。

扩缝压力除了取决于最小主地应、

还与裂缝的类型、

尺寸及岩石材料的性质有关文章中还分析了地层岩性的变化,。

。

交界面的性质裂隙面的存在压裂液的比重及其滤失应力强度因子的影响,

地应力分布的变化等对裂缝端部

认为这是判断裂缝继续延伸或产生阻挡作用的重要依据,

水力压裂新工艺自从在石油工业中采用以来然而迄今对压裂的详细机理仍研究得很不够中还有不少问题尚未得到很好解决。,

对油气田的勘探和开发起了重要的作用,

。

加上地下情况的复杂。

以致在压裂设计和施工

本文拟从岩石力学及线弹性断裂力

一、 PK模型

在PK模型垂直性裂缝如(图4.4）的扩展有如下假设：

（1） 裂缝有一个固定高度，与缝长无关。

（2） 与裂缝扩展方向垂直的横截面中的液体压力P为常数。

（3） 垂直平面存在有岩石的刚度，它抵抗在压力P作用下产生的形变。换句话

说，每一个垂直截面独立变形，不受邻近截面的妨碍。

（4） 由此，在这些横截面中，方程4.3将缝高hf，液体压力P和该点的裂缝宽

度联系起来。这些横截面为一个椭圆形，其中心最大宽度为，

w?x,t???1???hf?p??H?G （4.13）

（5） 用在一个狭窄的椭圆形流动通道中的流动阻力来确定裂缝扩展方向或x方

向的液体压力梯度，对于牛顿流情况

??p??H?64q? （4.14） ??3?x?whf （6） 在没有特殊理由时，缝内流体压力在趋向缝端视逐步下降，以至于在X=L

时P=?H.

最初始的理论忽略裂缝宽度增长对流量的影响，即，在没有液体滤失时有如

下假设

?q?0 ?x Nordgren修改了裂缝宽度增长对流量的影响，修改后的连续性方程如下：

黄玉川煤矿216上02工作面水力压裂初次放顶作业规程

神华亿利能源有限责任公司黄玉川煤矿 216上02工作面水力压裂初次放顶作业规程

施工单位：天地科技股份有限公司 编 制 人：冯彦军 日期：2016年5月15日

黄玉川煤矿216上02工作面水力压裂初次放顶作业规程

黄玉川煤矿216上02工作面水力压裂初次放顶作业规程会审表

会审时间 主持人 施工单位 参加会审人员（签字）： 会审地点 组织部门 编制人 会审人员签字 部门 生产办 机电办 生产指挥中心 安管办 地测办 签字 时间 部门 技术副总 安全矿长 机电矿长 生产矿长 总工程师 签字 时间 会 审 意 见

黄玉川煤矿216上02工作面水力压裂初次放顶作业规程

目 录

第一章 工作面概况 .................................................

不同井况下水力压裂工具的应用

页岩储层孔隙度小，渗透率低，水平井加多级压裂是页岩气开发应用最广泛的技术方式。目前常用的技术有多级压裂、清水压裂、水力喷射压裂、重复压裂和同步压裂等。页岩气压裂技术：可膨胀封隔器+滑套多级压裂、压裂封隔器+滑套多级压裂、泵送桥塞多级压裂、水力喷射压裂等。

在美国的页岩气开发技术中，封隔器+滑套多级压裂、泵送桥塞多级压裂技术比较成熟，使用也较为广泛，可适用于较长的水平段;水力喷射压裂可实现准确定位喷射，无需机械封隔，节省作业时间，非常适合用于裸眼井、筛管井以及套管井中。

1、封隔器+滑套多级压裂

封隔器+滑套多级压裂技术分为管内封多级压裂和管外封多级压裂两种。管内封多级压裂适用于套管完井压裂，一般采用压裂封隔器分段封隔;管外封多级压裂适用于裸眼井，一般采用可膨胀封隔器分段封隔。无论是管内封还是管外封压裂，施工原理基本一致，都是根据页岩气储层开发的需要，使用封隔器将水平井段分隔成若干段，水力压裂施工时通过投球打开滑套，从水平段趾端开始逐级投球，进行有针对性的压裂施工，水平井多级压裂目前已经是北美页岩气压裂开采主要技术手段。

水平井多级压裂技术关键在于封隔器(压裂封隔器和可膨胀封隔

煤层气

开发及开采　　　　　　　　　　　　　　天　然　气　工　业　　　　　　　　　　　　　　　　2006年12

月

煤层气井复杂水力压裂裂缝模型研究

吴晓东1　席长丰1　王国强2

(1.中国石油大学 北京　2.中联煤层气有限公司)

3

　　吴晓东等.煤层气井复杂水力压裂裂缝模型研究.天然气工业,2006,26(12):1242126.

摘　要　煤层与常规砂岩储层不同,煤层抗压强度低,易破碎变形,水力压裂时形成的水力裂缝系统也相对复杂。煤层水力压裂时常出现一些垂直裂缝与水平裂缝共存,或多条垂直(水平)裂缝存在的现象,形成所谓的复杂裂缝系统。复杂裂缝系统是煤层割理,煤层与上下顶底板岩性较大的力学性质差异,煤岩构造应力,煤粉堵塞,不同岩性的界面效应等因素综合影响的结果。当煤层垂直应力与水平应力相差较小时,煤层往往出现“T”字型或“工”字型裂缝系统,对“T”字型或“工”字型裂缝系统进行设计研究,。根据复杂裂缝形成机理,以“T”字型裂缝系统为例,建立了其数学模型,层气井组某口井进行了实例计算,井水力压裂施工起到了很好的作用,有较强的实际意义。

主题词　煤成气　水力压裂　应力　裂缝(　　主要有三种形态[1:,;②以,多发育于深煤层,垂向应力大于两个水平应力;③复杂裂缝系统

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水力压裂技术在矿井突出治理中的应用

作者：桑杰

来源：《科技创新导报》2011年第18期

摘 要:随着开采深度的不断的延伸,煤层瓦斯含量、瓦斯压力在不断的增大,为防止在生产过程中突出事故的发生,实现安全生产,对高压注水压裂消突技术进行了研究。测取压裂参数,利用压裂设备,对有突出危险性的实体煤进行压裂。经实践表明,水力压裂技术可将煤(岩)体内部微裂隙扩展使其连同,将煤体内的瓦斯潜能及弹性能得到一定量的释放,是煤层的透气性增加,结合瓦斯抽防技术使被压裂的实体煤内的瓦斯压力和瓦斯含量降低,削减和消除煤体突出的危险性。这项技术的实施有效的保证了突出煤层区域消突,为在突出危险区的煤层开采提供了一项可行的新措施。

关键词:水力压裂技术矿井治理

中图分类号:TD712 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)06(c)-0049-02

鹤煤集团六矿位于鹤壁煤田东部,可采煤为层二1煤,煤厚4.67～15.6m,平均厚8.67m；六矿井田为一向东倾斜的单斜构造,断层、褶曲发育,构造煤多且厚度变化剧烈,到井田深部尤其明