水力压裂概述

水力压裂增加原油产量的机理概述水力压裂是一项有广泛应用前景的油气井增产措施，水力压裂法是

目前开采天然气的主要形式，要求用大量掺入化学物质的水灌入页岩层

进行液压碎裂以释放天然气。这项技术在10年中在美国被大范围推广，

但美国人正在担忧这项技术将污染水源,从而威胁当地生态环境和居民

身体健康。并认为这种技术给环境带来了极大的伤害，包括使自来水自

燃，引发小幅地震等。但目前它仍是使用较为广泛的一种增产措施。

水力压裂是利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能

力的排量注入井中，在井底憋起高压，当此压力大于井壁附近的地应力

和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层产生裂缝。继续注入带有支撑

剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂

上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂

缝，使井达到增产增注目的工艺措施。该项技术不仅广泛用于低渗透油

气藏，而且在中、高渗油气藏的增产改造中也取得了很好的效果。水力

压裂增产增注的原理主要是降低了井底附近地层中流体的渗流阻力和改

变流体的渗流状态，使原来的径向流动改变为油层与裂缝近似性的单向

流动和裂缝与井筒间的单向流动，消除了径向节流损失，大大降低了能

量消耗，因而油气井产量或注水井注入量就会大幅度提高。如果水力裂

缝能连通油气层深处的产层(如透镜体)和天然裂缝，则增产的效果会更

明显。另外，水力压裂对井底附近受损害的油气层有解除堵塞作用。

一、水力压裂造缝机理

（一）应力分析

在水力压裂中，了解造缝的形成条件、裂缝的形态(垂直或水平)、方

位等，对有效地发挥压裂在增产、增注中的作用都是很重要的。在区块

整体压裂改造和单井压裂设计中，了解裂缝的方位对确定合理的井网方

向和裂缝几何参数尤为重要，这是因为有利的裂缝方位和几何参数不仅

可以提高开采速度，而且还可以提高最终采收率，相反，则可能会出现

生产井过早水窜，降低最终采收率。

一般情况下，地层中的岩石处于压应力状态，作用在地下岩石某单

元体上的应力为垂向主应力和水平主应力。

1.地应力

作用在单元体上的垂向应力来自上覆层的岩石重量，它的大小可以根据

密度测井资料计算。

2.作用在单元体上的水平主应力：来自岩石处于弹性状态，考虑到构造应力等因素的影响。

3.井筒上的应力

a井筒对地应力及其分布的影响在地层上钻井以后，井壁上及其周围地层中的应力分布受到井筒的影响，这种影响是很复杂的。

b井眼内压所引起的井壁应力压裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内压力很快升高。井筒内压必然产生井壁上的周向应力。

c压裂液径向渗入地层所引的井壁应力由于注入井中的高压液体在地层破裂前，渗入井筒周围地层中，形成了另外一个应力区，它的作用是增大了井壁周围岩石中的应力。

d井壁上的最小总周向应力在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力应为地应力、井筒内压及液体渗滤所引起的周向应力之和。

（二）造缝条件

形成垂直裂缝的条件，当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的水平方向的抗拉强度时，岩石将在垂直于水平应力的方向上产生脆性破裂，当产生水平裂缝时，井筒内注人流体的压力等于地层的破裂压力。（三）破裂压力梯度

为了便于比较与预测各油田（油井）的破裂压力，常使用破裂梯度β来表示，它是指地层破裂压力与地层深度的比值。理论上可以计算裂缝破裂时的有效破裂压力，除以压裂层的中部深度即可得到破裂梯度值。实际上各油田的破裂梯度值都是根据大量压裂施工资料统计出来的，破裂梯度值一般在下列范围： β=(15～18)～(22～25)，可以用各地区的破裂梯度的大小估计裂缝的形态，一般认为β小于15～18时形成垂直裂缝，而大于23时则是水平裂缝。因此深地层出现的多为垂直裂缝，浅地层出现水平裂缝的几率多。这是由于浅地层的垂向应力相对比较小，近地表地层中构造运动也较多，水平应力大于垂应力的几率也大，所以浅地层出现水平裂缝。但是，浅地层也可能出现垂直裂缝。有时会碰到破裂梯度特高的地层，如α>28。这种情况可能是由于构造关系或岩石抗张强度特大的缘故。井底附近地层严重堵塞时也可能导致很高的破裂梯度，这种情况是不正常的。如果地层破裂压力过高，难以进行正常施工，可进行预处理以降低破裂压力。这些方法的实质是降低井底附近地层的应力，如高效射孔、密集射孔、水力喷砂射孔及小规模酸化等措施。实践证明这些方法是有效的。

二、水力压裂压裂液

根据压裂过程中注入井内的压裂液在不同施工阶段的任务可分为： ①前置液它的作用是破裂地层并造成一定几何尺寸的裂缝以备后面的携砂液进入。在温度较高的地层里，它还可起一定的降温作用。有时为

了提高前置液的工作效率，在前置液中还加入一定量的细砂(粒径100

～140目，砂比10％左右)以堵塞地层中的微隙，减少液体的滤失。 ②

携砂液它起到将支撑剂带入裂缝中并将支撑剂填在裂缝内预定位置上

的作用。在压裂液的总量中，这部分比例很大。携砂液和其他压裂液一

样，有造缝及冷却地层的作用。携砂液由于需要携带比重很高的支撑

剂，必须使用交联的压裂液(如冻胶等)。 ③顶替液中间顶替液用来将

携砂液送到预定位置，并有预防砂卡的作用；注完携砂液后要用顶替液

将井筒中全部携砂液替入裂缝中，以提高携砂液效率和防止井筒沉砂。

根据压裂不同阶段对液体性能的要求，压裂液在一次施工中可能使用一

种以上性能不同的液体，其中还加有不同使用目的的添加剂。

对于占总液量绝大多数的前置液及携砂液，都应具备一定的造缝能

力并使裂缝壁面及填砂裂缝有足够的导流能力。所以，为了获得好的水

力压裂的效果对压裂液的性能要求为： ①滤失少这是造长缝、宽缝

的重要条件。压裂液的滤失性主要取决于它的粘度与造壁性，粘度高则

滤失少；在压裂液中添加防滤失剂，能改善造壁性，大大减少滤失量。

②悬砂能力强压裂液的悬砂能力主要取决于粘度。压裂液只要有较高

的粘度，支撑剂(常用砂粒或陶粒)即可悬浮于其中，这对支撑剂在缝中

的分布是非常有利的。 ③摩阻低压裂液在管道中的摩阻愈小，则在

设备功率一定的条件下，用于造缝的有效功率也就愈大。摩阻过高会导

致井口施工压力过高，从而降低排量甚至限制压裂施工。 ④稳定性

压裂液应具备热稳定性，不能由于温度的升高而使粘度有较大的降低。

液体还应有抗机械剪切的稳定性，不因流速的增加而发生大幅度的降

解。 ⑤配伍性压裂液进入油层后与各种岩石矿物及流体相接触，不

应产生不利于油气渗流的物理—化学反应。例如不要引起粘土膨胀或产

生沉淀而堵塞油层。这种配伍性的要求是非常重要的，往往有些油气层

压裂后效果不理想或失败，就是由于压裂液的配伍性不好所致。 ⑥低

残渣要尽量降低压裂液中水不溶物(残渣)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

井外，以减少压裂液的损害，排液愈完全，增产效果愈好。 ⑧货源

广、便于配制、价钱便宜。

目前常用的压裂液有水基、酸基、油基压裂液、乳状及泡沫压裂液

等。水基压裂液是用水溶胀性聚合物(称为成胶剂)经交链剂交链后形成

的冻胶。对水敏性地层，使用水基压裂液会导致地层粘土膨胀影响压裂

效果，对此，可使用油基压裂液。泡沫压裂液是近十年内发展起来的，

用于低压低渗油气层改造的新型压裂液。其最大特点是易于返排、滤失

少以及摩阻低等。基液多用淡水、盐水、聚合物水溶液；气相为二氧化

碳、氮气、天然气；发泡剂用非离子型活性剂。

压裂过程中，压裂液向地层的滤失是不可避免的。由于压裂液的滤失使得压裂液效率降低，造缝体积减小，因此研究压裂液的滤失特性对裂缝几何参数的计算和对地层损害的认识都是必不可少的。压裂液滤失到地层受三种机理控制，即压裂液的粘度，油藏岩石和流体的压缩性及压裂液的造壁性。

三、水力压裂支撑剂

水力压裂的目标是在油气层内形成足够长度的高导流能力填砂裂缝，所以，水力压裂工程中的各个环节都是围绕这一目标，并以此选择支撑剂类型、粒径和携砂液性能，以及施工工序等。

（一）要求

粒径均匀，密度小，强度大，破碎率小，杂质含量少，来源广，价廉。

（二) 类型

(1)天然砂自从世界上第一口压裂井使用支撑剂以来，天然砂已广泛使用于浅层或中深层的压裂(1500米)，而且都有很高的成功率。高质量的石英砂往往都是古代的风成砂丘，在风力的搬运和筛选下沉砂而成，因此石英含量高，粒径均匀，园球度也好；另外石英砂资源很丰富，价格也便宜。

（2)人造支撑剂(陶粒) 最常用的人造支撑剂是烧结铝钒土，即陶粒。它的矿物成份是氧化铝、硅酸盐和铁—钛氧化物；形状不规则，园度

为0.65、密度为3800kg/m3 ，强度很高，在70.0MPa的闭合压力下，陶粒所支撑缝的渗透率约比天然砂的高一个数量级，因此它能适用深井高闭合压力的油气层压裂。对一些中深井，为了提高裂缝导流能力也常用陶粒作尾随支撑剂。

（3)树脂包层支撑剂树脂包层支撑剂是中等强度低密度或高密度，能承受56.0～70.0MPa的闭合压力，适用于低强度天然砂和高强度陶粒之间强度要求的支撑剂。其密度小，便于携砂与铺砂。 258 它的制作方法是用树脂把砂粒包裹起来，树脂薄膜的厚度约为0.0254mm，约占总重量的5％以下。树脂包层支撑剂可分为固化砂与预固化砂，固化砂在地层的温度和压力下固结，这对于防止地层出砂和压裂后裂缝的吐砂有一定的效果；预固化砂则在地面上已形成完好的树脂薄膜包裹砂粒，象普通砂一样随携砂液进入裂缝。

四、水力压裂原理和过程

（一）水力压裂的基本原理

利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过油层吸收能力的排量泵入井中，在井底附近地层产生裂缝，将带有支撑剂的携砂液挤入裂缝

中，从而在井底附近地层内形成一条具有一定长度、宽度和高度的高导流能力的填砂裂缝。由于改变了井底附近流体的渗流状态，提高了油层的渗流能力，从而达到增产、增注的目的。

（二）压裂造缝过程

1．裂缝起裂水力裂缝起裂从点源开始，逐步连接成线源缝。裂缝沿井筒轴向扭曲起裂，在延伸过程中逐步扭曲到与最小主应力垂直的方向上，然后沿该方向延伸并逐步形成一条主缝。起裂首先克服岩石地应力和抗张强度，也就是破裂压力。

2．裂缝延伸指岩石破裂形成裂缝后，在缝内液体压力作用下继续向前扩展的过程。其延伸平面总是垂直于最小主应力方向，沿着最大主应力方向。如图所示。地层破裂在井筒附近较复杂，也可能是多条，逐步延伸形成一条主缝。若天然裂缝发育好，可能会出现多条。延伸压力指裂缝扩展所需压力，一般低于破裂压力。

3．裂缝闭合裂缝闭合压力是指压裂施工停泵后，裂缝逐渐闭合的压力。由于施工期间高压液体从裂缝壁面向地层虑失，是孔隙压力增高，引起地应力场变化，所以，裂缝闭合压力高于水平最小主应力。（三）压裂过程

1．循环：逐台启动压裂车，用清水循环地面管线，清洗管线，关井口。

2．试压：地面压裂流程、井口阀门以上设备进行承高压性能试验。试验压力为预测泵压1.2—1.5倍，稳压5min 。

3．试挤：打开井口阀门，关闭循环防空闸门，逐台启动压裂车，按压裂施工设计规定试挤排量，将压裂液试挤入油层，压力由低到高至稳定为止。目的是检查井下管柱及井下工具情况，检查欲压裂层的吸水能力。

4．压裂: 试挤正常后，启动压裂车，以高压大排量向井内持续挤入前置液，造缝延伸。注意：当泵工作压力达到管柱最高承压能力还不能压开欲压裂层位时，应停泵卸压，分析原因，制定措施。

5．加砂：油层裂缝已形成，泵压及排量稳定后便可加砂。注意：加砂要均匀，中途不能停泵，操作要平稳。

6．替挤：完成加砂后，打开混砂车的替挤旁通流程，向井内注入替挤液。

7．关井扩散压力：压裂施工结束后，关闭井口所有出口闸门，等待压裂液破胶、滤失及裂缝闭合，防止支撑剂随高粘度压裂液返出裂缝。关井时间不小于压裂液破胶时间，压裂液破胶后用小喷嘴放喷，促进裂缝闭合。

8．活动管柱：活动管柱时，上提力不能超过井内管柱悬重200 KN，上

提速度控制在0.5 m/min以内，行程不能小于5m，达到提放自如，拉力计显示管柱重量正常。

9．压后作业：按压裂设计要求探砂面，起压裂管柱，完井，投产。五、水力压裂新工艺

(一）裂缝检测技术

(1)裂缝高度的检测 ①井温测量法压裂前先测出地层基准温度剖面，压裂时将冷或热的压裂液注入裂缝中，压裂后测量温度异常值的垂向分布范围以确定裂缝高度。 ②放射性同位素示踪法一种方法是在支撑剂中混入示踪剂，压裂后用伽马射线测井法测量放射性示踪剂，以了解支撑裂缝的方位和几何形态；另一种方法是在施工最后在压裂液中加入示踪剂，再进行伽马射线测井。

(2)裂缝方位和几何形态的检测目前在套管井中仍无可靠的检测方法。在裸眼井中已使用井下电视测量、微地震测量、无线电脉冲测量等方法对裂缝进行探测，通过传送系统在地面进行实时显示，分析裂缝的方位和几何形态。

（二）端部脱砂压裂技术（TSO）

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。主要用于浅层或中深地层(能够憋压地层)、高渗透或松软地层以及必须严格限制缝高的地层。

（三）重复压裂技术

重复压裂技术是改造失效井和产量已处于经济生产线以下的压裂井的有效措施。重复压裂一般要求比初次压裂有更高的导流能力。①采用高砂比压裂技术形成高导流能力裂缝； ②采用强制闭合技术使改造段达到最大充填。使用的压裂液有各种类型(硼交联HPC、胍胶、钛交

联HPC等)，一般用柴油(5％～50％)或能降解的聚合物作防滤失剂，支撑剂粒径从20／40目至12／18目不等。

水力压裂过程中页岩渗透渗吸作用实验研究

水力压裂过程中页岩渗透渗吸作用实验研究摘要：水力压裂技术已经广泛应用于页岩储层以显著提高产量。然而，据钻井人员汇报大量压裂液流失于地下不能回收，滞留压裂液对页岩组成的影响机制尚不清晰，滞留压裂液可被页岩基质、微裂缝和裂缝表面吸收，本文旨在研究渗吸作用对页岩基质渗透性、微裂缝渗透性和裂缝渗透性的影响，首次探究页岩渗透性变化与页岩渗吸作用二者之关系，并提供大量水力压裂过程中页岩伴随渗吸作用渗透性增减结果。本文实验采用压力恢复法测定岩样渗透率，采用失重法进行渗吸实验，样品来源于Niobrara、HornRiver及Woodford地区页岩地层。实验结果表明，滞留压裂液会损害页岩基质渗透性，使其渗透率大为降低，样品吸收液体越多，基质渗透率降低越显著，渗吸作用造成张开裂缝渗透率减小，但减小量不及基质渗透率，此外，润滑作用使页岩样品微裂缝再次张开，导致渗吸作用过程中微裂缝渗透率提升。渗透率这一指标决定着页岩地层长期产气量，本文研究水力压裂过程中渗吸作用影响下页岩渗透率变化情况，观察得到渗吸作用不仅损害页岩组成，还会通过张开闭合或密封天然裂缝增加渗透率而对页岩组成造成潜在影响。 1.简介随着水力压裂技术在页岩和其他非常规地层的成功应用，预计到2020年，美国原油的产量将从2008年的5百万桶/日增加至10.6百万桶/日；同时页岩和其他低渗储层的石油产量将增长到全国原油总产量的一半。从2008年开始美国页岩气产量预计将增长近9倍（EIA，2015）。水力压裂技术的一般程序主要分为5个步骤，包括垫注，凝胶浆注射，冲洗注射，注井和水回收。水回收是该井投入生产前水力压裂处理的最后一步。这一步在水力压裂过程中很重要和必要，因为它可以控制和最小化压裂液的损伤。不过，很多操作人员报道注入页岩储层的压裂液只有不到50％可以回收（Alkouh和Wattenbarger，2013）。这个可能是因为水力压裂后页岩储层系统能量较低。一般来说，裂缝较为常规、较不复杂时系统能量较高。能量越高，会导致回收液体流流量越大、流速越高。但是页岩储层的裂缝很复杂，导致裂缝回收液体占比很少，需要花费几周来完成回流，比常规页岩储层长得多（King，2010；Wu等，2010）。在页岩中，如此大量的剩余液体对产量的影响成为一

水力压裂安全技术要求

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； d）通往井场的道路能够保证施工车辆安全通行； e）场地满足施工布车要求。 3．2 压裂设计中应包括下列与安全有关的内容： a）存在可能影响压裂施工的问题； b）施工井场、施工车辆行驶路线说明及要求； c）地面流程连接、施工设备检查要求； d）试压、试挤要求； e）施工交接、检查要求；

水力压裂技术

第四章水力压裂技术水力压裂是利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层产生裂缝。继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，使井达到增产增注的目的。水力压裂增产增注的原理主要是降低了井底附近地层中流体的渗流阻力和改变了流体的渗流状态，使原来的径向流动改变为油层流向裂缝近似性的单向流动和裂缝与井筒间的单向流动，消除了径向节流损失，大大降低了能量消耗。因而油气井产量或注水井注入量就会大幅度提高。第一节造缝机理在水力压裂中，了解裂缝形成条件、裂缝的形态和方位等，对有效地发挥压裂在增产、增注中的作用都是很重要的。在区块整体压裂改造和单井压裂设计中，了解裂缝的方位对确定合理的井网方向和裂缝几何参数尤为重要，这是因为有利的裂缝方位和几何参数不仅可以提高开采速度，而且还可以提高最终采收率。造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层的地应力及其分布、岩石的力学性质、压裂液的渗滤性质及注入方式有密切关系。图4一l是压裂施工过程中井底压力随时间的变化曲线。P是地层破裂压力，P是裂缝延伸压力，P是地层压力。SEF

压裂过程井底压力变化曲线图4一l —微缝高渗岩石致密岩石; ba—在致密地层内，当井底压力达到破裂压力P后，地层发生破裂(图4—1中的a点)，F然后在较低的延伸压力P下，裂缝向前延伸。对高渗或微裂缝发育地层，压裂过程中无明E显的破裂显示，破裂压力与延伸压力相近(图4—1中的b点)。一、油井应力状况一般情况下，地层中的岩石处于压应力状态，作用在地下岩石某单元体上的应力为垂向主应力σ和水平主应力σ(σ又可分为两个相互垂直的主应力σ，σ)。YHHxZ （一）地应力作用在单元体上的垂向应力来自上覆地层的岩石质量，其大小可以根据密度测井资料计算，一般为： ????gdz?1）（4— s?0式中σ——垂向主应力，Pa；Z H——地层垂深，m； 2)；．81 m/s g——重力加速度(93。——上覆层岩石密度，ρkg/m s 1 由于油气层中有一定的孔隙压力Ps，故有效垂向应力可表示为： ??（4—2）P??szz如果岩石处于弹性状态，考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大水平主应力为： ???????P?2EE1??S???124—3）P????（?? SH????11?21???式中σ——最大水平主应力，Pa；H ξ，ξ——水平应力构造系数，可由室内测试试验结果推算，无因次；21?——

水力压裂造缝机理

2．地应力场确定地应力场确定包括地应力大小和方向。主要手段主要有： 1) 水力压裂法微型压裂(mini-frac)压力曲线计算应力场。 2)实验室分析方法应用定向取心技术保证取出岩心样品的主应力方位与其在地层中主应力方位一致。岩心从地下三向压应力状态改变到地面自由应力状态，根据岩心各方向的变形确定主应力方位和数值。 (1) 滞弹性应变恢复（ASR）基于岩心与其承压岩体发生机械分离后所产生的应力松弛，按各个方向测量应变并确定主应变轴。并假定主方向与原位应力主轴相同，按已知的弹性常数和上覆岩层载荷情况间接计算应力值。 (2) 微差应变分析（DSCA）从井底取出的岩心由于应力释放和应变恢复会发生膨胀，产生或重新张开微裂缝。基于应变松弛作为“应力史”痕迹的思想，应变松弛形成的微裂缝密度和分布与岩心已经出现的应力下降成正比。通过描述微裂隙分布椭球，即可揭示以前的应力状态。根据和这些微裂缝相关的应变推断主应力方向，并从应变发生的最大方向估算出最小主应力值。 3) 测井解释方法利用测井（主要是密度测井、自然伽玛测井、井径测井和声波时差测井以及中子测井、自然电位测井等）资料，首先基于纵横波速度与岩石弹性参数之间的关系解释岩石力学参数，再结合地应力计算模式获得连续的地应力剖面。 4) 有限元模拟根据若干个测点地应力资料，借助于有限元数值分析方法，通过反演得到构造应力场。强烈取决于根据研究工区所建立的地质模型、数学力学模型和边界条件。此外，测定地应力方向的常用方法还有声波测定、井壁崩落法、地面电位法、井下微地震法和水动力学试井等方法。 3．人工裂缝方位在天然裂缝不发育的地层，压裂裂缝形态取决于其三向应力状态。根据最小主应力原理，水力压裂裂缝总是产生于强度最弱、阻力最小的方向，即岩石破裂面垂直于最小主应力方向。当s z最小时，形成水平裂缝（horizontal fracture）；当s y最小时，形成垂直裂缝(vertical fracture)。对于显裂缝地层很难出现人工裂缝。而微裂缝地层可能出现多种情况，人工裂缝面可以垂直于最小主应力方向；也可能基本上沿微裂缝的方向发展，把微裂缝串成显裂缝。二、破裂压力地层岩石破裂前，井壁最终应力场为钻孔应力集中、向井筒注液产生的应力、注入压裂液径向滤失诱发应力的迭加。基于最终应力分布结合岩石破裂准则确定破裂压力计算公式。 1．井壁最终应力分布 1）井筒应力分布对于裸眼井，记井眼半径为r w。钻井完成后地层中应力分布可视为无限大均质各向同性岩石平板中有一圆形孔眼时的应力状态，。记压应力为正、张应力为负，根据弹性力学理论计算图中任意点(r ,q) 处的应力分布。离井壁越远，周向压应力迅速降低，径向压应力逐渐增加；而且大约几个井径之后，周向压应力降为原地应力，径向应力增加到原地应力。实际上，由于岩石的抗压强度比抗张强度大得多，而且钻井孔眼引起的应力集中使得井壁处应力大于原地应力，因此，水力压裂造缝时主要关心的应是井壁处的周向应力s q。通常记s x>s y，则当q=0°或180°，井壁处周向应力最小。s qmin = 3s y-s x 当q=90°或270°，井壁处周向应力最大。s qmax = 3s x-s y

煤矿井下水力压裂技术的发展现状与前景

龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/f53554299.html, 煤矿井下水力压裂技术的发展现状与前景作者：郭晨来源：《科学与财富》2016年第07期摘要：我国煤炭安全生产形势依然严峻，增加煤层透气性、进行有效瓦斯抽放迫在眉睫。水力压裂技术是目前增加煤层透气性最有效的方法之一，文章从水力压裂机理、封孔技术、工艺设备发展三方面，综述了我国井下煤层水力压裂技术的发展和应用前景。关键词：水力压裂；煤层；增透；发展现状基金项目：重庆科技学院研究生科技创新计划项目，编号：YKJCX2014047 目前我国煤炭行业的安全形势依然严峻，由于煤层透气性低、瓦斯难以有效抽放导致的瓦斯突出、爆炸等事故屡见不鲜，造成了巨大的人员伤亡和经济损失，因此，加强瓦斯抽放、增加煤层透气性势在必行。水力压裂技术已成为增加煤层透气性最有效方法之一，本文通过介绍水力压裂机理、封孔技术及工艺设备的研究现状，指出水力压裂技术研究的必要性与可行性，以期为工程应用提供参考。 1.水力压裂机理研究水力压裂技术1947年始于美国，起初主要用于低渗透油、气田的开发中，在地面水力压裂方面的研究仅仅局限在石油、油气藏以及地热资源的地面钻井开采过程中[1]。前苏联科学家在20世纪60年代开始在卡拉甘达和顿巴斯矿区进行井下水力压裂的试验研究[2]。目前针对井下煤层水力压裂增透技术的研究已取得了明显发展，国内学者郭启文、张文勇等经过试验与现场应用研究了煤层的压裂分解机理，指出水力压裂技术只能够在煤层内产生很少的裂缝，并会在裂缝周围产生应力集中区[3]，存在一定局限性。李安启等将理论与实践相结合，研究了煤层性质对水力裂缝的影响，还在煤层压裂裂缝监测基础上提出了煤层水力裂缝的几何模型。在水力压裂机理方面的研究，国内外学者对水力压裂在油气系统地面钻井压裂、煤炭行业井下增加煤层透气性方面都进行了较为深入的研究，但其压裂机理方面仍存在一定分歧，不能很好的控制水力压裂的效果。随着我国煤炭安全生产逐步发展和穿煤隧道等工程的逐步建设，水力压裂技术将大范围推广应用，因此加强水力压裂技术理论研究势在必行。 2.压裂钻孔封孔技术研究煤层水力压裂钻孔封孔是有效实施水力压裂技术的关键，而封孔质量的好坏取决于两个主要因素：①封孔材料，需要选择性能良好、价格适中、易于操作的材料；②封孔的长度，封孔长度太短会导致高压水的渗漏，太长会造成人力、材料、时间的浪费。因此，要使水力压裂技术能够有效开展，必须在选取“物美价廉”的封孔材料的同时，研究材料承载能力与封孔长度之

水力压裂技术

水力压裂水力压裂：：一项一项经久不衰的技术经久不衰的技术经久不衰的技术自从Stanolind 石油公司于1949年首次采用水力压裂技术以来，到今天全球范围内的压裂施工作业量将近有250万次。目前大约百分之六十新钻的井都要经过压裂改造。压裂增产改造不但增加油井产量，而且由于这项技术使得以前没有经济开采价值的储量被开采了出来（仅美国自1949年以来就约有90亿桶的石油和超过700万亿立方英尺的天然气因压裂改造而额外被开采出来）。另外，通过促进生产，油气储量的静现值也提高了。压裂技术可以追溯到十八世纪六十年代，当时在美国的宾夕法尼亚州、纽约、肯塔基州和西弗吉尼亚州，人们使用液态的硝化甘油压浅层的、坚硬地层的油井。目的是使含油的地层破裂，增加初始产量和最终的采收率。虽然使用具有爆炸性的硝化甘油进行压裂是危险并且很多时候是违法的，但操作后效果显著。因此这种操作原理很快就被应用到了注水井和气井。在十九世纪三十年代，人们开始尝试向地层注入非爆炸性的流体（酸）用以压裂改造。在酸化井的过程中，出现了一种“压力从逢中分离出来”现象。这是由于酸的蚀刻会在地层生成不能完全闭合的裂缝，进而形成一条从地层到井的流动通道，从而大大提高了产量。这种“压力从逢中分离出来”的现象不但在酸化的施工现场，在注水和注水泥固井的作业中也有发生。但人们就酸化、注水和注水泥固井的作业中形成地层破裂这一问题一直没有很好的理解，直到Farris 石油公司（后来的Amoco 石油）针对观察井产量与改造压力关系进行了深入的研究。通过此次研究，Farris 石油萌生出了通过水力压裂地层从而实现油气井增产的设想。第一次实验性的水力压裂改造作业由Stanolind 石油于1947年在堪萨斯州的Hugoton 气田完成（图 1）。首先注入注入1000加仑的粘稠的环烷酸和凝稠的汽油，随后是破胶剂，用以改造地下2400英尺的石灰岩产气层。虽然当时那口作业井的产量并没有因此得到较大的改善，但这仅仅是个开始。在 1948年 Stanolind 石油公司的 J.B.Clark 发表了一篇文章向石油工业界介绍了水力压裂的施工改造过程。1949年哈里伯顿固井公司（Howco）申请了水力压裂施工的专利权。哈里伯顿固井公司最初的两次水力压裂施工作业于1949年3月17日，一次在奥克拉荷马州的史蒂芬郡，总花费900美元；另一次在位于得克萨斯州的射手郡，总花费1000美元，使用的是租来的原油或原油与汽油的混合油与100到150磅的砂子（图2）。在第一年中，332口井被压裂改造成功，平均增加了75%的产量。压裂施工被大量应用，也始料未及地加强了美国的石油供应。十九世纪五十年代中期，压裂施工达到了每月3000口井的作业量。第一个过五十万英镑的压裂施工作业是由美国的Pan 石油公司（后来的Amoco 石油，现在的BP 石油）于1968年10月在奥克拉荷马州的史蒂芬郡完成的。在2008年世界范围内单级花费在1万到6百万美元之间的压裂作业超过了5万级。目前，一般的单井压裂级数为8到40

水力压裂操作规程

水力压裂操作规程第一条系统组成高压水力压裂系统由乳化泵、水箱、水表、压力表、高压管、封孔器及相关装置连接接头等组成。图2 水力压裂系统装置连接示意图高压铁管高压软管注水泵水箱卸压阀压力表连接管水管压裂钻孔注：设备之间的连接必须保证密封无泄漏，且应实现快速连接。第二条压裂时间压裂时间与注水压力、注水量等参数密切相关，注水压力、流速不同，相同条件下达到同样效果的注水时间也不同。注水过程中，煤体被逐渐压裂破坏，各种孔裂隙不断沟通，高压水在已沟通的裂隙间流动，注水压力及注水流量等参数不断发生着变化，注水时间可根据注水过程中压力及流量的变化来确定，当注水泵压降为峰值压力的30%左右，可以作为注水结束时间。第三条工艺流程 1.先施工4个效果考察钻孔，施工完成后立即进行封孔，将其接入抽放系统，抽放队安排测流员收集效果考察钻孔浓度、负压，并进

行计量。 2.在施工1个压裂钻孔，压裂钻孔施工到位后，立即进行封孔， 3.所有钻孔封孔完成并凝固24小时后，开始进行高压水力压裂，压裂时一旦出现效果考察孔有水流出时，立即关闭高压闸门，直至乳化泵的水箱内水位不再下降时停止压裂。 4.压裂过程实施完成后，由抽放队测流员每天收集压裂钻孔和效果考察钻孔的数据，并计算瓦斯抽放量。 5.高压水力压裂流程图，如下所示：

第四条压裂步骤在注水的前期，注水压力和注水流量呈线性升高；随后，注水压力与流量反向变化，并呈波浪状。这直观反映出了在注水初期，具有一定压力和流速的压力水通过钻孔进入煤体裂隙，克服裂隙阻力运动；随后，当压裂液充满现有裂隙后，水流动受到阻碍，由于煤体渗透性较低，水流量降低，压力增高而积蓄势能；当积蓄的势能足以破裂煤体形成新的裂隙时，势能转化为动能，压力降低，水流速增加；当压力液携带煤泥堵塞裂隙时，煤体渗透性降低，水难以流动使流量下降，压力上升。压裂实施过程中，按照如下步骤实施： 1.同时打开井下高压泵水箱的水闸门与注水孔口的闸门； 2.启动高压注水泵，然后采用动压注水压裂; 3.当乳化泵压力急剧上升或水箱内水位不在下降时，立即停止压力。启泵时压力选为20MPa，调节控压闸门，每5min升压2MPa，泵压达到28MPa以上，稳定20min后，若压力迅速下降，说明已开始压裂；继续注水10min钟，水压不再上升，此时停泵，关闭卸压阀，压裂程序结束。若从开泵开始，压力持续上升，则说明未压裂，并持续加压至30MPa后压力仍不下降或稳定，说明煤体未被压裂，此时停止压裂工作，分析原因，重新考虑制定措施、方案。第五条水力压裂施钻规定 1.每班施钻前必须先检查撤退路线是否畅通、安全设施是否完好，若有一样不符合规定，当班禁止施工（当班班长负责，安瓦员监督）。 2.施钻当班负责人必须携带便携式瓦斯报警仪，并将其吊挂在距

关于水力压裂设备及技术的发展及应用

关于水力压裂设备及技术的发展及应用【摘要】水力压裂技术经过了半个多世纪的发展，在设备和技术应用上都取得了较大的发展，在全球各地的石油开采中也发挥了关键性的作用，是目前仍在广泛应用的评价认识储层的一种重要方法，水力压裂技术也是油田煤矿等产业生产中确保安全、降低危险的重要技术。近年来，水力压裂的几部发展很快，在压裂设备材料上也有了较大突破，压裂技术在油田勘探开发应用中和其他行业的应用中的前景还是十分广阔的。【关键词】水力压裂；发展现状；趋势随着技术进步和应用范围的扩大，施工对压裂技术也提出了更高的要求，对压裂设备性能、压裂液等材料的要求也越来越高，不同地理环境下的压裂技术应用也有不同的需求，所以水力压裂设备和技术的研究也在不断进行，笔者在此对水力压裂技术的发展应用现状和今后的发展前景进行了展望，具体内容如下。一、水力压裂设备技术的发展应用现状（一）端部脱砂压裂技术现代油气田勘探开发技术发展应用速度快，各种新技术工艺也都得到了综合运用，过去压裂设备和技术主要应用于低渗透油田，现在应用范围有了明显的扩大，在国内许多大型油田的中高渗透地层中不但应用了压裂设备和技术，且在技术上有了更大的突破。压裂技术应用于中高渗透地层时，实现短宽型的裂缝能够更好的控制油气层的开发，所以端部脱砂压裂技术应运而生，并在应用中取得了非常好的效果，近年来端部脱砂压裂技术在浅层、中深地层、高渗透以及松软地层都得到了应用，该技术的相关设备也在应用中得到了不断的改进。（二）重复压裂技术随着油田开发的不断深入，出现越来越多的失效井和产量下降的压裂井，二重复压裂技术正是针对该类油井改造和提高产量的有效技术措施。全球范围内各个国家对重复压裂设备和技术的研究都很重视，经过实践检验其应用效果也十分显著，重复压裂的成功率能够达到75%左右。在美国还有油田企业在应用重复压裂技术的同时还采用了先进的强制闭合技术和端部脱砂技术，取得了很好的经济效益。重复压裂技术设备能够用于改造低渗透和中渗透的油层，在直井、大斜度井以及水平井中都具有很高的应用效果，对提高产能具有很好的作用。（三）高渗层防砂压裂技术高渗层防砂压裂技术不但能够实现高渗透油藏的压裂，还能够同时完成充填防砂作业。传统的砾石充填防砂技术很容易造成对高渗透油层的破坏，导致导流能力下降，而高渗透防砂压裂技术是结合的端部脱砂技术，使裂缝中的支撑剂浓

水力压裂综述

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

国内水力压裂技术现状

280 水力压裂技术又称水力裂解技术，是开采页岩气时普遍采用的方法，先多用于石油开采和天然气开采之中，其原理时利用水压将岩石层压裂，从而形成人工裂缝，然后让裂缝延伸到储油层或者储气层，从而提高油气层中流体流动能力，然后通过配套技术使石油天然气在采油井中流动，从而被开采出来。这项技术具有非常广泛的应用前景，可以有效的促进油气井增产。 1?水力压裂技术的出现和发展水力压裂技术是1947年在美国堪萨斯州实验成功的一项技术，其大规模利用是出现在1998年，在美国开采页岩气的时候，作为一项新的技术使用，而这项技术的运用，使美国美国页岩气开发的进程和效率大大加快。水力压裂技术在中国的研究和开发开始于二十世纪五十年代，而大庆油田于1973年开始大规模使用这项技术，迄今已有30年历史。而随着时代的发展，中国的压裂技术已经有了长足进步，已经非常接近国际先进水平。而在技术方面，由于不断引进和开发相关的裂缝模拟软件等，通过多次的实验研究，在很大程度上实现了裂缝的仿真模拟。而相应的技术也使用在了低渗透油气田的改造工作中，并且在中高渗透性油田也有广泛应用。这项技术在低渗透油田的应用技术已经非常接近国际水平，相比较差距非常小。 2?水力压裂技术的发展现状随着时代的发展，水力压裂技术也随之不断发展，逐渐成为一项成熟的开采技术。而这项技术具有一定的进步性，主要表现在以下方面：（1）从单井到整体的优化。最开始的时候，由于受技术限制，水力压裂技术只能针对一口井来使用，难以考虑到整体的效益。而随着技术的逐渐成熟，这项技术可以广泛的运用到整个油藏之中，可以对整个油藏进行优化设计，实现油藏的有效合理开发。（2）在低渗透油藏的开发运用。由于受各种因素的影响，低渗透油藏大都难以有效的开发利用，虽然在各项新技术的使用下得到了一定得好转，但是低渗透油藏的开发依旧是举步维艰。而水力压裂技术的日益成熟，很大程度上改善了这一状况。通过综合考虑水利裂缝的位置和导油能力，使用水力压裂技术使油藏的流体流动能力进一步增强，从而实现低渗透油藏的最大程度的开采利用。（3）水力裂缝的模型逐渐从二维转变为拟三维。水力裂缝的拟三维模型可以适用于各种不同的地层，可以非常真实的模拟水力压裂的过程，可以更好的更为直观的预测和观测水力压裂的使用进度，更好的对水力压裂过程进行控制，不但提高了效率，还可以在很大程度上节约成本。（4）水力压裂规模扩大。随着技术的成熟和配套设施的完善，水力压裂的作业规模也随之变大，从最初的几立方米到现在几十甚至上百立方米，在很大程度上提高了效率，也提高了低渗透油藏的采油率，实现了油藏的有效利用，因而成为开采作业中非常重要的技术之一。 3?水力压裂技术的发展方向和前景水力压裂技术具有广阔的发展前景，因为随着石油资源的逐年开采，低渗透油藏广泛出现，水力压裂技术之外的技术虽然可以一定程度上改善低渗透油藏难以开采的现状，但是随着时代的发展，水力压裂技术逐渐广泛使用在低渗透油藏之中，使低渗透油藏的开采效率大大增加。（1）在低渗透油藏重复压裂促进采油率。主要的发展研究方向主要是加强对油藏状况的研究，建立科学的压裂模型，还要做到实时监测水力裂缝，对裂缝进度进行模拟和控制，其次利用高排量和大输砂量的泵注设备，进行注入作业，从而实现低渗透油藏的有效开发。（2）做好拟三维化模型向全三维化模型的转换，全三维化模型可以非常有效的、更为直观的模拟和观测地下裂缝的进度，可以非常有效的控制水力压裂技术的科学使用。还要做好油气藏模拟技术的研发，配合三维化模型，更好的观测和了解油藏状态，从而做出合理的高效的开采计划。（3）针对传统的水力压裂技术会出现污染地下水的问题，可以在无水压裂液体系做出研究，实现高能气体压裂技术和高速通道压裂技术等新技术的开发和利用，实现提高开采效率和环境保护的双赢。有水压裂到无水压裂，从直井压裂到水平井分段压裂，从常规的压裂技术到现在的体积改造技术，压裂技术不断进步的同时，为人类带来了丰富的油气资源。而随着油藏开发，大量低渗透油藏的出现，给水力压裂技术的使用带来了广阔的空间，因而水力压裂技术拥有非常好的发展前景。 4?结束语水力压裂技术是油气开发中所需要的非常重要的配套技术，而水力压裂技术和开采开发之间的结合，很大程度上提高了采油效率，降低了成本，在很大程度上提高了开采水平，使低渗透油藏得以稳定生产。而我国在这一技术上进行了大量投入，从研究人员和设施上，为技术的发展提供了很好的支持。而这一技术的逐步发展，在很大程度上提高了我国油气的开发效率，也很大程度改善了我国的石油供应紧张的现状，为我国的可持续发展做出了重大贡献，而作为油气开发的重要技术，水力压裂技术也会进一步发展，实现更高效率的油气开采。国内水力压裂技术现状续震?1，2 卢鹏?1，3? 1.西安石油大学陕西西安 710000 2. 延长油田股份有限公司杏子川采油厂陕西延安 717400 3.延长油田股份有限公司下寺湾采油厂陕西延安 716100 摘要：最早的水力压裂技术出现于1947年，而现代使用的水力压裂技术则是1998年首次使用。这项技术的出现，是油气井增产出现了新的希望，帮助石油开采取得了很好的技术成就和经济效益，从而使这项技术在我国石油开采上广泛应用，并取得了很好的成果。本文针对我国水力压裂技术的现状和发展前景做出研究。关键词：水力压裂?现状?前景

水力压裂技术新进展

万方数据

６４江汉石油职工大学学报８压裂实时监控技术实时监控和监测技术，是通过在施工现场实时地测定压裂液、支撑剂和施工参数，模拟水力裂缝几何形状的发展，随时修改施工方案，以获得最优的支撑裂缝和最佳的经济效益。（１）施工参数监控，包括排量、泵压、砂比等由仪表车直接显示和控制。（２）压裂质量监测：分别监测混砂车出、人口压裂液（携砂液）的流变性、温度、ｐＨ值等参数，对压裂液流变性，特别是加人各种添加剂后的性能以及携砂能力进行定量分析，常用的仪器为范氏系列粘度计，并在模拟剪切和地层温度条件下模拟整个施工过程。对于延缓硼交联压裂液和延缓释放破胶剂体系，矿场实时监测更为重要。（３）实时压力分析：根据测定的施工参数和压裂液参数用三维压裂模拟器预测井口或井底压力，并与实际值进行拟合，预测施工压力变化（泵注和闭合期间）和裂缝几何形状。主要用途如下： ①识别井筒附近的摩阻影响（射孔和井筒附近裂缝的弯曲），并能定性判断其主要影响因素，判断井筒附近脱砂的可能性； ②评价压裂设计可信程度：如果施工压力与矿场实时预测压力相吻合，则设计的裂缝几何形状是可信的； ③预测砂堵的可能性； ④确定产生的水力裂缝几何形状Ｉ ⑤提供施工过程的图像和动画信息。矿场实时分析随着便携式计算机的发展，在矿场上得到了广泛应用，除ＧＲＩ外，其它石油公司也都相继研制和发展了这套系统。在实际应用中．经常与小型压裂测试分析结合应用。９ＦＡＳＴＦｒａｃ压裂管柱贝克石油工具公司新近开发出一种连续油管压裂系统一ＦＡ刚下ｒａｃ压裂管柱，用于对先前未处理到的层位进行选择性的增产措施，从而获得比常规压裂更高效、更经济的压裂效果。应用该技术能一趟管柱实现多层隔离与措施。从而降低了修井作业成本，节省了完并时间。由于该连续油管传送系统能保证高比重压井液不接触生产层，使完井和增产措施均不造成油井伤害，从而快速实现生产优化。ＦＡｓＴＦｒａｃ工具与Ａｕｔｏ—Ｊ系统组成一个整体，Ａｕｔｏ—Ｊ系统的作用是保证连续油管将压裂管柱送入或从井筒中起出。措施时，上部封隔元件和下部封隔元件能隔离一个或多个生产层。一旦第一次措施完毕，系统就复位并重新设置，下入另一个生产层。无论是ＦＡ跚下ｒａｃ封隔器和桥塞系统，还是固定跨式双封隔器系统均能对过去遗漏的小型袋状油气藏实施经济高效的增产措施。１０新型ＣＫＦＲＡＱ压裂充填系统贝克石油工具公司新近研制成功新型ＣＫＦＲＡＱ系统，该系统由多个高性能井下工具组件组成，尤其适用于极高流速和高砂比条件下。在应用软件的辅助下，ＣＫＦＲＡＱ系统可以对压裂充填作业（用陶瓷支撑剂）中的泵的排量和容量进行优化，同时还可以将卡泵和套管腐蚀风险降至最低。经过大量模拟和小规模室内实验，该工具被应用于现场。人们还通过小规模室内试验，对工具转向孔的几何形状进行了评估，目的是找出哪种几何形状的转向孔遭遇的腐蚀最轻。此外，还进行了样机试验，以确保尽可能地延长套管的使用寿命。贝克石油工具公司称，从毁坏性对比试验中可以看出，ＣＫＦＲＡＱ系统的各种性能都胜过其它竞争产品。今后的发展方向：（１）随着水力压裂施工的要求越来越高，压裂液和支撑剂的性能也需越来越高，因此必须加强高性能压裂液和支撑剂的研究与开发。（２）开展有效的裂缝检测技术研究。目前压裂后裂缝的检测技术仍然是水力压裂技术的一个薄弱环节，国内外采用的检测方法虽然取得了一定的成效，但还有很大的局限性，还需要进一步的研究。（３）在中高渗透地层中应用端部脱砂压裂技术，扩大水力压裂技术的应用范围。（４）发展矿场实时监测和分析技术，提高施工的成功率和有效率。［参考文献］［１］Ｆ．ＧＵＥＫｕｒｕ等著．冯敬编译，一种适用于低渗透浅层油藏的压裂方法［Ｊ］．特种油气藏，２００４（６）．［２］吴信荣，彭裕生编，压裂液、破胶剂技术及其应用［Ｍ］．北京：石油工业出版社，２００３，９．［３］马新仿，张士诚．水力压裂技术的发展现状［Ｊ］．河南石油，２００２（１）．［４］ＰａｕｌＷＫｔｅ，ＪｏｈｎＤ．Ｈａｒｋｒｉｄｅｒ，ＦｒａｃｔｕｒｅＳｔｉｍｕｌａｔｉｏｎＯｐｔｉ删功ｔｉｏｎｉｎａＭａｔｕｒｅＷａｔｅｒｆｌｏｏｄＲｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，《ＪＰｌｒ》，Ｊａｎｕａｒｙ，２００３．［５］ｓｈｙａｐｏｂｅｒｓｋｙＪ，ｃｈｕｄｎｏｖｓｋｙ．Ａｒｅｖｉｅｗｏｆｒｅｃｅｎｔｄｅｖｅｌ—ｏｐｍｅｎｔｉｎｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｃｓ诵ｔｈｐｅｔｒｏｌｅｕｍｅｎｇｉｎｅｅｒ—ｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＳＰＥ２８０７４。１９９４．（下转第６７页）　万方数据

ABAQUS水力压裂模拟-XEFM-COHESIVE-交叉缝-复杂缝-转向缝-体积缝

ABAQUS水力压裂模拟|XFEM和Cohesive方法关键字：单缝、多缝、交叉缝、体积缝、转向缝、缝间干扰、储隔层我是星辰北极星，水力压裂，对于石油工程的朋友并不陌生，它是石油开采和增产的重要手段；也广泛应用于地热开采、地基处理等领域。由于毕业于石油大学，所以有很多机会接触这方面的问题，也关注着ABAQUS在压裂领域的应用。这个专题将分享自己在水力压裂仿真中的一些积累，希望大家喜欢。【主要内容】一、内容概述二、仿真要点介绍 2.1 ABAQUS水力压裂模拟常用仿真方法 2.2 地应力平衡分析（Geostatic） 2.3 渗流-位移耦合分析（Soils） 2.4 材料与单位制讲解 2.5 特殊的输出需求与定义 2.6 交叉裂缝处理三、实例讲解 3.1 基于Cohesive单元的二维水力压裂模拟 3.2 基于Cohesive单元的三维水力压裂模拟 3.3 水力裂缝与天然裂缝相交模拟-Cohesive单元法 3.4 裂缝发育地层的水力压裂模拟-Cohesive单元法 3.5 基于XFEM的水力裂缝转向模拟 3.6 基于XFEM的水平井多段压裂裂缝的缝间干扰问题研究【二维水力压裂模拟（Cohesive）】通过这个简单的案例讲述采用Cohesive单元模拟水力压裂的基本技巧，让大家掌握注液、停泵憋压等基本设置，以及前后处理的一些技巧。

【三维水力压裂模拟（Cohesive）】三维模型计算量较大，但可以模拟储隔层压裂过程中，水力裂缝限制在储层中扩展的形态，当然，下图中的裂缝形态主要受储隔层的材料性质和地应力状态影响；不合适的地层条件将导致水力裂缝窜层现象的发生。【水力裂缝与天然裂缝相交模拟】本例中采用Cohesive单元模拟水力裂缝交叉，并可通过该模型分析不同地应力情况下水力裂缝遇到天然裂缝后的扩展轨迹。应力差较小时，易促使天然裂缝张开；应力差较大时，水力裂缝可穿过天然裂缝。

水力压裂技术

第六章水力压裂技术一、名词解释 1、水力压裂：常简称为压裂，指利用水力作用使油层形成裂缝的方法，是油气井增产、注水井增注的一项重要技术措施，不仅广泛用于低渗透油气藏，而且在中、高渗油气藏的增产改造中也取得了很好的效果。 2、地应力：指赋存于地壳岩石中的内应力。 3、地应力场：地应力在空间的分布。 4、破裂压力梯度：地层破裂压力与地层深度的比值。 5、闭合压力（应力）：使裂缝闭合的压力，理论上等于最小主应力。 6、分层压裂：分压或单独压开预定的层位，多用于射孔完成的井。 7、裂缝的方位：裂缝的延伸（扩展）方向。 8、压裂液：压裂过程中，向井内注入的全部液体。 9、水基压裂液：以水为基础介质，与各种添加剂配制而成的压裂工作液。 10、交联剂：能将溶于水中的高分子链上的活性基团以化学链连接成三维网状型的结构，使聚合物水溶液形成水基交联冻胶压裂液。 11、闭合压力：使裂缝闭合的压力，理论上等于最小主应力。二、叙述题 1、简述岩石的破坏及破坏准则。答案要点：脆性与塑性岩石：在外力作用下破坏前总应变小于3%的岩石叫脆性岩石，总应变大于5%的岩石叫塑性岩石，总应变介于3～5%的岩石叫半脆性岩石。岩石的破坏类型：拉伸破坏；剪切破坏；塑性流动。其中拉伸破坏与剪切破坏主要发生在脆性岩石。塑性流动主要发生在塑性岩石。 2、简述压裂液的作用。答案要点：按泵注顺序和作用，压裂液可分前置液、携砂液和顶替液。其中，携砂液是压裂液的主体液。○1前置液的作用：造缝、降温；○2携砂液的作用：携带支撑剂、延伸造缝、冷却地层；○3顶替液的作用：中间顶替液用来将携砂液送到预定位置，并有预防砂卡的作用；注完携砂液后要用顶替液将井筒中全部携砂液替入裂缝中，以提高携砂液效率和防止井筒沉砂。 3、简述压裂液的性能及要求。答案要点：滤失少；悬砂能力强；摩阻低；稳定性；配伍性；低残渣；易返排；货源广、便于配制、价钱便宜。 4、压裂液有哪几种类型？答案要点：水基压裂液、油基压裂液、泡沫压裂液、乳化压裂液、醇基压裂液、胶束压裂液。 5、简述常用破胶剂及其作用。答案要点：主要作用：是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是适用于 21～54 ℃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。 6、影响支撑剂选择的因素有哪些？答案要点：（1）支撑剂的强度：一般地，对浅地层（深度小于1500m ）且闭合压力不大时使用石英砂；对于深层且闭合压力较大时多使用陶粒；对中等深度（ 2000 m 左右）的地层一般用石英砂，尾随部分陶粒。 H p F F =α

水力压裂造缝机理

水力压裂造缝机理水力压裂裂缝的形成和延伸是一力学行为，水力裂缝的形态与方位对于有效发挥压裂对储层的改造作用密切相关，必须学握水力压裂的裂缝起裂与延伸过程的力学机制。木节从地应力场分析及获取方法入于介绍水力裂缝的形成机理、造缝条件、裂缝形态与方位、破裂压力预测方法。在致密地层，首先向井内注入斥裂液使地层破裂，然后不断注液使斥裂缝向地层远处延伸。显然.地层破裂斥力昴拓.反映出注入流体斥力要克服由于应力集中而产生的枚為井壁应力以及岩石抗张强度。一旦诱发人匸裂缝.井眼附近应力集中很快消失，裂缝在较低的圧力下延伸?裂缝延伸所需要的斥力随着裂缝延伸引起的流体流动摩阻増加使得井底和井口斥力増加。停泵以后井筒摩阻为零.斥裂缝逐渐闭合?施匸压力逐渐降低。对于商渗透地层或存在裂缝带.地层破裂时的井底压力并不出现明显的峰值。一、地应力场分析与测量地下岩石的应力状态通常是三个相互垂直且互不相等的主应力(principal stress)。地应力场不但影响到水力压裂造缝过程?而且通过井网与人1：裂缝方位的配合关系彩响到汕藏开发效果。 1.地应力场存在于地壳内的应力称为地应力(in-situstress),是由于上樓岩层重力、地壳内部的垂直运动和水平运动及其它因素综合作用引起介质内部做位面积上的作用力。包括原地应力场和扰动应力场两部分。前者主要包括重力应力、构造应力.孔隙流体斥力和热应力等：后者主要是指由于人匚扰动作用引起的应力。 1)重力应力场是指沉积盆地中的储层受到上覆岩层重力作用而形成的应力分布。在地层中孔隙流体压力作用下，部分上覆岩层的重力被孔隙流体压力所支撑。但由于颗粒间胶结作用.孔隙压力并未全部支撑上覆地层圧力。 Terzaghi认为：地层岩石变形由有效应力引起。假设地层岩石为理想的均质各向同性线弹性体，弹性状态下垂向载荷产生的水平主应力分量由广义胡克(Hook)定律汁算。 E和v为岩石力学参数，典型值见表6?1。它们与岩石类型和所受到的困汗.温度有关。表6?1常见岩石的泊松比与杨氏模址因岩体水平方向上应变受到限制，即ex=0. ey=Oo 砂岩的泊松比一般在0.15^0.27之间。泊松比越大.水平主应力越接近垂向应力。考虑孔隙流体圧力后的地层水平主应力。 2)构造应力场构造应力场是指构造运动引起的地应力场増虽。它以矢虽形式迭加在地层重力应力场中?使得水平主应力场不均匀。一般而言，在正断层和裂缝发育区是应力释放区.例如，正断层中的水平主应力可能只有垂向应力的1/3.而在逆断层或褶皱地帯的水平应力可以大到垂向应力的3倍。通常?构造应力场只有两个水平主应力，属于水平的平面应力状态，而且挤斥构造引起挤乐构造应力，张性构造引起拉张构造应力c 3)热应力场热应力场是捋由于地层温度变化在其内部引起的内应力増虽.与溫度变化虽和岩石性质有关。油IB开发中的注水.注蒸汽和火烧油层等可以改变油藏的主应力大小，甚至主应力方向。将油藏边界视为无穷大.考他其侧向应变受到约束.温度变化引起的水平应力増SDsx. DSy 2.地应力场确定

水力压裂报告

南桐矿业公司鱼田堡煤矿穿层钻孔定向水力压裂煤层增透技术报告（初稿）二〇一一年三月

防止煤与瓦斯突出在煤矿安全上一直是世界性的难题。在近年来重庆发生的煤矿安全重大事故中，瓦斯突出占了很高的比例。随着采深的不断增加，煤层瓦斯含量和瓦斯压力在不断增加，瓦斯问题日益凸显。为解决重庆地区瓦斯治理难题，重庆能源投资集团科技有限公司联合重庆大学开展了定向水力压裂增透技术相关研究，并在松藻煤电有限责任公司逢春煤矿和南桐矿业有限责任公司鱼田堡煤矿进行了应用研究。在理论研究和实验室实验研究的基础上，在南桐矿业公司鱼田堡煤矿34区-350m东抽放道实施了水力压裂并取得了以下成果：通过2011-1-8日的实验得出，在鱼田堡煤矿34区-350m东抽放道5#煤层起裂压力为23MPa，延伸压力为19MPa。实验共进行了40min，注水量为6.9m3。经现场查看，发现压裂孔东侧10m考察孔出口处压力表读数为15.6MPa，上方、西侧考察孔压力均超过压力表量程（10MPa），下方压力表没有读数，但有水流出。可以判断，鱼田堡5#煤层在40分钟以内其有效压裂范围能够达到10m以上。分别在在4个考察孔附近钻进4个抽放孔进行瓦斯抽放考察压裂后瓦斯抽放参数。并于2011-01-26开始接抽，截止到2011-02-17，压裂孔平均抽放浓度为95.4%，平均抽放纯量为0.0673m3/min；抽放孔1#平均抽放浓度为25.6%，平均抽放纯量为0.0147m3/min；抽放孔2#平均抽放浓度为33.1%，平均抽放纯量为0.02m3/min；抽放孔1#平均抽放浓度为25.6%，平均抽放纯量为0.0147m3/min；抽放孔3#平均抽放浓度为33.4%，平均抽放纯量为0.0177m3/min；抽放孔4#平均抽放浓度为36.1%，平均抽放纯量为0.0192m3/min。压裂范围内平均抽放浓度为44.72%，平均抽放纯量为0.1389m3/min；相比同一抽放道普通钻孔抽放浓度（13.28571%）提高了 3.37倍，抽放纯量（0.00796 m3/min）提高了17.45倍。共抽放23天，5个孔共抽放瓦斯纯量为4725m3，相比同一抽放道5个钻孔瓦斯抽放纯量（368m3）提高了12.83倍。