压裂技术详解

第一节 压裂设备

1．压裂车：

压裂车是压裂的主要设备，它的作用是向井内注入高压、大排量的压裂液，将地层压开，把支撑剂挤入裂缝。压裂车主要由运载、动力、传动、泵体等四大件组成。压裂泵是压裂车的工作主机。现场施工对压裂车的技术性能要求很高，压裂车必须具有压力高、排量大、耐腐蚀、抗磨损性强等特点。

2． 混砂车：

混砂车的作用是按一定的比例和程序混砂，并把混砂液供给压裂车。它的结构主要由传动、供液和输砂系统三部分组成。

3． 平衡车：

平衡车的作用是保持封隔器上下的压差在一定的范围内，保护封隔器和套管。另外，当施工中出现砂堵、砂卡等事故时，平衡车还可以立即进行反洗或反压井，排除故障。

4． 仪表车：

仪表车的作用是在压裂施工远距离遥控压裂车和混砂车，采集和显示施工参数，进行实时数据采集、施工监测及裂缝模拟并对施工的全过程进行分析。

5． 管汇车：

管汇车的作用是运输管汇，如；高压三通、四通、单流阀、控制阀等。

第二节 压裂施工基本程序

1．循环：

将压裂液由液罐车打到压裂车再返回液罐车。循环路线是液罐车-混砂车-压裂泵-高压管汇-液罐车，旨在检查压裂泵上水情况以及管线连接情况。循环时要逐车逐档进行，以出口排液正常为合格。

2．试压：

关死井口总闸，对地面高压管线、井口、连接丝扣、油壬等憋压30-40Mpa，保持2-3min不刺不漏为合格。

3．试挤：

试压合格后，打开总闸门，用1-2台压裂车将试剂液挤入油层，直到压力稳定为止。目的是检查井下管柱及井下工具是否正常，掌握油水的吸水能力。

4．压裂：

在试挤压力和排量稳定后，同时启动全部车辆向井内注入压裂液，使井底压力迅速升高，当井底压力超过地层破裂压力时，地层就会形成裂缝。

5．支撑剂：

开始混砂比要小，当判断砂子已进入裂缝，相应提高混砂比。

6．替挤：

预计加砂量完全加完后，就立即泵入顶替液，把地面管线及井筒中的携砂液全部顶替到裂缝中去，防止余砂乘积井底形成砂卡。

7．反洗或活动管柱

顶替后立即反洗井或活动管柱防止余砂残存在井筒封隔器卡距之内，造成砂卡。

第三节 压裂液原理

压裂的实质是利用高压泵组，将具有一定粘度的液体高速注入地层。当泵的注入速度大于地层的吸收速度时，地层就会产生破裂或使原来的微小缝隙张开，形成较大的裂缝。随着液体的不断注入，已形成的裂缝向内延伸。为了防止停泵以后，裂缝在上部岩层的饿重力下重新闭和，要在注入的液体中加入支撑剂，使支撑剂充填在压开的饿裂缝中，以支撑缝面。

根据压裂液在压裂过程中不同阶段的作用，可分为前置液，携砂液和顶替液。

1. 前置液：

前置液的作用是破裂地层，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，还可以起到一定的降温作用。

2. 携砂液：

携砂液的作用是用来将地面的支撑剂带入裂缝，并携至裂缝中的预定位置，同时还有延伸裂缝、冷却地层的作用。

3. 顶替液：

顶替液的作用是将携砂液送到预定位置，将井筒中的全部携砂液替入裂缝中。

4． 支撑剂：

支撑剂是指用压裂液带入裂缝，在压力释放后用以支撑裂缝的物质。

5． 破坏剂：

破坏剂包括破胶剂、破乳剂、降粘剂等。破胶剂是用来破坏冻胶交联结构的。破乳剂用于破坏乳状液的稳定性，降粘剂用于减少稠化液的粘度。

6． 减阻剂：

减阻剂是通过减少紊流，减少流动时的能量损失来减少压裂液的流动摩阻。

7． 降滤失剂：

用于减少压裂液从裂缝中向地层滤失，从而减少压裂液对地层的污染并使压裂时压力迅速提高。

8． 防乳化剂：

防止原油与压裂液形成乳状液。可分为表面活性剂和互溶剂。

9． 粘土稳定剂：起到稳定粘土的作用。

10． 助排剂：

分为表面活性剂和增能剂两种。前者能有效降低界面张力，使残液易从地层排出。后者在注酸前向地层注入一个段塞的增能剂，提高近井地带的压力，使残液易从地层排出。

11． 润湿反转剂：

分为表面活性剂和互溶剂两类。表面活性剂可在地层表面按极性相近规则吸附第二吸附层而起润湿反转作用。互溶剂可将吸附在地层表面的缓蚀剂脱吸下来，恢复地层表面的亲水性。

第四节 压裂的基础知识

1、什么叫油层水力压裂？

利用水力传压的作用，使埋藏在地层深部的油层形成裂缝的方法叫油层水力压裂。

2、油层水力压裂的基本原理是什么？

油层水力压裂一般是指利用液体传压的原理，在地面用高压大排量的泵，将具有一定粘度的液体以大于油层所能吸收的能力向油层注入，使井筒压力逐渐增高，当压力增高到大于油层破裂所需要的压力时，油层就会形成一条或几条水平的或是垂直的裂缝。当裂缝形成以后，随着液体的不断注入，裂缝还会不断地延伸和扩展，直到液体注入的速度与油层所能吸收的速度相等时为止，此时若取消外力裂缝还会重新闭合。为了保持裂缝处于张开的状态，随压裂液注入的同时混入一定比例的具有较高强度的固体颗粒做支撑剂来支撑裂缝。由于支撑是经过严格筛选的，它具有良好的粒度和强度，沉淀在裂缝中，使改变了井筒附近地层的导流能力，从而降低了液体由地层流入井筒的阻力。

3

、油层水力压裂的目的是什么？

油层水力压裂的目的在于改造油层的物理结构，人为地在油层中形成一条或几条高渗透能力的通道，以降低近井地带的流动阻力，增大渗流能力，使油井获得增产效果。

4、油层水力压裂有哪些作用?

对油层进行水力压裂有以下作用：

① 解除钻井或修井过程中由于压井液造成的油层污染和堵塞。

② 改善厚油层上下渗透性不均匀的层内矛盾。

③ 提高低渗透油层的渗透能力，调整油井的层间和平面矛盾，改善开发效果；

④ 扩展和沟通油层原有的裂缝和通道，提高油井的产油能力和注水井的吸水能力。

5、水力压裂所形成的油层裂缝有哪几种？

油层通过水力压裂后所形成的裂缝，一般可以归纳为两种基本类型，即水平裂缝和垂直裂缝。与油层层面相平行的裂缝叫水平裂缝，与油层层面相垂直的裂缝叫垂直裂缝。

6、压裂液有几种类型？

在压裂过程中向井内挤入的液体总称为压裂液。压裂液有很多种，大致可分为油基压裂液和不基压裂液两大类。油基压裂液通常用原油或成品油为基液；水基压裂液通常采用清水、田菁胶、海藻胶、稠化水和生活水平包油乳化液等。

7、压裂液应具有哪些基本性质?

压裂液要直到传压、劈开裂缝，携带支撑剂进入油层的作用。因此它要具有如下五个方面的基本性质：

① 滤失量小，不易漏入油层，有利于造缝；

② 摩擦阻力小，以减少设备的动力损失；

③ 悬浮能力好，能够大比例地携带支撑剂进入油层；

④ 与油层不发生化学反应，压裂后易于返排，不污染和堵塞油层；

⑤ 材料来源方便，配制简单，成本低。

8、什么叫支撑剂？有几种类型？

在压裂过程中用于支撑和充填油层裂缝的固体颗粒称为支撑剂。常用的支撑剂有：石英砂、陶粒、玻璃球等多种类型。

9、压裂施工中压裂液分哪几部分使用？各有什么作用？

在压裂过程中压裂液分前置液、携砂液、顶替液三部分：

①前置液一般是在加砂以前使用的液量，包括压裂施工中试挤和压裂这两道工序所用的全部液量。前置液的任务在于建立井底压力，逐渐达到地层的破裂压力，将地层压开裂缝。

②携砂液顾名思义是指输送支撑剂到油层裂缝中所需要的液体总量。

③顶替液是在施工的最后阶段用以顶替携砂液进入油层裂缝所用的液体总量。

10、油水井水力压裂有哪几种常用的基本方法？

油水井水力压裂分普通压裂和选择性压裂两种基本方法。

①普通压裂因注液通道不同又可分为：套管压裂、光油管压裂、环空压裂、环空与油管混合压裂。

②选择性压裂是当油层厚度较大或者层数较多时，将层间渗透性

差异较大的油层用封隔器进行分层压裂或者用暂堵剂在一定排量下堵塞高渗透层的炮眼将预压层压开。

11、压裂施工前对油水井要做哪些调查工作？

压裂施工前，要根据地质设计提供的井号和方案，对施工井进行调查，目的是对油水井的现状作全面的了解，为施工提供依据，调查的内容大致包括：

① 可供压裂车组通行的道路情况；

② 井场是否能摆下所需要的压裂车辆；

③ 查看采油树型号，是否能承受压裂施工的最高泵压，是否能与不压井作业装置相配套；

④ 查看井内管柱结构和是否有落物；

⑤ 查看套管状况是否完好，能否下入分层压裂的井下工具。

12、接到压裂施工井号后作业队要做好哪几项准备工作？

在作业队接到施工设计时，要针对施工要求逐项做好准备，一般情况下有8项准备工作必须做好：

① 准备好加深油管，以便加深原井管柱探砂面；

② 准备好特殊法兰，以便和各种采油树配套不压井作业；

③ 准备好冲砂工具和水龙带，在需要冲砂时进行冲砂作业；

④ 准备好打捞工具，在需要打捞井下落物时进行打捞；

⑤ 查看原井管柱是否符合压裂要求，必要时更换全井管柱；

⑥ 准备好井口球阀、投球器和分层压裂所需要的钢球；

⑦ 准备好数量足够的清水，以便平衡、冲砂和反洗用；

⑧ 准备好管汇配件，包括各种油壬、弯头和大小头等。

13、哪些油管不能用来做压裂管柱？

凡是弯曲、变形、有裂缝和有砂眼的普通油管不能用于压裂，经过酸化或其它原因腐蚀过的普通油管不能用于压裂；

玻璃衬里油管和涂料油管不能用于压裂；丝扣有损伤和使用过久的油管也不能用于压裂。

14、进行油水井压裂为什么要首先验串？

因为压裂过程中井筒内要承受很高的压力，如果固井质量不好一旦发生管外串槽，就　会使高压携砂液体在非目的层形成裂缝，

容易造成夹层被压开或者水层被压开的不利情况。所以，凡是对有串槽显示的油层都要查清情况，以便采取措施进行封堵。

15、压裂施工的井场布置有什么要求？

压裂施工的井场布置应分为四个区，即高压区、低压区、井口区和辅助区。在井场布置上应以高压区为中心向外展开，

首先应确定高压管汇的位置，尽量离井口区稍远一些。

16、压裂施工时对高压管汇有什么要求？

压裂施工中不论使用哪种管汇都要满足下列要求：

① 必须能够承受高于本地区最高破裂压力的1.5—2.0倍的高压；

② 管汇与各压裂车的连通部分必须装有闸阀或者单流阀，以便进行单车控制；

③ 管汇上不允许有直角弯头；

④ 管汇上应有足够接口以便接满压裂车后，还可以进行高压管线放

空等项作业；

⑤ 管汇上的所有阀门必须灵活好用，易于迅速开关。

17、压裂施工的基本工序有哪些？

压裂施工尽管方法很多，但是基本工序是相同的，大致可以分为7个步骤：循环、试压、试挤、压裂、加砂、替挤、活动管柱或反洗。

18、压裂施工时为什么要有循环工序？

因为压裂施工前首先要检查各台设备的工作性能，看泵的上水情况是否良好，管汇是否畅通，同时还要把贮罐内的压裂液进行搅拌，

使其粘度和温度达到均匀。冬季施工还要检查管线或闸阀有无冻结的现象，所以必须要有循环这道工序。

19、压裂施工前为什么要对地面管线试压？

因为压裂施工中各道是连续进行的，中间不能停顿。因此，要求管线各个连接部位必须接牢，无刺漏现象，

以便保证在破裂压力的条件下管线安全工作，所以要对地面管线进行试压。

20、压裂施工中试挤的目的是什么？

试挤的目的是检查井下管柱的各部分如封隔器、喷砂器、水力锚等工作是否正常。检查管柱下入的位置是否正确

。更重要的是，通过对油层的试挤可以掌握地层吸液能力，以便估算最高的破裂压力。

21、压裂施工中怎样判断油层是否形成裂缝？

　　①根据压力与排量的变化判断油层是否形成裂缝：在压裂时，随着压力的上升，排量也随着上升，两者之间保持着一定的比值关系。

但是当裂缝形成时，它们之间原来的比值关系就被打破。这时，可能会出现两种情况：第一，泵压迅速下降排量上升。

第二，压力不变，排量上升。这时就可以判断油层已被压开裂缝。

②根据机械设备的变化判断油层是否形成裂缝：在油层没有形成裂缝以前，由于压力比较高，压裂车上的柴油机负荷大，

发出的声音很沉重，排出浓烟。从混砂车的砂罐里可以观察到液体排量不大，砂罐内的液体翻腾也小。可是一旦裂缝形成，柴油机马上会改变声音，砂罐中的液体排量突然增加，形成很大的翻腾浪花。这时判断油层已被压开裂缝。

③利用地层吸水指数的变化判断油层是否被压开裂缝：在地层未形成裂缝的时候，由于地层本身的渗滤面和渗透率是固定的，则吸水指数也是一个固定值。当油层被压开裂缝后，由于有了新的裂缝面，从而使地层吸液能力增加，此时吸水指数明显增加，判断油层已经被压开了裂缝。

22、加砂过程中要注意哪些问题？

加砂是压裂成败的关键工序。加砂前应迅速检查一下各台车的工作情况是否正常，管线和井口设备是否有问题，如果发现问题，必须在加砂前停车处理。

加砂时应先小后大，开始时混砂比可控制在5－7%左右，此时可以进一步验证油层是否真的形

成了裂缝。如果油层没有形成裂缝，砂子就会在井筒内沉积而引起压力升高。发生这种情况要立即停止加砂，进行放空和反洗。

加砂过程中要使含砂比逐渐加大，保持均匀加砂。此时不许减档，严禁停泵。

23、压裂施工后为什么要替挤？

为了把携砂液全部挤入油层裂缝，所以要进行替挤。顶替液的用量十分关键，替挤多了会把支撑剂推向地层深部而使井筒附近的地层裂缝闭合，从而影响了压裂效果。替挤少了又会使支撑剂残留在井筒里易造成砂堵事故。所以压裂施工加砂完了以后，必须要适量进行替挤。

24、压裂施工后为什么要马上反洗井或活动管柱？

目前的压裂工艺绝大多数采用的是以封隔器为主的分层选压管柱。在施工完成后，必然有一部分支撑剂残存在井筒里，往往会造成两级封隔器卡距之间的沉积，若不及时消除，很容易造成卡管柱事故。所以替挤以后要迅速活动管柱，使封隔器收缩解除砂堵或反洗井将沉砂冲上来，以防砂卡住管柱。

25、为什么有时会出现压不开的现象？

产生压不开的现象，有如下几种原因：

① 管柱下入位置有错误，封隔器卡在未射孔井段上；

② 射孔质量差，油井不完善，地层吸液阻力大；

③ 油管或是地面管线有堵塞物，造成卡阻；

④ 地层渗透性差，吸液能力太低；

⑤ 钻井过程中造成泥浆污染油层，泥饼堵死了地层孔道；

⑥ 井下工具失效。

26、压裂中途为什么有时压力会突然上升？遇到这种情况如何处理？

压裂开始时压力正常，但是加砂后出现了压力猛升的现象，其主要原因是加砂不均匀，在管柱中造成了砂堵。或因混砂比过高形成的堵塞所致。也有因杂质堆积在炮眼附近或压裂液中的纤维质物品堵塞了油层孔隙而造成的。发生这种情况后应立即停止加砂，降低排量，使泵压先降到安全负荷以内，但不要全部停车，以免造成更严重的砂堵事故。这时还要进一步观察泵压与排量的变化，如果砂堵有所解除还可考虑继续加砂。

27、压裂施工中为什么有时套压会突然上升？

压裂施工中产生套压突然上升的现象有如下原因：

① 喷砂器与封隔器启开压力配合不好；

② 套管外有串槽；

③ 油管刺漏；

④ 上封隔器损坏。

28、压裂中为什么有时压力会突然下降？

在压裂过程中，当井口压力升到一定高度时，突然出现压力大幅度下降的现象。其原因可能是由于套管损坏、封隔器失效或是串槽所致。此时应立即停车进行现场分析，则同时应有套压上升的现象；如果是封隔器损坏或是下部油管断脱，同时应有管柱上顶现象。

29、压裂中途排量突然下降是什么原因？

在压裂施工中产生排量突然

下降的原因是：

① 压裂泵上水凡尔盘根损坏；

② 上水管线堵塞；

③ 压裂液储罐面过低；

④ 压裂泵抽空。

30、压裂过程中管线发生刺漏如何处理?

遇到压裂管线发生刺漏的时候，一定要酌情慎重处理。如果在某一台压裂车与高压管汇之间的连接管线发生刺漏，可将此车停下来，在降低砂比的情况下，将高压管汇上的闸门关闭后再进行处理。如果在井口等处有严重刺漏时，就应该停止加砂进行反洗，在清除井内沉砂后再进行处理。总之，处理管线刺漏必须在保证井内不被砂堵的情况下进行。

31、分层压裂管柱对封隔器有什么要求？

对压裂封隔器的结构要求是：耐高压、防砂卡、密封性能好，并能反洗，对套管的适应性强，容易操作。

32、压裂封隔器下井之前怎样进行检查？

压裂封隔器在下井前主要检查两端的丝扣是否完好，胶筒表面有无破损，封隔器编号与合格证是否相符。若发现问题，封隔器不能下井使用。

33、弹簧式滑套喷砂器的结构及工作原理是什么？

在喷砂器的上下接头之间装有一个弹簧，使之对凡尔产生一个预压力，预压力的大小可以通过调节环来控制。当油管内充满高压液体时，压裂液通过中心管上的孔眼进入凡尔座的内腔，随着压力的升高可推动凡尔向上移动，使凡尔与凡尔座脱离。此时，压裂液可以从凡尔四周喷出并注入油层。由于定压弹簧的作用，凡尔只有在压力达到一定值时才会打开，当压裂液的压力降低到一定值时，凡尔还会在定压弹簧的作用下自行关闭。

在多级分层压裂时，在喷砂器上还需用固定销钉装有直径不同的滑套（最下一级喷砂器不装滑套）。当第一层压裂结束时，用一个直径与滑套相配合的钢球投入井中，在压裂液的作用下，钢球便会坐在滑套上憋起高压，剪断固定销钉，使上一级喷砂器的滑套落入下一级喷砂器内，使之封闭了出液通道。这样第二级喷砂器便会象第一级喷砂器那样开始工作。如此重复便可实现多层连续压裂。图（6-6-1）

34、处理压裂砂堵事故有哪几种常用的方法？

处理压裂砂堵事故有四种常用的方法：

①平稳挤压裂液解堵：当出现泵压猛增，排量下降，确认为砂堵时，应立即停止加砂，用大排量平稳挤压裂液的方法进行解堵，待正常后再继续加砂；

②反洗解堵：出现砂堵后，立即停止加砂进行反洗，将管柱内的全部沉砂冲出后，再试加砂，继续压裂；

③水击解堵：水击解堵是用少部分压裂车，在安全压力范围内，从油管正憋压，然后猛放压，形成一个水击现象，产生冲击和振动。经正冲击与反振动的往复作用，冲击或振活沉砂段解除砂堵。

④活动管柱

反洗解堵：这种方法是活动管柱与反洗井相结合来解除砂堵。在砂堵比较严重的情况下，迅速活动压裂管柱，将油套环形空间的沉砂解除。然后，再用反洗或水击法解油管沉砂。

35、怎样预防压裂砂堵事故？

预防压裂砂堵事故最主要的是在地面上做好如下几项工作：

① 下井工具从加工组装、试压直至发送现场，都要进行严格的质量把关；

② 下井管柱要做到“三丈量”、“三对口”。尤其是下封隔器的分层压裂管柱一定要做到卡点准确；

③ 地面高压管汇和井口控制器、投球器、球型闸门、管线上的高压油壬要做到定期检修，及时保养，保证做到安全可靠，操作灵活；

④ 储存压裂液的各种容器要定期清洗；

⑤ 支撑剂要做到清洁无杂质，防止泥砂等脏物混入；

⑥ 压裂设备要定期保养，及时检修，带病的设备不能上井编入车组进行冒险施工；

⑦ 压裂指挥人员，要严格按施工设计要求合理使用设备，判断要准确，指挥要得当。特殊井要提前做好预防砂堵事故准备工作。

36、什么情况下可采用下击解卡处理砂堵？

出现砂卡以后，如果活动管柱无效时，可用下击法处理。处理时要注意，如果管柱没有动，下击时最好使用24米高的井架，用较大直径的钻杆做重物，用滑杆扶正器把重物和被卡管柱连接起来，然后提钻下砸，摧毁砂桥，解除砂卡。虽然用这种方法解卡效果比较好，但要注意当井口有油气渗漏现象时，不能用此方法解卡，以防造成火灾。

37、压裂造成砂堵、砂卡的原因有哪些？

压裂造成砂堵、砂卡的原因主要有：

① 压裂液悬砂性能差使砂子沉淀；

② 压裂液的含砂比过高；

③ 压裂中途停泵时间过长；

④ 管柱卡距太大或发生故障而大量沉砂；

⑤ 替挤液不足。

38、砂卡时应怎样活动管柱？

压裂砂卡后，应及时活动管柱，使井内封隔器收拢，造成卡点附近的砂桥松散。在活动管柱时不能猛提，应慢提快放，以免将管柱卡死或将油管拔断。

39、压裂施工中出现断管柱时有哪些特征？

压裂施工中出现断管柱时一般有三种特征：

①管柱在井口附近断脱：表现为泵压突然下降，套压猛升，井口有较大振动和响声，同时油管上顶；

②在封隔器以上距井口较深的部位油管断脱：表现为泵压突降，套压迅速上升，井口有振动，管柱稍有上顶；

③在两封隔器卡点间管柱断脱：表现为泵压稍有波动，井口突然上顶，套压可能上升。如果停泵再缓慢起动，油、套必须连通。

⑤ 一般来讲，封隔器以上管柱断脱时悬重减少，凡是上部管柱断脱，反洗周期短。

40、怎样处理压裂断脱管柱事故？

如果管柱是在封隔器以上断脱，特别

是在井口附近断脱时，一般处理方法如下：

加深管柱进行对扣，若能对扣成功，立即进行反洗井，将井内沉砂冲出。假如反洗不通，要试提管柱进行活动解卡。如油管断时，应该用母锥倒出所断油管，然后再进行对扣反洗和活动管柱。

如果管柱在封隔器卡距间断脱时可采取如下措施处理：

① 立即开泵反洗，冲出沉砂后试活动管柱；

② 压井起出上部管柱；

③ 打捞落井管柱。

41、压裂施工中为什么要安装特殊的井口球阀？

压裂施工后，要求尽快活动管柱，促使封隔器胶筒尽快收拢。万一发生砂卡，最有利的解卡方式就是下放管柱解卡，因此要在井口安装外径114mm的特殊球阀。这种球阀与井下封隔器的外径相同，在必要时不但可以迅速开关，而且还可以通过井口控制器下放管柱活动解卡。

第五节 常规压裂

1、使用封隔器进行分层压裂有几种常用的方法？

使用封隔器一次多层压裂的施工方法已被广泛采用。共有三种方法：

① 憋压分层压裂法；

② 上提封隔器分层压裂法；

③ 滑套分层压裂法。

2、什么是憋压分层压裂法?

憋压分层压裂法是用几个封隔器隔开欲压层的各个层段，在每个上封隔器的下面接一个单流凡尔球座，在球座下面的封隔器上（越靠近封隔器越好）接一个带喷嘴的短节，喷嘴用铜皮封隔（目的是保证封隔器首先张开工作，再憋通铜皮喷嘴工作）。

压裂时，先压最下面一层，然后投球封闭底层，再憋压将第二层喷嘴的铜皮憋开，压第二层。依次将各层压开。憋压法压裂一次可压3个层，此法的主要技术关键是铜皮与球阀的配合使用，自下而上，凡尔球座由小到大，铜皮应由薄到厚。