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。
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%，胍胶%，羟丙基胍胶%）+杀菌剂（甲醛%）+粘土稳定剂（KCL2%）+破乳剂（%）+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（%香豆胶、胍胶、羟丙基胍胶）+杀菌剂（甲醛%）+粘土稳定剂（KCL2%）+破乳剂+助排剂（%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%。
（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
三种压裂液性能对比 表1
压裂液
类型
水不溶物
（%）
岩心伤害率
（%）
残渣（mg/l）
田箐胶
30
1200
香豆粉
9
334
胍胶
16
356
水基压裂液技术指标表 表2
序号
项 目
指 标
1
基液粘度mpas
≥33
2
冻胶初始粘度 （mpas）
≥300
3
冻胶剪切30min粘度（mpas）
≥150
4
破胶性能（mpas）
24h粘度小于10mpas
5
残渣含量（mg/l）
≤400
6
稠度系数（）
≥10×102
7
流动行为指数
8
破胶液表面张力（mN/m）
≤30
9
破胶液煤油界面张力（mN/m）
≤5
10
初滤失量m3/m2
≤2×10-3
11
滤失系数m/min-2
≤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、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
