【压裂】水平井钻井和水力压裂全过程3D高清动画
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。
一、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技术 。
80 年代 ,逐步进入了低渗油藏改造时期，并开始了优化水力压裂设计。这一时期我国发展了适用于低渗透 、薄油层多层改造的限流法完井压裂和投球法多层压裂技术 。
90 年代 ,工作者们从各种不同的方向出发，研究了与水力压裂技术有关的新材料 、新技术 、新方法和新工艺 , 不断对压力设计方法改进。
发展至今 ,各国工作者们在研究拟二维及三维压裂模型基础上 ,利用编制的软件系统 ,将裂缝几何参数设计 、支撑裂缝设计和压裂液体系设计 、裂缝闭合期间和生产过程中填砂裂缝的动态变化进行了综合考虑和优化设计 ，以实现应用广泛、便于控制、经济有效、损害程度低水力压裂技术。
二、我国水力压裂技术现状
1955 年至今,我国水力压裂研究与应用工作与时俱进，已取得较大成效。全国已完成压裂酸化作业18. 9万井次 ,总计增油 9572 × 104 t 以上 。
水力压裂技术在增加油田产量方面起到了重要的作用 ,成为油田一项重要的作业措施 。总的来说 ,国内在压裂技术已接近国际先进水平 。在水力压裂设计、压裂技术、压裂材料、压裂监测等方面均取得一定成效。具体体现在以下几个方面 。
(1) 水力压裂设计方面：已达到国际先进水平 ，不断引进并开发了裂缝模拟软件及开发方案经济评价模型。虽不能完全控制裂缝的延伸情况，但通过不断的实验研究，可根据已有研究成果选择较为适当的压裂参数，并由二维开发模型软件向三维过度，实现裂缝的仿真模拟。
(2) 水利压裂技术应用方面 ：它不仅仅用于低渗油气田的改造 ,而且在中高渗透性地层的应用 ,也得到到广泛的重视 。我国主要开展了特低渗透性油气藏的平衡限流完井压裂技术和总体上接近国际先进水平 ,存在较小的差距 。
(3)水力压裂材料方面：经过不断的研发试验，以开发应用多种用于压裂的压裂液，如水基冻胶压裂液、沫压裂液 、稠化等。支撑剂的研究工作也日趋完善，并研制了中等支撑剂及高等强度支撑剂，石英砂等。为适应各种地层的压裂，对压裂液中添加剂也做了充分研究，以提高压裂液性能，从而提高压裂效果。
(4)水力压裂新技术方面：不断地致力于端部脱砂压裂技术（TSO）、重复压裂技术、整体压裂技术 、开发压裂技术 、超深井压裂技术 、酸压与闭合酸化技术等研究，并以取得一定成效，提高了压裂效率。
另外 ,裂缝诊断与现场实施监测接近国际先进水平 , 并不断学习与引进国外先进缝高控制技术、高渗层防砂压裂技术、低渗层深穿透压裂技术、低渗层大砂量多级压裂技术等的研究 。
三、水力压裂实施过程及增产机理
水利压裂利用地面高压泵组，以超过地层吸收能力的排量，将具有一定粘度压裂液注入井筒，在井底附近产生高压，当该压力克服了井壁附近的地应力和岩石的抗拉强度时，地层破裂并向前逐渐延伸。随着压裂液不断注入，裂缝向前继续延伸，在造成的裂缝具有一定尺度后，注入混有支撑剂的携砂液，携砂液在缝内流动，促使裂缝继续延伸，并将支撑剂输送到裂缝内。
当携砂液注入完毕后，泵送破胶剂，将黏性压裂液破胶降为低黏度的液体，液体流回井筒，返排到地面，当泵注工作结束后，裂缝内只留下支撑剂，起到支撑裂缝壁面的作用，形成了一条具有高导流能力的裂缝通道，起到降低井底附近的渗流阻力的作用，有利于地层远处的油气流向井底，从而提高油气井产量。
通过水力压裂可达到以下效果：
（1） 改变流型。生成的具有高导流能力的裂缝通道，使地层中流体由径向流向井底变为单向流向井底节省了大量能量。
（2）沟通油气储集区。对于地层中那些没有与井底相连通的产能区，通过水力压裂，将他们连接起来，增加了新的供油区。
（3） 减少采油井数量，长裂缝使远处的油气得到开发采集，减少单位面积上开发井的数量。
（4）克服井底附近地层污染。通过水力压裂可以解除堵塞区所造成的低产后果。
四、水利压裂新技术——端部脱砂技术
为满足于于中高渗透性地层的水力压裂，形成短而宽的裂缝，开发了端部脱砂压裂技术，并很快应用于现场，取得了较好的效果。
（1）基本原理
端部脱砂压裂就是在水力压裂的过程中，使支撑剂在裂缝的端部脱砂，形成砂堵，阻止裂缝向前延伸，继续注入高浓度的砂浆，使裂缝内的压力增加，促迫使裂缝变宽，裂缝内填砂浓度变大，从而造出具有较宽和较高导流能力的裂缝。
这一过程分为两个阶段，第一阶段是常规的水力压裂过程，造缝到端部脱砂；第二阶段是裂缝膨胀变宽及支撑剂充填阶段， 扩大裂缝截面面积，提高到流能力。
（2）技术特点
在端部脱砂压裂技术中，压裂液的粘度起着至关重要的作用。既要保证液体能悬砂，又要有利于脱砂。若压裂液的粘度过低，则不能保证悬砂，也容易导致井筒内沉砂。反之，压裂液的粘度过高，滤失就会很慢，难以适时脱砂。
为了减缓裂缝的延伸速度，端部脱砂压裂技术的泵注排量要小一些，从而更好的控制缝高和便于脱砂；前置液的用量也比常规压裂少，可以使砂浆前缘能在停泵之前达到裂缝周边；端部脱砂压裂的加砂比通常高于常规压裂，目的是提高裂缝的支撑效率。
（3）端部脱砂压裂的适用范围
端部脱砂压裂技术只能在一定的条件下使用。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。
（4）端部脱砂压裂设计
端部脱砂的设计主要是影响参数的优化选择，包括压裂液的性质，支撑剂的选择，加砂比，排量等，主要过程如下：
1. 选择合理的缝长及缝高；
2. 按常规算法计算达到此缝长所需的时间及此刻的液体效率；
3. 计算前置液用量；
4. 计算出开始泵入低砂比携砂液的时间；
5. 规定结束施工的时间,估算此刻的液体利用率；
6.计算开始泵入高砂比携砂液的时间；
7. 计算单位面积的砂重及总砂重；
8. 加砂设计；
9. 根据加砂设计计算裂缝导流能力；
10. 检查计算结果，必要时改变各种设定的参数重新计算。
五、水利压裂裂缝延伸模型
为了模拟裂缝开裂延伸过程的复杂情况，目前已经建立了很多裂缝几何模型。裂缝几何模型由简单的二维模型发展到三维模型。一些二维模型是建立在GDK形式几何模型的基础上，一些是建立在PKN形式的基础上。同时，很多三维模型也发展起来了。
简单的二维模型 ,事先人为地假定了裂缝的高度压裂过程中不变 ，裂缝几何尺寸是按线弹性二维理论计算的 ,流体在裂缝中的流动是按一维计算 。
典型的二维模型有适应于裂缝长而窄 ,要求缝长远大于缝高的 P KN模型和适应于裂缝较短较宽、要求缝高大于缝长的KGD 模型 。这两种模型均不符合现场实际压裂条件 。在实际的压裂过程中 ,缝高也是变化的 ，因此，三维模型更加符合裂缝实际的延伸过程，所以近年来，很多工作者致力于这种模型的实验研究。
PKN模型
GDK模型
三维模型
PKN模型、GDK模型、三维模型的适用条件及计算结果有一定的差异，例如PKN模型适用于缝长远大于缝高情况，GDK模型适用于缝高大于缝长的情况。总之三种模型各有自己的优缺点，应根据实际条件选择合适的模型。论文将建立PKN模型进行压裂设计及裂缝求解。
六、水力压裂设计
影响水利压裂效果的因素很多 ,而进行压裂设计的基础是设计参数 ,压裂设计所涉及基本参数有：地层的力学参数、最小主应力的大小和方向、目的层的上下应力情况及地层的滤失特性等。水力压裂参数的设计包括裂缝参数设计与施工参数设计。
（1）裂缝参数设计包括裂缝延伸方向、裂缝几何形态、最佳压裂长度和宽度及裂缝数目的设计，从而确定裂缝的导流能力。水力压裂裂缝的设计主要是建立在适当的裂缝模型的基础上进行。
（2）施工参数的设计，在已知井况基础数据的基础上，预测施工压力、施工排量使用装备的选择，从而确定泵入速度、压裂液用量、浓度，支撑剂，数量选择等等。
七、水力压裂技术发展方向
（1）水力压裂新型材料的开发应用。随着水力压裂施工的要求不断提高，压裂液和支撑剂的性能也应随之提高，因此必须加强高性能压裂液和支撑剂的研究与开发，如进一步降低压裂液的成本和提高耐温性能，加强支撑剂回流控制方面的研究等 ,以达到压裂的高效及实用性。
（2）进一步研究开发压裂新技术。尤其加强端部脱砂压裂技术、重复压裂技术、缝高控制技术等先进技术的研究应用，并不断开发引进国外先进技术，力求扩大水力压裂技术的应用范围。
（3）开发实时现场压裂分析。 应不断缩短实验室模拟和现场试验之间差距 ,进行水力压裂设计时 ,应该满足水力裂缝系统与井网与的最佳组合 ,以实现整体开发和宏观预测 。根据现场具体情况 ,随时对以后的压裂设计、现场施工操作实施监测修正 ,实现压裂过程的有效控制 。
（4）发展和研究裂缝的检测技术。目前，对于压裂后裂缝的检测技术仍然是水力压裂技术一个较薄弱的环节，目前的检测方法虽然已取得了一定的成效，但还有一定局限性，还需要进一步的研究，开发出更好的监测诊断装置 ,诊断出实际裂缝的形态 ,这是水力压裂技术进一步发展的关键 。
（5）加强建立模型进行裂缝模拟研究 ,包括裂缝扩展模型及产量预测模型 ，在考虑实际情况的基础上，进行仿真研究，并不断优化压裂参数。
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