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第3章 压裂液 3.1油层造缝机理 2 3.1.1 油层压裂原理 2 3.1.2裂缝形成 3 3.1.3影响裂缝形成的因素 5 3.1.4油层水力压裂的作用 5 3.2压裂液性能及分类 6 3.3水基压裂液 8 3.3.1天然植物胶水基压裂液 8 3.3.2纤维素衍生物压裂液 15 3.3.3合成聚合物压裂液 16 3.3.4水基压裂液添加剂 18 3.4油基压裂液 29 3.4.1稠化油压裂液 29 3.4.2油基冻胶压裂液 29 3.5泡沫压裂液 31 3.5.1泡沫压裂液的组成 31 3.5.2泡沫压裂液的性能及表征 33 3.5.3影响泡沫压裂液性能的因素 35 3.6清洁压裂液 36 3.6.1粘弹性表面活性剂压裂液的特点 37 3.6.2清洁压裂液的流变性能和应用性能 37 3.6.3清洁压裂液的现场施工工艺及应用情况 40 3.7压裂液性能评价 41 3.7.1裂缝几何尺寸与压裂液粘度的关系 41 3.7.2压裂液滤失性 41 3.7.3压裂液流变学 42 3.7.4压裂液流变性 44 3.8压裂工艺技术 49 3.8.1选井选层 49 3.8.2压裂施工工艺 49 3.8.3高砂比压裂技术 50 3.8.4人工隔层控制垂向裂缝高度技术 50 参考文献 53 油层水力压裂，简称为油层压裂或压裂，是20世纪40年代发展起来的—项改造油层渗流特性的工艺技术，是油气井增产、注水井增注的一项重要工艺措施。它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，随即在井底附近形成高压。此压力超过井底附近地层应力及岩石的抗张强度后，在地层中形成裂缝。继续将带有支撑剂的液体注入缝中，使缝向前延伸，并填以支撑剂。这样在停泵后即可形成一条足够长，具有一定高度和宽度的填砂裂缝，从而改善油气层的导流能力，达到油气增产的目的(如图3-1)。 图3-1压裂过程示意图 在提高油气产量和可采储量方面，水力压裂起着重要的作用。1947年出现的压裂技术已成为标准的开采工艺，到1981年压裂作业数量已超过80万井次，至1988年，作业总数发展至100万井次以上，大约近代完钻井数的35%~40%进行了水力压裂。美国石油储量的25%~30%是通过压裂达到经济开采条件的。在北美通过压裂增加13×109m3石油储量。在我国，愈来愈多的油田采用水力压裂来提高油气井的开采能力和注水井的增注能力，取得了明显的效果。例如，20年来，华北油田共计实施压裂2000余井次，累计增油200×104吨，对老油田的后期治理起到重要作用。 3.1油层造缝机理 3.1.1 油层压裂原理 利用液体传压的原理，在地面采用高压泵组(压裂车)及辅助设备，以大大高于地层吸收能力的注入速度(排量)，向油层注入具有一定粘度的液体(统称压裂液)，(如图3-2)，使井筒内压力逐渐增高。当压力增高到大于油层破裂压力时，油层就会形成对称于井眼的裂缝。油层形成裂缝后，随着液体的不断注入，裂缝也会不断地延伸与扩展，直到液体注入的速度与油层吸入的速度相等时，裂缝才会停止延伸和扩展。此时如果地面高压泵组停止泵入液体，由于外来压力的消失，又会使裂缝重新闭合。 图3-2液体传压示意图 1—油管;2—套管;3—封隔器 为了保持裂缝处于张开位置和获得高的导流能力，在注入压裂液时携带一定粒径的高强度支撑材料，铺垫在裂缝中，从而形成一条或几条高导流能力的通道，增大了排油面积，降低了流体流动阻力，使油井获得增产的效果。 3.1.2裂缝形成 3.1.2.1地层应力及分布 在地层中造缝，形成裂缝的条件与地应力及其分布，岩石的力学性质，压裂液的性质及注入方式等密切相关。 一般情况下，地下岩石由于埋藏在地下深处，所以承受着很厚的上覆岩层的重量，而且又受到邻近岩石的挤压，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σz，及水平主应力σx，σy。 垂向主应力σz即该深度以上覆盖地层所形成的压力，用以下公式计算： 式中：H——油层深度： ——上覆岩层平均相对密度。 埋藏在地下深处的岩石，具有弹性与脆性。油层在形成裂缝时，首先发生弹性变形，当超过弹性限度后，油层才开始发生脆性断裂。如果岩石单元是均质的各向同性材料，当已知地层中各应力的大小，油层裂缝的形成即岩石破裂时，首先发生在垂直于岩石最小主应力轴的方向或油层最薄弱的地方。 3.1.2.2 裂缝的形态与方位 油层通过水力压裂后形成的裂缝，有两种形态：即水平裂缝和垂直裂缝。裂缝的形态，取决于地应力中垂向主应力与水平主应力的相对大小。裂缝方位则垂直于最小主应力轴。 (1)水平裂缝 如果垂向主应力σz小于水平主应力σH，即σzσH(σx，σy)时，将产生水平裂缝，且裂缝方位垂直于σz轴。例如，在褶皱和逆掩断层的压缩区，最小主应力是垂直的，且等于上覆岩层压