一、水力压裂原理
（一）基本原理
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，便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高导流能力的填砂裂缝，使井达到增产增注的目的。 （二）增产原理
1、形成的填砂裂缝的导流能力比原地层系数大得多，可大几倍到几十倍，大大增加了地层到井筒的连通能力;
2、由原来渗流阻力大的径向流渗流方式转变为单向流渗流方式，增大了渗流截面，减小了渗流阻力;
3、可能沟通独立的透镜体或天然裂缝系统，增加新的油源;
4、裂缝穿透井底附近地层的污染堵塞带，解除堵塞，因而可以显著增加产量。
二、压裂材料
涤纶单丝
在压裂过程中注入的液体统称为压裂液，根据压裂过程中注入井内的压裂液在不同施工阶段所起的作用不同，可把压裂液分为前置液、携砂液、顶替液三种。
1、根据作用不同分类
前置液：它的作用是破裂地层并造成一定几何尺寸的裂缝，以便后面的携砂液进人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。
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密度很高的支撑剂，必须使用交联的压裂液(如冻胶等)。
顶替液：顶替液是在加砂程序结束后，用来将携砂液全部替人裂缝中，以提高携砂液的效率和防止井筒沉砂。
2、根据类型不同分类
根据压裂液类型不同，可以将压裂液分为水基压裂液、油基压裂液、泡沫压裂液等。
（1）水基压裂液：水基压裂液是用水溶胀性聚合物(称为成胶剂)经交链剂(又叫交联剂)交链后形成的冻胶。常用的成胶剂有植物胶(瓜尔胶、田菁、皂仁等)、纤维素衍生物(羟乙基纤维素、羧甲基轻乙基纤维素等)以及合成聚合物(聚丙烯酞胺、聚乙烯醇);交链剂有硼酸盐和钛、锆等有机金属盐等。在施工结束后，为了使冻胶破胶还需要加入破胶剂。常用破胶剂有过硫酸铵、高锰酸钾和酶等。
（2）油基压裂液：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。原油或炼厂粘性成品油均可作油基压裂液，但其悬砂能力差，性能达不到要求。目前多用稠化油，基液为原油、汽油、柴油、煤油或凝析油，稠化剂为脂肪酸皂(如脂肪酸铝皂、磷酸酯铝盐等)，最高砂比可达30%。稠化油压裂液遇地层水后自动破胶，所以无需加入破胶剂。
电动绞磨油基压裂液虽然适用于水敏性地层，但受价格昂贵、施土困难和易燃等问题的影响，应用受到一定的限制。
（3）泡沫压裂液：泡沫压裂液是近十多年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。
a.由于井筒气液柱的密度小，产生的气液柱重力小，压裂过程中为达到破裂压力需要较高的注入压力，因而对深度大于2000m以上的油气层，实施泡沫压裂是困难的。
（地面泵压+静液柱压力=摩阻压力+地层压力）
b.使用泡沫压裂液的砂比不能过高，在需要注入高砂比情况下，可先用泡沫压裂液将低砂
比的支撑剂带入，然后再泵入可携带高砂比支撑剂的常规压裂液。
其他应用的压裂液还有聚合物乳状液、酸基压裂液和醇基压裂液等，它们都有各自的适用条件和特点，但在油田上应用很少。
(二)支撑剂
支撑剂用于支撑张开的裂缝，以便在停泵和压裂液滤失后，形成一条通往井筒的导流通道。在裂缝内铺置适宜浓度的支撑剂和选择适宜的支撑剂类型是保证水力压裂作业成功的关键。支撑剂按其力学性质分为两大类:一类是脆性支撑剂，如石英砂、玻璃球等，特点是硬度大，变形小，在高闭合压力下易破碎;另一类是韧性支撑剂，如核桃壳、铝球等，特点是变形大，承压面积随之加大，在高闭合压力下不易破碎。目前常用的支撑剂有两种:一是天然砂;二是人造支撑剂(陶粒)。此外，在压裂中曾经使用核桃壳、铝球、玻璃珠等支撑剂，由于强度、货源和价格等方面的原因，现多已淘汰。
1、天然砂（石英砂）
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（1500m）
的压裂中，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积而成，因此石英含量高，粒径均匀，圆、球度也好。另外，石英砂资源很丰富，价格也便宜。天然砂的主要矿物成分是粗晶石英，在高闭合压力下会破碎成小碎片，虽然仍能保持一定的导流能力，但效果已大大下降，所以在深井中应慎重使用。石英砂的最高使用应力为21.0-35.OMPa。
2、人造支撑剂（陶粒）
365t最常用的人造支撑剂是烧结铝矾土，即陶粒。它的矿物成分是氧化铝、硅酸盐和铁一钛氧化物;形状不规则，圆度为0.65,密度为3800kg/m3，强度很高。在70.OMPa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。因此它能适用于深井高闭合压力的油气层压裂。
陶粒的强度虽然很大，但密度也很高，给压裂施工带来一定的困难，特别是在深井条件下由于高温和剪切作用，对压裂液性能的要求很高。为此，近年来研制了一种具有空心或多孔的陶粒，其空心体积约为30%，视密度接近于砂粒。试验表明:这种多孔或空心陶粒的强度与实心陶粒相当，因而实现了低密度高强度的要求。但由于空心陶粒的制作比较困难，
目前现场还没有广泛使用。
3、树脂包层支撑剂（树脂砂）
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.OMPa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。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，约占总质量的5%以下。树脂包层支撑剂可分为固化砂与预固化砂，固化砂是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，像普通砂一样随携砂液进入裂缝。
（三）添加剂
1、交联剂
按一定比例在压裂液中加入交联剂，可以使压裂液形成冻胶，增大了液体的携砂能力。
很多金属离子都可以用来交联水溶性聚合物。硼酸盐、钛、锆和铝化合物等都是常用的交
联剂。硼酸盐化合物和过渡金属复合物通过半乳糖边链上的顺式¡ªOH对与胍胶和HPG反应生成复合物。当分子重叠时，复合物便与其他聚合物反应生成交联网。形成的新物质是聚合物分子重量的两倍。由于每个聚合物链都有很多顺式羟基，故可在多处被交联，形成分子量极大的交联网，特别是在静态条件下，从而形成了高粘度溶液。最简单的交联剂之一，硼酸盐离子与胍胶和HPG反应生成极具粘性的凝胶，在1490C时仍保持稳定。当pH值大于8时，硼酸盐离子和胍胶可在瞬间形成高粘度凝胶。
2、破胶剂
破胶剂和交联剂的作用恰好相反，它的作用是使交联的液体解除交联的状态。
用粘度相对较高的压裂液把支撑剂输送到裂缝中。把高粘度压裂液留在裂缝中将降低支撑剂充填层对油和气的渗透性，从而影响了压裂作业的效果。使用凝胶破胶剂可降低与支撑剂混合在一起的压裂液粘度。破胶剂是通过把聚合物分解成小分子量的碎片来降低液体粘度的。
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3、降滤失剂
控制液体滤失是有效压裂作业的关键。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。压裂作业的主要目的是形成一条由产层到井筒的高导流通道。理想情况下，降滤失剂不应当伤害地层的渗透率、裂缝面或支撑剂填充层。但实际上，许多这类液体和添加剂都具有长期耐久性，难以从裂缝中清除。对中渗储集层而言，限制长期产能的主要因素是支撑裂缝的导流能力，而不是地层渗透率。因此，降滤失剂对地层面的伤害通常属次要问题。
4、杀菌剂
在水基聚合物压裂液中加入杀菌剂是为了防止因聚合物细微降解而导致粘度下降。用来稠化水的多糖聚合物类(蔗糖聚合物)锁架是细菌的极佳食物源。通过降低聚合物分子量，细菌不仅能够破坏凝胶的性能，而且还可使储层流体发酵变酸。一旦进入储层，部分存活的细菌把硫酸盐离子还原为(H2S)硫化氢，污染储层。
5、稳定剂
稳定剂用于防止多糖聚合物凝胶在温度高于2000℉或120℃时发生降解。常用的稳定剂为
甲醇和硫代硫酸钠。为使压裂液达到最大稳定性，必须考虑压裂液的pH值。胍胶及其衍生物在pH值较低时发生水解，尤其是在高温中。因此，若要求压裂液具有长期稳定性，应该使用pH值较高(为9-11)的液体。
6、表面活性剂与粘土稳定剂
表面活性剂是以低浓度吸附在两种非混相物质界面上的一种材料。非混相物质可以是两种液态物质，如水和油、液体和气体，或一种液态和一种固体物质。表面活性剂进入界面，降低了界面膨胀所需的能量。如泡沫中的表面活性剂是促进形成稳定泡沫的必要成分。在复合乳化液中用它稳定水溶油乳化剂。此外，表面活性剂还用作表面张力降减剂和地层调节剂，有利于清洗裂缝中压裂液。有些杀菌剂和粘土控制剂也是表面活性剂。
粘土是平均尺寸为2um的硅氧化物和铝氧化物颗粒，呈层状排列。当正电(铝)与负电(氧玻璃钢料塔)间的电荷平衡因阳离子置换或颗粒中断而遭到破坏时，产生了带负电荷的粒子。源于液体中的阳离子包围了粘土颗粒并且形成了带正电荷的电子云。这样颗粒相互排斥并且易于运移。粘土颗粒一旦分散，即可堵塞岩石中的孔隙空间从而降低渗透率。
压裂液中常用1%-3%KCL溶液作为基液以稳定粘土并防止其膨胀，除了KCL外，有机阳离子四甲基氯化铰也是一种有效的稳定剂。所有这些盐类都有助于维持粘土颗粒的化学环境，但不能永久性地保护。
三、压裂设备
（一）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的压裂液，将地层压开，并把支撑剂挤入裂缝。压裂车主要由运载（底盘）、动力、传动、泵体、操作面板等五大件组成。压裂泵是压裂车的工作主机。现场施工时对压裂泵的技术性能要求很高，必须具有压力高、功率大、耐腐蚀、抗磨等特点，并要求性能稳定、工作可靠。绝大多数压裂车装备的压裂泵为卧式三缸或五缸单作用柱塞泵。如图3.1为YLC105-1100型压裂车外观图（原西方压裂车）。
（二）混砂车
混砂车的作用是根据施工设计要求，将压裂液和支撑剂按一定比例混合后供给压裂车泵入
井内。所有压裂车均由混砂车供给压裂液，所以要求混砂车性能好、工作可靠、机械化程度高。混砂车台上设备主要由吸入排出流程、输砂系统、各种添加剂加入装置、气路液路电路控制系统等构成。单个砂绞龙最大输砂量在3m3/min左右，混合液排量最高达10m3/min左右。图3.2为HSC240混砂车外观图。
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