宋莎莎 朱相慧 于軍成

(1.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331;2.中石化勝利油田分公司樁西采油廠，山東 東營 257000)

對低滲透油氣藏而言，水平井分段壓裂技術(shù)是儲層改造、提高產(chǎn)量的重要措施。我國從上世紀80年代就開始進行水平井分段壓裂技術(shù)的研究，在有壓裂產(chǎn)能預(yù)測、水力裂縫及水平井分段壓裂工藝技術(shù)方面取得了較大進展，但在現(xiàn)場施工配套方面這些技術(shù)還達不到要求，井下層間封隔工具密封性能、工具可靠性不能滿足現(xiàn)場需求，尤其是在水平井多段壓裂技術(shù)和封隔工具的配套方面還需要進一步深入研究［1］。

1 水平井壓裂造縫機理與裂縫參數(shù)配置優(yōu)化

1.1 水平井壓裂造縫機理

對水平井進行壓裂，裂縫可分為軸向縫、橫向縫和斜交裂縫，形成不同的裂縫主要取決于儲層所受的應(yīng)力狀態(tài)［2］。

軸向縫:如果水平井的水平井段垂直于最小水平主應(yīng)力方向(即沿最大水平滲透率方向)，則產(chǎn)生軸向縫，如圖1所示。

橫向縫:如果水平井段平行于最小水平主應(yīng)力方向(即沿最小水平滲透率方向)，則產(chǎn)生橫向縫，如圖2所示。

斜交縫:當水平井段與最大水平主應(yīng)力方向有一定夾角時產(chǎn)生斜交縫，如圖3所示。

圖1 軸向縫

圖2 橫向縫

1.2 水平井壓裂的裂縫配置優(yōu)化

水平井分段壓裂裂縫配置的優(yōu)化內(nèi)容主要有裂縫條數(shù)、裂縫規(guī)模、裂縫間距和裂縫參數(shù)。水平井壓裂裂縫造縫及延伸機理要求要產(chǎn)生正交的橫向縫，水平段軌跡最好與最小主應(yīng)力方向保持一致;壓裂裂縫長度要小于50 m;水平段長度最好不小于300 m，而且要在允許的范圍內(nèi)盡可能的長;壓裂分段數(shù)不小于3段到5段，對于井段比較長的，可以用分段壓裂分布投產(chǎn)［2］;不同位置裂縫對產(chǎn)能的貢獻不同，產(chǎn)能較高的裂縫在端部，中間相對偏低一些。

圖3 斜交裂縫

室內(nèi)實驗研究發(fā)現(xiàn)，線性流和徑向流并存的復(fù)合流態(tài)會在壓裂后出現(xiàn)，水平井在生產(chǎn)一定時間后會產(chǎn)生裂縫干擾，對油井產(chǎn)量造成一定影響。因此，裂縫參數(shù)的優(yōu)化不僅影響產(chǎn)能，同時對施工安全與經(jīng)濟效益也具有十分重要的意義。研究認為，對于水平滲透率大于垂直滲透率的儲層，最好有3～5條橫向裂縫［3］，但最終的配置還需要在實際應(yīng)用中得到優(yōu)化。

2 水平井多段壓裂技術(shù)

隨著水平井多段壓裂技術(shù)應(yīng)用規(guī)模的不斷擴大，水平井已成為提高致密油藏經(jīng)濟效益以及采收率的重要手段，尤其是在水平井鉆井技術(shù)發(fā)展迅速的階段［4］。以下是國內(nèi)外分段壓裂技術(shù)進展和應(yīng)用情況，分別對限流分段壓裂、機械封隔分段壓裂、水力噴射壓裂以及化學(xué)隔離壓裂的特點和參數(shù)進行簡要介紹。

2.1 限流多段壓裂技術(shù)

2.1.1 技術(shù)原理

限流多段壓裂技術(shù)主要應(yīng)用于未射孔的井中，是完井壓裂技術(shù)的一種。該技術(shù)的原理是在盡可能大的增大注液量的前提下來控制射孔的直徑以及數(shù)量，從而增大井底壓力，而井底壓力的增大使得注液量大量分流于各個層段，當井底壓力超過地層破裂壓力時，迫使在層段上產(chǎn)生裂縫［5］，而該技術(shù)多形成縱向裂縫。水平井限流法多段壓裂原理見圖4。

2.1.2 工藝特點

技術(shù)優(yōu)點是由于不同層段射孔炮眼的直徑以及數(shù)量的不同，達到改造不同層段的預(yù)期效果;而且不用下入工具，施工簡單，周期短。缺點是對于長水平井段實施限流壓裂很難保證多個層段同時壓開，也無法實現(xiàn)不同層段不同的改造要求，造成分段的針對性較差。

2.2 化學(xué)隔離多段壓裂

化學(xué)隔離多段壓裂技術(shù)是為了解決那些不能使用機械封隔器的套管井而在20世紀90年代被提出來的，例如套管變形、段間距變小、井下有落物等。該技術(shù)是依次射開壓裂各層段，分別將各個層段用液體膠塞和砂子隔離，待施工完成后將液體膠塞和砂子沖開，然后合層排液［3］。該技術(shù)的優(yōu)點是不需下入工具，安全性高，工藝流程簡單。缺點是受膠塞強度的限制封隔不好，膠塞濃度高造成儲層傷害，施工周期長，成本高。

2.3 水力噴射壓裂

水力噴射壓裂技術(shù)目前在國外應(yīng)用較廣，發(fā)展于20世紀90年代末，它是水力噴射射孔和水力壓裂技術(shù)的綜合體，靠其特有的定位性，在不需要機械密封裝置的前提下完成多層壓裂［4］。該項技術(shù)是利用伯努利方程的能量轉(zhuǎn)化，將施加給油管流體的壓能轉(zhuǎn)化成流體的動能，孔眼就是靠流體所具有的巨大動能將套管和巖石穿透，流體在形成的孔眼中聚集產(chǎn)生壓力，當壓力高于破裂壓力就會延伸水力裂縫，而且只需要拖動管柱，把噴嘴置于相應(yīng)位置上，就可以依次壓開井段［3］。水力噴射壓裂原理示意圖和拖動分段壓裂示意圖分別見圖5和圖6。

該技術(shù)的優(yōu)點是施工安全性高，可以快速、準確的壓開多條裂縫，施工更便捷;缺點是施工工藝復(fù)雜，因此對壓裂液的性能要求高，噴嘴在施工過程中由于受到?jīng)_刷磨損嚴重，因此工具加工難度大。

圖5 水力噴射壓裂原理示意圖

圖6 拖動分段壓裂示意圖

2.4 機械封隔多段壓裂

機械封隔多段壓裂技術(shù)主要有雙封隔器單卡多段壓裂和封隔器滑套噴砂器多段壓裂等技術(shù)，該技術(shù)主要應(yīng)用于套管井。

2.4.1 雙封隔器單卡分段壓裂技術(shù)

雙封隔器單卡多段壓裂管柱結(jié)構(gòu)如圖7所示。該技術(shù)原理是運用導(dǎo)壓噴砂封隔器，利用其節(jié)流壓差壓裂管柱作用，先壓裂最端部地層，然后上提管柱，利用一趟管柱可以一次將各個層段進行壓裂［5］。

該技術(shù)的優(yōu)點是可以一次性射開所有層段，實施簡單，井筒隔離和壓裂效果好，分層目的性和可控性強;缺點是施工周期長，解封困難，容易造成井下事故。

圖7 雙封單卡示意圖

2.4.2 封隔器滑套噴砂器分段壓裂技術(shù)

該技術(shù)是采用從趾端到跟端順序射孔、壓裂的方式作業(yè)，適合于致密油氣藏，在不動管柱的前提下，在套管內(nèi)可以一次完成5個層段的壓裂。其優(yōu)點是可以一次性完成多段改造，針對性強，井下工具少，工作效率高;缺點是要求井徑規(guī)則、固井質(zhì)量好，封隔器容易砂埋導(dǎo)致管柱上提困難。

2012年，中石化石油工程技術(shù)研究院自主研發(fā)的多級滑套耐磨可鉆式球座，先后在華北分公司紅河油田的4口油氣井、共計31個井段中進行壓裂試驗，均獲得成功，為水平井分段壓裂技術(shù)實施以及開采后續(xù)處理提供了可靠保障，充分表明我國自主研發(fā)的多級滑套分段壓裂工具達到世界先進水平。

2.5 TAP分段壓裂技術(shù)

TAP分段壓裂技術(shù)不需射孔、不需安裝封隔器，不受壓裂層級限制，層數(shù)越多優(yōu)勢越明顯，可以減少多層射孔費用，從而降低整井射孔費用［6］。該技術(shù)的缺點是適應(yīng)管柱尺寸單一，對套管和套管頭耐壓要求高，壓裂后需下入生產(chǎn)管柱，可能會對儲層造成二次傷害。

3 結(jié)論

(1)水平井分段壓裂技術(shù)是開發(fā)致密油氣藏，提高綜合經(jīng)濟效益和采收率的有效方法。但是多段壓裂技術(shù)的選擇與實施以及井下封堵工具的選擇及應(yīng)用還是難點問題，還需要對這些技術(shù)進行深入研究及現(xiàn)場實踐應(yīng)用。

(2)目前水平井多段壓裂主要有限流多段壓裂、化學(xué)隔離壓裂、水力噴射壓裂以及機械封隔壓裂等，這些技術(shù)以及使用工具都各有優(yōu)缺點，還需要進一步的改進。

(3)結(jié)合我國低滲透油氣藏的特點，國內(nèi)對壓裂技術(shù)的應(yīng)用程度越來越高，與國外技術(shù)的差距越來越小，我國已擁有了一些有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)及其配套設(shè)備。

(4)水平井多級分段壓裂技術(shù)是未來的主要研究方向，對我國非常規(guī)油氣開采具有重要意義，發(fā)展水平井分段壓裂技術(shù)是未來我國的一項重要舉措。

［1］段文廣，李曉軍.國內(nèi)外水平井分段壓裂技術(shù)現(xiàn)狀［J］.工藝與裝備，2012(3):55-57.

［2］婁明.論水平井分段壓裂的研究與探討［J］.中國石油和化工標準與質(zhì)量，2013(1):108.

［3］陳作，王振鐸，曾華國.水平井分段壓裂工藝技術(shù)現(xiàn)狀及展望［J］.天然氣工業(yè)，2007，27(9):78-80.

［4］許冬進，艷榮 ，王生亮，等.致密油氣藏水平井分段壓裂技術(shù)現(xiàn)狀和進展［J］.中外能源，2013，18(4):36－41.

［5］姚展華，張世林，韓祥海，等.水平井壓裂工藝技術(shù)現(xiàn)狀及展望［J］.石油礦場機械，2012，41(1):50-61.

［6］孟博.水平井分段壓裂工藝研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.中國石油和化工標準與質(zhì)量，2013(2):146.