曾 嶸 王 榮 黃 碩 李旺興

(1.西南石油大學(xué)研究生院，成都 610500;2.中國石油寶石機械成都裝備制造分公司，成都 610051;3.中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司，成都 610000)

隨著我國低滲透油藏探明儲量的不斷增大，水力壓裂技術(shù)逐漸成為了動用及提高低滲透儲量開發(fā)效率的有效方式，但在對常規(guī)水平井進行壓裂改造時往往會產(chǎn)生多重的裂縫，并且裂縫總是在水平井段跟端和趾端出現(xiàn)［1］，而其他大部分地方卻得不到改造(如圖1所示)，尤其在對裸眼水平井進行作業(yè)時需要機械封隔，施工困難。部分油氣藏縱向上存在多個產(chǎn)層，部分產(chǎn)層跨距較大，采用常規(guī)手段進行水平井分段壓裂是一項技術(shù)難題。

圖1 水平井常規(guī)壓裂裂縫位置圖

為了解決在水平井中出現(xiàn)的壓裂改造問題，Surjaatmadja提出了水力噴射壓裂方法［2］，并通過大量的室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬研究，在一口裸眼完井的水平井中試驗成功，驗證了該技術(shù)的可行性。隨著該技術(shù)的不斷改進和完善，世界各大油田都將該技術(shù)作為油氣藏增產(chǎn)改造的重要措施之一。實踐證明，該技術(shù)是目前為止對低滲透油氣藏裸眼水平井進行壓裂增產(chǎn)的有效方法。該技術(shù)利用水動力學(xué)原理一次完成水力噴砂射孔和壓裂，無需機械封隔，一趟管柱可以壓裂多個層段，減少作業(yè)時間和成本。該技術(shù)可根據(jù)需要在水平井段任意位置造縫，水平井水力噴射壓裂裂縫位置見圖2。

圖2 水平井水力噴射壓裂裂縫位置圖

1 水力噴射壓裂機理

水力噴射壓裂技術(shù)是集水力噴砂射孔、水力壓裂及封隔于一體的新型增產(chǎn)改造技術(shù)，與常規(guī)的水力壓裂技術(shù)相比，該技術(shù)獨具射流增壓作用及動態(tài)封隔作用。

1.1 水力噴射壓裂射流增壓原理

水力噴射壓裂技術(shù)利用水動力學(xué)原理成功解決了裸眼水平井壓裂時機械封隔器無法坐封的問題，該技術(shù)在地面通過2套泵注系統(tǒng)分別向油管和環(huán)空泵入壓裂流體，一次完成噴砂射孔和壓裂作業(yè)［3］。

高速攜砂流體通過井下的噴射工具，其高壓能量被轉(zhuǎn)換成為動能，產(chǎn)生高速攜砂流體對巖石進行沖擊并形成射孔孔道，高速攜砂流體的沖擊作用在水力噴射射孔形成的孔道末端形成微裂縫，降低了地層的起裂壓力，噴射流體的不斷沖擊在孔道中形成射流增壓;同時，環(huán)空中泵入的流體增加了環(huán)空壓力。射流增壓和環(huán)空壓力的共同作用超過了地層的破裂壓力，使地層在射流孔道的末端起裂。

1.2 水力噴射壓裂動態(tài)封隔原理

水力噴射壓裂技術(shù)利用射流動態(tài)密封原理(如圖3所示)能夠不使用機械封隔方式，在裸眼井及篩管井中進行多段壓裂。由伯努利方程可知，射流出口附近的流體速度最高，壓力最低，流體會停留在此低壓區(qū)域中。環(huán)空的流體則在壓差作用下被吸入地層，維持裂縫的延伸。整個過程利用水動力學(xué)原理實現(xiàn)水力封隔，不需要其他封隔措施［3］。

圖3 射流動態(tài)密封示意圖

2 水力噴射壓裂工藝發(fā)展現(xiàn)狀

水力噴射壓裂技術(shù)包括水力噴射噴砂射孔、水力壓裂和環(huán)空聯(lián)合泵入等3個主要過程。然而，針對不同生產(chǎn)層和施工目標(biāo)，該技術(shù)的具體實施過程變化空間較大。

2.1 水力噴射輔助壓裂技術(shù)

水力噴射輔助壓裂技術(shù)是將水力噴射作為主要手段，沿井段的選定位置進行精確地造縫，壓裂液通過管柱經(jīng)噴嘴作用于地層，使用噴射的高壓作用產(chǎn)生射孔孔道及完成裂縫的擴展及延伸;環(huán)空中的流體主要用于維持環(huán)空壓力。

從1998年Surjaatmadja［2］提出水力噴射壓裂的思想和方法后，Surjaatmadja和 T.G.Love等［4］就對此方法進行了廣泛的現(xiàn)場試驗和施工，并不斷總結(jié)現(xiàn)場施工經(jīng)驗。水力噴射輔助壓裂技術(shù)是將水力噴射射孔和常規(guī)的水力壓裂2種工藝結(jié)合為一種工藝完成的技術(shù)。傳統(tǒng)的射孔方式是通過射孔彈對地層的擠壓形成孔道，不但造成了地層的壓實，封堵了孔眼周圍的微小孔道，降低孔壁的滲透率;同時，射孔彈的碎片對地層也造成了二次傷害。利用水力噴砂射孔則避免了上述的問題［5］。另外，水力噴射輔助壓裂是將不同于油管注入的另一種不含支撐劑的流體系統(tǒng)從環(huán)空注入用于維持井底環(huán)空壓力，實質(zhì)上整個壓裂過程是通過噴射壓力和環(huán)空壓力共同作用完成的。那么，環(huán)空流體就可以不用考慮液體的攜砂能力等性能而優(yōu)選一套減少摩阻及濾失的液體系統(tǒng)。水力噴射輔助壓裂技術(shù)是最早提出并得到現(xiàn)場應(yīng)用的結(jié)合水力噴射和水力壓裂2種方法為一體的增產(chǎn)技術(shù)。此種思想和方法自提出以來，已在陸地和海上油田進行了多次現(xiàn)場應(yīng)用［6］。

2.2 水力噴射環(huán)空壓裂技術(shù)

水力噴射環(huán)空壓裂技術(shù)是在水力噴射輔助壓裂技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，水力噴射環(huán)空壓裂技術(shù)先向油管中泵入流體完成水力射孔過程，壓裂液通過環(huán)空泵入實施壓裂。在水力噴射輔助壓裂中，壓裂液從工作管柱中注入，幾乎所有的壓裂液都通過噴嘴噴射達到地層。這必然會造成噴嘴的磨損，降低了噴嘴的使用壽命，通常在施工2段后必須要上提管柱檢測更換，這樣就會大大延長非生產(chǎn)時間。大多數(shù)情況下，利用環(huán)空法延長工具壽命能將起下管柱非生產(chǎn)時間減少50% ～100%。另外，采用環(huán)空壓裂可以大幅度地增加流動通道，降低管柱摩阻，提高施工排量，增加加砂強度與規(guī)模，同時降低了對壓裂液摩阻性能、耐高剪切性能的要求，拓寬了壓裂液的選擇范圍［7］。2004年初在美國 Barnett頁巖油田［8］對第一口水平井采用水力噴射環(huán)空壓裂技術(shù)。該技術(shù)充分利用了環(huán)空所具有的較大過流面積，大約70% ～80%的壓裂液都從環(huán)空注入，只有20% ～30%的壓裂液通過油管和噴嘴注入裂縫，壓裂液排量可高達(1.034～1.113)m3/min。國內(nèi)也先后在白淺110井，四川盆地合川區(qū)塊進行了多次連續(xù)油管水力噴射分層壓裂，取得了較好的經(jīng)濟效益［9-10］。

2.3 水力噴射酸化壓裂技術(shù)

常規(guī)的酸化壓裂作業(yè)是采用籠統(tǒng)注酸的方式注入井筒，通過射孔孔道進入地層與近井地層進行反應(yīng)，使裂縫無法得到延伸。而水力噴射酸化壓裂技術(shù)是在水力噴砂射孔作業(yè)的基礎(chǔ)上，在射孔孔道處定點通過噴嘴高速將酸液注入孔道，再控制環(huán)空壓力使其稍低于地層破裂壓力，通過環(huán)空壓力和射流增壓的共同作用使地層起裂，高速酸液在地層中與裂縫壁面巖石發(fā)生反應(yīng)，使裂縫表面產(chǎn)生不規(guī)則的孔洞，溝通地層深部，并且能夠通過主裂縫進入微裂縫，形成微小的酸蝕孔洞［10］。

與常規(guī)酸化技術(shù)對比，水力噴射酸化技術(shù)有以下特點:

(1)在長裸眼水平井段進行酸化處理時，由于重力作用使酸液向下滲入地層，而上部巖石無法與酸液充分接觸，達不到均勻酸化的效果。而噴射酸化可以進行選擇性酸化，利用噴射工具可以精確地定位特定需要處理的位置。

(2)可以使用環(huán)空泵注酸液，油管泵注CO2或N2等高壓氣體，高壓氣體經(jīng)噴嘴后形成高速氣流，與酸液劇烈摻混形成泡沫酸。泡沫酸能夠減緩酸液的反應(yīng)速率，同時降低酸液濾失，大大提高了酸液的作用距離。

(3)增加了酸化壓裂施工的多樣性和靈活性，一趟管柱可以對所需井段分別完成酸化壓裂、擠酸及酸洗3項作業(yè)。M.J Rees等人［11］2001年選取了多口井依次進行了多項酸化壓裂作業(yè)，首先實施酸化壓裂作業(yè)，巖石在射流沖擊力和酸液的刻蝕作用下形成人工裂縫;然后進行擠酸作業(yè)，進一步刻蝕裂縫表面，增大裂縫的導(dǎo)流能力;最后酸洗解堵，此時可以從連續(xù)油管泵入稀酸，使用旋轉(zhuǎn)噴頭處理裸眼井壁和射孔孔眼，解除近井地帶污染。經(jīng)過這3項作業(yè)處理后的井段，日產(chǎn)量平均增加2倍，達到了很好的增產(chǎn)效果。

3 結(jié)語

水力噴射壓裂技術(shù)以其集射孔、壓裂和封隔為一體的高效工藝技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)采用水力噴砂定向射孔，比常規(guī)射孔孔洞大，孔眼深，無壓實帶污染;能在指定位置準(zhǔn)確造縫，且能控制起裂的方向及裂縫延伸方向;一趟管柱完成多層壓裂，降低頻繁起下管柱，節(jié)省了施工時間;無需機械封隔，降低了作業(yè)風(fēng)險。

在水平井酸化作業(yè)過程中，由于水平井井段長，一般存在非均質(zhì)現(xiàn)象，酸液優(yōu)先進入高滲透部位，使低滲透部位得不到改善，同時水平井段受傷害不均勻?qū)е虏妓嵋膊痪鶆?。因此，建議將水力噴射壓裂技術(shù)中定向、自封隔的特點應(yīng)用于水平井基質(zhì)酸化，對水平井非均勻傷害帶實施定點酸化，并通過進一步改進設(shè)備，實現(xiàn)均勻布酸的目的。

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