＊馬宇彬

（中石化西南石油工程有限公司井下作業(yè)分公司 四川 618030）

引言

從目前石油壓裂的應(yīng)用狀況來看，這一技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用非常普遍，并在多個(gè)地區(qū)進(jìn)行推廣和應(yīng)用，盡管石油壓裂技術(shù)在一定程度上改善了油田的產(chǎn)量，但其帶來的危害和污染問題也應(yīng)引起社會(huì)的重視。目前我國對(duì)石油需求量較大，因此安全環(huán)保石油壓裂技術(shù)具有廣闊發(fā)展前景。在環(huán)保的要求下，對(duì)低滲透儲(chǔ)層安全環(huán)保石油壓裂技術(shù)進(jìn)行分析，以提高資源的利用率為目標(biāo)，具有理論意義與實(shí)踐意義。在具體應(yīng)用中，根據(jù)不同的油田地質(zhì)環(huán)境，通過綜合分析確定出適用于該區(qū)域的石油壓裂技術(shù)，從而達(dá)到對(duì)水污染進(jìn)行有效控制的目的。

1.低滲透儲(chǔ)層安全環(huán)保石油壓裂技術(shù)分析

(1)石油壓裂技術(shù)

石油壓裂技術(shù)是指在采油時(shí)，采用地表高壓泵進(jìn)行采油。利用井筒將黏性較高的壓裂液注入低滲透儲(chǔ)層中，采用持續(xù)加速的方法，提高壓裂液的濃度[1]。這樣就會(huì)在低滲油田的油層上產(chǎn)生一股巨大的壓力，能夠?qū)⒂蛯訅洪_，這時(shí)以一定速率將壓裂液不斷地注入低滲油層中。使早先形成的裂縫將擴(kuò)展到儲(chǔ)集層的內(nèi)部，使壓裂液壓裂后形成的裂縫一直處于裂縫狀態(tài)。通常情況下，要將含支撐劑、含砂液體注入低滲地層中，常用的支撐劑為石英砂。支撐劑，確保裂縫處于張開狀態(tài)；含砂液體對(duì)裂縫起到了兩種作用：一方面，由于外部的高壓，裂縫不會(huì)被封閉，裂縫會(huì)不斷地向著低滲油層的內(nèi)部擴(kuò)展，除了要重新注入頂壓液之外，還會(huì)導(dǎo)致裂縫的再次擴(kuò)大。它的功能是把所有的支撐劑都從井內(nèi)頂住，把所有的支撐劑含砂液體都推入到低滲透儲(chǔ)層的裂縫中。支撐劑含砂溶液中的支撐劑對(duì)裂縫起到了支撐作用。在儲(chǔ)層中，首先注入的高黏度壓裂液將在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在一定時(shí)間內(nèi)自行分解，然后從儲(chǔ)層中排出。而在低滲性的儲(chǔ)層中，往往會(huì)有一個(gè)完整的孔道，便于油氣的開采。在低滲透、低壓力、低產(chǎn)能的油氣田中，通過對(duì)油氣田進(jìn)行壓裂改造，可使其增產(chǎn)效果顯著，經(jīng)濟(jì)效益顯著，資源利用率高。

(2)低滲透儲(chǔ)層安全環(huán)保的石油壓裂技術(shù)

目前，最常用的是水平井分段壓裂技術(shù)，它的核心內(nèi)容包括化學(xué)隔離、機(jī)械分隔、限流壓力等。利用隔離技術(shù)，可以將污染物與地下水源隔離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污染的控制。在國內(nèi)，水平井分段壓裂技術(shù)包括化學(xué)隔離技術(shù)、機(jī)械分隔分段壓裂技術(shù)、限流壓力作用、水力噴砂壓力作用[2]，常規(guī)的石油壓裂技術(shù)以第四種技術(shù)為主，而在實(shí)際中也較為普遍和成熟。垂直井筒分層壓裂法是新時(shí)代的一種新技術(shù)，它能縮短工程工期，減少工程造價(jià)。它還有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，比如形成的裂縫更大，可以對(duì)低滲透油藏進(jìn)行有效改造。

井筒在與最大主應(yīng)力相同方向情況下，沿最大主應(yīng)力的方向會(huì)產(chǎn)生與最小主應(yīng)力相垂直的縱裂；在豎直豎井中，在最大主應(yīng)力的作用下，將產(chǎn)生水平裂紋。當(dāng)井身與最大主應(yīng)力有一個(gè)角度時(shí)，沿最小主應(yīng)力方向會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)裂紋。儲(chǔ)集層中的烴類常以高滲透率為特征，在儲(chǔ)集層中具有明顯的徑向流動(dòng)特征。當(dāng)受壓時(shí)，裂隙的滲流與裂隙的界面相吻合，但其抗壓強(qiáng)度卻很低。因此，對(duì)于滲透率較高的油藏，利用垂直裂縫進(jìn)行水平井改造，可以取得較好的增產(chǎn)效果，而對(duì)于滲透率較小的油藏，則可以利用水平裂縫進(jìn)行增產(chǎn)。

(3)水平井分段壓裂技術(shù)特點(diǎn)

①限流分段壓裂技術(shù)

在實(shí)際生產(chǎn)中，采用對(duì)無射孔區(qū)新井加強(qiáng)管理，對(duì)注入量、管道直徑等進(jìn)行了嚴(yán)格控制，保證注入量在一段時(shí)間之內(nèi)達(dá)到飽和。當(dāng)井筒內(nèi)壓增加時(shí)，已開啟的井筒將被限制，未開啟的井筒將持續(xù)向外流，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裂液進(jìn)行分流[3]。在實(shí)際運(yùn)用中，對(duì)井筒尺寸提出了較高的要求，分為水平井節(jié)流和垂直井壓裂兩類。二者之間最大的不同之處，就是壓裂液流向不同，導(dǎo)致水平井形成裂縫的困難程度大大提高，而使用高濃度的壓裂液進(jìn)行壓力提升時(shí)，危險(xiǎn)性也大大提高。該技術(shù)的優(yōu)勢在于不需要特殊的設(shè)備，操作簡單，操作人員一次就可以保證多條裂縫的同時(shí)進(jìn)行，增強(qiáng)了對(duì)儲(chǔ)集層的防護(hù)能力。

②化學(xué)隔離分段壓裂技術(shù)

目前，這一技術(shù)已被廣泛用于鉆孔，但多數(shù)應(yīng)用于套管井。該技術(shù)的優(yōu)勢在于在不使用機(jī)械密封裝置的情況下，利用化學(xué)密封的方法，可以解決單井施工過程中存在的套筒變形和儲(chǔ)層中存在的大量雜質(zhì)[4]的問題。許多油田采用這種方法后，發(fā)現(xiàn)它的膠塞具有較高的抗拉力，還可以按照實(shí)際情況進(jìn)行彈性調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了壓力下的自動(dòng)破膠。同時(shí)，還可以對(duì)整個(gè)工作循環(huán)進(jìn)行有效的控制，最終的工作成果沒有殘留，實(shí)現(xiàn)了水平井的分段壓裂。但是，由于該項(xiàng)技術(shù)有投資較高、施工過程繁瑣的缺點(diǎn)，在我國并沒有得到廣泛的應(yīng)用。

③雙封隔器上提多段壓裂技術(shù)

這種方法的優(yōu)勢在于可以一次性實(shí)現(xiàn)多個(gè)井眼，極大地改善井眼的井眼質(zhì)量。在實(shí)際壓裂操作中，利用導(dǎo)壓噴砂封隔器實(shí)現(xiàn)節(jié)流壓差壓裂，首先對(duì)最底層進(jìn)行壓裂，然后進(jìn)行施工，利用一次管柱壓裂技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全層壓裂。通過實(shí)際應(yīng)用表明，該技術(shù)具有運(yùn)行效率高、容易掌握等優(yōu)點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)井眼的科學(xué)劃分和有效壓裂[5]。但是，在整個(gè)工程中，因?yàn)樾枰粩嗟剡M(jìn)行管樁的推進(jìn)，整個(gè)工程的工期要比一般工程要長，而且在下入管樁時(shí)易出現(xiàn)折斷現(xiàn)象，造成工程造價(jià)的提高。

④水力噴射加砂分段壓裂技術(shù)

在實(shí)際生產(chǎn)中，采用了打孔、壓裂和隔離的方法，實(shí)現(xiàn)了集中使用。工程隊(duì)需要使用特殊的噴管設(shè)備，通過噴管中的射流對(duì)噴管形成一定的壓強(qiáng)，然后再通過氣流中的流體來提升環(huán)形空間內(nèi)的壓強(qiáng)，進(jìn)而突破巖石層。該技術(shù)的優(yōu)勢在于在裸眼完井和篩管完井條件下，水力噴射壓裂可實(shí)現(xiàn)井下多個(gè)裂隙的快速精確壓裂，且可與常規(guī)管線連接，是一種安全可靠的井下壓裂新方法。任意地層均可采用水力噴射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分段壓裂或酸壓，其操作比較簡便，壓裂作業(yè)的效率比較高。

但當(dāng)前這項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用中尚有一些問題，其主要與小管徑的油管進(jìn)行聯(lián)合作業(yè)，適用于低滲透儲(chǔ)層。而其他地區(qū)地層中的油氣含量比較豐富，為了能夠提高開采效率，必須采用大管徑的連續(xù)油管。今后這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)逐步與大管徑的油管相結(jié)合，為提升能源的開采效率打下基礎(chǔ)。如圖1所示。

圖1 水力噴射加砂分段壓裂技術(shù)示意圖

2.低滲透儲(chǔ)層安全環(huán)保石油壓裂技術(shù)的應(yīng)用策略

(1)定點(diǎn)多層封隔器分段技術(shù)

定點(diǎn)多層封隔器分段工藝是一項(xiàng)改進(jìn)型完井工藝，在實(shí)際生產(chǎn)中，可提高單次采收率。建設(shè)單位可根據(jù)工程實(shí)際情況，對(duì)每一段進(jìn)行有選擇性的分段劃分及改建。經(jīng)多項(xiàng)工程實(shí)例驗(yàn)證，該技術(shù)在油田中的應(yīng)用切實(shí)可行，并取得了較好的效果。這項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用，主要是通過兩部分來完成，一個(gè)是膨脹式的密封件，另一個(gè)則是滑動(dòng)式的套筒。而多層壓裂是先完成一道工序，再進(jìn)行下一道工序。該方法的整體操作結(jié)構(gòu)較為簡單可靠。近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的進(jìn)程，人們不斷地對(duì)封堵工具進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，取得了明顯的應(yīng)用效果。將其應(yīng)用于低滲透油藏，能夠有效地控制油藏的成本。總的來說，對(duì)于低滲透儲(chǔ)層安全環(huán)保石油壓裂技術(shù)的未來發(fā)展有很大的幫助。以大慶油田為例，針對(duì)其所處的低滲透、特低滲透油藏，采用了水平井分段壓裂工藝，并獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，特別是采用封隔器滑套分層壓裂技術(shù)。

與此同時(shí)，大慶油田在周邊“三低”油藏開發(fā)時(shí)期，開發(fā)出了儲(chǔ)層綜合描述技術(shù)、經(jīng)網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)和注水開發(fā)綜合調(diào)控技術(shù)，使油田產(chǎn)能得到進(jìn)一步的提升，并有效地解決油田開發(fā)過程中的資源浪費(fèi)問題，尤其是壓裂技術(shù)，使單井產(chǎn)量得到了明顯的提升，對(duì)環(huán)境沒有造成嚴(yán)重污染。

(2)加強(qiáng)水平井壓裂監(jiān)測技術(shù)

為了提高低滲透儲(chǔ)層安全環(huán)保石油壓裂技術(shù)的應(yīng)用水平，有必要加大對(duì)水平井壓裂過程的監(jiān)控力度。監(jiān)控技術(shù)的不斷完善，既是油田開發(fā)工作創(chuàng)新的一種表現(xiàn)，也是提高油田產(chǎn)量的一種有效管理手段。在壓裂監(jiān)控的實(shí)踐中，利用監(jiān)控技術(shù)，可以通過現(xiàn)場的地質(zhì)調(diào)查，追蹤監(jiān)控壓裂技術(shù)和開發(fā)計(jì)劃，及時(shí)發(fā)現(xiàn)壓裂過程中存在的問題。同時(shí)，根據(jù)存在的問題，提出改進(jìn)的對(duì)策，將其負(fù)面影響降至最低。當(dāng)前，通過監(jiān)測技術(shù)對(duì)井下的微地裂縫進(jìn)行監(jiān)測，能夠?qū)α芽p進(jìn)行有效的監(jiān)控與控制，并且基于反演的地層裂縫數(shù)據(jù)，預(yù)測出儲(chǔ)層的參數(shù)、裂縫的長度、高度，為未來的相關(guān)工作提供了有價(jià)值的依據(jù)[6]。在今后的發(fā)展中，各種高精密儀器的運(yùn)用，必將給監(jiān)控技術(shù)帶來更大的革新。

(3)持續(xù)改造水平井技術(shù)

在石油天然氣開發(fā)中，水平井壓裂能有效地提高油藏的采收率，更高效地利用油藏資源。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)原油的需求量也在不斷增加，這就要求水平井工藝不斷改進(jìn)，以達(dá)到更好地開發(fā)和利用油氣資源的目的。在水平井壓裂工藝優(yōu)化中，提出了一種改進(jìn)的分步壓裂工藝。連續(xù)油管壓裂是一種新的、安全的、能顯著提高油氣開采效果的技術(shù)。這種技術(shù)的操作過程十分簡單，而且能夠?qū)?duì)油井造成的傷害降到最低，提高原油的采收率[7]。另外，在水平井壓裂工藝中，使用性能優(yōu)異的壓裂劑，可有效降低壓裂時(shí)對(duì)儲(chǔ)層的傷害。今后，通過壓裂工藝的進(jìn)一步開發(fā)，將使壓裂工藝向低污染的方向發(fā)展，減少對(duì)油藏的傷害，推動(dòng)石油和天然氣資源開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展。

(4)加強(qiáng)技術(shù)和施工管理

隨著壓裂工藝的不斷發(fā)展和改進(jìn)，工藝管理和控制已經(jīng)逐漸成為制約壓裂工藝發(fā)展的一個(gè)主要因素[8]。在工藝施工過程中，對(duì)工藝、管理等方面的控制不到位，造成水平井分段壓裂過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題或隱患。因此，必須在技術(shù)上進(jìn)一步完善，從建筑設(shè)備、建筑材料的選擇等方面進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)于建筑機(jī)械，要按照其適宜的溫度、濕度來對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，并且在建筑過程中按需要對(duì)其進(jìn)行修理、維護(hù)。為了避免因材料不符合要求而引起的壓裂施工質(zhì)量問題，應(yīng)選用低污染、低摩阻、攜砂能力強(qiáng)的壓裂液和與地層相適應(yīng)的壓裂砂[9]。

3.結(jié)束語

以水平井分段壓裂工藝為代表的低滲透儲(chǔ)層安全環(huán)保石油壓裂技術(shù)，是目前能夠滿足國內(nèi)原油開采需求的一種技術(shù)形態(tài)，值得大力推廣。在今后的發(fā)展過程中，要不斷地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，不斷地改進(jìn)監(jiān)控技術(shù)，強(qiáng)化對(duì)設(shè)備與材料的管理，并做好總體開采方案與規(guī)劃，從而更好地促進(jìn)油田開發(fā)工作的有序進(jìn)行，為油田企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。