關(guān)于水平井分段壓裂技術(shù)的國(guó)內(nèi)外調(diào)研

于文博,蘭佩文,李瑞東（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,西安710300）

關(guān)于水平井分段壓裂技術(shù)的國(guó)內(nèi)外調(diào)研

于文博,蘭佩文,李瑞東
（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,西安710300）

摘要:隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油這一不可再生資源在社會(huì)發(fā)展中的作用日益顯著，石油的開采方式也在不斷的突破與創(chuàng)新。水平井分段壓裂技術(shù)自2002年開始，經(jīng)過(guò)數(shù)年的快速發(fā)展，形成了可以與不同完井條件相適應(yīng)的水平井分段壓裂技術(shù)。作為非常規(guī)油氣開發(fā)的主要技術(shù)，水平井分段壓裂技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)，可以大幅提高采收率，同時(shí)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步與發(fā)展，世界上專門研究該技術(shù)的公司也屢見不鮮，可以說(shuō)得到了國(guó)際與社會(huì)的廣泛關(guān)注。本文主要介紹水力噴砂分段壓裂技術(shù)。通過(guò)對(duì)其國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀、工藝分析、優(yōu)化方法等方面進(jìn)行研究，以期為水平井分段壓裂技術(shù)的發(fā)展與探索提供參考。

關(guān)鍵詞:水平井；分段壓裂；水力噴砂；國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀；優(yōu)化

1　前言

近幾年石油開采技術(shù)的發(fā)展在全球都備受關(guān)注，越來(lái)越多的探明儲(chǔ)量都屬于低滲透儲(chǔ)層，開采難度大，經(jīng)濟(jì)效率低，水平井的發(fā)展大大提高了集水建筑物與地下水非飽和帶中的氣體、地下油氣的接觸面積，有效地提高了流體的抽取效率。水平井分段壓裂技術(shù)是在井段中以較短的時(shí)間壓裂多條裂縫的關(guān)鍵。水力噴射分段壓裂技術(shù)在逐年快速發(fā)展。

本文主要選取水力噴砂分段壓裂技術(shù)作為范例，來(lái)介紹水平井分段壓裂技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況，關(guān)鍵技術(shù)和分析優(yōu)化等方面，希望可以對(duì)水平井分段壓裂技術(shù)的發(fā)展有所幫助。

2　水力噴砂壓裂技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況

2.1水力噴砂壓裂技術(shù)的國(guó)內(nèi)發(fā)展情況

我國(guó)從1970年開始就將水射流技術(shù)從煤炭領(lǐng)域運(yùn)用到了石油行業(yè)以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，自首次試驗(yàn)成功以來(lái)，短短六年時(shí)間，該技術(shù)已在長(zhǎng)慶油田、四川油田等八個(gè)油氣田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，在遼河、勝利、中原等油田取得良好效果，平均單井增產(chǎn)20%～30%。截止2011年底，已應(yīng)用于全國(guó)近300口井，目前已成為中國(guó)水平井分段改造的主體技術(shù)之一。

2005年，長(zhǎng)慶油田與哈利伯頓油服公司合作引進(jìn)了水平井水力噴砂分段壓裂技術(shù)，成功實(shí)施了靖平一井、莊平三井兩口井6段水力噴砂分段壓裂實(shí)驗(yàn)。其中靖平一井實(shí)現(xiàn)分段壓裂兩段，被認(rèn)為是國(guó)內(nèi)第一口實(shí)現(xiàn)水力噴砂分段壓裂的水平井[1]。

截止2011年，各項(xiàng)技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。我國(guó)研發(fā)了小直徑封隔器并形成了水力噴砂與小直徑封隔器聯(lián)作分段壓裂技術(shù)。在噴孔的形態(tài)上有了新的認(rèn)識(shí)，改變了其傳統(tǒng)的紡錘形。同時(shí)，完成了不動(dòng)管柱水力噴射3段壓裂，提高了使用拖動(dòng)管柱的危險(xiǎn)，提高了作業(yè)效率。近年來(lái)，成功應(yīng)用了水力噴砂雙噴射器工具，實(shí)現(xiàn)了水平井多簇壓裂。

2.2水力噴砂壓裂技術(shù)的國(guó)外發(fā)展情況

近年來(lái)，由于連續(xù)油管的使用和環(huán)空壓裂的出現(xiàn)，對(duì)水力噴砂壓裂技術(shù)來(lái)說(shuō)是一場(chǎng)巨大的變革。2005年初美國(guó)Barnett頁(yè)巖氣田第一次在水平井使用水力噴砂環(huán)空壓裂技術(shù)[1]。

在2007年哈利伯頓公司推出了CobraMaxH系列，使用連續(xù)油管噴砂射孔的水力噴砂壓裂技術(shù)，通過(guò)環(huán)空壓裂，留砂塞分隔各層，作業(yè)后油管沖砂使一趟管柱可以完成射孔和壓裂，同時(shí)對(duì)連續(xù)油管磨損很小，效率和效益都很高，施工風(fēng)險(xiǎn)小。

貝克休斯公司也在近幾年推出了OptiFrac-SJ系列，使用了連續(xù)油管噴砂射孔、沙塞隔離和環(huán)空壓裂技術(shù)，泵注過(guò)程中連續(xù)油管可放在井內(nèi)，并且壓裂級(jí)數(shù)不受限制[2]。

3　水力噴砂分段壓裂技術(shù)概括與系統(tǒng)構(gòu)成

水力噴砂壓裂技術(shù)是基于連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、伯努利方程等流體力學(xué)基本定理形成的磨料射流壓裂方法。以伯努利方程為核心，將流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，流體在噴嘴處形成高速射流射開套管和地層并形成一定深度的噴孔，在噴孔附近制造出水力裂縫，將巖石破壞出縫隙。同時(shí)井底壓力被控制在裂縫延伸壓力以下，壓裂下一層段時(shí)，已壓開層段不再延伸[1]。因此，水力噴砂壓裂技術(shù)具有“自封性”，無(wú)需用封隔器與橋塞等隔離工具就可以完成多個(gè)層段的增產(chǎn)作業(yè)。

水力噴砂系統(tǒng)主要是由油管、噴射工具、油管提升裝置、配套施工車及井口裝置等組成。噴射工具是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，它包含了噴嘴、噴射器、小直徑封隔器等其他配套工具。在壓裂過(guò)程中，射流具有清洗、剝層和切割的作用。射流對(duì)巖石的破壞主要取決于其沖擊壓力分布情況以及磨料濃度大小。

目前，水力噴砂壓裂技術(shù)的聯(lián)接方式主要有兩種：一是使用普通油管將噴射器送到壓裂位置進(jìn)行作業(yè)，二是使用連續(xù)油管將噴射器送到壓裂位置進(jìn)行作業(yè)。第一種方法雖然勞動(dòng)強(qiáng)度大、對(duì)井口密封性要求高，但是其成本較低，故在國(guó)內(nèi)廣泛使用。而第二種方法可以提高作業(yè)的速度和效率，并且在作業(yè)中可以進(jìn)行修改設(shè)計(jì)，但連續(xù)油管價(jià)格高昂，故國(guó)際上運(yùn)用受到了制約。

4　水力噴砂分段壓裂技術(shù)的局限與建議

水力噴砂分段壓裂技術(shù)在施工過(guò)程中具有作業(yè)環(huán)境差，作業(yè)量大，噴嘴經(jīng)常磨損嚴(yán)重等現(xiàn)象，同時(shí)噴嘴的結(jié)構(gòu)、分布方式、破巖能力以及與泵壓、排量的優(yōu)化組合技術(shù)還不成熟。所以噴嘴的優(yōu)化在壓裂中是至關(guān)重要的。

建議如下：（1）噴嘴結(jié)構(gòu)一般采用圓錐收斂型噴嘴，為了使流量收斂，在噴嘴前端可以加一定長(zhǎng)度的圓柱段，使射流效果增強(qiáng)；（2）相同排量下，噴嘴的直徑越大，射孔效果越好，但應(yīng)在一定范圍內(nèi)（5.5～6.35mm），否則會(huì)影響其排量和速度；（3）噴嘴的材料必須具有高硬度、高耐磨性等特性，但是硬度過(guò)高也會(huì)使材料的抗拉強(qiáng)度降低，所以選材時(shí)應(yīng)綜合考量；（4）噴嘴在排布問(wèn)題上應(yīng)優(yōu)先考慮螺旋布置，這種布置方式使噴嘴間相互干擾減少，提高了噴嘴的壽命，還提高了射流效率；（5）噴嘴數(shù)量的選擇會(huì)影響施工排量，所以在具體施工時(shí)應(yīng)該控制節(jié)流壓力在17～35MPa范圍內(nèi)。

5　總結(jié)

水平井分段壓裂技術(shù)在未來(lái)會(huì)趨于完善，它的出現(xiàn)解決了一些直井所不能解決的問(wèn)題，對(duì)提高現(xiàn)有的一些特殊和難以應(yīng)用的地質(zhì)儲(chǔ)量，確實(shí)是一項(xiàng)技術(shù)上的突破。它既有提高油田最終采收率、單井控制儲(chǔ)量多、泄油體積大、產(chǎn)能高、油藏適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，也特別適于陡峭油層、垂直裂縫、稠油和氣頂、底水等油層中使用。但它不會(huì)替代直井，而是對(duì)直井的補(bǔ)充和發(fā)展。各國(guó)對(duì)水平井的開發(fā)越來(lái)越重視，水平井分段壓裂技術(shù)也在不斷的探索中迸發(fā)出璀璨的火花。在未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用與推廣，技術(shù)也會(huì)有新的突破。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳奇.水平井水力噴砂分段壓裂技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2013:1-9,115.

[2]張煥芝.國(guó)外水平井分段壓裂技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].石油科技論壇,2012(06).