井下低頻水力脈動(dòng)壓裂技術(shù)及其應(yīng)用

聶翠平 ，蘭劍平 ，王祖文 ，張 冕，許洪星 ，尹國(guó)勇

1 西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院 2 中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司

0 引言

在低滲、超低滲油氣開發(fā)中，水力壓裂技術(shù)是重要的技術(shù)手段，近年來各大服務(wù)公司重點(diǎn)圍繞水平井壓裂、體積壓裂，在工具、材料和工藝上，形成了系列配套技術(shù)。

針對(duì)裂縫擴(kuò)展控制和支撐問題，斯倫貝謝公司早前推出了旨在提高裂縫導(dǎo)流能力的“高速水力通道（HiWAY Flow-Channel Fracturing）”壓裂技術(shù)并沿用至今，在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)也較多的研究應(yīng)用了相應(yīng)的“脈沖加砂技術(shù)”［1］。近年來，基于優(yōu)化設(shè)計(jì)，斯倫貝謝公司研發(fā)了能壓開更多裂縫的“寬帶壓裂（BroadBand）”系列技術(shù)等［2-3］。

目前，國(guó)內(nèi)水平井壓裂技術(shù)已經(jīng)形成了針對(duì)不同儲(chǔ)層的配套技術(shù)，當(dāng)前主要研究和應(yīng)用重點(diǎn)為6 m3/min以上大排量施工配套技術(shù)，旨在獲得更大壓裂控制體積的規(guī)模化壓裂配套技術(shù)和體積壓裂（SRV）配套技術(shù)［4-7］。

在煤礦井下巷道強(qiáng)化瓦斯抽排中，已經(jīng)有學(xué)者研究應(yīng)用了“脈動(dòng)水力壓裂”技術(shù)——通過調(diào)節(jié)流量控制壓力脈動(dòng)的脈動(dòng)注水方式來增加煤層的透氣性，并在工程應(yīng)用中取得了良好的瓦斯強(qiáng)化抽排效果［8］。

針對(duì)致密儲(chǔ)層壓裂中抑制壓裂砂沉降、提高裂縫導(dǎo)流能力，以及有效降低施工壓力和盡可能在縫內(nèi)壓開多分支裂縫問題，基于水力脈動(dòng)壓裂機(jī)理研究確定的合理參數(shù)，研發(fā)了一種水力強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)的井下低頻水力脈動(dòng)發(fā)生裝置，脈動(dòng)發(fā)生裝置直接連接于噴砂器之上，在不改變?cè)惺┕ぴO(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，形成了井下低頻水力脈動(dòng)壓裂新技術(shù)。

1 脈動(dòng)壓裂技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

1. 1 脈動(dòng)壓裂機(jī)理

1. 1. 1 脈動(dòng)降低起縫壓力

水力壓裂施工中，井下低頻水力脈動(dòng)裝置產(chǎn)生一定頻率和壓力波幅的水力脈動(dòng)，脈動(dòng)壓力導(dǎo)致儲(chǔ)層巖石產(chǎn)生明顯的疲勞損傷，起縫壓力和裂縫延伸壓力降低。

脈動(dòng)壓力波的傳播將引起裂縫內(nèi)壓力的劇烈變化，且各點(diǎn)的壓力隨時(shí)間變化。有學(xué)者研究了水力壓力波在裂縫中的傳播，認(rèn)為脈動(dòng)壓力波在裂縫傳播中將產(chǎn)生“反射”、“往復(fù)”、“疊加”等效應(yīng)，瞬變流計(jì)算結(jié)果表明，縫內(nèi)壓力為波動(dòng)壓力，其升高值可達(dá)壓力波動(dòng)幅值的3 ～ 5倍；其他相關(guān)的理論計(jì)算和模擬觀測(cè)也表明，縫內(nèi)壓力升高值通?？蛇_(dá)脈動(dòng)壓力波幅的1.5～3倍，最高可達(dá)5倍［8］。水力壓裂中，由于縫內(nèi)壓力升高，理論上裂縫起縫和擴(kuò)展不再完全受地應(yīng)力和巖石抗拉強(qiáng)度控制，利于產(chǎn)生更多分支裂縫，形成復(fù)雜裂縫。

1. 1. 2 脈動(dòng)強(qiáng)化攜砂和鋪砂

在水力壓裂裂縫中，壓裂砂粒顆粒受到的拖曳力與上舉力可以表達(dá)為：

式中：FD—拖曳力，N；FL—上舉力，N；CD和CL—是拖曳力系數(shù)和上舉力系數(shù)，通常由實(shí)驗(yàn)得出；d—砂粒直徑，m；ρl—壓裂液密度，kg/m3；u0—壓裂液流速，m/s。

由式（1）、式（2）可以看出，拖曳力和上舉力與流速的平方成正比。

脈動(dòng)作用下裂縫中壓裂液流態(tài)為瞬態(tài)流，其瞬時(shí)流速相比平均流速急劇增大。壓裂液中脈動(dòng)壓力的傳播速度一般在102～ 103m/s，大功率井下低頻脈動(dòng)引起的流速瞬時(shí)峰值遠(yuǎn)大于壓裂液的平均流速，由此產(chǎn)生的劇烈流速波動(dòng)將引起拖拽力和上舉力的急劇變化。

由于壓裂砂尺寸較小，在壓裂砂顆粒表面和底面?zhèn)鞑サ拿}動(dòng)壓力波無滯后，如果壓裂砂沉降，脈動(dòng)作用下壓裂砂顆粒起動(dòng)的上舉力急劇變化，瞬時(shí)峰值急劇增大。因此，脈動(dòng)有利于抑制壓裂砂沉降形成砂堤，而拖拽力增大，有利于壓裂液攜砂到裂縫遠(yuǎn)端。

脈動(dòng)壓力有效促進(jìn)了壓裂液攜砂和抑制壓裂砂沉降，防砂堵。裂液攜砂能力增強(qiáng)，裂縫遠(yuǎn)端也能得到有效支撐，進(jìn)而有效提高了裂縫導(dǎo)流能力。

1. 1. 3 脈動(dòng)降低沿程摩阻

圖1為W油區(qū)現(xiàn)場(chǎng)使用的壓裂液在模擬井溫下的抗剪切性能曲線，從圖1看出，壓裂液在高剪切速率下表現(xiàn)出較低的黏度。

圖1 W油區(qū)壓裂液高溫抗剪切性能曲線

井下大功率低頻脈動(dòng)作用對(duì)管柱內(nèi)和裂縫中的壓裂液產(chǎn)生強(qiáng)剪切，導(dǎo)致壓裂液黏度降低，沿程流動(dòng)摩阻降低，有利于降低施工壓力。

1. 2 合理脈動(dòng)參數(shù)范圍

有學(xué)者研究了抗壓強(qiáng)度為73 MPa砂巖在圍壓作用下的動(dòng)載疲勞特性。采用模擬圍壓分別為2.0 MPa、10.0 MPa、40.0 MPa、三軸常循環(huán)偏應(yīng)力加載頻率分別為0.1Hz、1.0 Hz、3.0 Hz的正弦波動(dòng)載荷，測(cè)試結(jié)果表明，巖石將產(chǎn)生明顯的疲勞損傷。并且在較低頻率下，較少循環(huán)次數(shù)（實(shí)驗(yàn)測(cè)試為15次，時(shí)間約1.5 s）就能導(dǎo)致巖石破壞［9］。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，頻率、圍壓、動(dòng)載加載路徑皆為影響巖石疲勞損傷的重要因素，且低頻下較短時(shí)間產(chǎn)生疲勞破壞。

在相關(guān)脈動(dòng)頻率、脈動(dòng)壓力幅度等對(duì)巖石強(qiáng)度影響方面，針對(duì)煤礦巷道瓦斯抽采井的脈動(dòng)注水相關(guān)研究表明，低頻脈動(dòng)載荷通常能導(dǎo)致明顯的巖石疲勞損傷［10-12］。

在油氣井水力壓裂中的水力脈動(dòng)載荷對(duì)砂巖儲(chǔ)層巖石的影響尚未見資料報(bào)道。

針對(duì)油氣井井下低頻脈動(dòng)水力壓裂，設(shè)計(jì)了相關(guān)水力脈動(dòng)對(duì)巖石疲勞損傷的探索性實(shí)驗(yàn)研究。前期研究表明，水力脈動(dòng)載荷（基礎(chǔ)載荷+正弦脈動(dòng)載荷）處理巖石實(shí)驗(yàn)中，基礎(chǔ)載荷對(duì)巖石疲勞損傷影響顯著，脈動(dòng)處理時(shí)長(zhǎng)也有一定影響。

為確定水力脈動(dòng)載荷對(duì)砂巖疲勞損傷的影響，針對(duì)W油區(qū)儲(chǔ)層水力壓裂，考慮施工管柱中封隔器、水力錨在脈動(dòng)作用下能正常工作，實(shí)驗(yàn)研究了水力脈動(dòng)壓力幅度為2 ～ 3 MPa、頻率為3 ～ 30 Hz，基礎(chǔ)載荷約為巖石抗壓強(qiáng)度的80%、脈動(dòng)處理時(shí)長(zhǎng)為10 s條件下的巖石疲勞損傷。

1. 2. 1 水力脈動(dòng)頻率

實(shí)驗(yàn)中采用W油區(qū)C6儲(chǔ)層巖心，模擬地層條件施加圍壓，在巖心夾持器內(nèi)加載25 MPa壓力后在不同脈動(dòng)頻率下施加2 MPa的脈動(dòng)壓力，處理時(shí)長(zhǎng)為10 s，脈動(dòng)處理后巖石的抗壓強(qiáng)度如圖2所示。

圖2 水力脈動(dòng)頻率對(duì)巖石的抗壓強(qiáng)度的影響

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，C6儲(chǔ)層巖石在脈動(dòng)壓力波幅2 MPa短時(shí)間脈動(dòng)處理后，20 Hz較低頻率以下，巖石疲勞損傷程度較大，較高頻率下疲勞損傷程度較小。

對(duì)于砂巖儲(chǔ)層，由于巖石的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度存在確定關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也間接說明了井下低頻水力脈動(dòng)能降低裂縫起縫和延伸壓力，且較低頻率更有利。進(jìn)一步數(shù)值模擬計(jì)算表明，較低脈動(dòng)頻率下水力裂縫中的壓力傳播衰減較小。由此可以確定，在水力脈動(dòng)壓裂中采用低頻更為有利。

1. 2. 2 水力脈動(dòng)壓力波幅

采用全尺寸物理模型模擬測(cè)試水力裂縫中的壓力衰減實(shí)現(xiàn)起來難度偏大。模擬W油區(qū)實(shí)際儲(chǔ)層條件，根據(jù)壓裂施工設(shè)計(jì)模擬計(jì)算的裂縫尺寸，采用瞬變流模型計(jì)算了在半縫長(zhǎng)為100 m、縫高5 m的水力裂縫中，施加波動(dòng)壓力波幅為2 MPa、頻率為15 Hz的正弦波形壓力波時(shí)裂縫中不同位置的脈動(dòng)壓力波幅隨時(shí)間的變化。半縫長(zhǎng)分別為60 m、80 m處壓力波幅隨時(shí)間變化的波形如圖3、圖4所示。

圖3 半縫長(zhǎng)60 m處脈動(dòng)壓力隨時(shí)間變化

圖4 半縫長(zhǎng)80 m處脈動(dòng)壓力隨時(shí)間變化

計(jì)算表明，裂縫中各點(diǎn)脈動(dòng)壓力波幅是隨時(shí)間變化的。在井底施加波幅為2 MPa的脈動(dòng)壓力，脈動(dòng)壓力波幅在半縫長(zhǎng)60 m處衰減為30.8 kPa，在半縫長(zhǎng)80 m處衰減為11.77 kPa。井底施加2 MPa脈動(dòng)壓力波幅，裂縫遠(yuǎn)端的脈動(dòng)壓力波幅在10 kPa級(jí)別。

為確定巖石疲勞損傷與壓力波幅的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)研究了頻率為15 Hz、脈動(dòng)壓力波幅為0.01 ～ 2 MPa范圍內(nèi)，水力脈動(dòng)對(duì)于巖石疲勞損傷的影響。

實(shí)驗(yàn)中同樣采用C6儲(chǔ)層巖心，模擬地層條件，加壓到25 MPa后再施加頻率為15 Hz的脈動(dòng)壓力波幅，處理時(shí)長(zhǎng)10 s，然后測(cè)試處理后巖石的抗壓強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 水力脈動(dòng)壓力波幅對(duì)巖石抗壓強(qiáng)度的影響

從圖5可知，水力脈動(dòng)壓力波幅在0.01 MPa級(jí)別能導(dǎo)致明顯的巖石疲勞損傷，脈動(dòng)壓力波幅越大，巖石的疲勞損傷程度越大，巖石疲勞損傷程度和脈動(dòng)壓力波幅為近似線性關(guān)系。

1. 2. 3 合理脈動(dòng)參數(shù)范圍

基于針對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層巖石的低頻水力脈動(dòng)對(duì)巖石疲勞損傷測(cè)試結(jié)果，以及水力脈動(dòng)傳播衰減計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為井底脈動(dòng)壓力波幅2 MPa、脈動(dòng)頻率15 Hz就能在水力裂縫遠(yuǎn)端產(chǎn)生導(dǎo)致巖石疲勞損傷的有效壓力波幅。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮水力錨錨定、封隔器坐封等施工安全因素，可以確定脈動(dòng)頻率20 Hz以下、2 ～ 3 MPa脈動(dòng)壓力波幅為合理脈動(dòng)參數(shù)。

2 脈動(dòng)發(fā)生裝置研制與測(cè)試

基于井下低頻水力脈動(dòng)合理參數(shù)范圍，在比較多種水力脈動(dòng)發(fā)生原理的基礎(chǔ)上，研制了一種能適應(yīng)當(dāng)前壓裂工藝管柱和施工排量設(shè)計(jì)的新型水力驅(qū)動(dòng)井下低頻脈動(dòng)發(fā)生裝置。

井下低頻水力脈動(dòng)發(fā)生裝置設(shè)計(jì)為一個(gè)連接于噴砂槍之上的工具短節(jié)。采用水力驅(qū)動(dòng)強(qiáng)制脈動(dòng)發(fā)生方式，特殊的防砂卡結(jié)構(gòu)和抗壓裂砂沖蝕表面強(qiáng)化處理，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證了即使脈動(dòng)發(fā)生裝置失效也不影響壓裂施工的繼續(xù)進(jìn)行，而僅僅只是脈動(dòng)發(fā)生功能失效。

從工具整體設(shè)計(jì)上，考慮輸出脈動(dòng)壓力波幅、頻率與施工排量、工作液密度相關(guān)，采取了組配式工具設(shè)計(jì)，下井前依據(jù)壓裂施工設(shè)計(jì)組配工具，保證主壓時(shí)間段裝置輸出參數(shù)在合理范圍。

同時(shí)，在工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，還考慮了適應(yīng)壓裂施工原管柱試油。

完成樣機(jī)加工后，采用測(cè)量精度±0.1% FS、響應(yīng)時(shí)間小于0.1 ms的壓力傳感器，采用自研數(shù)據(jù)接口配套檢波器檢測(cè)脈動(dòng)壓力波動(dòng)幅值、波形和頻率，進(jìn)行了地面模擬測(cè)試。

測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，工具產(chǎn)生水力脈動(dòng)存在最小排量。排量越大，脈動(dòng)壓力波幅越大，頻率越高，且輸出參數(shù)、波形與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工排量有關(guān)。測(cè)試到的水力脈動(dòng)壓力波形近似正弦波。

依據(jù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)樣機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行多次改進(jìn)和完善，確定了適應(yīng)施工排量的脈動(dòng)發(fā)生裝置組配方式。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3. 1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在以往施工壓力偏高的W油區(qū)同一平臺(tái)叢式井組的新井進(jìn)行，目標(biāo)層同為C6砂巖儲(chǔ)層。第一次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在該平臺(tái)A1和A2井，同樣采用該區(qū)成熟的單封單卡壓裂工藝，工藝管柱結(jié)構(gòu)上的區(qū)別僅僅是在噴砂器上方加入了長(zhǎng)度約50 cm的脈動(dòng)發(fā)生裝置。和該平臺(tái)鄰井的階段施工壓力對(duì)比如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)井與鄰井施工壓力對(duì)比

從施工結(jié)果看，相比鄰井，最小施工壓力降低25.8%，最大施工壓力降低14.1%。在施工各階段，水力脈動(dòng)壓裂井施工壓力明顯降低。

在A1和A2井取得施工壓力顯著降低效果后，在該平臺(tái)C井嘗試了以往在其他油區(qū)增油效果明顯，但在W油區(qū)因易砂堵、作業(yè)壓力偏高不能實(shí)施的在加砂中段加入了200 kg水溶性暫堵劑，旨在提高裂縫凈壓力、壓開較多支縫的“多裂縫”壓裂技術(shù)?！岸嗔芽p”壓裂施工曲線如圖7所示。

圖7 C井“多裂縫”壓裂施工曲線

從施工數(shù)據(jù)看，加砂中段加入堵劑過程中施工壓力上升明顯，無砂堵現(xiàn)象。

C井與同平臺(tái)鄰井C1井、C2井的施工壓力對(duì)比如圖8所示。相比鄰井，最小施工壓力偏小，最大施工壓力降低8.3%，“多裂縫”壓裂施工也取得了施工壓力明顯降低效果。

圖8 C井“多裂縫”壓裂與鄰井施工壓力對(duì)比

3口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，低頻水力脈動(dòng)導(dǎo)致巖石疲勞損傷，起縫壓力和裂縫延伸壓力降低，脈動(dòng)剪切還降低了壓裂液沿程流動(dòng)摩阻，施工壓力顯著降低。

3. 2 增產(chǎn)情況

試驗(yàn)井A1、A2井按施工數(shù)據(jù)模擬，壓裂裂縫半縫長(zhǎng)均為70 m，加砂量分別為20 m3和25 m3，鄰井B1、B2井按施工參數(shù)模擬壓裂半縫長(zhǎng)均為80 m，加砂量同為35 m3。試驗(yàn)井相比鄰井，在壓裂半縫長(zhǎng)少10 m，加砂量分別少10 m3、15 m3情形下，自投產(chǎn)275 d內(nèi)，單井總產(chǎn)量略高。

“多裂縫”壓裂試驗(yàn)井C井和鄰井壓裂規(guī)模相當(dāng)，自投產(chǎn)416 d內(nèi)，平均單井增產(chǎn)659.8 t，增產(chǎn)189.47%。

4 結(jié)論與建議

（1）低頻水力脈動(dòng)能導(dǎo)致巖石疲勞損傷、降低水力壓裂沿程摩阻，進(jìn)而顯著降低施工壓力，其中脈動(dòng)頻率和壓力波動(dòng)幅度是關(guān)鍵影響因素。

（2）低頻水力脈動(dòng)能強(qiáng)化攜砂、防砂堵，提高裂縫導(dǎo)流能力并獲得明顯增產(chǎn)效果。

（3）低頻水力脈動(dòng)“多裂縫”壓裂技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用獲得成功，進(jìn)一步證實(shí)了低頻脈動(dòng)能強(qiáng)化攜砂、輔助壓開多支逢并有效支撐裂縫簇，該技術(shù)有望在致密砂巖儲(chǔ)層體積壓裂中獲得應(yīng)用。

（4）由于實(shí)驗(yàn)裝備等多方面條件限制，目前所完成的相關(guān)低頻水力脈動(dòng)壓裂的機(jī)理研究還很膚淺，還需要結(jié)合前期現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)理研究。