水動(dòng)力壓裂技術(shù)在海上油田應(yīng)用的可行性分析

鄒信波，劉 帥，江任開，楊 光，段 錚，匡臘梅，孫 林，李旭光

1中海石油（中國）有限公司深圳分公司2中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

0 引言

根據(jù)國家能源戰(zhàn)略的要求，中國海上油田對(duì)低滲儲(chǔ)層開發(fā)的需求越來越迫切，但目前低滲儲(chǔ)層儲(chǔ)量大、動(dòng)用程度低，開發(fā)效果普遍不理想。受儲(chǔ)層多近水、平臺(tái)空間受限、作業(yè)成本高等［1］因素限制，陸地油田開發(fā)低滲儲(chǔ)層常用的水力壓裂技術(shù)在海上油田受到限制，難以經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)。目前海上油田主要增產(chǎn)措施為酸化技術(shù)，年施工井次約500井次，但酸化改造能力弱，作業(yè)效果不理想。因此，海上油田采用了如爆燃?jí)毫选⑽毫训刃∫?guī)模改造技術(shù)，并與酸化技術(shù)聯(lián)作，取得較理想的增產(chǎn)效果，但受海洋環(huán)保、安全性等嚴(yán)格限制，難以規(guī)模實(shí)施。

為解決上述問題，一種不受現(xiàn)有因素限制、綠色環(huán)保的“水動(dòng)力壓裂”技術(shù)［2-3］被論證。該項(xiàng)技術(shù)不涉及任何民用爆炸品，技術(shù)成本低，在海上油田低滲儲(chǔ)層具有較大應(yīng)用潛力。

1 海上油田增產(chǎn)技術(shù)面臨難點(diǎn)

（1）海上油田低滲儲(chǔ)層大部分面臨近水難題，據(jù)統(tǒng)計(jì)距離水層約3～15 m［4］。2006年起，海上油田實(shí)施水力壓裂達(dá)到50余井次，但實(shí)施效果不理想。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海上某區(qū)塊數(shù)量占比52%的井因地層出水或壓裂后產(chǎn)出硫化氫而致使壓裂效果并不理想，數(shù)量占比48%的井受平臺(tái)空間限制，難以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開發(fā)。

（2）海上油田鉆井費(fèi)用是陸地油田的十余倍，工程費(fèi)用更是高達(dá)幾十倍，開發(fā)成本高，同時(shí)海上油田的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量門檻高，即海上油田經(jīng)濟(jì)累產(chǎn)量需要達(dá)到陸地油田的十余倍，內(nèi)部收益率才能實(shí)現(xiàn)12%的基礎(chǔ)開發(fā)指標(biāo)。

（3）“物理+化學(xué)”聯(lián)作是海上油田近年來倡導(dǎo)的低滲油田增產(chǎn)技術(shù)理念，如爆燃?jí)毫阉峄?lián)作這一低成本改造技術(shù)，它費(fèi)用僅為水力壓裂的1/4～1/10［5］，卻實(shí)現(xiàn)平均單井增油43 m3/d，增產(chǎn)倍比高達(dá)11.9倍，經(jīng)濟(jì)效益顯著。但技術(shù)涉及的民用爆炸品除了需要爆炸物品作業(yè)、公安局備案運(yùn)輸、爆炸物品存儲(chǔ)等系列資質(zhì)以外，海上油田還會(huì)涉及船舶載運(yùn)危險(xiǎn)貨物以及平臺(tái)的防火防爆、防雷防靜電等環(huán)節(jié)，導(dǎo)致技術(shù)在海上油田難以規(guī)模實(shí)施。

因此，海上油田急需一種綠色、低成本、高效的增產(chǎn)技術(shù)。

2 水動(dòng)力壓裂技術(shù)研究現(xiàn)狀

根據(jù)水擊機(jī)理，當(dāng)在有壓管道中，液體流速發(fā)生急劇變化所引起的壓強(qiáng)大幅度波動(dòng)的現(xiàn)象稱為水擊，在水利部門需要克服這種影響，防止管道嚴(yán)重變形或爆裂。而在石油行業(yè)中利用這種水擊“增能”的能量，達(dá)到爆燃?jí)毫杨愃频男Ч?/p>

“水動(dòng)力壓裂”也稱“水力沖擊壓裂”，該技術(shù)是利用流體的水擊（水錘）原理，借助井筒中井液的重力勢(shì)能和流體的可壓縮性、慣性，產(chǎn)生1.1～3倍地層破裂壓力的瞬時(shí)高壓壓破地層，并在近井筒3～15 m范圍內(nèi)，產(chǎn)生3～8條裂縫的小型高壓水力壓裂技術(shù)。

該技術(shù)主要采用水力沖擊器進(jìn)行水力脈沖壓裂破巖及擴(kuò)縫。水力沖擊器主要由油管、導(dǎo)流短節(jié)、沖擊片、沖擊室、柱塞、篩管等部件組成，如圖1所示。水力沖擊器的工作原理：地面泵加壓，當(dāng)泵注壓力和液柱壓力之和大于沖擊片破裂壓力，沖擊片瞬時(shí)破裂；油管及油套環(huán)空液體通過導(dǎo)流短節(jié)在巨大壓差下大量進(jìn)入0.1 MPa的沖擊室中，形成高速液流；高速液流沖至下柱塞遇阻，產(chǎn)生水擊效應(yīng)，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，產(chǎn)生極高瞬時(shí)壓力；壓力將柱塞推出，產(chǎn)生大大超過巖石破裂壓力的水力沖擊力。

圖1 水擊沖擊器示意圖

假設(shè)2 000 m井液柱壓力20 MPa，地面泵注壓力24 MPa，沖擊室長度13 m，管徑0.076 m，壁厚0.01 m，水擊速度可達(dá)1 367 m/s，水力沖擊壓力可達(dá)108.6 MPa［6］，該壓力是沖擊片壓力的2～3倍，并經(jīng)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)檢測，實(shí)測壓力和計(jì)算值相差無幾［7］。

水動(dòng)力壓裂技術(shù)從70～80年代由前蘇聯(lián)研究并應(yīng)用于油水井解堵中，國內(nèi)于1982年開始研究，1983年在中原衛(wèi)城油田衛(wèi)74井［8］進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)取得成功，目前在吉林、大慶、河南、長慶、遼河、勝利、大港油田進(jìn)行應(yīng)用，應(yīng)用規(guī)模不大，至今30余年應(yīng)用井次才約1 000井次［9-15］。

該項(xiàng)技術(shù)增產(chǎn)作用機(jī)理主要包括機(jī)械造縫作用、水力脈沖作用兩方面［16］。陸地曾對(duì)實(shí)施的多口井況進(jìn)行檢測，顯示地層產(chǎn)生裂縫，但裂縫縫長有限，縫長10 m左右，縫寬小于0.5 mm［17］。同時(shí)水擊沖擊作用壓力不斷振蕩并衰減，形成多個(gè)壓力波，可以使裂縫不斷延伸并產(chǎn)生新裂縫，導(dǎo)流能力提高，同時(shí)起到負(fù)壓脈沖解堵效果。

目前陸地油水動(dòng)力壓裂田技術(shù)主要以實(shí)現(xiàn)多次連續(xù)水擊為主，并形成配套技術(shù)［10-15］。

3 水動(dòng)力壓裂技術(shù)在海上油田應(yīng)用的可行性

3.1 儲(chǔ)層可行性

根據(jù)陸地油田應(yīng)用的井況統(tǒng)計(jì)，水動(dòng)力壓裂技術(shù)應(yīng)用滲透率范圍較廣，主要用于低滲油水井中，例如河南寶浪油田8口注水井，應(yīng)用的儲(chǔ)層滲透率＜15 mD，此外還應(yīng)用于中高滲油井中，例如勝利油田東辛、孤島等采油廠實(shí)施23井次，其中X23-34井儲(chǔ)層滲透率為630 mD。遼河油田的45-026-183井儲(chǔ)層滲透率為1 647 mD；此外，陸地油田應(yīng)用井深在

2 000～4 000 m。

海上低滲油田儲(chǔ)層滲透率小于50 mD，除部分井滲透率僅1～10 mD外，已開發(fā)井多集中在10～50 mD；同時(shí)低滲儲(chǔ)層埋深在2 000～5 000 m，目前開發(fā)的主力油田主要以2 000～4 000 m為主。因此，海上油田實(shí)施的儲(chǔ)層條件，相對(duì)陸地油田而言，應(yīng)該更加優(yōu)良。

水動(dòng)力壓裂技術(shù)主要應(yīng)用于海上油田低滲儲(chǔ)層物性差的井、存在嚴(yán)重污染的井、薄層且近水不適合水力壓裂的井、受平臺(tái)空間限制無法進(jìn)行水力壓裂的井、單獨(dú)酸化效果不理想的井、受資質(zhì)問題限制無法進(jìn)行爆燃?jí)毫训木?，需要注意的是目前該技術(shù)并不適合在套管受損或者固井質(zhì)量不理想的井況中應(yīng)用。

3.2 工藝可行性

首先，水動(dòng)力壓裂改造能力遠(yuǎn)低于水力壓裂技術(shù)，與爆燃?jí)毫严喈?dāng)，但不如陸地爆燃?jí)毫训碾娎|作業(yè)方便，因此也決定了它在陸地油田的應(yīng)用規(guī)模，但在諸多技術(shù)受限的海上油田，它卻具有較大的應(yīng)用空間。

其次，在應(yīng)用井況上，由于陸地油田作業(yè)前未進(jìn)行有效監(jiān)測與控制，對(duì)于一些老井套管產(chǎn)生破壞變形，也限制了水動(dòng)力壓裂技術(shù)的應(yīng)用。因此，在海上應(yīng)用時(shí)需要優(yōu)選套管和固井質(zhì)量好的井況，并提前強(qiáng)化峰值壓力計(jì)算、進(jìn)行井況條件檢測等工作。

水動(dòng)力壓裂技術(shù)工藝簡單，只需要常規(guī)泵即可作業(yè)，海上平臺(tái)具有泥漿泵、泥漿池等固定設(shè)備，為技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)造了優(yōu)良條件，另外跟酸化技術(shù)聯(lián)作時(shí)，用現(xiàn)場酸化泵和罐即可完成施工，對(duì)于主要以酸化技術(shù)為主的海上油田，只需要多增加一套水力沖擊器即可，不再需其它大型設(shè)備，基本不占平臺(tái)空間。

此外，對(duì)于海上油田的井況來說，海上油田主要以?244.48 mm或?177.8 mm套管為主，現(xiàn)有水力沖擊器能滿足海上油田作業(yè)條件，且由于該技術(shù)產(chǎn)生的瞬間高壓與爆燃?jí)毫鸭夹g(shù)具有一定相似性，海上油田在管柱安全、井口安全、壓力校核等也積累大量經(jīng)驗(yàn)，具有較好的應(yīng)用環(huán)境。

3.3 經(jīng)濟(jì)可行性

與水力壓裂技術(shù)相比，費(fèi)用將大大降低，適用于薄層、近水等特殊儲(chǔ)層，突破平臺(tái)空間、水源受限的井況；與爆燃?jí)毫鸭夹g(shù)相比，費(fèi)用還將降低30%以上，造縫效果、安全性、聯(lián)作效率等得到提升；技術(shù)形成的配套工具可重復(fù)利用，成本低，且易形成自主化產(chǎn)權(quán)的配套技術(shù)，一次性投入將長期受益。

4 海上油田水動(dòng)力壓裂技術(shù)攻關(guān)思路

由于海上油田與陸地油田在油藏、井筒等方面的一些差異，因此需要針對(duì)海上油田施工難點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)。

4.1 一趟管柱多級(jí)水動(dòng)力壓裂技術(shù)

目前陸地油田實(shí)施的井況多以單層多次作業(yè)為主，因此各研究機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)多次連續(xù)水擊［10-14］，但海上油田儲(chǔ)層層厚、跨度較大、小層多，同時(shí)海上油田多層合采井或水平井?dāng)?shù)比例多，如果直接采用現(xiàn)有技術(shù)，需要多次起下管柱實(shí)施，影響作業(yè)時(shí)效，因此需要研究一趟管柱多級(jí)水動(dòng)力壓裂。

目前現(xiàn)有國內(nèi)外一趟管柱多段水擊的方法主要通過多個(gè)水力沖擊器直接串聯(lián)［15］，通過環(huán)空不同壓力等級(jí)進(jìn)行加壓作業(yè)，面臨部分層位無法啟動(dòng)、需要大馬力泵、易破壞井壁或管柱等問題。因此，可借助于水力壓裂的多級(jí)或者無級(jí)滑套等思路，研發(fā)海上油田的多級(jí)作業(yè)技術(shù)。

4.2 研發(fā)適合?244.48 mm 或?177.8 mm 套管水力沖擊器

目前陸地油田多采用外徑114 mm、長度13 m的水力沖擊器，以發(fā)揮最大的水擊速度和水擊壓力的效能，在海上油田井筒尺寸改變情況下，需要重新進(jìn)行工具尺寸設(shè)計(jì)。并根據(jù)海上油田不同井況的井深，優(yōu)選沖擊片的鋼材和厚度，海上油田曾進(jìn)行過深水井套管環(huán)空泄壓裝置研究，破裂盤閥體選用SS316不銹鋼，爆破片選用NS312鎳洛合金［18］，兩項(xiàng)技術(shù)的啟動(dòng)機(jī)理類似，可以借鑒引申研究。

4.3 海上油田工藝安全性研究

目前陸地水動(dòng)力壓裂管柱還略顯單薄，海上油田在爆燃?jí)毫寻踩苤矫娣e累了一定經(jīng)驗(yàn)，可與水動(dòng)力壓裂管柱進(jìn)一步結(jié)合，可優(yōu)選鉆桿、減震器、震擊器等工具進(jìn)行結(jié)合和校核，確保作業(yè)管柱安全。并通過巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、巖石動(dòng)態(tài)破裂模擬裝置、實(shí)驗(yàn)井模擬實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證技術(shù)安全性。

其次，海上平臺(tái)分為生產(chǎn)平臺(tái)、中間平臺(tái)、作業(yè)平臺(tái)等不同空間，生產(chǎn)平臺(tái)無法像陸地油田一樣進(jìn)行采用地錨和鋼絲繩固定井口進(jìn)行水動(dòng)力壓裂作業(yè)，需要具有海上油田工藝安全控制方法。

4.4 水動(dòng)力壓力及裂縫模擬與檢測

在石油工程領(lǐng)域，欠缺模擬技術(shù)方面研究，需要與水利工程領(lǐng)域進(jìn)一步結(jié)合，根據(jù)水擊理論，建立相關(guān)模型，并開發(fā)專業(yè)化軟件，模擬峰值壓力變化及裂縫形態(tài)。同時(shí)還需要進(jìn)行峰值壓力檢測、模擬軟件校核、實(shí)施效果跟蹤等工作。

5 結(jié)論

（1）為了解決中國海上油田低滲儲(chǔ)層多近水、平臺(tái)空間受限、作業(yè)成本高等問題，提出了適合于海上油田改造的水動(dòng)力壓裂技術(shù)，該技術(shù)具有爆燃?jí)毫杨愃频臋C(jī)械造縫作用、脈沖作用，國內(nèi)外應(yīng)用效果明顯。

（2）從儲(chǔ)層可行性、工藝可行性、經(jīng)濟(jì)可行性三個(gè)方面，論證該項(xiàng)技術(shù)在海上油田的可行性，與海上油田現(xiàn)有技術(shù)相比，費(fèi)用將大大降低，并適用于薄層、近水等特殊儲(chǔ)層，突破平臺(tái)空間、水源受限的井況。在海上油田這個(gè)特殊環(huán)境下，該項(xiàng)技術(shù)具有較大的應(yīng)用前景。

（3）針對(duì)海上油田與陸地油田在油藏、井筒等方面的一些差異，提出了未來海上油田水動(dòng)力壓裂技術(shù)攻關(guān)的方向，分別為一趟管柱多級(jí)水動(dòng)力壓裂技術(shù)、研發(fā)適合?244.48 mm或?177.8 mm套管水力沖擊器、海上油田工藝安全性研究和水動(dòng)力壓力及裂縫模擬與檢測。