水平井壓裂工藝技術現狀及展望

姚展華，張世林，韓祥海，劉理民，趙永杰，陶立達，潘艷萍

（渤海鉆探工程有限公司井下技術服務分公司，天津300283） ①

水平井壓裂工藝技術現狀及展望

姚展華，張世林，韓祥海，劉理民，趙永杰，陶立達，潘艷萍

（渤海鉆探工程有限公司井下技術服務分公司，天津300283）①

在廣泛調研國內外水平井壓裂工藝的基礎上，分析了水平井分段壓裂工藝、水平井壓裂技術及存在的主要問題，展望了水平井壓裂技術發展趨勢，對水平井分段壓裂工藝的選擇具有指導意義。

低滲透油氣藏；水平井；壓裂；工藝

在我國油氣勘探開發面臨新油田油藏類型越來越復雜、老油田挖潛難度越來越大的新形勢下，提高油田開發效益，高效開發邊際油田，最大限度地提高油藏采收率，已成為石油行業共同追求的目標。

近幾年，我國原油新增儲量的70%屬于低滲透油藏，使開采方式、油井生產動態表現出特殊性［1］。實現儲量的有效動用，大幅度提高單井產量是開發低滲透油田急需解決的問題。水平井作為薄儲層、低滲透、稠油油氣藏、小儲量邊際油氣藏等的油藏開發最有效手段之一［1－4］，由于其能夠增大油藏的泄油面積，改變流體在油藏中的滲流機理和方式，大幅度提高單井產量，目前已廣泛應用于整裝、斷塊、邊底水、稠油、低滲透、特殊巖性等油藏，特別是在復雜斷塊、稠油、低滲透等邊際油田的開發中發揮了重要作用，其應用比例高達60%以上。圖1表明了中石油水平井數量在大幅度增長。

圖1 中石油水平井數量增長趨勢

應用水平井開發低滲透油藏的關鍵問題是儲層改造，如果儲層改造技術和工藝配套有問題，應用水平井開發低滲透油田的經濟效益將大幅度降低［5－6］。

1 水平井壓裂技術

為了充分利用水平井開發低滲透油氣藏，水平井壓裂技術是首選的有效方式。目前水平井壓裂技術主要有限流法壓裂和分段壓裂2類［7－8］。

1.1 限流分段壓裂技術

1.1.1 壓裂原理

限流法分段壓裂是一種完井壓裂技術，主要用于未射孔的新井。限流壓裂是通過嚴格限制射孔炮眼的數量和直徑，并采用盡可能大的注入排量施工，用最先被壓開部位的炮眼限流，大幅度地提高井底壓力，進而迫使壓裂液分流，一次性壓開欲壓裂的全部裂縫。水平井限流法壓裂原理如圖2。行施工的難題。由于施工工序繁瑣，作業周期長，使得綜合成本高，因此，該技術沒有得到大范圍的發展和推廣應用［7－8］。但隨著各項技術的進步與發展，開發了一種新的化學隔離分段壓裂技術，即自破膠液體膠塞（如圖3）水平井分段壓裂工藝。先將射孔壓裂管柱下入水平井最端部地層，采用水力噴射進行射孔壓裂，然后注入水溶性自破膠液體膠塞；上提射孔壓裂管柱到第2層，再次采用水力噴砂射孔進行壓裂；依此逐次壓開多段地層。該工藝最大的特點是膠塞在使用時能承受一定的壓差，耐溫性能好，成膠時間可調，且能自動破膠，破膠時間可控，無殘渣，低傷害，可實現壓裂時的有效封堵，從而實現水平井的分段壓裂。

圖2 限流法壓裂原理

水平井限流法壓裂與直井限流壓裂原理相同，但又有獨特之處。

1） 施工控制井段長，規模大，施工井段為固液2相的變質量流，因此在長層段中存在沿程流體摩阻，與直井不同，孔眼限流摩阻值的計算不能僅考慮壓裂層段間的破裂壓力差值。當確定最大施工排量時，水平井筒引起的摩阻通常也是限制因素。

2） 攜砂液引起的炮眼侵蝕對流量分配及裂縫形態影響很大。射孔侵蝕對垂直井的流體分布影響較小，但對水平井作業中流體的分布有很大影響。通常認為根部孔眼首先接觸攜砂液，所以根端孔眼受到的沖擴程度比趾部的大得多。

3） 水平井限流法壓裂與垂直井壓裂的主要區別是壓裂液存在徑向流區，增加了近井裂縫的復雜程度，產生附加摩阻，因此高濃度砂漿在其中流動風險很大。

1.1.2 工藝特點

優點是不下入工具，施工簡單，施工周期短，一次施工便可以壓開多條裂縫，有利于油層保護。缺點是受射孔孔眼回壓影響較大，單條裂縫控制困難；由于施工能力的限制，當水平井筒較長且裂縫數目較多時，單條裂縫孔數較少，改造強度受影響。

該技術在大慶油田已有應用。

1.2 化學隔離分段壓裂技術

該技術主要用于套管井，解決井筒由于套管變形、段間距小、井下有落物等無法使用機械封隔器進

圖3 水溶性自破膠液體膠塞

該工藝在長慶油田塞平1井進行了4段壓裂，在大慶及華北油田共施工5口井6井次，施工成功率100%。

1.3 雙封隔器上提多段壓裂技術

1.3.1 原理及特點

該技術可一次分段射開所有待改造層段。壓裂時利用導壓噴砂封隔器的節流壓差壓裂管柱，先坐封壓裂最端部的一段地層，采用解封上提再次坐封的方式，一趟管柱完成各個層段的壓裂，壓裂原理如圖4。該技術具有分層改造目的性和可控性強、井筒隔離和壓裂效果好等特點。

1.3.2 需要解決的問題

1） 需要拖動管柱，施工周期長。

2） 封隔器反復坐封密封膠筒易破裂，需重新起下管柱，增大作業量，增加成本。

3） 容易出現封隔器砂卡，解封困難，造成井下事故。

1.3.3 應用

該技術在大慶油田葡萄花和扶余儲層壓裂中進行了應用［6－8］。截至目前，共完成136口井667段施工，平均單井壓裂4.9段，施工工藝成功率95.6%。水平井雙封單卡分段壓裂技術于2010－09在大慶油田州扶51－平52井成功實施一趟管柱15個層段的壓裂現場試驗，創國內水平井分段壓裂單趟管柱壓裂層段數的新紀錄。

1.4 水力橋塞分段壓裂技術

橋塞封層技術起源于20世紀60年代，我國在20世紀80年代末開始引進，經過近20a的不斷研制開發和配套完善，在耐高溫、高壓、多用途、可回收、可靠性等方面得到了一系列的進步，使得橋塞分層技術在直井分層壓裂方面日趨于完善。目前在水平井分段壓裂施工中主要應用了2種水平井橋塞壓裂工藝。

1.4.1 封隔器＋機械橋塞

封隔器＋機械橋塞分段壓裂原理如圖5。該技術采取逐段射孔、逐段壓裂的技術，即從最底部開始射開第1段，油管壓裂，機械橋塞坐封封堵；再射開第2段，油管壓裂，機械橋塞坐封封堵，按照該方法依次壓開所需改造的井段，打撈橋塞，合層排液求產。封隔器＋機械橋塞分段壓裂技術不但具備雙封分壓的優點，而且一旦砂卡，處理事故比雙封管柱容易，但是壓后需下入工具打撈橋塞、砂埋或砂卡的風險還是比較大；頻繁起下管柱，對高壓氣井作業影響較大，施工周期比較長，使地層浸泡時間長，易造成污染［9］。此技術在吐哈油田牛平17－14水平井應用并取得良好效果。

圖5 封隔器＋機械橋塞分段壓裂原理

1.4.2 水力泵入式可鉆橋塞

水平井水力泵入式快鉆橋塞壓裂技術具有封隔可靠、分段壓裂級數不受限制、裂縫布放位置精準的特點，作為一項新興的水平井改造技術，近年來在國外頁巖氣藏以及致密氣藏開發中得到廣泛應用。水力泵入式可鉆橋塞分段壓裂原理如圖6，工藝步驟為：①用連續油管或爬行器拖動射孔槍下入，進行第1段射孔；②取出射孔槍，進行第1段壓裂作業；③電纜作業下入可鉆橋塞，射孔槍水平段開泵泵送橋塞至設計位置；④點火坐封橋塞；⑤上提射孔槍至設計位置并射孔；⑥提出射孔槍和橋塞下入工具；⑦投球至橋塞球座封隔已壓裂層，并對該層進行壓裂作業；⑧用同樣的方式，根據下入段數依次下入橋塞，射孔，壓裂；⑨分段壓裂完成后，采用連續油管鉆除橋塞，排液求產。

該工藝也有局限性，例如分層壓裂施工周期相對較長、施工動用設備多、費用高、水平井水平段長度受限等。

該技術在長慶油田蘇東13－65H2井完成了15段壓裂，目前正在排液階段。

圖6 水力泵入式可鉆橋塞分段壓裂原理

1.5 環空封隔器分段壓裂技術

1.5.1 原理

環空封隔器分段壓裂原理如圖7。將封隔器下入到設計位置，在油管內施加一定的壓力坐封環空壓裂封隔器，從油套環空完成壓裂施工。解封時從油管加壓直到剪斷解封銷釘，同時打開洗井通道，洗井后提出壓裂管柱。重復上述作業過程，實現分射分壓［4－5，7］。

1.5.2 優點

1） 下井工具少，一旦出現砂卡事故，處理難度要比雙封和封隔器橋塞分層壓裂管柱小。

2） 液體摩阻小，有利于提高施工排量、降低施工壓力。

1.5.3 應用

吉林油田由于井較淺，大部分水平井采用環空分段壓裂技術，已在扶平1井、扶平2井等23口井實施分段環空壓裂施工41段，施工均達到設計要求，成功率100%。用該工藝壓裂投產的水平井，壓后初期產量10.8～14.2m3／d，穩定產量為周邊直井產量的3～5倍。

圖7 環空封隔器分段壓裂原理

1.6 單封壓2層壓裂技術［9－11］

單封壓2層壓裂原理如圖8。將分層壓裂管柱下入井筒內，向油管內投入鋼球至節流器的定壓球座上，向油管內施加液壓坐封二級封隔器，然后升壓打掉下部球座并對下部油層壓裂施工；下部油層壓裂完成后，向油管內再投入一個較大的鋼球至定壓噴砂器的球座上，向油管內加壓至剪釘被剪斷，中心管下行并封閉油管內向下層的液流通道；此時分層壓裂開關的節流閥打開，壓裂液和支撐劑通過節流閥進入上部油層開始對上部油層壓裂施工；壓裂完畢后，由于多功能分層壓裂開關的補償器作用，分級解封二級封隔器，提出壓裂管柱。該壓裂管柱結構簡單，且卡工具的風險小。

該技術在長慶、勝利、江蘇、吉林等油田均有應用。

圖9 水力噴射原理

圖8 單封壓2層壓裂原理

1.7 水力噴射加砂分段壓裂技術［12－13］

1.7.1 原理

水力噴射分層壓裂（HJF）是集射孔、壓裂、隔離為一體的新型增產措施，使用專用噴射工具產生高速流體穿透套管和巖石形成孔眼，射流在噴射通道中形成增壓，環空中泵入流體增加環空壓力，噴射流體增壓和環空壓力的疊加超過破裂壓力壓開地層。其技術原理是根據伯努利方程，流體通過噴射工具時壓能被轉換成動能，高速流體沖擊形成射孔通道完成水力射孔；裂縫形成后，高速流體噴射進入孔道和裂縫，孔道相當于一個“射流泵”；環空流體在射流作用下進入地層維持裂縫的延伸，控制環空壓力低于地層的延伸壓力。整個過程利用水動力學原理實現水力封隔，不需要其他機械封隔措施。通過拖動管柱，將噴嘴放到下一個需要改造的層段，可依次壓開所需改造井段。水力噴射原理、水力噴射拖動分段壓裂、噴砂射孔壓裂增產工藝工具分別如圖9～11。

國內外已有數百口井用該技術進行過酸壓或加砂壓裂處理。

圖10 水力噴射拖動分段壓裂

圖11 噴砂射孔壓裂增產工藝工具

1.7.2 優點

1） 不需要機械封隔，能夠自動隔離，可用于裸眼、套管完井。

2） 一次管柱可進行多段壓裂，施工周期短，有利于降低儲層傷害。

3） 可進行定向噴射壓裂，準確造縫。

4） 噴射壓裂可以有效降低地層破裂壓力，保證高破裂壓力地層的壓開和壓裂施工。

5） 該工藝壓井次數少，對儲層傷害小，施工程序簡單，能夠產生較高的經濟效益。

6） 施工安全性高，可以用一趟管柱在水平井中快速、準確地壓開多條裂縫，水力噴射工具可以與常規油管相連接入井，也可以與大直徑連續油管相結合，使施工更快捷。

1.8 封隔器＋滑套噴砂器分段壓裂技術［7，15］

水平井封隔器＋滑套分段壓裂（如圖12）是一種適合低滲透油田油井開發，在套管內不動管柱一次性完成5段以內的機械分段壓裂工藝技術。其工藝原理是采取從趾端到跟端順序射孔、壓裂的方式作業（以3段為例）。首先，下入射孔槍，同時射開最趾端處的3個壓裂井段，起出射孔槍；按照設計連接管柱下入預定深度，油管加液壓完成兩級封隔器坐封，再提高壓力等級打掉定壓滑套，打開壓裂下部層段通道，壓裂下部層段；投球棒封堵底部通道，打開壓裂中間層段通道，壓裂中間層；投球棒解封下部封隔器；投球棒打開壓裂上部通道，壓裂上部層段；投球棒解封上封隔器，反洗井后起出壓裂管柱；起管柱遇卡丟開下封，下入打撈工具撈出下封隔器。此工藝管柱和封隔器不受卡距限制，可以對長、短射孔段針對性壓裂改造；由于全過程液壓動作，井下工具少，潛在的事故點大大減少，施工更加安全可靠。該項工藝已在吉林油田的FP64井、FP32井兩口井開展了現場應用，封隔器動作正常，工藝管柱性能穩定，取得了滿意的效果。

圖12 水平井封隔器＋滑套噴砂器分段壓裂

近年來，斯倫貝謝、貝克休斯、加拿大封隔器能源服務公司等相繼推出水平井多級壓裂技術，為世界完井市場提供了典范。

斯倫貝謝的Stage－FRAC水平井多級壓裂技術結合其先進的壓裂液體系，可以準確放置壓裂液，裂縫導流能力高、壓裂液損害小，可將完井時間從幾天縮短到幾小時，一次壓裂級數可達17級。

加拿大封隔器能源服務公司的StackFrac技術使用的可彭脹封隔器，可以隨井眼變化而變形，極好地適應并下高溫高壓環境，目前應用的水平井最深達到7 620m。

貝克休斯的水平井裸眼壓裂系統除了有裸眼封隔器和小球座封壓裂滑套之外，還增加了襯管頂部封隔器和壓力坐封滑套。在美國北達科他貝肯頁巖層進行了8級壓裂。

2 水平井壓裂優化設計

壓裂設計包括產能預測、裂縫數量優選及縫長優化、射孔位置確定、射孔炮眼數量和孔徑確定、施工排量范圍、壓裂液及支撐劑等。水平井壓裂后一般形成多條裂縫，在壓裂過程中，由于地應力在水平井長度方向上的差異以及壓裂技術的限制，使得形成的多條裂縫在長度、導流能力等方面不盡相同，而且在生產過程中各裂縫間相互干擾，進一步增加了水平井壓裂優化設計的復雜性。在水平井壓裂理論研究方面，國內外都投入了大量的人力物力，在裂縫起裂，裂縫延伸，井筒和儲層溫度場，壓后水平井產能預測，壓裂分析軟件方面都取得了很大的進步，但目前常用的水平井壓裂設計軟件都是國外常規壓裂設計軟件，國內還沒有具有自主知識產權的商業化軟件［3－5］，更沒有完全適合于水平井壓裂的設計軟件。

3 水平井壓裂技術發展趨勢

由于水平井具有許多直井不可比擬的優勢，水平井數必將快速增加，尤其是復雜結構井的增加，給水平井儲層改造技術提出更高要求。依據國內外的研究與需求，近幾年水平井壓裂技術的發展趨勢應主要有以下幾方面。

3.1 不動管柱多次水力噴射分段壓裂技術

此技術即是本文1.7所述，此后應在水力噴射輔助壓裂的基礎上，通過對工具和管柱結構進行改進，實現對水平井一趟管柱真正意義上的多段（10段以上）壓裂施工。該技術既可以用于裸眼井和篩管完井，也可以用于水泥完井，管柱結構簡單，施工風險小，將會得到快速發展完善，形成主導技術。

3.2 水平井連續油管分段壓裂技術

20世紀80年代，國外就已將連續油管應用在油氣層改造上，并形成了配套技術。連續油管壓裂是一種新的安全、經濟、高效的油田服務技術，從上世紀80年代開始在油氣田應用。連續油管壓裂技術特別適合于具有多個薄油、氣層的井進行逐層壓裂作業和水平井分段壓裂作業。起下壓裂管柱快，操作簡單，大大縮短了作業時間。適用于水力噴射、限流、滑套等不同壓裂管柱。國外已多次成功實施連續油管水力噴射壓裂，尤其在環空注入壓裂方面取得了很大的進步，而國內還沒有相關的現場試驗，如何實施環空注入壓裂施工還停留在初步階段，需要進一步研究與現場試驗，同時相應配套工具和設施有待進一步改進與完善。隨著井下工具及各項配套技術的發展，連續油管壓裂必將形成一種適合于不同壓裂方式的獨特壓裂技術［17］。

3.3 定點多級封隔器分段改造完井技術

定點多級封隔器分段改造完井技術是一次性入井實現水平井選擇性分段隔離、分段改造工藝技術，這種封隔器在套管內及裸眼段均可以達到較高的耐壓指標，適用于多類油氣井的增產改造。定點多級封隔器分段改造完井技術主要由遇烴膨脹封隔器和滑套式噴砂器等組成。假設壓裂5層，則一趟管柱上把5段所需要的封隔器（10套）連接下到位，第1段采用普通噴砂器，后4段采用滑套噴砂器，壓完第1段后打開上一段的滑套噴砂器壓上段，實現多段分段壓裂。由于滑套不能重復開關，不能保證井筒完整性，不適用于壓后生產測試或其他需要重復作業的油氣井，但由于該管柱結構簡單，性能可靠，適用面比較寬。隨著國產裸眼封隔器工具系列的不斷完善和現場應用越來越多，定點分段多級封隔器分段壓裂技術將為低滲透儲層的經濟高效開發提供有力的技術支撐，再進一步縮短遇油膨脹時間，并適當降低造價后將會得到快速發展［15－16］。

3.4 高性能壓裂液與支撐劑技術

由于水平井壓裂施工周期較長，要求壓裂液對地層傷害性越小越好，甚至做到無傷害。目前國內外壓裂液體系都朝著地層傷害小，環境友好型方向發展，并不斷提高其耐鹽抗溫能力，當前清潔壓裂液雖然低傷害，但價格較高，適應油層溫度較低（小于120℃）。為適應長期關井降低傷害的要求，水平井壓裂液應加強超低表界面張力技術、無濾餅或濾餅可降解濾餅技術、超穩定長效破膠劑技術，智能層內增能助排技術，低成本清潔壓裂液、無固相壓裂液等研究。近年來，國外支撐劑回流控制技術不斷完善，包膠支撐劑的適應能力、應用范圍和性能指標也在不斷提高。正在開展低密度支撐劑、纖維與熱塑膜覆膜等技術研究開發［4，18－19］。

3.5 水平井壓裂監測技術

通過水平井壓裂監測可為優化壓裂設計與施工、制定合理開發方案等方面提供借鑒。水平井壓裂時裂縫產生和擴展的過程中，會產生沿地層傳播的微型地震波，采用合適的接收儀器接收該地震波，通過分析就能確定裂縫的幾何尺寸等參數。井下微地震裂縫監測技術是運用該原理發展而來的一種行之有效的裂縫監測技術，該技術通過對壓裂施工全過程的監測和反演地層裂縫參數理論的研究，了解地層參數和壓裂施工形成的裂縫長度、高度及裂縫導流能力，且可獲得裂縫的幾何形態和相關地層參數，為類似區塊的地層改造提供借鑒。隨著各種精密儀器及相關配套技術的成熟與發展，水平井壓裂監測將會在以后的措施改造中發揮越來越重要的作用。

4 結論

1） 水平井開發經過約10a的科技攻關，取得了很多成果，水平井的增產措施是低滲透、邊底水、斷塊等油氣藏長期高效開發的重要手段，應加大水平井的分段壓裂現場工藝研究。

2） 結合水平井壓后裂縫形態和生產過程中油氣在裂縫中的滲流機理，建立考慮裂縫干擾的產能預測計算模型，為優化設計提供理論基礎。

3） 目前的國內外壓裂設計軟件都不太適合水平井的壓裂改造設計需要，雖然目前的軟件具有多裂縫設計功能，在產量預測方面考慮的太少，如果沒有考慮裂縫間的干擾、裂縫間距、裂縫位置等對產量的影響，需要研發適合水平井壓裂改造的軟件。

4） 水平井分段壓裂改造工藝技術難點在于分段壓裂工藝方式選擇和井下封堵工具，需要對此進行高效實用的研究開發與應用。

5） 水平井壓裂的特殊性要求壓裂液和支撐劑及其配套技術進一步提高。

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Status and Prospect of Horizontal Well Fracturing Technology

YAO Zhan－hua，ZHANG Shi－lin，HAN Xiang－hai，LIU Li－min，ZHAO Yong－jie，TAO Li－da，PAN Yan－ping
（Downhole Technology Service Company，BHDC，Tianjin300283，China）

In view of the difference between horizontal wells and vertical wells in fractured interval remold，segmentation fracturing technology for horizontal well is illustrated，the main problems in hydro－fracturing was analyzed for horizontal well and the development trend of hydro－fracturing for horizontal well.

low permeability hydrocarbon reservoir；horizontal well；fracturing；technology

1001－3482（2012）01－0056－06

TE357.1

A

2011－07－21

姚展華（1981－），男，天津靜海人，工程師，碩士，2008年畢業于西南石油大學油氣田開發工程專業，目前主要從事試油測試及酸化壓裂方面的工作，E－mail：yzhdoris＠126.com。