關于水平井分段壓裂技術的國內外調研

于文博,蘭佩文,李瑞東（西安石油大學機械工程學院,西安710300）

關于水平井分段壓裂技術的國內外調研

于文博,蘭佩文,李瑞東
（西安石油大學機械工程學院,西安710300）

摘要:隨著世界經濟的發展，石油這一不可再生資源在社會發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新。水平井分段壓裂技術自2002年開始，經過數年的快速發展，形成了可以與不同完井條件相適應的水平井分段壓裂技術。作為非常規油氣開發的主要技術，水平井分段壓裂技術有許多優點，可以大幅提高采收率，同時也取得了長足的進步與發展，世界上專門研究該技術的公司也屢見不鮮，可以說得到了國際與社會的廣泛關注。本文主要介紹水力噴砂分段壓裂技術。通過對其國內外現狀、工藝分析、優化方法等方面進行研究，以期為水平井分段壓裂技術的發展與探索提供參考。

關鍵詞:水平井；分段壓裂；水力噴砂；國內外現狀；優化

1　前言

近幾年石油開采技術的發展在全球都備受關注，越來越多的探明儲量都屬于低滲透儲層，開采難度大，經濟效率低，水平井的發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是在井段中以較短的時間壓裂多條裂縫的關鍵。水力噴射分段壓裂技術在逐年快速發展。

本文主要選取水力噴砂分段壓裂技術作為范例，來介紹水平井分段壓裂技術的國內外發展情況，關鍵技術和分析優化等方面，希望可以對水平井分段壓裂技術的發展有所幫助。

2　水力噴砂壓裂技術的國內外發展情況

2.1水力噴砂壓裂技術的國內發展情況

我國從1970年開始就將水射流技術從煤炭領域運用到了石油行業以實現增產，自首次試驗成功以來，短短六年時間，該技術已在長慶油田、四川油田等八個油氣田進行了現場應用，在遼河、勝利、中原等油田取得良好效果，平均單井增產20%～30%。截止2011年底，已應用于全國近300口井，目前已成為中國水平井分段改造的主體技術之一。

2005年，長慶油田與哈利伯頓油服公司合作引進了水平井水力噴砂分段壓裂技術，成功實施了靖平一井、莊平三井兩口井6段水力噴砂分段壓裂實驗。其中靖平一井實現分段壓裂兩段，被認為是國內第一口實現水力噴砂分段壓裂的水平井[1]。

截止2011年，各項技術得到了進一步的發展。我國研發了小直徑封隔器并形成了水力噴砂與小直徑封隔器聯作分段壓裂技術。在噴孔的形態上有了新的認識，改變了其傳統的紡錘形。同時，完成了不動管柱水力噴射3段壓裂，提高了使用拖動管柱的危險，提高了作業效率。近年來，成功應用了水力噴砂雙噴射器工具，實現了水平井多簇壓裂。

2.2水力噴砂壓裂技術的國外發展情況

近年來，由于連續油管的使用和環空壓裂的出現，對水力噴砂壓裂技術來說是一場巨大的變革。2005年初美國Barnett頁巖氣田第一次在水平井使用水力噴砂環空壓裂技術[1]。

在2007年哈利伯頓公司推出了CobraMaxH系列，使用連續油管噴砂射孔的水力噴砂壓裂技術，通過環空壓裂，留砂塞分隔各層，作業后油管沖砂使一趟管柱可以完成射孔和壓裂，同時對連續油管磨損很小，效率和效益都很高，施工風險小。

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

3　水力噴砂分段壓裂技術概括與系統構成

水力噴砂壓裂技術是基于連續性方程、動量方程、伯努利方程等流體力學基本定理形成的磨料射流壓裂方法。以伯努利方程為核心，將流體動能轉化為壓能，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。同時井底壓力被控制在裂縫延伸壓力以下，壓裂下一層段時，已壓開層段不再延伸[1]。因此，水力噴砂壓裂技術具有“自封性”，無需用封隔器與橋塞等隔離工具就可以完成多個層段的增產作業。

水力噴砂系統主要是由油管、噴射工具、油管提升裝置、配套施工車及井口裝置等組成。噴射工具是整個系統的核心部分，它包含了噴嘴、噴射器、小直徑封隔器等其他配套工具。在壓裂過程中，射流具有清洗、剝層和切割的作用。射流對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，水力噴砂壓裂技術的聯接方式主要有兩種：一是使用普通油管將噴射器送到壓裂位置進行作業，二是使用連續油管將噴射器送到壓裂位置進行作業。第一種方法雖然勞動強度大、對井口密封性要求高，但是其成本較低，故在國內廣泛使用。而第二種方法可以提高作業的速度和效率，并且在作業中可以進行修改設計，但連續油管價格高昂，故國際上運用受到了制約。

4　水力噴砂分段壓裂技術的局限與建議

水力噴砂分段壓裂技術在施工過程中具有作業環境差，作業量大，噴嘴經常磨損嚴重等現象，同時噴嘴的結構、分布方式、破巖能力以及與泵壓、排量的優化組合技術還不成熟。所以噴嘴的優化在壓裂中是至關重要的。

建議如下：（1）噴嘴結構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度的圓柱段，使射流效果增強；（2）相同排量下，噴嘴的直徑越大，射孔效果越好，但應在一定范圍內（5.5～6.35mm），否則會影響其排量和速度；（3）噴嘴的材料必須具有高硬度、高耐磨性等特性，但是硬度過高也會使材料的抗拉強度降低，所以選材時應綜合考量；（4）噴嘴在排布問題上應優先考慮螺旋布置，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）噴嘴數量的選擇會影響施工排量，所以在具體施工時應該控制節流壓力在17～35MPa范圍內。

5　總結

水平井分段壓裂技術在未來會趨于完善，它的出現解決了一些直井所不能解決的問題，對提高現有的一些特殊和難以應用的地質儲量，確實是一項技術上的突破。它既有提高油田最終采收率、單井控制儲量多、泄油體積大、產能高、油藏適應能力強等優點，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。但它不會替代直井，而是對直井的補充和發展。各國對水平井的開發越來越重視，水平井分段壓裂技術也在不斷的探索中迸發出璀璨的火花。在未來，這項技術將會得到廣泛的應用與推廣，技術也會有新的突破。

參考文獻：

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

[2]張煥芝.國外水平井分段壓裂技術發展現狀與趨勢[J].石油科技論壇,2012(06).