水力振蕩壓裂技術(shù)研究

王愛國

（中海油能源發(fā)展股份有限公司物流分公司，天津300452）

水力振蕩壓裂技術(shù)研究

王愛國*

（中海油能源發(fā)展股份有限公司物流分公司，天津300452）

水力壓裂技術(shù)是油氣田勘探和開發(fā)的重要技術(shù)手段。在充分調(diào)研分析基礎(chǔ)上，將水力壓裂與水力振蕩技術(shù)相結(jié)合，在壓裂時將靜態(tài)壓裂變?yōu)檫B續(xù)振蕩的動態(tài)加砂壓裂，水力振蕩起到疏通孔喉、降低目的層破裂壓力、提高加砂速度等作用，減少了壓裂用液量，進而提高壓裂效果、降低施工成本。因此，水力振蕩壓裂技術(shù)是一個新的、可行的發(fā)展方向，這項技術(shù)的深入研究和推廣應(yīng)用是水力壓裂技術(shù)發(fā)展的一項突破性進展。

水力壓裂；水力振蕩；低滲透；砂堵；水力脈沖

水力壓裂是油氣井增產(chǎn)、注水井增注的一項重要技術(shù)措施，是目前煤層氣、頁巖氣、致密砂巖等特低滲透油田開發(fā)不可缺少的一個開發(fā)環(huán)節(jié)［1］。它不僅廣泛應(yīng)用于低滲透油氣藏的開發(fā)，而且在中高滲透油氣藏的增產(chǎn)改造中也取得了很好的效果。

水力壓裂技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)非常成熟，但在一些特殊情況下還存在一些問題，比如國內(nèi)有些區(qū)塊在水力壓裂過程中屢屢出現(xiàn)施工壓力過高、加砂困難甚至砂堵等現(xiàn)象，尤其是大型壓裂施工過程中，雖經(jīng)多種方法嘗試后有所緩解，但效果非常有限。目前解決這方面問題的主要方法有：壓裂過程中降低加砂速度，提高壓裂液粘度；壓裂前用各種壓力振擊器疏通炮眼等，但這些方法會引起另外一些方面的問題：（1）施工成本高；（2）與壓裂作業(yè)過程不能同時進行，導(dǎo)致作業(yè)時間長；（3）工作液選擇不當(dāng)，容易對地層造成二次傷害。而將水力振蕩技術(shù)應(yīng)用于水力壓裂施工過程中，可有效解決以上問題。

1　水力振蕩作用機理

水力振蕩產(chǎn)生水力脈沖波，水力脈沖波攜帶能量在目的層中傳播，以振動和沖擊方式激發(fā)振動場內(nèi)的介質(zhì)，使介質(zhì)質(zhì)點的某些物理量（如位移、速度、加速度、壓力等）發(fā)生反復(fù)、周期性變化，從而起到清除孔隙粘附層、剪切造縫、疏通孔喉、解聚降粘等作用［2-3］。

2　水力振蕩技術(shù)的應(yīng)用

水力脈沖振動解堵技術(shù)［4］：利用小型水力振蕩器取代注水井的水嘴，在注水壓力作用下，對油層起到定量配水和水力振蕩處理作用，使水力振蕩變成長期的預(yù)防措施。該種技術(shù)可在地面管線上安裝脈沖振動發(fā)生器（壓力開關(guān)裝置）進行周期性升、降壓，可使注水泵產(chǎn)生的靜水壓力變?yōu)閯铀畨毫Γ褂蛯涌妆谂c堵塞顆粒之間的靜摩擦變?yōu)閯幽Σ粒诙啻沃貜?fù)作用下，其間的摩擦力將逐漸減小，堵塞顆粒被松動，并在降壓期間從地層排入井內(nèi)，解除地層堵塞，恢復(fù)地層吸水能力。

水力沖擊法解堵技術(shù)［5］：水力沖擊解堵技術(shù)是利用高壓液體將沖擊片爆破閥突然打開，產(chǎn)生瞬時高速流體突然遇阻而引起水力沖擊，產(chǎn)生瞬時高壓。此壓力波在井筒及油層孔隙中傳遞，進行解堵。它的增油作用機理體現(xiàn)在2個方面：機械作用和水力作用。機械作用是壓力直接作用在巖層上使其破碎，產(chǎn)生裂縫；水力作用是指壓力波的傳播、反射和疊加所形成的壓力脈動對地層的振動作用，它可破壞堵塞顆粒與儲層巖石之間的凝聚力，使輸油孔道毛細(xì)管徑發(fā)生變化，導(dǎo)致毛細(xì)管的周期性脹縮，有利于提高油層的滲透率。

3　水力振蕩壓裂技術(shù)

根據(jù)材料力學(xué)和斷裂力學(xué)，材料在交變應(yīng)力作用下，破壞時的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于靜負(fù)荷時的強度極限或屈服極限。同樣，地層巖石在脈沖壓力產(chǎn)生的交變應(yīng)力作用下，地層表層產(chǎn)生周期性的張壓應(yīng)力，由于地層的抗張強度低，所以脈沖動壓力可以降低巖石的結(jié)構(gòu)強度，使破裂壓力比靜水破裂壓力低，容易在地層產(chǎn)生微裂縫，并加速擴展和延伸現(xiàn)有裂縫［6］。另一方面，由于壓裂液受到脈沖壓力的擾動，支撐劑的沉降速度大大降低，壓裂液攜砂能力大大提高，從而盡快把支撐劑輸送到縫端，改善鋪砂剖面，達(dá)到飽填砂的目的，進而提高壓裂效果。因此，參考水力振蕩技術(shù)的應(yīng)用實例，應(yīng)用相關(guān)理論分析可知：如果將水力壓裂與振蕩技術(shù)相結(jié)合，那么在壓裂的同時，振蕩技術(shù)能起到疏通孔喉、降低目的層破裂壓力、提高加砂速度等作用，這樣壓裂效果會明顯提高，且施工復(fù)雜程度沒有任何增加［7］。

4　關(guān)鍵技術(shù)研究進展

水力振蕩壓裂技術(shù)核心裝置為射流振蕩壓裂工具，簡稱水力振蕩器。俄羅斯、美國、加拿大以及我國在這方面都進行了相關(guān)研究。

4.1國外相關(guān)研究

前蘇聯(lián)井下水力振源的研制工作開始于20世紀(jì)60年代［8］。從1967年開始先后開展了低頻波彈性振動處理井底地帶的試驗工作；聲處理井底地帶的試驗工作；用射流泵造成多次壓降來處理油層的實驗。低頻彈性波處理技術(shù)主要采用108型分流振動器，已處理5000口井，增產(chǎn)原油500×104t，增加注水量150×104m3，有效期1～1.5年；射流泵處理油層的實驗，處理成功率為80%，注水井吸水量增加了0.5～2倍，油井產(chǎn)量提高0.5～1倍。隨著水力振動技術(shù)的發(fā)展，振動器的頻率越來越低（＜3000Hz），而振動的強度越來越大，并與自動監(jiān)測手段結(jié)合形成了自動控制系統(tǒng)，還與酸化、水力壓裂等強化措施結(jié)合使用。從20世紀(jì)60年代末到現(xiàn)在前蘇聯(lián)用各種振動法處理井底地帶的采油井在1.2萬口以上，注水井2500口左右，增產(chǎn)原油900多萬噸，增加注水量300×104m3左右。

20世紀(jì)80年代以后美國的井下振動裝置開始采用水力作動力，頻率大約為100Hz，可利用流量來調(diào)節(jié)其大小。由Los Alamos國家實驗室、Law rence伯克利國家實驗室和加利福尼亞大學(xué)伯克利分校聯(lián)合研究了巖芯在低頻波動下的所受到的影響，同時該項目組在加州的Center Valley進行了現(xiàn)場的井下振動試驗，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過處理后的油井其產(chǎn)油量有明顯增加。

加拿大的振動采油主要應(yīng)用于稠油開采。1997年有關(guān)人員開始了壓力脈沖技術(shù)的室內(nèi)實驗研究，1998 年9月在PE-TECH公司的支持下進行了現(xiàn)場單井實驗，1999年開展了全油田范圍內(nèi)的應(yīng)用，效果良好。他們研制利用的振蕩器有：常用的反饋式振蕩器［9］（主要由于解堵），如圖1所示；新型反饋式振蕩器［10］（主要用于清洗井眼），如圖2所示。

2005年，哥倫比亞使用該振蕩器進行清洗作業(yè)后，增產(chǎn)500桶石油當(dāng)量，產(chǎn)量下降幅度從作業(yè)前的6%降至2%。2006年9月，舊金山油田使用該振蕩器進行增產(chǎn)處理后，SF 28井10月就增產(chǎn)133桶石油當(dāng)量［11］。2009年，阿爾及利亞將它作為核心裝置制造出FO工具［12-14］用來進行洗井，產(chǎn)生了顯著生產(chǎn)收益，產(chǎn)量從0增加至8.81m3/h。北非的一口井也通過上述FO工具進行酸化作業(yè)，使油井產(chǎn)量從0.99m3/h增加至7.67m3/h。

圖1　常用的反饋式振蕩器結(jié)構(gòu)圖

圖2　新型反饋式振蕩器橫截面示意圖

目前，該流體振蕩器在國外已被廣泛用作輔助技術(shù)來促進增產(chǎn)，效果明顯。該技術(shù)相對于國產(chǎn)振蕩器較為先進，其功效與工作狀態(tài)也適宜與壓裂作業(yè)結(jié)合，但到目前為止卻未見與水力壓裂相結(jié)合的使用情況報道。

4.2國內(nèi)相關(guān)研究工作進展

我國開展振動采油研究起步較晚。20世紀(jì)90年代初，周曉君等人成功研制出亥姆霍茲振腔式水力振蕩器；孫應(yīng)力等人研制出反饋式水力振蕩器；吉林油田研制出滑閥式水力振蕩器；2008年中石油玉門油田作業(yè)公司采油工藝研究所研制出壓差式低頻水力脈沖器（滑閥式水力振蕩器改進而成），這些技術(shù)在油田已取得了廣泛的應(yīng)用。

通過對比分析，上述4種水力振蕩器的性能指標(biāo)各有優(yōu)劣，如表1所示。

從表1可以看出，在理論上應(yīng)優(yōu)選反饋式振蕩器作為水力振蕩壓裂核心裝置，但是共振腔式振蕩器（如亥姆霍茲式、風(fēng)琴管式振蕩器）也不錯，而且制作是最簡單的［15］。所以，現(xiàn)場應(yīng)用時應(yīng)結(jié)合具體情況來進行優(yōu)選。

5　水力振蕩壓裂技術(shù)研究趨勢分析

目前，水力振蕩壓裂技術(shù)在處于剛起步階段，要想該技術(shù)盡快應(yīng)用于現(xiàn)場創(chuàng)造效益，必須重點開展以下2方面的研究：

表1　各種振蕩器性能比較

首先是脈沖射流發(fā)生器的深入研究，使之與水力壓裂工具配套。現(xiàn)階段射流振蕩器有許多種，可根據(jù)實驗來選擇和制作適合水力振蕩壓裂的脈沖射流發(fā)生器。要應(yīng)用于現(xiàn)場，必須研究水力振蕩對管柱是否有不利影響，對套管及水泥石是否有不利影響，是否會導(dǎo)致封隔器坐封失效等，以保證整套裝置的安全性、可靠性及作用效果。

其次是要研究壓裂液、支撐劑的運動狀態(tài)。壓裂液在振蕩器附近的動力學(xué)過程為一個平衡流動→偏離平衡→趨向平衡的復(fù)雜過程。在振蕩器之前一段距離上，可以認(rèn)為流體與支撐劑之間處于動力學(xué)平衡狀態(tài)，在經(jīng)過振蕩器時，流體已開始在壓差作用下加速，同時粘度降低；固相支撐劑因質(zhì)量大、慣性大則加速比較慢。如何讓兩相流動協(xié)調(diào)作用，以便于起到理想的鋪砂效果，需要深入研究壓裂液和支撐劑兩相流動狀態(tài)問題。

6　結(jié)論

（1）水力壓裂技術(shù)是勘探和開發(fā)油氣田的重要支撐技術(shù)，大力發(fā)展水力壓裂技術(shù)是油田現(xiàn)場需求趨勢。水力振蕩壓裂技術(shù)可以進行連續(xù)振蕩加砂壓裂，把射流振蕩處理油層技術(shù)與水力壓裂相結(jié)合，變靜態(tài)壓裂為連續(xù)振蕩動態(tài)加砂壓裂，具有降低施工壓力、破裂壓力，提高加砂速度，減少用液量，進而提高壓裂效果、降低施工成本等特點，且施工簡便易行。故水力振蕩壓裂技術(shù)是一個新的、可行的發(fā)展方向，這項技術(shù)的深入研究和推廣是水力壓裂技術(shù)發(fā)展的一項突破性進展。

（2）通過比較，反饋式振蕩器可優(yōu)先考慮作為水力振蕩壓裂技術(shù)核心裝置，該裝置簡單實用，對所有水力壓裂最為適用。

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TD82.72

A

1004-5716（2016）08-0074-03

2015-08-11

2015-08-28

王愛國（1963-），男（漢族），河南葉縣人，高級工程師，現(xiàn)從事鉆完井生產(chǎn)管理及研究工作。