水平井分段壓裂工藝技術(shù)綜述

陳建飛，羅楚湘

水平井分段壓裂工藝技術(shù)綜述

陳建飛，羅楚湘

（長江大學(xué)石油工程學(xué)院， 湖北 武漢 430100）

對于低滲透油藏，由于其特點(diǎn)是孔隙度低，滲流阻力大，滲透率低，井底連通性差，不利于油藏的開采。而合理的選擇利用水平井分段壓裂工藝，可以增加油管與儲層的接觸面積，增加泄油面積，可以解決低滲透高致密油藏的開采困難問題，有效的開發(fā)利用油藏，提高油藏采收率，增加油藏的開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益，減少油藏開采的成本。

低滲透油藏；水平井；分段壓裂技術(shù)

眾所周知，低滲透油藏存在著滲流阻力大、油藏的滲透率低、井底連通性差等不利于油田經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定開發(fā)的特點(diǎn)。而另一方面，選擇水平井開發(fā)油藏可以達(dá)到井筒與油層的接觸面積增加的目的，繼而可以提高油氣的產(chǎn)量和油藏最終的采收率。為了實(shí)現(xiàn)油田的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，使得油田的開發(fā)能得到經(jīng)濟(jì)開發(fā)的效果，提高水平井的單井產(chǎn)能，還需要對水平井采取壓裂增產(chǎn)措施，以針對性的解決低滲透油藏的開發(fā)困難問題[1]。

近幾年來，我國原油新增儲量中約70%為低滲透油藏[2]，低滲透油藏的特殊性就表現(xiàn)在開發(fā)方式和油井生產(chǎn)動態(tài)上。開發(fā)低滲透油藏普遍存在的急需解決的問題就是最大限度的提高單井產(chǎn)能，從而實(shí)現(xiàn)儲量的有效動用。正如前文所提到，對于儲層較薄的油藏、低滲透油藏以及高質(zhì)密度的非常規(guī)油氣藏來說，采用水平井開發(fā)方式是行之有效的方法。因?yàn)樗骄淖饔檬悄芷鸬礁纳屏黧w的流動性質(zhì)以及增加油藏的泄油面積、增大油井與儲層的接觸面積等，且水平井開發(fā)廣泛的應(yīng)用于稠油、低滲透、斷塊、邊底水等特殊油藏開采中，特別在非常規(guī)油氣藏、稠油油藏等油田中使用廣泛，其應(yīng)用比例高達(dá)60%以上[3]。

表1 中石油集團(tuán)鉆井作業(yè)中水平井快速增加

上表顯示，中國石油天然氣集團(tuán)公司鉆取水平井的數(shù)量呈大幅度的增長。為了實(shí)現(xiàn)油藏的經(jīng)濟(jì)效益的穩(wěn)步增加，保持平穩(wěn)上升，就要使儲層的改造和相關(guān)工藝配套技術(shù)合理，這也是水平井用于開發(fā)低滲透油藏的關(guān)鍵所在。

水平井有在增加油井與儲層接觸面積、提高單井產(chǎn)能及采收率方面的優(yōu)勢，又因低滲透油藏的滲透率低、連通性能差、滲流阻力高的特點(diǎn)，導(dǎo)致油藏單井產(chǎn)量也會降低，因而不能夠最大限度的滿足油藏開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益，所以還需要對水平井采取分段壓裂增產(chǎn)措施，用以提高采收率，實(shí)現(xiàn)油田的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的。本文將分別介紹了國內(nèi)外主流的水平井分段壓裂工藝技術(shù)，結(jié)合國內(nèi)外水平井分段壓裂技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了水平井分段壓裂的工藝技術(shù)的難點(diǎn)及核心問題，總結(jié)出現(xiàn)階段國內(nèi)外主要的分段壓裂技術(shù)主要有以下種類，包括水平井套管限流壓裂、暫堵砂塞分段壓裂、水平井雙封單卡分段壓裂、滑套式封隔器分段壓裂、水力噴射分段壓裂以及環(huán)空封隔器分段壓裂[4]。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 國外水平井分段壓裂技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1 針對不同完井條件的水平井分段壓裂

經(jīng)過連續(xù)多年的發(fā)展以后，國外在針對不同的完井條件下所形成的水平井分段壓裂技術(shù)主要有以下三種：裸眼封隔器分段壓裂技術(shù)、水力噴射分段壓裂技術(shù)以及快鉆橋塞分段壓裂技術(shù)，在這些壓裂技術(shù)之中，裸眼封隔器分段壓裂技術(shù)應(yīng)用的最為廣泛。

表2 國內(nèi)外水平井分段壓裂主要技術(shù)[5]

1.1.2 降低成本而形成的“工廠化”模式[5]

美國在非常規(guī)油氣田開發(fā)領(lǐng)域之所以取得成功，其關(guān)鍵之處在于極大的降低了開發(fā)過程的成本，確保了壓裂工藝的開發(fā)效果，提高了采收率，增加了單井產(chǎn)量，這其中就是因其采用了一種行之有效的方法 —“壓裂工廠”模式的成功運(yùn)用。早在2005年，美國哈里伯頓公司首先提出了“壓裂工廠”的概念，即在一個壓裂井區(qū)中央?yún)^(qū)域，對方圓幾百米到幾千米的井進(jìn)行壓裂。涉及壓裂工藝的所有工作人員及工藝設(shè)備都布置在中央?yún)^(qū)域，不需要大范圍的走動，對周圍的多口井進(jìn)行壓裂。經(jīng)過多年發(fā)展，這種“壓裂工廠”模式慢慢的轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮S化鉆完井”模式，完井的周期也從原來的60天每口井到目前的20天每5口井左右的水平，大大降低了完井的成本，提高了完井工作的效率。

圖1 工廠化鉆完井示意圖

1.1.3 微震實(shí)時監(jiān)測技術(shù)[6]

近來，隨著水平井分段壓裂技術(shù)的應(yīng)用及迅速發(fā)展，隨之而來的壓裂檢測水平也有所進(jìn)步和突破。2006年，由威德福公司提出的一項(xiàng)名為Frac Map微震壓裂檢測技術(shù)首次成功的在油氣勘探領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化的應(yīng)用[6]。在那以后，國際石油巨頭公司紛紛推出了各自的相關(guān)技術(shù)服務(wù)。這種微震檢測，不僅可以在壓裂過程中實(shí)時獲取井下資料信息，還可以對壓裂過程中的程序進(jìn)行優(yōu)化改良。雖然這種壓裂檢測技術(shù)早已被證實(shí)在壓裂效果、降低壓裂的成本等方面有顯著作用，但就目前的使用率來看，并不是那么的火熱，目前在北美也就2%左右的井使用了該項(xiàng)檢測技術(shù)[1]。

1.2 國內(nèi)水平井分段壓裂技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1 水平井套管限流壓裂

對于未射孔的新井，應(yīng)采用限流法分段壓裂技術(shù)。限流法分段壓裂的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單，無需下入工具，在較短的周期內(nèi)可以壓裂一次獲得多條裂縫，有利于對儲層的保護(hù)。其缺點(diǎn)就是對裂縫的控制難度較大，受施工制約，在長井筒中，當(dāng)裂縫的數(shù)目較多的時候，所獲得的單條裂縫就很少。該技術(shù)已經(jīng)在大慶油田中有所應(yīng)用。

1.2.2 暫堵砂塞分段壓裂

它是與連續(xù)油管壓裂技術(shù)工藝流程較為類似的一種分段壓裂技術(shù)，對于套管完井的水平井的常規(guī)射孔及壓裂過程，一般就采用暫堵砂塞分段壓裂技術(shù)，大致流程是從井筒的最末端開始，射開一段就壓裂一段，然后建立砂塞后，繼續(xù)重復(fù)前面過程，再射開一段壓裂一段。施工結(jié)束后需要進(jìn)行沖砂塞排液[3]。其有如下特點(diǎn):沒有井下工具，施工簡單，作業(yè)風(fēng)險比較低；成本費(fèi)用較低，井底沖沙工藝較為簡便。

暫堵砂塞分段壓裂技術(shù)存在以下缺點(diǎn)：使用的液體膠塞濃度較高時，會對油層產(chǎn)生損傷，而在壓裂施工結(jié)束后進(jìn)行的沖膠塞過程，對油層上下的儲層都會造成損傷，工藝比較繁瑣復(fù)雜，作業(yè)周期長，綜合成本較高。

1.2.3 水平井雙封單卡分段壓裂

雙封分段壓裂工藝流程大致是：首先管柱下入到工程設(shè)計(jì)的相應(yīng)位置處，對封隔器進(jìn)行坐封，用水力錨對管柱錨定，對下部分的層位進(jìn)行壓裂。完成第一次壓裂工作后，通過油管閥門控制，進(jìn)行放噴，釋放井內(nèi)壓力，再將管柱上提至下一壓裂設(shè)計(jì)位置，重新憋壓坐封封隔器，同樣的方法進(jìn)行第二次壓裂過程。重復(fù)上述壓裂過程，從而實(shí)現(xiàn)對多個水平段位置的壓裂。在壓裂工作結(jié)束后，釋壓解封封隔器，上提取出管柱，完成施工流程。

雙封分段壓裂技術(shù)只適合用于部分套管井，管柱的結(jié)構(gòu)簡單，且容易取出管柱。在施工結(jié)束后能夠迅速的將井內(nèi)壓裂液體反排至地面。在此工藝施工過程中，容易發(fā)生井下砂卡事故，需要對管柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，以免造成井下安全事故。

1.2.4 滑套式封隔器分段壓裂

滑套封隔器分段壓裂技術(shù)的主要有壓差式開啟滑套，投球式噴砂滑套、水力錨、坐封球座、封隔器等。

滑套封隔器分?jǐn)嗔鸭夹g(shù)工藝采用的是不動管柱的結(jié)構(gòu)，在不同管柱的位置上運(yùn)用不同低密度的球，進(jìn)行多級分段壓裂，效率較高。此項(xiàng)分段壓裂技術(shù)存在的缺點(diǎn)是其管柱較長，不容易收回管柱及通過彎曲段較為困難。

1.2.5 水力噴射分段壓裂

水力噴射壓裂技術(shù)是包括了水力射孔及水力壓裂的一種新的壓裂增產(chǎn)增效技術(shù)。

水力噴射壓裂技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn):

（1）無需封隔器或橋塞，用于裸眼及套管完井，自動進(jìn)行封隔；

（2）對儲層損傷較小，周期較短，無需多次下入管柱便可以進(jìn)行多次分段壓裂；

（3）對地層的破裂壓裂的降低有顯著效果，可以確保搞破裂壓力的地層壓裂壓開成功。

（4）施工工藝簡便，壓裂次數(shù)少，極大的提高了開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益。

同時也存在以下局限性:

（1）在施工的過程中，油管管柱不能精確下入到指定的部位；

（2）過流面積問題。需要對油管管柱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足管柱的承壓能力，局限性較大。

1.2.6 環(huán)空封隔器分段壓裂

環(huán)空封隔器分段壓裂工藝的優(yōu)點(diǎn)有：工藝簡單，使用井下工具較少，液體的摩阻較小、施工壓力小、排量高。當(dāng)出現(xiàn)砂卡等單井問題時，其診斷解決方法較上述兩種工藝要簡單。

該分段壓裂工藝同時也存在著不足之處：工藝過程對套管有一定的影響，而且在深井中的應(yīng)用還亟待改善。

2 水平井分段壓裂技術(shù)的展望

過去的這幾年，在水平井分段壓裂工藝技術(shù)領(lǐng)域中，國內(nèi)外皆取得了重大性的突破，尤其在非常規(guī)油氣開發(fā)方面，解決了頁巖氣及致密油等非常規(guī)油氣的開采問題，極大的提高了非常規(guī)油氣的采收率。然而，對于各種水平井分段壓裂工藝技術(shù)，都還存在著諸如優(yōu)化設(shè)計(jì)方面、層位選擇方面、裂縫檢測方面等方面的不足及技術(shù)難題。

裂縫級數(shù)優(yōu)化是指，在水平井壓裂工藝中所產(chǎn)生的裂縫，對裂縫的條數(shù)、導(dǎo)流能力、寬度等方面進(jìn)行優(yōu)化。這對于提高油田開發(fā)效果，提高油田采收率方面，有極大的作用。裂縫級數(shù)在分級方面，越是精細(xì)，遇到高產(chǎn)量層位的幾率就越大，增產(chǎn)效果就越顯著。對此，要積極的發(fā)展裂縫級數(shù)優(yōu)化技術(shù)。另外，在裂縫導(dǎo)流能力方面，需采用新的方法，以提高裂縫導(dǎo)流能力。改善分段壓裂工具。分段壓裂工具的改善，勢必能提高分段壓裂的效果，因此還需要在分段壓裂的工具方面進(jìn)行改善，從而提高壓裂能力的效果，節(jié)省時間，提高工作效率，增加油田經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié) 論

（1）對于非常規(guī)油氣藏的開發(fā)，首選水平井分段壓裂工藝技術(shù)。水平井分段壓裂技術(shù)對于地層的滲流能力的提高，泄油面積的增加，以及經(jīng)濟(jì)效益的提高都有顯著的效果。

（2）現(xiàn)階段下，國內(nèi)外使用較為廣泛的水平井分段壓裂技術(shù)主要有機(jī)械封隔器分段壓裂技術(shù)、水力噴射分段壓裂技術(shù)、裸眼管外封隔器分段壓裂技術(shù)以及多段橋塞分段壓裂技術(shù)等。在以上幾種主要的分段壓裂技術(shù)中，機(jī)械封隔器分段壓裂技術(shù)多使用在套管井中，施工效率較高；水力噴射分段壓裂技術(shù)則因其具有自動封堵的特點(diǎn)，因此安全性能比較好，壓裂周期較短，對儲層的損害程度也較低；其中，使用最為廣泛的壓裂技術(shù)當(dāng)屬裸眼封隔器技術(shù)，此工藝可使用在含有水層的井中，其缺點(diǎn)就是存在難以控制裂縫的位置及裂縫延伸時間長短問題；在對橋塞和套管的性能方面要求比較高的時候，一般多選用多級橋塞分段壓裂技術(shù)，而其也具備實(shí)用性比較強(qiáng)，不限制分段數(shù)、可大排量施工等優(yōu)勢。

（3）在發(fā)展水平井分段壓裂技術(shù)的同時，為保證我國的油氣資源的有效開發(fā)利用，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的目的，應(yīng)從分段壓裂工藝中對裂縫級進(jìn)行優(yōu)化，壓裂工藝工具的改進(jìn)以及封隔器質(zhì)量的提高等方面著手，從而提高我國水平井分段壓裂技術(shù)。

［1］張煥芝,何艷青，等.國外水平井分段壓裂技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].石油科技論壇，2012,（6）:47-48.

［2］李少明,王輝，等.水平井分段壓裂工藝技術(shù)綜述 [J].中國石油和化工，2013，（10）:56-58.

［3］陳作,王振鐸,曾華國.水平井分段壓裂工藝技術(shù)現(xiàn)狀及展望 [J].天然氣工業(yè)，2007,27(9):78-80.

［4］杜現(xiàn)飛,王海文,王帥，等.深井壓裂井下管柱力學(xué)分析及其應(yīng)用.石油礦場機(jī)械,2008,37(8):28-31.

［5］李宗田.水平井壓裂技術(shù)現(xiàn)狀與展望 [J]. 石油鉆采工藝，2009，31(6):13-17．

［6］Jody R Augustine. How Do We Achieve Sub-Interval Fracturing[J].SPE 147179, 2011．

Staged Fracturing Technologies for Horizontal Wells

,

（Yangtze University, Hubei Wuhan 430100，China）

For those low permeability reservoirs, they have the characteristics of low porosity, large seepage resistance, low permeability and poor connectivity at the bottom of the well, which are not conducive to reservoir exploitation.However,reasonable choice and use of staged fracturing technology for horizontal wells can increase the drainage area and contact area between the tubing and the reservoir, can solve the difficult problem of low permeability and high density reservoir development, can develop and utilize the reservoirs effectively, enhance the oil recovery, increase the economic benefits of the reservoir development, and reduce the cost of reservoir exploitation.

low permeability reservoir; horizontal wells; staged fracturing technology

2017-03-11

陳建飛（1990-），男，碩士，安徽省安慶市人，2018年畢業(yè)于長江大學(xué)石油與天然氣工程專業(yè)，研究方向：油氣田開發(fā)工程。

TE 357

A

1004-0935（2017）07-0684-04