井下低頻水力脈動壓裂技術及其應用

聶翠平 ，蘭劍平 ，王祖文 ，張 冕，許洪星 ，尹國勇

1 西安石油大學石油工程學院 2 中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司

0 引言

在低滲、超低滲油氣開發中，水力壓裂技術是重要的技術手段，近年來各大服務公司重點圍繞水平井壓裂、體積壓裂，在工具、材料和工藝上，形成了系列配套技術。

針對裂縫擴展控制和支撐問題，斯倫貝謝公司早前推出了旨在提高裂縫導流能力的“高速水力通道（HiWAY Flow-Channel Fracturing）”壓裂技術并沿用至今，在此基礎上，國內也較多的研究應用了相應的“脈沖加砂技術”［1］。近年來，基于優化設計，斯倫貝謝公司研發了能壓開更多裂縫的“寬帶壓裂（BroadBand）”系列技術等［2-3］。

目前，國內水平井壓裂技術已經形成了針對不同儲層的配套技術，當前主要研究和應用重點為6 m3/min以上大排量施工配套技術，旨在獲得更大壓裂控制體積的規模化壓裂配套技術和體積壓裂（SRV）配套技術［4-7］。

在煤礦井下巷道強化瓦斯抽排中，已經有學者研究應用了“脈動水力壓裂”技術——通過調節流量控制壓力脈動的脈動注水方式來增加煤層的透氣性，并在工程應用中取得了良好的瓦斯強化抽排效果［8］。

針對致密儲層壓裂中抑制壓裂砂沉降、提高裂縫導流能力，以及有效降低施工壓力和盡可能在縫內壓開多分支裂縫問題，基于水力脈動壓裂機理研究確定的合理參數，研發了一種水力強制驅動的井下低頻水力脈動發生裝置，脈動發生裝置直接連接于噴砂器之上，在不改變原有施工設計的基礎上，形成了井下低頻水力脈動壓裂新技術。

1 脈動壓裂技術關鍵技術參數

1. 1 脈動壓裂機理

1. 1. 1 脈動降低起縫壓力

水力壓裂施工中，井下低頻水力脈動裝置產生一定頻率和壓力波幅的水力脈動，脈動壓力導致儲層巖石產生明顯的疲勞損傷，起縫壓力和裂縫延伸壓力降低。

脈動壓力波的傳播將引起裂縫內壓力的劇烈變化，且各點的壓力隨時間變化。有學者研究了水力壓力波在裂縫中的傳播，認為脈動壓力波在裂縫傳播中將產生“反射”、“往復”、“疊加”等效應，瞬變流計算結果表明，縫內壓力為波動壓力，其升高值可達壓力波動幅值的3 ～ 5倍；其他相關的理論計算和模擬觀測也表明，縫內壓力升高值通常可達脈動壓力波幅的1.5～3倍，最高可達5倍［8］。水力壓裂中，由于縫內壓力升高，理論上裂縫起縫和擴展不再完全受地應力和巖石抗拉強度控制，利于產生更多分支裂縫，形成復雜裂縫。

1. 1. 2 脈動強化攜砂和鋪砂

在水力壓裂裂縫中，壓裂砂粒顆粒受到的拖曳力與上舉力可以表達為：

式中：FD—拖曳力，N；FL—上舉力，N；CD和CL—是拖曳力系數和上舉力系數，通常由實驗得出；d—砂粒直徑，m；ρl—壓裂液密度，kg/m3；u0—壓裂液流速，m/s。

由式（1）、式（2）可以看出，拖曳力和上舉力與流速的平方成正比。

脈動作用下裂縫中壓裂液流態為瞬態流，其瞬時流速相比平均流速急劇增大。壓裂液中脈動壓力的傳播速度一般在102～ 103m/s，大功率井下低頻脈動引起的流速瞬時峰值遠大于壓裂液的平均流速，由此產生的劇烈流速波動將引起拖拽力和上舉力的急劇變化。

由于壓裂砂尺寸較小，在壓裂砂顆粒表面和底面傳播的脈動壓力波無滯后，如果壓裂砂沉降，脈動作用下壓裂砂顆粒起動的上舉力急劇變化，瞬時峰值急劇增大。因此，脈動有利于抑制壓裂砂沉降形成砂堤，而拖拽力增大，有利于壓裂液攜砂到裂縫遠端。

脈動壓力有效促進了壓裂液攜砂和抑制壓裂砂沉降，防砂堵。裂液攜砂能力增強，裂縫遠端也能得到有效支撐，進而有效提高了裂縫導流能力。

1. 1. 3 脈動降低沿程摩阻

圖1為W油區現場使用的壓裂液在模擬井溫下的抗剪切性能曲線，從圖1看出，壓裂液在高剪切速率下表現出較低的黏度。

圖1 W油區壓裂液高溫抗剪切性能曲線

井下大功率低頻脈動作用對管柱內和裂縫中的壓裂液產生強剪切，導致壓裂液黏度降低，沿程流動摩阻降低，有利于降低施工壓力。

1. 2 合理脈動參數范圍

有學者研究了抗壓強度為73 MPa砂巖在圍壓作用下的動載疲勞特性。采用模擬圍壓分別為2.0 MPa、10.0 MPa、40.0 MPa、三軸常循環偏應力加載頻率分別為0.1Hz、1.0 Hz、3.0 Hz的正弦波動載荷，測試結果表明，巖石將產生明顯的疲勞損傷。并且在較低頻率下，較少循環次數（實驗測試為15次，時間約1.5 s）就能導致巖石破壞［9］。實驗證實，頻率、圍壓、動載加載路徑皆為影響巖石疲勞損傷的重要因素，且低頻下較短時間產生疲勞破壞。

在相關脈動頻率、脈動壓力幅度等對巖石強度影響方面，針對煤礦巷道瓦斯抽采井的脈動注水相關研究表明，低頻脈動載荷通常能導致明顯的巖石疲勞損傷［10-12］。

在油氣井水力壓裂中的水力脈動載荷對砂巖儲層巖石的影響尚未見資料報道。

針對油氣井井下低頻脈動水力壓裂，設計了相關水力脈動對巖石疲勞損傷的探索性實驗研究。前期研究表明，水力脈動載荷（基礎載荷+正弦脈動載荷）處理巖石實驗中，基礎載荷對巖石疲勞損傷影響顯著，脈動處理時長也有一定影響。

為確定水力脈動載荷對砂巖疲勞損傷的影響，針對W油區儲層水力壓裂，考慮施工管柱中封隔器、水力錨在脈動作用下能正常工作，實驗研究了水力脈動壓力幅度為2 ～ 3 MPa、頻率為3 ～ 30 Hz，基礎載荷約為巖石抗壓強度的80%、脈動處理時長為10 s條件下的巖石疲勞損傷。

1. 2. 1 水力脈動頻率

實驗中采用W油區C6儲層巖心，模擬地層條件施加圍壓，在巖心夾持器內加載25 MPa壓力后在不同脈動頻率下施加2 MPa的脈動壓力，處理時長為10 s，脈動處理后巖石的抗壓強度如圖2所示。

圖2 水力脈動頻率對巖石的抗壓強度的影響

由實驗結果可以看出，C6儲層巖石在脈動壓力波幅2 MPa短時間脈動處理后，20 Hz較低頻率以下，巖石疲勞損傷程度較大，較高頻率下疲勞損傷程度較小。

對于砂巖儲層，由于巖石的抗拉強度和抗壓強度存在確定關系，實驗結果也間接說明了井下低頻水力脈動能降低裂縫起縫和延伸壓力，且較低頻率更有利。進一步數值模擬計算表明，較低脈動頻率下水力裂縫中的壓力傳播衰減較小。由此可以確定，在水力脈動壓裂中采用低頻更為有利。

1. 2. 2 水力脈動壓力波幅

采用全尺寸物理模型模擬測試水力裂縫中的壓力衰減實現起來難度偏大。模擬W油區實際儲層條件，根據壓裂施工設計模擬計算的裂縫尺寸，采用瞬變流模型計算了在半縫長為100 m、縫高5 m的水力裂縫中，施加波動壓力波幅為2 MPa、頻率為15 Hz的正弦波形壓力波時裂縫中不同位置的脈動壓力波幅隨時間的變化。半縫長分別為60 m、80 m處壓力波幅隨時間變化的波形如圖3、圖4所示。

圖3 半縫長60 m處脈動壓力隨時間變化

圖4 半縫長80 m處脈動壓力隨時間變化

計算表明，裂縫中各點脈動壓力波幅是隨時間變化的。在井底施加波幅為2 MPa的脈動壓力，脈動壓力波幅在半縫長60 m處衰減為30.8 kPa，在半縫長80 m處衰減為11.77 kPa。井底施加2 MPa脈動壓力波幅，裂縫遠端的脈動壓力波幅在10 kPa級別。

為確定巖石疲勞損傷與壓力波幅的關系，實驗研究了頻率為15 Hz、脈動壓力波幅為0.01 ～ 2 MPa范圍內，水力脈動對于巖石疲勞損傷的影響。

實驗中同樣采用C6儲層巖心，模擬地層條件，加壓到25 MPa后再施加頻率為15 Hz的脈動壓力波幅，處理時長10 s，然后測試處理后巖石的抗壓強度。測試結果如圖5所示。

圖5 水力脈動壓力波幅對巖石抗壓強度的影響

從圖5可知，水力脈動壓力波幅在0.01 MPa級別能導致明顯的巖石疲勞損傷，脈動壓力波幅越大，巖石的疲勞損傷程度越大，巖石疲勞損傷程度和脈動壓力波幅為近似線性關系。

1. 2. 3 合理脈動參數范圍

基于針對目標儲層巖石的低頻水力脈動對巖石疲勞損傷測試結果，以及水力脈動傳播衰減計算結果，認為井底脈動壓力波幅2 MPa、脈動頻率15 Hz就能在水力裂縫遠端產生導致巖石疲勞損傷的有效壓力波幅。結合工程經驗，綜合考慮水力錨錨定、封隔器坐封等施工安全因素，可以確定脈動頻率20 Hz以下、2 ～ 3 MPa脈動壓力波幅為合理脈動參數。

2 脈動發生裝置研制與測試

基于井下低頻水力脈動合理參數范圍，在比較多種水力脈動發生原理的基礎上，研制了一種能適應當前壓裂工藝管柱和施工排量設計的新型水力驅動井下低頻脈動發生裝置。

井下低頻水力脈動發生裝置設計為一個連接于噴砂槍之上的工具短節。采用水力驅動強制脈動發生方式，特殊的防砂卡結構和抗壓裂砂沖蝕表面強化處理，在結構設計上保證了即使脈動發生裝置失效也不影響壓裂施工的繼續進行，而僅僅只是脈動發生功能失效。

從工具整體設計上，考慮輸出脈動壓力波幅、頻率與施工排量、工作液密度相關，采取了組配式工具設計，下井前依據壓裂施工設計組配工具，保證主壓時間段裝置輸出參數在合理范圍。

同時，在工具結構設計上，還考慮了適應壓裂施工原管柱試油。

完成樣機加工后，采用測量精度±0.1% FS、響應時間小于0.1 ms的壓力傳感器，采用自研數據接口配套檢波器檢測脈動壓力波動幅值、波形和頻率，進行了地面模擬測試。

測試中發現，工具產生水力脈動存在最小排量。排量越大，脈動壓力波幅越大，頻率越高，且輸出參數、波形與結構設計和施工排量有關。測試到的水力脈動壓力波形近似正弦波。

依據測試結果，對樣機設計進行多次改進和完善，確定了適應施工排量的脈動發生裝置組配方式。

3 現場應用

3. 1 現場試驗

現場試驗在以往施工壓力偏高的W油區同一平臺叢式井組的新井進行，目標層同為C6砂巖儲層。第一次現場試驗在該平臺A1和A2井，同樣采用該區成熟的單封單卡壓裂工藝，工藝管柱結構上的區別僅僅是在噴砂器上方加入了長度約50 cm的脈動發生裝置。和該平臺鄰井的階段施工壓力對比如圖6所示。

圖6 試驗井與鄰井施工壓力對比

從施工結果看，相比鄰井，最小施工壓力降低25.8%，最大施工壓力降低14.1%。在施工各階段，水力脈動壓裂井施工壓力明顯降低。

在A1和A2井取得施工壓力顯著降低效果后，在該平臺C井嘗試了以往在其他油區增油效果明顯，但在W油區因易砂堵、作業壓力偏高不能實施的在加砂中段加入了200 kg水溶性暫堵劑，旨在提高裂縫凈壓力、壓開較多支縫的“多裂縫”壓裂技術。“多裂縫”壓裂施工曲線如圖7所示。

圖7 C井“多裂縫”壓裂施工曲線

從施工數據看，加砂中段加入堵劑過程中施工壓力上升明顯，無砂堵現象。

C井與同平臺鄰井C1井、C2井的施工壓力對比如圖8所示。相比鄰井，最小施工壓力偏小，最大施工壓力降低8.3%，“多裂縫”壓裂施工也取得了施工壓力明顯降低效果。

圖8 C井“多裂縫”壓裂與鄰井施工壓力對比

3口井的現場試驗表明，低頻水力脈動導致巖石疲勞損傷，起縫壓力和裂縫延伸壓力降低，脈動剪切還降低了壓裂液沿程流動摩阻，施工壓力顯著降低。

3. 2 增產情況

試驗井A1、A2井按施工數據模擬，壓裂裂縫半縫長均為70 m，加砂量分別為20 m3和25 m3，鄰井B1、B2井按施工參數模擬壓裂半縫長均為80 m，加砂量同為35 m3。試驗井相比鄰井，在壓裂半縫長少10 m，加砂量分別少10 m3、15 m3情形下，自投產275 d內，單井總產量略高。

“多裂縫”壓裂試驗井C井和鄰井壓裂規模相當，自投產416 d內，平均單井增產659.8 t，增產189.47%。

4 結論與建議

（1）低頻水力脈動能導致巖石疲勞損傷、降低水力壓裂沿程摩阻，進而顯著降低施工壓力，其中脈動頻率和壓力波動幅度是關鍵影響因素。

（2）低頻水力脈動能強化攜砂、防砂堵，提高裂縫導流能力并獲得明顯增產效果。

（3）低頻水力脈動“多裂縫”壓裂技術現場應用獲得成功，進一步證實了低頻脈動能強化攜砂、輔助壓開多支逢并有效支撐裂縫簇，該技術有望在致密砂巖儲層體積壓裂中獲得應用。

（4）由于實驗裝備等多方面條件限制，目前所完成的相關低頻水力脈動壓裂的機理研究還很膚淺，還需要結合前期現場應用取得的認識，進一步加強機理研究。