水動力壓裂技術在海上油田應用的可行性分析

鄒信波，劉 帥，江任開，楊 光，段 錚，匡臘梅，孫 林，李旭光

1中海石油（中國）有限公司深圳分公司2中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司

0 引言

根據國家能源戰略的要求，中國海上油田對低滲儲層開發的需求越來越迫切，但目前低滲儲層儲量大、動用程度低，開發效果普遍不理想。受儲層多近水、平臺空間受限、作業成本高等［1］因素限制，陸地油田開發低滲儲層常用的水力壓裂技術在海上油田受到限制，難以經濟有效開發。目前海上油田主要增產措施為酸化技術，年施工井次約500井次，但酸化改造能力弱，作業效果不理想。因此，海上油田采用了如爆燃壓裂、微壓裂等小規模改造技術，并與酸化技術聯作，取得較理想的增產效果，但受海洋環保、安全性等嚴格限制，難以規模實施。

為解決上述問題，一種不受現有因素限制、綠色環保的“水動力壓裂”技術［2-3］被論證。該項技術不涉及任何民用爆炸品，技術成本低，在海上油田低滲儲層具有較大應用潛力。

1 海上油田增產技術面臨難點

（1）海上油田低滲儲層大部分面臨近水難題，據統計距離水層約3～15 m［4］。2006年起，海上油田實施水力壓裂達到50余井次，但實施效果不理想。據統計，海上某區塊數量占比52%的井因地層出水或壓裂后產出硫化氫而致使壓裂效果并不理想，數量占比48%的井受平臺空間限制，難以實現經濟開發。

（2）海上油田鉆井費用是陸地油田的十余倍，工程費用更是高達幾十倍，開發成本高，同時海上油田的經濟產量門檻高，即海上油田經濟累產量需要達到陸地油田的十余倍，內部收益率才能實現12%的基礎開發指標。

（3）“物理+化學”聯作是海上油田近年來倡導的低滲油田增產技術理念，如爆燃壓裂酸化聯作這一低成本改造技術，它費用僅為水力壓裂的1/4～1/10［5］，卻實現平均單井增油43 m3/d，增產倍比高達11.9倍，經濟效益顯著。但技術涉及的民用爆炸品除了需要爆炸物品作業、公安局備案運輸、爆炸物品存儲等系列資質以外，海上油田還會涉及船舶載運危險貨物以及平臺的防火防爆、防雷防靜電等環節，導致技術在海上油田難以規模實施。

因此，海上油田急需一種綠色、低成本、高效的增產技術。

2 水動力壓裂技術研究現狀

根據水擊機理，當在有壓管道中，液體流速發生急劇變化所引起的壓強大幅度波動的現象稱為水擊，在水利部門需要克服這種影響，防止管道嚴重變形或爆裂。而在石油行業中利用這種水擊“增能”的能量，達到爆燃壓裂類似的效果。

“水動力壓裂”也稱“水力沖擊壓裂”，該技術是利用流體的水擊（水錘）原理，借助井筒中井液的重力勢能和流體的可壓縮性、慣性，產生1.1～3倍地層破裂壓力的瞬時高壓壓破地層，并在近井筒3～15 m范圍內，產生3～8條裂縫的小型高壓水力壓裂技術。

該技術主要采用水力沖擊器進行水力脈沖壓裂破巖及擴縫。水力沖擊器主要由油管、導流短節、沖擊片、沖擊室、柱塞、篩管等部件組成，如圖1所示。水力沖擊器的工作原理：地面泵加壓，當泵注壓力和液柱壓力之和大于沖擊片破裂壓力，沖擊片瞬時破裂；油管及油套環空液體通過導流短節在巨大壓差下大量進入0.1 MPa的沖擊室中，形成高速液流；高速液流沖至下柱塞遇阻，產生水擊效應，動能轉化為壓能，產生極高瞬時壓力；壓力將柱塞推出，產生大大超過巖石破裂壓力的水力沖擊力。

圖1 水擊沖擊器示意圖

假設2 000 m井液柱壓力20 MPa，地面泵注壓力24 MPa，沖擊室長度13 m，管徑0.076 m，壁厚0.01 m，水擊速度可達1 367 m/s，水力沖擊壓力可達108.6 MPa［6］，該壓力是沖擊片壓力的2～3倍，并經現場實驗檢測，實測壓力和計算值相差無幾［7］。

水動力壓裂技術從70～80年代由前蘇聯研究并應用于油水井解堵中，國內于1982年開始研究，1983年在中原衛城油田衛74井［8］進行工業性試驗取得成功，目前在吉林、大慶、河南、長慶、遼河、勝利、大港油田進行應用，應用規模不大，至今30余年應用井次才約1 000井次［9-15］。

該項技術增產作用機理主要包括機械造縫作用、水力脈沖作用兩方面［16］。陸地曾對實施的多口井況進行檢測，顯示地層產生裂縫，但裂縫縫長有限，縫長10 m左右，縫寬小于0.5 mm［17］。同時水擊沖擊作用壓力不斷振蕩并衰減，形成多個壓力波，可以使裂縫不斷延伸并產生新裂縫，導流能力提高，同時起到負壓脈沖解堵效果。

目前陸地油水動力壓裂田技術主要以實現多次連續水擊為主，并形成配套技術［10-15］。

3 水動力壓裂技術在海上油田應用的可行性

3.1 儲層可行性

根據陸地油田應用的井況統計，水動力壓裂技術應用滲透率范圍較廣，主要用于低滲油水井中，例如河南寶浪油田8口注水井，應用的儲層滲透率＜15 mD，此外還應用于中高滲油井中，例如勝利油田東辛、孤島等采油廠實施23井次，其中X23-34井儲層滲透率為630 mD。遼河油田的45-026-183井儲層滲透率為1 647 mD；此外，陸地油田應用井深在

2 000～4 000 m。

海上低滲油田儲層滲透率小于50 mD，除部分井滲透率僅1～10 mD外，已開發井多集中在10～50 mD；同時低滲儲層埋深在2 000～5 000 m，目前開發的主力油田主要以2 000～4 000 m為主。因此，海上油田實施的儲層條件，相對陸地油田而言，應該更加優良。

水動力壓裂技術主要應用于海上油田低滲儲層物性差的井、存在嚴重污染的井、薄層且近水不適合水力壓裂的井、受平臺空間限制無法進行水力壓裂的井、單獨酸化效果不理想的井、受資質問題限制無法進行爆燃壓裂的井，需要注意的是目前該技術并不適合在套管受損或者固井質量不理想的井況中應用。

3.2 工藝可行性

首先，水動力壓裂改造能力遠低于水力壓裂技術，與爆燃壓裂相當，但不如陸地爆燃壓裂的電纜作業方便，因此也決定了它在陸地油田的應用規模，但在諸多技術受限的海上油田，它卻具有較大的應用空間。

其次，在應用井況上，由于陸地油田作業前未進行有效監測與控制，對于一些老井套管產生破壞變形，也限制了水動力壓裂技術的應用。因此，在海上應用時需要優選套管和固井質量好的井況，并提前強化峰值壓力計算、進行井況條件檢測等工作。

水動力壓裂技術工藝簡單，只需要常規泵即可作業，海上平臺具有泥漿泵、泥漿池等固定設備，為技術應用創造了優良條件，另外跟酸化技術聯作時，用現場酸化泵和罐即可完成施工，對于主要以酸化技術為主的海上油田，只需要多增加一套水力沖擊器即可，不再需其它大型設備，基本不占平臺空間。

此外，對于海上油田的井況來說，海上油田主要以?244.48 mm或?177.8 mm套管為主，現有水力沖擊器能滿足海上油田作業條件，且由于該技術產生的瞬間高壓與爆燃壓裂技術具有一定相似性，海上油田在管柱安全、井口安全、壓力校核等也積累大量經驗，具有較好的應用環境。

3.3 經濟可行性

與水力壓裂技術相比，費用將大大降低，適用于薄層、近水等特殊儲層，突破平臺空間、水源受限的井況；與爆燃壓裂技術相比，費用還將降低30%以上，造縫效果、安全性、聯作效率等得到提升；技術形成的配套工具可重復利用，成本低，且易形成自主化產權的配套技術，一次性投入將長期受益。

4 海上油田水動力壓裂技術攻關思路

由于海上油田與陸地油田在油藏、井筒等方面的一些差異，因此需要針對海上油田施工難點，進行相應的技術改進。

4.1 一趟管柱多級水動力壓裂技術

目前陸地油田實施的井況多以單層多次作業為主，因此各研究機構研究的重點為實現多次連續水擊［10-14］，但海上油田儲層層厚、跨度較大、小層多，同時海上油田多層合采井或水平井數比例多，如果直接采用現有技術，需要多次起下管柱實施，影響作業時效，因此需要研究一趟管柱多級水動力壓裂。

目前現有國內外一趟管柱多段水擊的方法主要通過多個水力沖擊器直接串聯［15］，通過環空不同壓力等級進行加壓作業，面臨部分層位無法啟動、需要大馬力泵、易破壞井壁或管柱等問題。因此，可借助于水力壓裂的多級或者無級滑套等思路，研發海上油田的多級作業技術。

4.2 研發適合?244.48 mm 或?177.8 mm 套管水力沖擊器

目前陸地油田多采用外徑114 mm、長度13 m的水力沖擊器，以發揮最大的水擊速度和水擊壓力的效能，在海上油田井筒尺寸改變情況下，需要重新進行工具尺寸設計。并根據海上油田不同井況的井深，優選沖擊片的鋼材和厚度，海上油田曾進行過深水井套管環空泄壓裝置研究，破裂盤閥體選用SS316不銹鋼，爆破片選用NS312鎳洛合金［18］，兩項技術的啟動機理類似，可以借鑒引申研究。

4.3 海上油田工藝安全性研究

目前陸地水動力壓裂管柱還略顯單薄，海上油田在爆燃壓裂安全管柱方面積累了一定經驗，可與水動力壓裂管柱進一步結合，可優選鉆桿、減震器、震擊器等工具進行結合和校核，確保作業管柱安全。并通過巖石力學實驗平臺、巖石動態破裂模擬裝置、實驗井模擬實驗來驗證技術安全性。

其次，海上平臺分為生產平臺、中間平臺、作業平臺等不同空間，生產平臺無法像陸地油田一樣進行采用地錨和鋼絲繩固定井口進行水動力壓裂作業，需要具有海上油田工藝安全控制方法。

4.4 水動力壓力及裂縫模擬與檢測

在石油工程領域，欠缺模擬技術方面研究，需要與水利工程領域進一步結合，根據水擊理論，建立相關模型，并開發專業化軟件，模擬峰值壓力變化及裂縫形態。同時還需要進行峰值壓力檢測、模擬軟件校核、實施效果跟蹤等工作。

5 結論

（1）為了解決中國海上油田低滲儲層多近水、平臺空間受限、作業成本高等問題，提出了適合于海上油田改造的水動力壓裂技術，該技術具有爆燃壓裂類似的機械造縫作用、脈沖作用，國內外應用效果明顯。

（2）從儲層可行性、工藝可行性、經濟可行性三個方面，論證該項技術在海上油田的可行性，與海上油田現有技術相比，費用將大大降低，并適用于薄層、近水等特殊儲層，突破平臺空間、水源受限的井況。在海上油田這個特殊環境下，該項技術具有較大的應用前景。

（3）針對海上油田與陸地油田在油藏、井筒等方面的一些差異，提出了未來海上油田水動力壓裂技術攻關的方向，分別為一趟管柱多級水動力壓裂技術、研發適合?244.48 mm或?177.8 mm套管水力沖擊器、海上油田工藝安全性研究和水動力壓力及裂縫模擬與檢測。