水平井分段压裂技术研究

宋莎莎 朱相慧 于军成

(1.重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆 401331;2.中石化胜利油田分公司桩西采油厂，山东 东营 257000)

对低渗透油气藏而言，水平井分段压裂技术是储层改造、提高产量的重要措施。我国从上世纪80年代就开始进行水平井分段压裂技术的研究，在有压裂产能预测、水力裂缝及水平井分段压裂工艺技术方面取得了较大进展，但在现场施工配套方面这些技术还达不到要求，井下层间封隔工具密封性能、工具可靠性不能满足现场需求，尤其是在水平井多段压裂技术和封隔工具的配套方面还需要进一步深入研究［1］。

1 水平井压裂造缝机理与裂缝参数配置优化

1.1 水平井压裂造缝机理

对水平井进行压裂，裂缝可分为轴向缝、横向缝和斜交裂缝，形成不同的裂缝主要取决于储层所受的应力状态［2］。

轴向缝:如果水平井的水平井段垂直于最小水平主应力方向(即沿最大水平渗透率方向)，则产生轴向缝，如图1所示。

横向缝:如果水平井段平行于最小水平主应力方向(即沿最小水平渗透率方向)，则产生横向缝，如图2所示。

斜交缝:当水平井段与最大水平主应力方向有一定夹角时产生斜交缝，如图3所示。

图1 轴向缝

图2 横向缝

1.2 水平井压裂的裂缝配置优化

水平井分段压裂裂缝配置的优化内容主要有裂缝条数、裂缝规模、裂缝间距和裂缝参数。水平井压裂裂缝造缝及延伸机理要求要产生正交的横向缝，水平段轨迹最好与最小主应力方向保持一致;压裂裂缝长度要小于50 m;水平段长度最好不小于300 m，而且要在允许的范围内尽可能的长;压裂分段数不小于3段到5段，对于井段比较长的，可以用分段压裂分布投产［2］;不同位置裂缝对产能的贡献不同，产能较高的裂缝在端部，中间相对偏低一些。

图3 斜交裂缝

室内实验研究发现，线性流和径向流并存的复合流态会在压裂后出现，水平井在生产一定时间后会产生裂缝干扰，对油井产量造成一定影响。因此，裂缝参数的优化不仅影响产能，同时对施工安全与经济效益也具有十分重要的意义。研究认为，对于水平渗透率大于垂直渗透率的储层，最好有3～5条横向裂缝［3］，但最终的配置还需要在实际应用中得到优化。

2 水平井多段压裂技术

随着水平井多段压裂技术应用规模的不断扩大，水平井已成为提高致密油藏经济效益以及采收率的重要手段，尤其是在水平井钻井技术发展迅速的阶段［4］。以下是国内外分段压裂技术进展和应用情况，分别对限流分段压裂、机械封隔分段压裂、水力喷射压裂以及化学隔离压裂的特点和参数进行简要介绍。

2.1 限流多段压裂技术

2.1.1 技术原理

限流多段压裂技术主要应用于未射孔的井中，是完井压裂技术的一种。该技术的原理是在尽可能大的增大注液量的前提下来控制射孔的直径以及数量，从而增大井底压力，而井底压力的增大使得注液量大量分流于各个层段，当井底压力超过地层破裂压力时，迫使在层段上产生裂缝［5］，而该技术多形成纵向裂缝。水平井限流法多段压裂原理见图4。

2.1.2 工艺特点

技术优点是由于不同层段射孔炮眼的直径以及数量的不同，达到改造不同层段的预期效果;而且不用下入工具，施工简单，周期短。缺点是对于长水平井段实施限流压裂很难保证多个层段同时压开，也无法实现不同层段不同的改造要求，造成分段的针对性较差。

2.2 化学隔离多段压裂

化学隔离多段压裂技术是为了解决那些不能使用机械封隔器的套管井而在20世纪90年代被提出来的，例如套管变形、段间距变小、井下有落物等。该技术是依次射开压裂各层段，分别将各个层段用液体胶塞和砂子隔离，待施工完成后将液体胶塞和砂子冲开，然后合层排液［3］。该技术的优点是不需下入工具，安全性高，工艺流程简单。缺点是受胶塞强度的限制封隔不好，胶塞浓度高造成储层伤害，施工周期长，成本高。

2.3 水力喷射压裂

水力喷射压裂技术目前在国外应用较广，发展于20世纪90年代末，它是水力喷射射孔和水力压裂技术的综合体，靠其特有的定位性，在不需要机械密封装置的前提下完成多层压裂［4］。该项技术是利用伯努利方程的能量转化，将施加给油管流体的压能转化成流体的动能，孔眼就是靠流体所具有的巨大动能将套管和岩石穿透，流体在形成的孔眼中聚集产生压力，当压力高于破裂压力就会延伸水力裂缝，而且只需要拖动管柱，把喷嘴置于相应位置上，就可以依次压开井段［3］。水力喷射压裂原理示意图和拖动分段压裂示意图分别见图5和图6。

该技术的优点是施工安全性高，可以快速、准确的压开多条裂缝，施工更便捷;缺点是施工工艺复杂，因此对压裂液的性能要求高，喷嘴在施工过程中由于受到冲刷磨损严重，因此工具加工难度大。

图5 水力喷射压裂原理示意图

图6 拖动分段压裂示意图

2.4 机械封隔多段压裂

机械封隔多段压裂技术主要有双封隔器单卡多段压裂和封隔器滑套喷砂器多段压裂等技术，该技术主要应用于套管井。

2.4.1 双封隔器单卡分段压裂技术

双封隔器单卡多段压裂管柱结构如图7所示。该技术原理是运用导压喷砂封隔器，利用其节流压差压裂管柱作用，先压裂最端部地层，然后上提管柱，利用一趟管柱可以一次将各个层段进行压裂［5］。

该技术的优点是可以一次性射开所有层段，实施简单，井筒隔离和压裂效果好，分层目的性和可控性强;缺点是施工周期长，解封困难，容易造成井下事故。

图7 双封单卡示意图

2.4.2 封隔器滑套喷砂器分段压裂技术

该技术是采用从趾端到跟端顺序射孔、压裂的方式作业，适合于致密油气藏，在不动管柱的前提下，在套管内可以一次完成5个层段的压裂。其优点是可以一次性完成多段改造，针对性强，井下工具少，工作效率高;缺点是要求井径规则、固井质量好，封隔器容易砂埋导致管柱上提困难。

2012年，中石化石油工程技术研究院自主研发的多级滑套耐磨可钻式球座，先后在华北分公司红河油田的4口油气井、共计31个井段中进行压裂试验，均获得成功，为水平井分段压裂技术实施以及开采后续处理提供了可靠保障，充分表明我国自主研发的多级滑套分段压裂工具达到世界先进水平。

2.5 TAP分段压裂技术

TAP分段压裂技术不需射孔、不需安装封隔器，不受压裂层级限制，层数越多优势越明显，可以减少多层射孔费用，从而降低整井射孔费用［6］。该技术的缺点是适应管柱尺寸单一，对套管和套管头耐压要求高，压裂后需下入生产管柱，可能会对储层造成二次伤害。

3 结论

(1)水平井分段压裂技术是开发致密油气藏，提高综合经济效益和采收率的有效方法。但是多段压裂技术的选择与实施以及井下封堵工具的选择及应用还是难点问题，还需要对这些技术进行深入研究及现场实践应用。

(2)目前水平井多段压裂主要有限流多段压裂、化学隔离压裂、水力喷射压裂以及机械封隔压裂等，这些技术以及使用工具都各有优缺点，还需要进一步的改进。

(3)结合我国低渗透油气藏的特点，国内对压裂技术的应用程度越来越高，与国外技术的差距越来越小，我国已拥有了一些有自主知识产权的技术及其配套设备。

(4)水平井多级分段压裂技术是未来的主要研究方向，对我国非常规油气开采具有重要意义，发展水平井分段压裂技术是未来我国的一项重要举措。

［1］段文广，李晓军.国内外水平井分段压裂技术现状［J］.工艺与装备，2012(3):55-57.

［2］娄明.论水平井分段压裂的研究与探讨［J］.中国石油和化工标准与质量，2013(1):108.

［3］陈作，王振铎，曾华国.水平井分段压裂工艺技术现状及展望［J］.天然气工业，2007，27(9):78-80.

［4］许冬进，艳荣 ，王生亮，等.致密油气藏水平井分段压裂技术现状和进展［J］.中外能源，2013，18(4):36－41.

［5］姚展华，张世林，韩祥海，等.水平井压裂工艺技术现状及展望［J］.石油矿场机械，2012，41(1):50-61.

［6］孟博.水平井分段压裂工艺研究现状及发展趋势［J］.中国石油和化工标准与质量，2013(2):146.