关于水平井分段压裂技术的国内外调研

于文博,兰佩文,李瑞东（西安石油大学机械工程学院,西安710300）

关于水平井分段压裂技术的国内外调研

于文博,兰佩文,李瑞东
（西安石油大学机械工程学院,西安710300）

摘要:随着世界经济的发展，石油这一不可再生资源在社会发展中的作用日益显著，石油的开采方式也在不断的突破与创新。水平井分段压裂技术自2002年开始，经过数年的快速发展，形成了可以与不同完井条件相适应的水平井分段压裂技术。作为非常规油气开发的主要技术，水平井分段压裂技术有许多优点，可以大幅提高采收率，同时也取得了长足的进步与发展，世界上专门研究该技术的公司也屡见不鲜，可以说得到了国际与社会的广泛关注。本文主要介绍水力喷砂分段压裂技术。通过对其国内外现状、工艺分析、优化方法等方面进行研究，以期为水平井分段压裂技术的发展与探索提供参考。

关键词:水平井；分段压裂；水力喷砂；国内外现状；优化

1　前言

近几年石油开采技术的发展在全球都备受关注，越来越多的探明储量都属于低渗透储层，开采难度大，经济效率低，水平井的发展大大提高了集水建筑物与地下水非饱和带中的气体、地下油气的接触面积，有效地提高了流体的抽取效率。水平井分段压裂技术是在井段中以较短的时间压裂多条裂缝的关键。水力喷射分段压裂技术在逐年快速发展。

本文主要选取水力喷砂分段压裂技术作为范例，来介绍水平井分段压裂技术的国内外发展情况，关键技术和分析优化等方面，希望可以对水平井分段压裂技术的发展有所帮助。

2　水力喷砂压裂技术的国内外发展情况

2.1水力喷砂压裂技术的国内发展情况

我国从1970年开始就将水射流技术从煤炭领域运用到了石油行业以实现增产，自首次试验成功以来，短短六年时间，该技术已在长庆油田、四川油田等八个油气田进行了现场应用，在辽河、胜利、中原等油田取得良好效果，平均单井增产20%～30%。截止2011年底，已应用于全国近300口井，目前已成为中国水平井分段改造的主体技术之一。

2005年，长庆油田与哈利伯顿油服公司合作引进了水平井水力喷砂分段压裂技术，成功实施了靖平一井、庄平三井两口井6段水力喷砂分段压裂实验。其中靖平一井实现分段压裂两段，被认为是国内第一口实现水力喷砂分段压裂的水平井[1]。

截止2011年，各项技术得到了进一步的发展。我国研发了小直径封隔器并形成了水力喷砂与小直径封隔器联作分段压裂技术。在喷孔的形态上有了新的认识，改变了其传统的纺锤形。同时，完成了不动管柱水力喷射3段压裂，提高了使用拖动管柱的危险，提高了作业效率。近年来，成功应用了水力喷砂双喷射器工具，实现了水平井多簇压裂。

2.2水力喷砂压裂技术的国外发展情况

近年来，由于连续油管的使用和环空压裂的出现，对水力喷砂压裂技术来说是一场巨大的变革。2005年初美国Barnett页岩气田第一次在水平井使用水力喷砂环空压裂技术[1]。

在2007年哈利伯顿公司推出了CobraMaxH系列，使用连续油管喷砂射孔的水力喷砂压裂技术，通过环空压裂，留砂塞分隔各层，作业后油管冲砂使一趟管柱可以完成射孔和压裂，同时对连续油管磨损很小，效率和效益都很高，施工风险小。

贝克休斯公司也在近几年推出了OptiFrac-SJ系列，使用了连续油管喷砂射孔、沙塞隔离和环空压裂技术，泵注过程中连续油管可放在井内，并且压裂级数不受限制[2]。

3　水力喷砂分段压裂技术概括与系统构成

水力喷砂压裂技术是基于连续性方程、动量方程、伯努利方程等流体力学基本定理形成的磨料射流压裂方法。以伯努利方程为核心，将流体动能转化为压能，流体在喷嘴处形成高速射流射开套管和地层并形成一定深度的喷孔，在喷孔附近制造出水力裂缝，将岩石破坏出缝隙。同时井底压力被控制在裂缝延伸压力以下，压裂下一层段时，已压开层段不再延伸[1]。因此，水力喷砂压裂技术具有“自封性”，无需用封隔器与桥塞等隔离工具就可以完成多个层段的增产作业。

水力喷砂系统主要是由油管、喷射工具、油管提升装置、配套施工车及井口装置等组成。喷射工具是整个系统的核心部分，它包含了喷嘴、喷射器、小直径封隔器等其他配套工具。在压裂过程中，射流具有清洗、剥层和切割的作用。射流对岩石的破坏主要取决于其冲击压力分布情况以及磨料浓度大小。

目前，水力喷砂压裂技术的联接方式主要有两种：一是使用普通油管将喷射器送到压裂位置进行作业，二是使用连续油管将喷射器送到压裂位置进行作业。第一种方法虽然劳动强度大、对井口密封性要求高，但是其成本较低，故在国内广泛使用。而第二种方法可以提高作业的速度和效率，并且在作业中可以进行修改设计，但连续油管价格高昂，故国际上运用受到了制约。

4　水力喷砂分段压裂技术的局限与建议

水力喷砂分段压裂技术在施工过程中具有作业环境差，作业量大，喷嘴经常磨损严重等现象，同时喷嘴的结构、分布方式、破岩能力以及与泵压、排量的优化组合技术还不成熟。所以喷嘴的优化在压裂中是至关重要的。

建议如下：（1）喷嘴结构一般采用圆锥收敛型喷嘴，为了使流量收敛，在喷嘴前端可以加一定长度的圆柱段，使射流效果增强；（2）相同排量下，喷嘴的直径越大，射孔效果越好，但应在一定范围内（5.5～6.35mm），否则会影响其排量和速度；（3）喷嘴的材料必须具有高硬度、高耐磨性等特性，但是硬度过高也会使材料的抗拉强度降低，所以选材时应综合考量；（4）喷嘴在排布问题上应优先考虑螺旋布置，这种布置方式使喷嘴间相互干扰减少，提高了喷嘴的寿命，还提高了射流效率；（5）喷嘴数量的选择会影响施工排量，所以在具体施工时应该控制节流压力在17～35MPa范围内。

5　总结

水平井分段压裂技术在未来会趋于完善，它的出现解决了一些直井所不能解决的问题，对提高现有的一些特殊和难以应用的地质储量，确实是一项技术上的突破。它既有提高油田最终采收率、单井控制储量多、泄油体积大、产能高、油藏适应能力强等优点，也特别适于陡峭油层、垂直裂缝、稠油和气顶、底水等油层中使用。但它不会替代直井，而是对直井的补充和发展。各国对水平井的开发越来越重视，水平井分段压裂技术也在不断的探索中迸发出璀璨的火花。在未来，这项技术将会得到广泛的应用与推广，技术也会有新的突破。

参考文献：

[1]吴奇.水平井水力喷砂分段压裂技术[M].北京：石油工业出版社，2013:1-9,115.

[2]张焕芝.国外水平井分段压裂技术发展现状与趋势[J].石油科技论坛,2012(06).