陳亞聯(lián)

（1.咸陽川慶鑫源工程技術(shù)有限公司，陜西 咸陽 710018；2.川慶鉆探長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西 西安 710018）

水力壓裂技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外油氣田開發(fā)的核心技術(shù)。水力壓裂自1947年在美國(guó)堪薩斯州試驗(yàn)成功，至今已有70多年的發(fā)展歷程。近幾年，水力壓裂工藝技術(shù)有了較大的發(fā)展，并取得了良好的效果[1-3]。隨著油氣田開發(fā)的不斷深入，人們對(duì)儲(chǔ)層地質(zhì)條件亦有了深層次的認(rèn)識(shí)，因此壓裂工藝及技術(shù)也呈現(xiàn)出多學(xué)科、多領(lǐng)域的特點(diǎn)，以求達(dá)到更好的改造效果[4-6]。

壓裂技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在新工藝、新技術(shù)、新理念等方面，包括了轉(zhuǎn)向壓裂、體積壓裂、高速通道壓裂、寬帶壓裂等新技術(shù)、新工藝。

1 水力壓裂工藝原理

水力壓裂主要是通過改變流型、形成連通通道等方式，實(shí)現(xiàn)壓裂增產(chǎn)的目的[7]。

1.1 改變流型

儲(chǔ)層在壓裂前，地層中的流體大多為徑向流，即以徑向的方式流到井底。進(jìn)行壓裂改造后會(huì)流入井底，流體的形態(tài)由原有的徑向方式變成單向方式，從而提高了導(dǎo)流能力[8-10]。

圖1 流體形態(tài)轉(zhuǎn)化示意圖

1.2 形成連通通道

一般儲(chǔ)層都具有非均值性特點(diǎn)，因此并未完全與井底連通。通過水力壓裂，則可以形成較長(zhǎng)的裂縫，實(shí)現(xiàn)了人造裂縫與天然裂縫的溝通，從而達(dá)到增產(chǎn)的目的。

2 幾種常見的壓裂工藝技術(shù)

2.1 高速通道壓裂

2010年斯倫貝謝提出了高速通道壓裂技術(shù)（Hiway），其主要原理是通過脈沖加砂的方式，改變壓裂支撐劑的鋪置形態(tài)，從而形成非均勻、不連續(xù)的支撐劑團(tuán)。大量的支撐劑團(tuán)可以在裂縫中形成砂柱，砂柱之間形成導(dǎo)流通道，通道相互連通形成立體網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)大的支撐裂縫內(nèi)包含眾多小通道的形態(tài)，較好地改善了滲流能力（圖2）。高速通道壓裂消除了因壓裂液殘?jiān)氯?、支撐劑嵌入等引起的?dǎo)流能力損耗，提高了壓裂改造的效果[11-12]。

2012年3月，Hiway壓裂技術(shù)在勝利油田義XXX-X井、大北XXX-X井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，至2014年12月，累積增產(chǎn)原油量為3700t，與同區(qū)塊采用常規(guī)壓裂工藝的油井相比，增產(chǎn)了15%。

在某些儲(chǔ)層，Hiway所形成的砂柱會(huì)有垮塌風(fēng)險(xiǎn)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)楊氏模量和閉合應(yīng)力的比值小于350時(shí)，Hiway所形成的裂縫穩(wěn)定性差，當(dāng)此比值在350～500時(shí)，可形成穩(wěn)定的縫內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通道，當(dāng)此比值大于500時(shí)，所形成的網(wǎng)絡(luò)通道效果更佳[13-14]。

圖2 Hiway壓裂布砂示意圖

圖3 傳統(tǒng)壓裂與Hiway導(dǎo)流方式對(duì)比

2.2 端部脫砂壓裂

端部脫砂是指在壓裂過程中，使支撐劑在裂縫的端部脫砂，形成砂橋，阻止裂縫向前延伸，再繼續(xù)注入高砂比的攜砂液，使裂縫內(nèi)的凈壓力增加，裂縫變寬，裂縫內(nèi)的填砂濃度增加，從而形成寬度較寬、導(dǎo)流能力較高的裂縫。端部脫砂壓裂分兩個(gè)不同的階段，第一階段為造縫到端部脫砂，這一過程為常規(guī)的水力壓裂過程，目前主要有二維、三維模型；第二階段則為裂縫膨脹和支撐劑充填階段。由于端部脫砂技術(shù)是依靠周邊脫砂憋壓造成短寬縫，因此主要適用于淺層、中淺層的高滲透或松軟地層。

2.3 體積壓裂

體積壓裂是利用“大排量、低砂比、大液量”壓裂理論開啟天然裂縫，使裂縫壁面發(fā)生滑移和錯(cuò)斷，形成人工裂縫與天然裂縫相互貫穿的縫網(wǎng)系統(tǒng)，將人工裂縫的泄流面積轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)大裂縫網(wǎng)絡(luò)與油藏的接觸體積，從而有效提高增產(chǎn)效果[15-16]。

體積壓裂適用的儲(chǔ)層條件：1）低滲透儲(chǔ)層。在國(guó)外尤其是美國(guó)，體積壓裂主要適用于滲透率在0.05～0.10 mD油氣層的開發(fā)；2）具有天然裂縫的儲(chǔ)層。儲(chǔ)層天然裂縫越發(fā)育，人造裂縫與天然裂縫貫穿后的裂縫網(wǎng)絡(luò)就更為明顯，體積壓裂的效果越好；3）高強(qiáng)度巖石儲(chǔ)層。巖石越堅(jiān)硬，越易產(chǎn)生剪切滑移，形成剪切裂縫及粗糙的節(jié)理，裂縫的導(dǎo)流能力越強(qiáng)。在國(guó)外，體積壓裂主要用于彈性模量大于3.0×104MPa的儲(chǔ)層。

體積壓裂在美國(guó)的Bakken取得了良好效果，其儲(chǔ)層滲透率約在0.01～0.10 mD之間。我國(guó)長(zhǎng)慶油田鄂爾多斯盆地的某些儲(chǔ)層與Bakken有相似之處，滲透率在0.1～0.3 mD之間。2012年，長(zhǎng)慶油田對(duì)盆地低壓致密油層體積壓裂設(shè)計(jì)模式進(jìn)行探索試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)24口井，其中直井17口，水平井7口。直井投產(chǎn)1年后，與鄰井相比，試驗(yàn)井的單井產(chǎn)量平均日增油49%；水平井投產(chǎn)初期，平均單井產(chǎn)量達(dá)到10t·d-1，較之常規(guī)壓裂的水平井，產(chǎn)量提高140%。2017～2019年，體積壓裂已在長(zhǎng)慶油田致密油區(qū)塊進(jìn)行了規(guī)?；瘧?yīng)用。

2.4 震動(dòng)壓裂工藝

當(dāng)震動(dòng)產(chǎn)生的水擊壓強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地層破裂壓力和井筒附近地層的最大主應(yīng)力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些新的微裂縫，隨后將高壓壓裂作用于微裂縫上，便可使這些裂縫延伸、擴(kuò)展，從而達(dá)到提高導(dǎo)流能力的目的[17-18]。該技術(shù)適用于巖石致密、近井地帶污染嚴(yán)重的儲(chǔ)層或井位，現(xiàn)場(chǎng)已應(yīng)用500余井次，有效降低了施工壓裂、注水壓力等。

2.5 老井轉(zhuǎn)向壓裂

老井轉(zhuǎn)向壓裂是采用化學(xué)暫堵劑暫時(shí)性封堵老裂縫，使重復(fù)壓裂的平面上的裂縫轉(zhuǎn)向，或縱向剖面的新層開啟。暫堵劑為轉(zhuǎn)向壓裂的核心材料，一般為黏彈性小顆粒，可在炮眼處和高滲透帶產(chǎn)生濾餅橋堵，形成高于裂縫破裂壓力的壓差值，使壓裂液不再進(jìn)入老裂縫，而是形成新的裂縫層，因此實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向壓裂[19]。

轉(zhuǎn)向壓裂適用于有一定能量基礎(chǔ)的注水開發(fā)后期的老井。開展轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)理論的研究，尤其是加強(qiáng)重復(fù)壓裂新裂縫的造縫機(jī)理和延伸規(guī)律的研究，對(duì)于指導(dǎo)重復(fù)壓裂施工，提高其工藝可行性和經(jīng)濟(jì)可行性、提高低滲透油氣藏開發(fā)水平，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義[20-21]。

圖5 裂縫形態(tài)

吉林油田大部分區(qū)塊已經(jīng)進(jìn)入開發(fā)中后期，且儲(chǔ)層滲透率較低，經(jīng)過多年注水開發(fā)后呈現(xiàn)出產(chǎn)能低、含水高等特點(diǎn)。為了提高單井產(chǎn)量，吉林油田于2011～2015年進(jìn)行了2000余口井的重復(fù)壓裂，產(chǎn)得原油280多萬t。

2.6 寬帶壓裂

寬帶壓裂是在測(cè)試儲(chǔ)層不同層段地層應(yīng)力的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)“精益”壓裂。在應(yīng)用寬帶壓裂時(shí)，壓裂液首先進(jìn)入應(yīng)力較低的壓裂層段，然后采用不同性質(zhì)和形態(tài)的暫堵，將已經(jīng)改造過的近井筒縫眼進(jìn)行臨時(shí)封堵，再依次對(duì)應(yīng)力較高的層、簇間進(jìn)行改造，增強(qiáng)了井筒近井地帶的波及度和接觸面積，層、簇間的改造效果較好，產(chǎn)能得到有效提高。

2014年，寬帶壓裂技術(shù)在美國(guó)鷹福特頁巖氣區(qū)塊進(jìn)行了先導(dǎo)性試驗(yàn)。試驗(yàn)采用了優(yōu)選的暫堵材料，優(yōu)化了壓裂工藝參數(shù)，并對(duì)泵壓、裂縫進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。試驗(yàn)井投產(chǎn)后，相比常規(guī)工藝改造的井，產(chǎn)能提高約15%，改造效果較佳。

2015～2018年，長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，對(duì)暫堵材料進(jìn)行了研制和優(yōu)選，同時(shí)結(jié)合壓裂工具管柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和地層應(yīng)力，對(duì)壓裂設(shè)計(jì)和工藝等進(jìn)行了模擬優(yōu)化分析，形成了配套的暫堵材料及工藝。2015年10月，該技術(shù)在長(zhǎng)慶超低滲區(qū)塊油井直井上進(jìn)行了5井次的先導(dǎo)性試驗(yàn)，隨后在華池油田、隴東油田水平井、老井進(jìn)行了30井次試驗(yàn)，在殼牌長(zhǎng)北區(qū)塊氣井進(jìn)行了30井次的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)平均暫堵升壓5MPa以上，改造前平均日產(chǎn)油1.36t，改造后投產(chǎn)初期平均日產(chǎn)油5.82t，增產(chǎn)幅度達(dá)3倍以上。

今后若能采用微地震、裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)等，建立某一儲(chǔ)層或某一區(qū)塊的數(shù)據(jù)庫及預(yù)測(cè)分析模型，將會(huì)使寬帶壓裂技術(shù)的優(yōu)勢(shì)充分體現(xiàn)。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：

1）可代替機(jī)械分隔，減少了分隔器對(duì)套管的損傷，以及因分隔器質(zhì)量問題造成的施工異常。

2）可有效降低施工壓力。傳統(tǒng)的機(jī)械分隔一般都要達(dá)到一定的工作壓力才能分隔，而寬帶壓裂則只需在略大于地層壓力時(shí)即可，不需要象傳統(tǒng)機(jī)械分隔器那樣，要求壓力大于分隔器的工作壓力，從而降低了壓裂施工壓力，同時(shí)對(duì)壓裂液的性能和數(shù)量要求也有所降低。

3 結(jié)論

1）儲(chǔ)層條件是選擇壓裂工藝的先決條件，因此在優(yōu)化壓裂工藝前應(yīng)對(duì)儲(chǔ)層有深入的認(rèn)識(shí)。

2）當(dāng)楊氏模量和閉合應(yīng)力的比值＞350時(shí)，采用Hiway壓裂工藝的效果較好。

3）儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育，巖石堅(jiān)硬，滲透率較低時(shí)，體積壓裂工藝的效果較佳。

4）暫堵劑為轉(zhuǎn)向壓裂的核心材料，對(duì)于轉(zhuǎn)向壓裂的縫長(zhǎng)有著至關(guān)重要的影響。

5）采用地測(cè)技術(shù)監(jiān)控裂縫、地應(yīng)力等數(shù)據(jù)，并建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫乃至模型，對(duì)于暫堵材料的選型及施工設(shè)計(jì)制定有著良好的建設(shè)性意義。

6）建議對(duì)寬帶壓裂暫堵材料及施工工藝進(jìn)行深度研究，以便代替機(jī)械分割，提高壓裂波及度，降低壓裂施工壓力。