水平井水力壓裂機理及在改造低滲儲層中的應用

張小奇，史建國

（延長油田股份有限公司吳起采油廠，陜西 延安 717600）

隨著石油工業的發展，低滲透、超低滲透及非常規油氣資源逐漸成為各油氣田穩產增產的主體。其儲層結構致密，流體流動困難，需要通過壓裂來改變儲層流體流動狀態。水力壓裂作為低滲、超低滲油田增產增效的主要措施，針對不同地層有不同的壓裂工藝，應根據地層情況復雜，針對不同的地質條件、儲層特征，應選擇合適的壓裂方式，以便獲得更好的儲層改造效果。此外，隨著科技的進步，新型壓裂技術在改造儲層方面也展現出其優勢。

1 水力壓裂增產機理

1.1 壓裂原理

水力壓裂就是利用高壓水力作用，在儲層中形成人工裂縫，溝通遠井帶油氣儲集區，擴大泄油面積，提高油井產量的一種技術。

圖1 水力壓裂原理

原理：通過地面高壓泵組，由井筒向地層注入大排量、高粘液體，在井底產生極高的壓力，當該壓力達到地層破裂壓力時，井底巖石被壓開形成裂縫。繼續高壓高速注入攜帶支撐劑的液體，迫使裂縫向前延伸，壓裂停止后，支撐劑起到支撐裂縫作用，形成了具有一定尺寸的高導流能力的填砂裂縫，使油氣輕松地通過裂縫流入井中，達到增產增注效果[1]。

1.2 增產機理

（1）改變流體形態：壓裂前，儲層流體形態為徑向流，壓裂后形成多條裂縫，變為雙線性流，流體更易流入井筒。

（2）溝通油氣儲集區：低滲、超低滲儲層非均質性較強，井底并不能連通所有的油氣聚集帶，通過壓裂產生的人工裂縫，可以有效的將油氣聚集帶與井筒連接起來，擴大了供油區域，提高單井產量。

（3）克服井底附近地層的污染。

2 常見的幾種水力壓裂工藝

2.1 限流法壓裂

1985年，國外在改造油田表外薄互層開發狀況方面，使用限流法進行壓裂完井，使之前無法充分動用的儲層得到了開發，取得了較好的改造效果，增加了油田可采儲量，在保證油田增產穩產方面發揮了重要作用。國內應用水平井限流法壓裂首先開始于大慶油田外圍，從1990年代至今，在改造薄差層方面大慶油田應用該技術壓裂幾十口井，均取得很好的增產效果。

圖2 限流法壓裂過程示意圖

其技術原理為：通過嚴格控制炮眼數量和直徑，以盡可能大的排量施工，利用炮眼摩阻提高井底壓力，迫使壓裂液分流，使破裂壓力相近的地層依次壓開，達到一次加砂能夠同時處理多層的目的[2]。

在鄂爾多斯盆地進行低滲透油氣田開發時，經常會遇到薄差層，其儲層破裂壓力基本接近，采用機械分隔往往難以操作，用限流法壓裂技術進行壓裂時提高了多層壓開程度、節約壓裂成本，能夠壓開100米內近10個以上薄層，非常適合低滲透薄差油層壓裂。

2.2 分段壓裂技術

圖3 滑套封隔器分段壓裂工藝

分段壓裂是在水平井段，將封隔器和壓裂滑套串在完井套管，根據設計要求將油氣儲層人為的分成幾段，用同一設備依次單段壓裂，以達到最大化儲層滲流能力、提高導流性和生產力的目的。分段壓裂技術具有針對性突出、可控性好、壓裂效果顯著等特點。常見的有以下幾種：水平井套管限流壓裂、滑套式封隔器分段壓裂、水平井雙封單卡分段壓裂等[3]。

2010年，中石化在鄂爾多斯盆地南部地區首先進行水平井分段壓裂試驗，其第1口試驗井壓裂后最高日產油達29.0 t，相較與該地區平均油井日產量增加了數倍。到目前為止，累計壓裂水平井井500口左右，單井分段壓裂最多達19段，最高日產油128.5 t[4]。

2.3 水力噴射壓裂技術

水力噴射壓裂技術是利用高壓、高速流體，并攜帶支撐劑體進行射孔，打開井筒與儲層之間的通道后，進一步提高流體排量，從而在儲層中造成裂縫的水力壓裂技術[5]。

長慶油田結合其儲層特點：低滲且天然微裂縫較發育，首創了“多簇射孔、環空加砂、長效封隔”的水力噴射環空壓裂工藝，解決了傳統水力噴射壓裂工藝使用過程中出現的噴嘴壽命短、加砂量少、單一裂縫增產效果不顯著的難題。該技術主要技術特點：采用雙級噴射器噴砂射孔，后環空加砂、油管補液注入地層，顯著降低了反濺傷害與噴嘴磨損，提高了壓裂管柱施工能力和作業效率。實踐應用表明，該方法的使用能有效的提高了低滲、超低滲儲層開發效果[6]。

圖4 水力噴射壓裂技術

2.4 選擇性壓裂技術

利用油層內不同部位或各油層間吸液能力不同的特點，通過投入暫堵劑封堵已有裂隙，以便壓裂液分流，從而在其它部位或層內壓開新裂縫，達到選擇性壓裂的目的。

圖5 暫堵劑入侵（左）與形成暫堵區（右）

該技術普遍應用于油井重復壓裂，在進行重復壓裂前，需要對之前壓開的裂縫進行暫堵，以便能獲得新的裂縫，溝通未被連通的儲集層，提高油井產量。

3 壓裂新技術

水力壓裂技術開發油氣資源的一種可靠技術，在開發低滲、超低滲及非常規儲層方面被廣泛使用。然而，水力壓裂也有其負面影響。水力壓裂引起的環境污染開始引起人們的極大關注，壓裂液污染地下水，巨大的壓力可能引發地震等。

3.1 超臨界二氧化碳壓裂技術

超臨界二氧化碳具有以下特點：密度與水借鑒；粘度極低；表面張力幾乎位零；不含固液相，對儲層無污染、無傷害。此外，采用CO2作為壓裂液體系，在地層中形成的CO2泡沫溶于水形成酸性液溶，對儲層能起到一定程度的溶蝕作用，在低滲、超低滲透儲層改造中具有很大的優勢。

3.2 高能氣體壓裂技術

利用炸藥及火藥在井底快速燃燒產生的高溫高壓氣體，在井筒附近產生高速高壓氣流，達到巖石破裂強度時，產生多條隨機裂縫，裂縫方位不受地應力影響，溝通井筒與儲層，從而達到增產増注。主要不足在于裂縫延伸距離較短，且爆炸能量不易控制，容易對井筒產生損壞。

3.3 LPG壓裂技術

采用液化石油氣（LPG）作為壓裂液，其作用與水力壓裂的幾乎相同，特點在于無需反排、對地層沒有傷害。

4 結論及展望

水力壓裂作為改造儲層的主要技術，適應性廣，增產增注效果顯著，在壓裂施工前應充分研究地層特征，選擇適當的水力壓裂方式，以便獲得最佳的增產效果；新型壓裂技術具有顯著的優勢，隨著工藝的進步，將會得到較大規模的應用。

[1]章琪.采油工程原理與設計[M].石油大學出版社，2006.

[2]邢慶河,張士誠.水平井限流法壓裂技術的發展與應用[J].天然氣工業,2010(03):52-54+130-131.

[3]陳作,王振鐸,曾華國.水平井分段壓裂工藝技術現狀及展望[J].天然氣工業,2007(09):78-80+136-137.

[4]何青,秦玉英,姚昌宇,陳付虎.鄂爾多斯盆地南部致密油藏水平井分段壓裂技術[J].斷塊油氣田,2014(06):816-818.

[5]唐穎,張金川,張琴,龍鵬宇.頁巖氣井水力壓裂技術及其應用分析[J].天然氣工業,2010(10):33-38+117.

[6]韓繼勇,逄仁德,王書寶,羅晶晶,陶紅勝,王偉剛.水力噴射環空壓裂技術在長慶油田的應用[J].鉆采工藝,2015(01):48-50+3.