水平井壓裂技術在低滲透油田開發中的研究與應用

張化林

（延長油田股份有限公司吳起采油廠，陜西延安 716000）

低滲透油田的滲透率低、能量弱，同時流體滲流阻力大，儲層物性和連通性差以及存在啟動壓力梯度等。因此，常規直井水驅無法對低滲透油田進行開發，而水平井壓裂技術能夠改善地下流體滲流的問題，并結合地層能量，使油井產量和開采效率得到提高。目前，國內低滲儲層分段壓裂施工工藝處于剛起步階段，相關技術和配套設施不夠完善，例如水平井分段壓裂工藝、井下封隔工具的使用以及理論與實際生產的結合等，仍然存在較大差距。因此，應加大研發力度，不斷提升技術水平，從而滿足勘探開發需求[1]。

1 壓裂的概念與低滲透油田壓裂技術

在開采石油、天然氣過程中，利用壓裂液的液壓能在含油地層中形成縫隙，并立即導入支撐劑固定，防止泄壓后縫隙閉合，人為地改變地層對油氣水等液體的滲透性能，減少地層中氣、液相物質流出阻力，使得石油或者天然氣能順利采出，從而能大幅提高石油采收率。目前最常見的新型壓裂液，分為泡沫壓裂液、油基壓裂液、水基壓裂液，并且各種型號的壓裂液均有著突出的優點。生產過程中，要按照低滲透油田的壓裂工藝特點和油田要求，正確選擇壓裂液。而經常使用的壓裂砂為石英砂或者陶粒，后者成本高但強度更大，多用于深井或者高壓井。

我國的低滲透油田資源相當豐富，在過去相當長一段時間，因低滲透油藏滲透率低，使得開采和開發利用難度很大。當石油作為流體過濾時，由于地層中孔隙的喉道半徑很小，它會受到來自液體表面的阻力和相互作用，滲透定律偏離了達西定律。所以，在油田產出時，單井生產率通常都很低，不壓裂也就沒有自然產能。國內外為開發利用低滲透油藏，研究和實踐了各種方法，實踐表明水平井應用于低滲透油藏具有明顯優勢，具有泄油面積大等優點，結合壓裂技術可以得到較高的采收率。因此，水平井壓裂是低滲透油藏開發的一個重要方面。想要提高油田產量以及低滲透油田的產量，需要從水平井的優化改造研究入手。通常，反映水平井日常產量和總生產量的因子主要是水平段長度、壓裂形成的斷裂段數和斷裂間距等。這些影響因素可以通過壓裂來控制最終關鍵參數。因此，低滲透油藏水平井壓裂優化研究具有較高的現實意義[2]。

2 低滲透油田的地質特征

低滲透性油田和其他形式的油田比較，最大的優勢是其地質結構滲透性較小，且地層之間的縫隙也相對小，因此滲漏作用較不良，由此造成油田開采難度大，難以在有效時間內提升石油開采效益。另外，低滲透油田的開發研究中，油田開采效益還與油田地質條件、地貌特點以及低滲透油田地質上的巖體類型等因素有關，因此，要加大開發力度，深入研究，以便于在開采過程中進行有針對性地開發，確保提高石油開采效率。

低滲透油田地質中存在白云巖與粉砂巖等成分，使得石砂之間的縫隙較小，進而造成該區域內的油層在開采過程中存在較大的開發難度和阻礙。同時隨著壓強的不斷增大，空隙內所遭受的擠壓作用逐漸變小，導致地質的滲透性也相應減小，最終形成地質滲透性不良，滲透效果也極大減弱。另外，低滲透油田地質中存在的一些礦物碎石成分，通過長期的堆積沉淀逐漸轉化為巖石層，也會對石油開采帶來巨大的考驗[3]。

3 低滲透油田開發中應用的水平井壓裂工藝分析

水平井壓裂技術在低滲透油田開發應用中能夠與實施分段和系統開發更好地相配合，并且相互協調，使技術系統與低滲透油田開采作業有序進行，為技術系統的創建創造途徑，同時起到節約能源的作用。

3.1 水平井環空分段壓裂工藝

水平井環空分段壓裂技術的應用范圍相當廣闊，并且在低滲透油田的開發工作中可以較好地滿足外圍條件。該技術主要采用了井口專用短節、高安全性接頭和壓裂封隔裝置等專用工具，可以較好地把環形空間封閉而處于完全閉合狀態，給井內的清洗作業保證了良好的通暢性[4]。

3.2 水平井滑套分段壓裂工藝

水平井滑套分段壓裂工藝的構成主要是大型高壓頭和壓裂工具，通過兩者之間的協調配合能夠營造良好的密封環境，在這一環境下，封隔器能夠高效運轉。另外，通過高壓安全接頭和封層型的壓裂工具共同作用，能夠使得低滲透油田內部液壓系統在安全、穩定的環境下進行調節和控制，即使在解封后也能夠在井內進行正方向的洗井，還能確保水平井管柱能夠順利提出。

3.3 水平井壓裂配套工藝

水平井壓裂技術的高效率開發離不開配套工藝的良好輔助。例如在分段壓裂技術應用過程中，在優化射孔原則基礎上，對排量和摩擦、阻力之間的關系進行精確，并根據不同排量對應的標準來選擇不同的孔眼，最終確保“摩擦性”的穩定。另外，還可以建立多層次、雙循環的分段壓裂流，并且在水平井內部建立預測模型，結合孔數、孔徑、井內排流量、管徑、砂量試驗等與壓裂技術相融合，最終形成系統性的配套工藝。

4 水平井分段壓裂技術運用

4.1 水力噴射壓裂

水力噴射壓裂的主要工藝原理是對壓能和動能的轉化，在這兩種能量進行轉化的過程中會應用到伯努利方程。之后利用壓裂車泵入液體，最后就可以推動高速水射流的產生。

然后對射孔作業井段定位并利用高速流體或者是攜帶石英砂的高速流體對套管障礙物進行沖擊，可以將套管上的開口刺開，再對巖層加以剪切和穿透，在這個過程中，高速流體運動所產生的動力也可以通過與巖層之間的碰撞之后，變為水壓能。因為在水力噴射壓裂技術的使用過程中，所使用的鉆具組合相對比較簡單可靠，所以能夠有效降低破裂壓力，進而提高整體施工的進度[5]。

4.2 限流多段壓裂技術

在完井壓裂技術中會存在限流多段壓裂技術，這種技術的應用主要存在于還沒有進行射孔的井中。采用這項工藝開展低滲透油田的開發，可以使油田開采項目中的注液量加以放大，并且在注液量擴大的同時也可以有效從直徑和數量上對射孔加以控制，這樣的方法主要是希望可以使油井井底的水壓逐步上升，從而實現在所有層塊上均可以對注液量實現大量分流的目的。另外，當限流多段壓裂方法用于低滲透油田時，也可以在油井井底壓強大于土壤巖層裂縫壓強的前提下使裂紋產生于層塊上[6]。而且這項設計的優勢還相當突出，例如在長度和重量上，不同層塊的射孔炮眼產生較大差異，對不同的層段進行改造可以獲得不同的預期效益。而在實際的開采環境中，還可以減少工具的使用，這樣的施工工序會相對比較簡單，同時還具有施工周期短的優點。

4.3 裸眼封隔器分段壓裂

這個工藝技術主要是在介質的選用上以封隔器為主，之后再在不同的射孔段上使用封隔器進行壓力阻擋，再經過壓裂改造對某一射孔段加以實施；而在完成最后的實施之后，經過壓裂段和投球同時將封堵上的射孔段的滑套打開，之后再經過壓裂改造技術對上部層段加以實施。這樣可以順序上返，從而完成多段分壓。當進行改造以后，球體將隨壓裂液返排出豎井，合層工作完成。

4.4 水平井壓裂配套工藝

在進行水平井壓裂配套工藝時，要想進一步增強其技術能力就需要有完善的配套工藝。在開展分段壓裂過程中，就需要先對孔射進行設計，并以此為基礎進行油田開發，把排量與沖擊、壓力之間的遞進聯系加以精確，孔眼也按照對排量的要求來選取，這樣才能在“摩阻性”方面進行平衡。另外，為了可以使配套的技術更加完善，還需要在分段壓裂流設計中滿足多層次、雙循環的要求，并把預測模型設置在水平井內。

4.5 化學隔離多段壓裂

這項技術一般是無法對機械封隔器的套管井加以利用而提出來的。采用這種技術對低滲透油田進行開發的過程中，重點是對開裂的各層管依次進行射開，然后再將這些層段進行隔離，在隔離過程中主要利用的材料是液態膠塞、砂子等。對這些工序施工完畢后，還需要將這些材料沖開，之后再進行合層排液。這種技術同樣不需要使用工具，而且安全性能較高。

5 低滲透油田水平井壓裂新思路

5.1 水平井可控穿層壓裂技術

水平井的好處是橫穿儲層能增加單井數量，但縱向儲層的使用量較少。所以，對于水平井可通過穿層壓裂技術來實現橫縱儲層的連接互通，其主要工藝途徑是通過對水平段實施分段多簇射孔，進而再利用其高排量、高液量、高黏度等液壓改造技術，從而實現水平井段“一縫穿多層”的穿層壓裂技術改造。而水平井穿層壓裂技術則通過對布置在主含油層中的水平井上的多個含油層進行互通，進而拓寬泄油區域。穿層壓裂技術的關鍵是確定穿層壓裂儲層的判斷標準，穿層壓裂設計方法優化以及對穿層效果的監測。

總結了穿層壓裂理論模型與人工裂縫全三維模擬技術，并根據水平井鉆遇條件和儲層膨脹的特點，研究形成了“壓砂穿泥”和“壓泥穿砂”兩種壓裂模型，還分別對兩種模式的優化技術進行研究。

（1）鉆遇段砂巖穿層壓裂：提高施工排量、壓裂液的黏度；擴大開挖范圍，增加平均砂比；前置液中砂段塞處理，增加縫內凈壓力。

（2）非鉆遇段泥巖穿層壓裂：通過優化射孔的方向、酸處理方法，減少裂縫壓力；增加前置液配比，提升造縫水平；低砂比、長期施工；加砂末端高砂比保縫口寬度；間斷加砂。

5.2 水平井體積改造技術（SRV）

利用壓裂的方法對儲層加以改建，在建立一個或多個主要裂隙時，利用分段多簇射孔、大排量、大液量、低黏液體積，以及轉向材料及方法的運用，完成對自然裂隙、巖石層理的溝通，并且在主要裂隙的側向強制建立次級裂隙，再在次級裂隙上不斷分枝建立二級次生裂等。將主要裂隙和多級次生裂隙疊加建立裂隙網絡，把能夠發生滲流的資源儲集體“打碎”，使裂隙側壁和儲層基質的接觸范圍最大化，使油氣在任何方位的基質向裂隙的滲流間隔最短，極大提高了儲層整體滲透率，完成儲層從長、寬、高三個方位的總體改建，最大程度增加儲層利用效率和采收量。體積改造產生的已經不僅是雙翼的斷裂，而是復雜的網狀斷裂體系，裂紋的起裂和延伸不單純是斷裂的張力斷裂，而且還產生了剪切、滑動、錯段等復雜的力學活動[7]。

6 低滲透油田壓裂技術應用效果分析及發展趨勢

為了研究水平井壓裂技術在低滲透油田開發中的應用，以吳起油田部分水平井為研究對象，對其中一部分實施環空分段壓裂技術，一部分實施滑套分段壓裂技術，其余井采用其他開發方式予以對比分析。數據收集和實驗結果分析可以發現，采用環空工藝技術和滑套工藝技術的水平井達到了良好的開發效果，不但可以起到限流的作用，還能極大提升壓裂過程中低滲透油田的開采效果。相比之下，采用其他開發方式的水平井，原油量沒有得到改善，由此可見，水平井壓裂技術應用于低滲透油田的開發，可以提升油田的開發效率，還能夠實現集約化資源利用的目的。這一應用行為為低滲透油田的可持續開采以及安全利用提供了有力保障，同時適用于整個國家的油田開采行業，具有戰略性的意義。

國內外專家學者在提升油田開發有效性方面不斷鉆研和創新，并且在低滲透油田壓裂技術的創新上取得了優異的成果。就現階段而言，低滲透油田開裂技術將會朝著更加完善、先進的方向發展。首先，信息時代的不斷進步，也就意味著水平井壓裂技術配套軟件也會隨之得到進一步的更新迭代，并且功能也會隨著低滲透油田的開采要求而不斷優化，例如模擬模塊具有三維立體功能，能更好地確定井下壓裂情況，并根據實際情況進行后續的合理調整。其次，已有研究人員認識到低滲透油田油層力學性質的特殊性，并以Notel-Smith曲線為基礎重新構建低滲透油田壓裂壓力解釋模型，這有利于更好地分析多層壓裂過程，從而提升低滲透油田壓裂技術的準確度。除此之外，用于低滲透油田壓裂技術的材料和設備等也會隨之不斷優化和創新，以確保低滲透油田的順利開采。

7 結束語

利用水平井壓裂技術對低滲透油田進行開采的過程中，能夠讓整體的開采效率和綜合效益顯著提高。在低滲油田開采時，水平井壓裂技術的應用也比較廣泛。在以后的低滲透油田開采過程中，應該對這些不同的水平井壓裂技術進行綜合利用，將幾種技術的優點結合起來進行油田開采工作，從而實現開采效果的最佳，在經濟效益上促進油田工程的發展。