低滲透儲層安全環保石油壓裂技術探析

＊馬宇彬

（中石化西南石油工程有限公司井下作業分公司 四川 618030）

引言

從目前石油壓裂的應用狀況來看，這一技術在國內的應用非常普遍，并在多個地區進行推廣和應用，盡管石油壓裂技術在一定程度上改善了油田的產量，但其帶來的危害和污染問題也應引起社會的重視。目前我國對石油需求量較大，因此安全環保石油壓裂技術具有廣闊發展前景。在環保的要求下，對低滲透儲層安全環保石油壓裂技術進行分析，以提高資源的利用率為目標，具有理論意義與實踐意義。在具體應用中，根據不同的油田地質環境，通過綜合分析確定出適用于該區域的石油壓裂技術，從而達到對水污染進行有效控制的目的。

1.低滲透儲層安全環保石油壓裂技術分析

(1)石油壓裂技術

石油壓裂技術是指在采油時，采用地表高壓泵進行采油。利用井筒將黏性較高的壓裂液注入低滲透儲層中，采用持續加速的方法，提高壓裂液的濃度[1]。這樣就會在低滲油田的油層上產生一股巨大的壓力，能夠將油層壓開，這時以一定速率將壓裂液不斷地注入低滲油層中。使早先形成的裂縫將擴展到儲集層的內部，使壓裂液壓裂后形成的裂縫一直處于裂縫狀態。通常情況下，要將含支撐劑、含砂液體注入低滲地層中，常用的支撐劑為石英砂。支撐劑，確保裂縫處于張開狀態；含砂液體對裂縫起到了兩種作用：一方面，由于外部的高壓，裂縫不會被封閉，裂縫會不斷地向著低滲油層的內部擴展，除了要重新注入頂壓液之外，還會導致裂縫的再次擴大。它的功能是把所有的支撐劑都從井內頂住，把所有的支撐劑含砂液體都推入到低滲透儲層的裂縫中。支撐劑含砂溶液中的支撐劑對裂縫起到了支撐作用。在儲層中，首先注入的高黏度壓裂液將在一定時間內發生化學反應，在一定時間內自行分解，然后從儲層中排出。而在低滲性的儲層中，往往會有一個完整的孔道，便于油氣的開采。在低滲透、低壓力、低產能的油氣田中，通過對油氣田進行壓裂改造，可使其增產效果顯著，經濟效益顯著，資源利用率高。

(2)低滲透儲層安全環保的石油壓裂技術

目前，最常用的是水平井分段壓裂技術，它的核心內容包括化學隔離、機械分隔、限流壓力等。利用隔離技術，可以將污染物與地下水源隔離，從而實現對污染的控制。在國內，水平井分段壓裂技術包括化學隔離技術、機械分隔分段壓裂技術、限流壓力作用、水力噴砂壓力作用[2]，常規的石油壓裂技術以第四種技術為主，而在實際中也較為普遍和成熟。垂直井筒分層壓裂法是新時代的一種新技術，它能縮短工程工期，減少工程造價。它還有許多獨特的優點，比如形成的裂縫更大，可以對低滲透油藏進行有效改造。

井筒在與最大主應力相同方向情況下，沿最大主應力的方向會產生與最小主應力相垂直的縱裂；在豎直豎井中，在最大主應力的作用下，將產生水平裂紋。當井身與最大主應力有一個角度時，沿最小主應力方向會產生扭轉裂紋。儲集層中的烴類常以高滲透率為特征，在儲集層中具有明顯的徑向流動特征。當受壓時，裂隙的滲流與裂隙的界面相吻合，但其抗壓強度卻很低。因此，對于滲透率較高的油藏，利用垂直裂縫進行水平井改造，可以取得較好的增產效果，而對于滲透率較小的油藏，則可以利用水平裂縫進行增產。

(3)水平井分段壓裂技術特點

①限流分段壓裂技術

在實際生產中，采用對無射孔區新井加強管理，對注入量、管道直徑等進行了嚴格控制，保證注入量在一段時間之內達到飽和。當井筒內壓增加時，已開啟的井筒將被限制，未開啟的井筒將持續向外流，由此實現對壓裂液進行分流[3]。在實際運用中，對井筒尺寸提出了較高的要求，分為水平井節流和垂直井壓裂兩類。二者之間最大的不同之處，就是壓裂液流向不同，導致水平井形成裂縫的困難程度大大提高，而使用高濃度的壓裂液進行壓力提升時，危險性也大大提高。該技術的優勢在于不需要特殊的設備，操作簡單，操作人員一次就可以保證多條裂縫的同時進行，增強了對儲集層的防護能力。

②化學隔離分段壓裂技術

目前，這一技術已被廣泛用于鉆孔，但多數應用于套管井。該技術的優勢在于在不使用機械密封裝置的情況下，利用化學密封的方法，可以解決單井施工過程中存在的套筒變形和儲層中存在的大量雜質[4]的問題。許多油田采用這種方法后，發現它的膠塞具有較高的抗拉力，還可以按照實際情況進行彈性調整，實現了壓力下的自動破膠。同時，還可以對整個工作循環進行有效的控制，最終的工作成果沒有殘留，實現了水平井的分段壓裂。但是，由于該項技術有投資較高、施工過程繁瑣的缺點，在我國并沒有得到廣泛的應用。

③雙封隔器上提多段壓裂技術

這種方法的優勢在于可以一次性實現多個井眼，極大地改善井眼的井眼質量。在實際壓裂操作中，利用導壓噴砂封隔器實現節流壓差壓裂，首先對最底層進行壓裂，然后進行施工，利用一次管柱壓裂技術，實現全層壓裂。通過實際應用表明，該技術具有運行效率高、容易掌握等優點，并能實現井眼的科學劃分和有效壓裂[5]。但是，在整個工程中，因為需要不斷地進行管樁的推進，整個工程的工期要比一般工程要長，而且在下入管樁時易出現折斷現象，造成工程造價的提高。

④水力噴射加砂分段壓裂技術

在實際生產中，采用了打孔、壓裂和隔離的方法，實現了集中使用。工程隊需要使用特殊的噴管設備，通過噴管中的射流對噴管形成一定的壓強，然后再通過氣流中的流體來提升環形空間內的壓強，進而突破巖石層。該技術的優勢在于在裸眼完井和篩管完井條件下，水力噴射壓裂可實現井下多個裂隙的快速精確壓裂，且可與常規管線連接，是一種安全可靠的井下壓裂新方法。任意地層均可采用水力噴射技術，實現分段壓裂或酸壓，其操作比較簡便，壓裂作業的效率比較高。

但當前這項技術在應用中尚有一些問題，其主要與小管徑的油管進行聯合作業，適用于低滲透儲層。而其他地區地層中的油氣含量比較豐富，為了能夠提高開采效率，必須采用大管徑的連續油管。今后這項技術將會逐步與大管徑的油管相結合，為提升能源的開采效率打下基礎。如圖1所示。

圖1 水力噴射加砂分段壓裂技術示意圖

2.低滲透儲層安全環保石油壓裂技術的應用策略

(1)定點多層封隔器分段技術

定點多層封隔器分段工藝是一項改進型完井工藝，在實際生產中，可提高單次采收率。建設單位可根據工程實際情況，對每一段進行有選擇性的分段劃分及改建。經多項工程實例驗證，該技術在油田中的應用切實可行，并取得了較好的效果。這項技術的運用，主要是通過兩部分來完成，一個是膨脹式的密封件，另一個則是滑動式的套筒。而多層壓裂是先完成一道工序，再進行下一道工序。該方法的整體操作結構較為簡單可靠。近年來，隨著國家經濟建設的進程，人們不斷地對封堵工具進行改進與優化，取得了明顯的應用效果。將其應用于低滲透油藏，能夠有效地控制油藏的成本。總的來說，對于低滲透儲層安全環保石油壓裂技術的未來發展有很大的幫助。以大慶油田為例，針對其所處的低滲透、特低滲透油藏，采用了水平井分段壓裂工藝，并獲得較好的經濟效益，特別是采用封隔器滑套分層壓裂技術。

與此同時，大慶油田在周邊“三低”油藏開發時期，開發出了儲層綜合描述技術、經網優化設計技術和注水開發綜合調控技術，使油田產能得到進一步的提升，并有效地解決油田開發過程中的資源浪費問題，尤其是壓裂技術，使單井產量得到了明顯的提升，對環境沒有造成嚴重污染。

(2)加強水平井壓裂監測技術

為了提高低滲透儲層安全環保石油壓裂技術的應用水平，有必要加大對水平井壓裂過程的監控力度。監控技術的不斷完善，既是油田開發工作創新的一種表現，也是提高油田產量的一種有效管理手段。在壓裂監控的實踐中，利用監控技術，可以通過現場的地質調查，追蹤監控壓裂技術和開發計劃，及時發現壓裂過程中存在的問題。同時，根據存在的問題，提出改進的對策，將其負面影響降至最低。當前，通過監測技術對井下的微地裂縫進行監測，能夠對裂縫進行有效的監控與控制，并且基于反演的地層裂縫數據，預測出儲層的參數、裂縫的長度、高度，為未來的相關工作提供了有價值的依據[6]。在今后的發展中，各種高精密儀器的運用，必將給監控技術帶來更大的革新。

(3)持續改造水平井技術

在石油天然氣開發中，水平井壓裂能有效地提高油藏的采收率，更高效地利用油藏資源。隨著社會經濟的不斷發展，對原油的需求量也在不斷增加，這就要求水平井工藝不斷改進，以達到更好地開發和利用油氣資源的目的。在水平井壓裂工藝優化中，提出了一種改進的分步壓裂工藝。連續油管壓裂是一種新的、安全的、能顯著提高油氣開采效果的技術。這種技術的操作過程十分簡單，而且能夠將對油井造成的傷害降到最低，提高原油的采收率[7]。另外，在水平井壓裂工藝中，使用性能優異的壓裂劑，可有效降低壓裂時對儲層的傷害。今后，通過壓裂工藝的進一步開發，將使壓裂工藝向低污染的方向發展，減少對油藏的傷害，推動石油和天然氣資源開發的可持續發展。

(4)加強技術和施工管理

隨著壓裂工藝的不斷發展和改進，工藝管理和控制已經逐漸成為制約壓裂工藝發展的一個主要因素[8]。在工藝施工過程中，對工藝、管理等方面的控制不到位，造成水平井分段壓裂過程中出現質量問題或隱患。因此，必須在技術上進一步完善，從建筑設備、建筑材料的選擇等方面進行改進。對于建筑機械，要按照其適宜的溫度、濕度來對其進行維護，并且在建筑過程中按需要對其進行修理、維護。為了避免因材料不符合要求而引起的壓裂施工質量問題，應選用低污染、低摩阻、攜砂能力強的壓裂液和與地層相適應的壓裂砂[9]。

3.結束語

以水平井分段壓裂工藝為代表的低滲透儲層安全環保石油壓裂技術，是目前能夠滿足國內原油開采需求的一種技術形態，值得大力推廣。在今后的發展過程中，要不斷地進行技術創新，不斷地改進監控技術，強化對設備與材料的管理，并做好總體開采方案與規劃，從而更好地促進油田開發工作的有序進行，為油田企業帶來更大的經濟效益。