水平井壓裂技術(shù)在低滲透油田開發(fā)中的研究與應(yīng)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(shí)流體滲流阻力大，儲(chǔ)層物性和連通性差以及存在啟動(dòng)壓力梯度等。因此，常規(guī)直井水驅(qū)無法對(duì)低滲透油田進(jìn)行開發(fā)，而水平井壓裂技術(shù)能夠改善地下流體滲流的問題，并結(jié)合地層能量，使油井產(chǎn)量和開采效率得到提高。目前，國內(nèi)低滲儲(chǔ)層分段壓裂施工工藝處于剛起步階段，相關(guān)技術(shù)和配套設(shè)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(shí)際生產(chǎn)的結(jié)合等，仍然存在較大差距。因此，應(yīng)加大研發(fā)力度，不斷提升技術(shù)水平，從而滿足勘探開發(fā)需求[1]。

1 壓裂的概念與低滲透油田壓裂技術(shù)

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(dǎo)入支撐劑固定，防止泄壓后縫隙閉合，人為地改變地層對(duì)油氣水等液體的滲透性能，減少地層中氣、液相物質(zhì)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(hào)的壓裂液均有著突出的優(yōu)點(diǎn)。生產(chǎn)過程中，要按照低滲透油田的壓裂工藝特點(diǎn)和油田要求，正確選擇壓裂液。而經(jīng)常使用的壓裂砂為石英砂或者陶粒，后者成本高但強(qiáng)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(dāng)豐富，在過去相當(dāng)長一段時(shí)間，因低滲透油藏滲透率低，使得開采和開發(fā)利用難度很大。當(dāng)石油作為流體過濾時(shí)，由于地層中孔隙的喉道半徑很小，它會(huì)受到來自液體表面的阻力和相互作用，滲透定律偏離了達(dá)西定律。所以，在油田產(chǎn)出時(shí)，單井生產(chǎn)率通常都很低，不壓裂也就沒有自然產(chǎn)能。國內(nèi)外為開發(fā)利用低滲透油藏，研究和實(shí)踐了各種方法，實(shí)踐表明水平井應(yīng)用于低滲透油藏具有明顯優(yōu)勢(shì)，具有泄油面積大等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合壓裂技術(shù)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(fā)的一個(gè)重要方面。想要提高油田產(chǎn)量以及低滲透油田的產(chǎn)量，需要從水平井的優(yōu)化改造研究入手。通常，反映水平井日常產(chǎn)量和總生產(chǎn)量的因子主要是水平段長度、壓裂形成的斷裂段數(shù)和斷裂間距等。這些影響因素可以通過壓裂來控制最終關(guān)鍵參數(shù)。因此，低滲透油藏水平井壓裂優(yōu)化研究具有較高的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

2 低滲透油田的地質(zhì)特征

低滲透性油田和其他形式的油田比較，最大的優(yōu)勢(shì)是其地質(zhì)結(jié)構(gòu)滲透性較小，且地層之間的縫隙也相對(duì)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(shí)間內(nèi)提升石油開采效益。另外，低滲透油田的開發(fā)研究中，油田開采效益還與油田地質(zhì)條件、地貌特點(diǎn)以及低滲透油田地質(zhì)上的巖體類型等因素有關(guān)，因此，要加大開發(fā)力度，深入研究，以便于在開采過程中進(jìn)行有針對(duì)性地開發(fā)，確保提高石油開采效率。

低滲透油田地質(zhì)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(jìn)而造成該區(qū)域內(nèi)的油層在開采過程中存在較大的開發(fā)難度和阻礙。同時(shí)隨著壓強(qiáng)的不斷增大，空隙內(nèi)所遭受的擠壓作用逐漸變小，導(dǎo)致地質(zhì)的滲透性也相應(yīng)減小，最終形成地質(zhì)滲透性不良，滲透效果也極大減弱。另外，低滲透油田地質(zhì)中存在的一些礦物碎石成分，通過長期的堆積沉淀逐漸轉(zhuǎn)化為巖石層，也會(huì)對(duì)石油開采帶來巨大的考驗(yàn)[3]。

3 低滲透油田開發(fā)中應(yīng)用的水平井壓裂工藝分析

水平井壓裂技術(shù)在低滲透油田開發(fā)應(yīng)用中能夠與實(shí)施分段和系統(tǒng)開發(fā)更好地相配合，并且相互協(xié)調(diào)，使技術(shù)系統(tǒng)與低滲透油田開采作業(yè)有序進(jìn)行，為技術(shù)系統(tǒng)的創(chuàng)建創(chuàng)造途徑，同時(shí)起到節(jié)約能源的作用。

3.1 水平井環(huán)空分段壓裂工藝

水平井環(huán)空分段壓裂技術(shù)的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣闊，并且在低滲透油田的開發(fā)工作中可以較好地滿足外圍條件。該技術(shù)主要采用了井口專用短節(jié)、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(huán)形空間封閉而處于完全閉合狀態(tài)，給井內(nèi)的清洗作業(yè)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(gòu)成主要是大型高壓頭和壓裂工具，通過兩者之間的協(xié)調(diào)配合能夠營造良好的密封環(huán)境，在這一環(huán)境下，封隔器能夠高效運(yùn)轉(zhuǎn)。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(nèi)部液壓系統(tǒng)在安全、穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，即使在解封后也能夠在井內(nèi)進(jìn)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(shù)的高效率開發(fā)離不開配套工藝的良好輔助。例如在分段壓裂技術(shù)應(yīng)用過程中，在優(yōu)化射孔原則基礎(chǔ)上，對(duì)排量和摩擦、阻力之間的關(guān)系進(jìn)行精確，并根據(jù)不同排量對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來選擇不同的孔眼，最終確?！澳Σ列浴钡姆€(wěn)定。另外，還可以建立多層次、雙循環(huán)的分段壓裂流，并且在水平井內(nèi)部建立預(yù)測(cè)模型，結(jié)合孔數(shù)、孔徑、井內(nèi)排流量、管徑、砂量試驗(yàn)等與壓裂技術(shù)相融合，最終形成系統(tǒng)性的配套工藝。

4 水平井分段壓裂技術(shù)運(yùn)用

4.1 水力噴射壓裂

水力噴射壓裂的主要工藝原理是對(duì)壓能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，在這兩種能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化的過程中會(huì)應(yīng)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(dòng)高速水射流的產(chǎn)生。

然后對(duì)射孔作業(yè)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(duì)套管障礙物進(jìn)行沖擊，可以將套管上的開口刺開，再對(duì)巖層加以剪切和穿透，在這個(gè)過程中，高速流體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)力也可以通過與巖層之間的碰撞之后，變?yōu)樗畨耗堋Ｒ驗(yàn)樵谒娚鋲毫鸭夹g(shù)的使用過程中，所使用的鉆具組合相對(duì)比較簡單可靠，所以能夠有效降低破裂壓力，進(jìn)而提高整體施工的進(jìn)度[5]。

4.2 限流多段壓裂技術(shù)

在完井壓裂技術(shù)中會(huì)存在限流多段壓裂技術(shù)，這種技術(shù)的應(yīng)用主要存在于還沒有進(jìn)行射孔的井中。采用這項(xiàng)工藝開展低滲透油田的開發(fā)，可以使油田開采項(xiàng)目中的注液量加以放大，并且在注液量擴(kuò)大的同時(shí)也可以有效從直徑和數(shù)量上對(duì)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(shí)現(xiàn)在所有層塊上均可以對(duì)注液量實(shí)現(xiàn)大量分流的目的。另外，當(dāng)限流多段壓裂方法用于低滲透油田時(shí)，也可以在油井井底壓強(qiáng)大于土壤巖層裂縫壓強(qiáng)的前提下使裂紋產(chǎn)生于層塊上[6]。而且這項(xiàng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)還相當(dāng)突出，例如在長度和重量上，不同層塊的射孔炮眼產(chǎn)生較大差異，對(duì)不同的層段進(jìn)行改造可以獲得不同的預(yù)期效益。而在實(shí)際的開采環(huán)境中，還可以減少工具的使用，這樣的施工工序會(huì)相對(duì)比較簡單，同時(shí)還具有施工周期短的優(yōu)點(diǎn)。

4.3 裸眼封隔器分段壓裂

這個(gè)工藝技術(shù)主要是在介質(zhì)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(jìn)行壓力阻擋，再經(jīng)過壓裂改造對(duì)某一射孔段加以實(shí)施；而在完成最后的實(shí)施之后，經(jīng)過壓裂段和投球同時(shí)將封堵上的射孔段的滑套打開，之后再經(jīng)過壓裂改造技術(shù)對(duì)上部層段加以實(shí)施。這樣可以順序上返，從而完成多段分壓。當(dāng)進(jìn)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(jìn)行水平井壓裂配套工藝時(shí)，要想進(jìn)一步增強(qiáng)其技術(shù)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(duì)孔射進(jìn)行設(shè)計(jì)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行油田開發(fā)，把排量與沖擊、壓力之間的遞進(jìn)聯(lián)系加以精確，孔眼也按照對(duì)排量的要求來選取，這樣才能在“摩阻性”方面進(jìn)行平衡。另外，為了可以使配套的技術(shù)更加完善，還需要在分段壓裂流設(shè)計(jì)中滿足多層次、雙循環(huán)的要求，并把預(yù)測(cè)模型設(shè)置在水平井內(nèi)。

4.5 化學(xué)隔離多段壓裂

這項(xiàng)技術(shù)一般是無法對(duì)機(jī)械封隔器的套管井加以利用而提出來的。采用這種技術(shù)對(duì)低滲透油田進(jìn)行開發(fā)的過程中，重點(diǎn)是對(duì)開裂的各層管依次進(jìn)行射開，然后再將這些層段進(jìn)行隔離，在隔離過程中主要利用的材料是液態(tài)膠塞、砂子等。對(duì)這些工序施工完畢后，還需要將這些材料沖開，之后再進(jìn)行合層排液。這種技術(shù)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(shù)

水平井的好處是橫穿儲(chǔ)層能增加單井?dāng)?shù)量，但縱向儲(chǔ)層的使用量較少。所以，對(duì)于水平井可通過穿層壓裂技術(shù)來實(shí)現(xiàn)橫縱儲(chǔ)層的連接互通，其主要工藝途徑是通過對(duì)水平段實(shí)施分段多簇射孔，進(jìn)而再利用其高排量、高液量、高黏度等液壓改造技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)水平井段“一縫穿多層”的穿層壓裂技術(shù)改造。而水平井穿層壓裂技術(shù)則通過對(duì)布置在主含油層中的水平井上的多個(gè)含油層進(jìn)行互通，進(jìn)而拓寬泄油區(qū)域。穿層壓裂技術(shù)的關(guān)鍵是確定穿層壓裂儲(chǔ)層的判斷標(biāo)準(zhǔn)，穿層壓裂設(shè)計(jì)方法優(yōu)化以及對(duì)穿層效果的監(jiān)測(cè)。

總結(jié)了穿層壓裂理論模型與人工裂縫全三維模擬技術(shù)，并根據(jù)水平井鉆遇條件和儲(chǔ)層膨脹的特點(diǎn)，研究形成了“壓砂穿泥”和“壓泥穿砂”兩種壓裂模型，還分別對(duì)兩種模式的優(yōu)化技術(shù)進(jìn)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(kuò)大開挖范圍，增加平均砂比；前置液中砂段塞處理，增加縫內(nèi)凈壓力。

（2）非鉆遇段泥巖穿層壓裂：通過優(yōu)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?？p口寬度；間斷加砂。

5.2 水平井體積改造技術(shù)（SRV）

利用壓裂的方法對(duì)儲(chǔ)層加以改建，在建立一個(gè)或多個(gè)主要裂隙時(shí)，利用分段多簇射孔、大排量、大液量、低黏液體積，以及轉(zhuǎn)向材料及方法的運(yùn)用，完成對(duì)自然裂隙、巖石層理的溝通，并且在主要裂隙的側(cè)向強(qiáng)制建立次級(jí)裂隙，再在次級(jí)裂隙上不斷分枝建立二級(jí)次生裂等。將主要裂隙和多級(jí)次生裂隙疊加建立裂隙網(wǎng)絡(luò)，把能夠發(fā)生滲流的資源儲(chǔ)集體“打碎”，使裂隙側(cè)壁和儲(chǔ)層基質(zhì)的接觸范圍最大化，使油氣在任何方位的基質(zhì)向裂隙的滲流間隔最短，極大提高了儲(chǔ)層整體滲透率，完成儲(chǔ)層從長、寬、高三個(gè)方位的總體改建，最大程度增加儲(chǔ)層利用效率和采收量。體積改造產(chǎn)生的已經(jīng)不僅是雙翼的斷裂，而是復(fù)雜的網(wǎng)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(chǎn)生了剪切、滑動(dòng)、錯(cuò)段等復(fù)雜的力學(xué)活動(dòng)[7]。

6 低滲透油田壓裂技術(shù)應(yīng)用效果分析及發(fā)展趨勢(shì)

為了研究水平井壓裂技術(shù)在低滲透油田開發(fā)中的應(yīng)用，以吳起油田部分水平井為研究對(duì)象，對(duì)其中一部分實(shí)施環(huán)空分段壓裂技術(shù)，一部分實(shí)施滑套分段壓裂技術(shù)，其余井采用其他開發(fā)方式予以對(duì)比分析。數(shù)據(jù)收集和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，采用環(huán)空工藝技術(shù)和滑套工藝技術(shù)的水平井達(dá)到了良好的開發(fā)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(fā)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(shù)應(yīng)用于低滲透油田的開發(fā)，可以提升油田的開發(fā)效率，還能夠?qū)崿F(xiàn)集約化資源利用的目的。這一應(yīng)用行為為低滲透油田的可持續(xù)開采以及安全利用提供了有力保障，同時(shí)適用于整個(gè)國家的油田開采行業(yè)，具有戰(zhàn)略性的意義。

國內(nèi)外專家學(xué)者在提升油田開發(fā)有效性方面不斷鉆研和創(chuàng)新，并且在低滲透油田壓裂技術(shù)的創(chuàng)新上取得了優(yōu)異的成果。就現(xiàn)階段而言，低滲透油田開裂技術(shù)將會(huì)朝著更加完善、先進(jìn)的方向發(fā)展。首先，信息時(shí)代的不斷進(jìn)步，也就意味著水平井壓裂技術(shù)配套軟件也會(huì)隨之得到進(jìn)一步的更新迭代，并且功能也會(huì)隨著低滲透油田的開采要求而不斷優(yōu)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(jù)實(shí)際情況進(jìn)行后續(xù)的合理調(diào)整。其次，已有研究人員認(rèn)識(shí)到低滲透油田油層力學(xué)性質(zhì)的特殊性，并以Notel-Smith曲線為基礎(chǔ)重新構(gòu)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(shù)的準(zhǔn)確度。除此之外，用于低滲透油田壓裂技術(shù)的材料和設(shè)備等也會(huì)隨之不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，以確保低滲透油田的順利開采。

7 結(jié)束語

利用水平井壓裂技術(shù)對(duì)低滲透油田進(jìn)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(shí)，水平井壓裂技術(shù)的應(yīng)用也比較廣泛。在以后的低滲透油田開采過程中，應(yīng)該對(duì)這些不同的水平井壓裂技術(shù)進(jìn)行綜合利用，將幾種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來進(jìn)行油田開采工作，從而實(shí)現(xiàn)開采效果的最佳，在經(jīng)濟(jì)效益上促進(jìn)油田工程的發(fā)展。