我国水平井水平段分段压裂技术的发展仍需加强
- 2012-12-28 11:42:131429
目前水平井分段压裂工艺技术方法主要有化学方法、机械方法和水力喷射分段压裂等方法，比较而言，水力喷射分段压裂方法施工可控性搞，施工风险小，可用于裸眼、筛管与套管等完井方式，一趟管柱可进行多段压裂，缩短施工周期，有利于降低储层伤害，施工效率得到大幅提高。
水力喷射分段压裂技术研究技术原理 水力喷射分段压裂技术原理是根据伯努利方程，把压能转变为动能，油管流体加压后经喷嘴喷射而出的高速射流（喷嘴喷射速度大于126 m/秒）在地层中射流成缝。水力喷砂射孔后，接着提高排量，在已射开孔上下部的井眼中产生负压值形成隔离，高速流体在地层岩石中形成孔洞，直接作用于孔洞底部，产生高于地层破裂压力的压势，在地层中造出一条裂缝（如图1所示），然后加砂压裂。
工艺研究 水力喷射分段技术是由水力喷射、水力压裂（油管注入）和环空组合注入、注液体封堵剂四种工艺技术组合而成的，具体的工艺如下：①通井和洗井；②向井筒内下入水力喷射分段压裂钻具；③水力喷砂射孔，先泵入基液和携砂液（切割阶段），当携砂液距喷嘴250m左右时，迅速提升泵速以确保获得切割射孔所需的足够的压差；④在喷砂射孔2-3min后，顶替；⑤常规的水力压裂，关闭套放闸门，按照设计环空排量或环空高压力所允许的高泵速由环空泵入胍胶基液，按照设计由油管的泵入交联胍胶和砂；⑥压后放喷，冲砂；⑦向井筒内注入液体暂堵剂；⑧上提钻具。
上提钻具至设计位置，压裂下一层，重复③~⑥步。
一套水力喷射压裂钻具和一套压裂机组，这个工艺过程就可重复多次，如图2~5所示。在后一个压裂作业结束后，压裂钻具被起出，然后清洗井筒，准备抽汲。
水力喷射分段压裂钻具研究 水平井井下作业风险大、周期长、遇卡机率高，所以在设计水力喷射分段压裂钻具时，井下工具设计要求尽可能简化，可操作性好；在喷射和压裂过程中，要求工具定位准确、稳定性好；井下工具耐压、耐温、密封性能满足不同区块储层的压裂要求；喷射器工作寿命必须能够满足一趟管柱压裂两段以上的要求。
根据以上要求，水平井水力喷射分段压裂钻具主要万向节、偏心定位器、喷射器、球座等关键工具组成，钻具组合如示意图6所示。
水力喷射器（如图7所示）的喷嘴由加入钼的特殊等级碳合物的材料制成，孔眼根据设计要求被放置在几个平面上，针对不同地层的喷嘴尺寸可以不同，在某些地层中，喷嘴外径达到了3.68＂，内径则为1.99＂，喷嘴具有超大的壁厚以保证使用寿命。喷嘴的作用是产生高速射流，射开套管并在地层内形成喷孔，采用螺旋式布孔。
万向接（如图8所示）的作用是保证压裂工具能顺利通过井眼轨迹不规则井筒，与偏心定位器配合调整喷射方位，使之与设计方位一致。
偏心定位器（如图9所示）利用偏心原理，当液流以较高速度流经偏心定位器时，在压力作用下，产生向上的作用力，推动定位器旋转并定位。
水力喷射分段压裂设计优化方案初探裂缝系统优化研究 水平井压裂水力裂缝特性均影响压后效果，应优化水平井水力裂缝系统，以尽量提高压后产能。由于地应力方位的复杂性以及射孔段长度等对裂缝起裂的影响，水平井井筒方位很难做到与小主应力方向平行或垂直，一般存在一定角度的夹角。理论研究表明：随着裂缝条数增加，产量增加，但是增加的幅度变小，裂缝条数为 3~5条佳，但水平井究竟需要多少条裂缝与之匹配，须依据实际的储层状况进行优化。增加裂缝长度有利于提高单井产量，但这里还要考虑经济效益等其它多方面因数。根据优化模拟计算：裂缝长度为100~150m。
压裂设计优化研究 水力喷射分段压裂设计与传统的压裂设计有很大的不同，需要控制和评估两种主要的液体的流量；需要两种独立的泵注程序；需要控制流体的流速，以保证环空压力符合压裂施工的要求。此外，还需要设计造缝的位置、造缝点的间距、水平段的射开段数、孔密等。
单井优化及现场应用 截至2007年9月，长庆油田先后在11口井成功实施水力喷射分段压裂改造，其中2007年8月2日至6日，在吴平x井成功改造压裂4段。该项工艺的成功，为长庆特低渗储层改造技术拓展了技术思路，特别是对水平井开发的发展和推广应用具有重要的价值。
优化设计 吴平x井为一口水平采油井，水平段长度为400.5m，水平段井眼轨迹如图10所示。根据电测解释结果，庄平3井累计钻遇油层总厚度为259.4m；油层段电测孔隙度10.52～14.75%，平均12.75%；油层段电测渗透率1.5～6.88×10-3μm2，平均4.55×10-3μm2。该井优化设计为：对该井采用水力喷射分段压裂技术进行改造，下两趟喷射压裂钻具完成四段油层的射孔、压裂一体化作业，喷点位置依次为2525.0m、 2450.0m、2348.0m和2194.0m（井下工具的位置如图11所示）。
根据该井的情况和借鉴该试验区压裂水平井数值模拟分析：设计该井压裂四段，设计加砂35.0 25.0 25.0 35.0m3，设计砂比 35.7 34.8 34.8 35.7%，油管设计排量2.0 1.8 1.8 2.0m3/d，套管设计排量0.67 0.6 0.6 0.67m3 /d。压裂改造分两次施工，压完下面两段后，起钻换钻具，然后再压上两段。
应用效果明显有推广价值水力喷射分段压裂工艺在该井仅用5天完成4段压裂，分两次施工，与其它工艺方式（封隔器、桥塞、填砂、胶塞）相比，施工效率大幅度提高。
段加砂35.0m3，砂比40.1%，第二段加砂25.0m3，砂比37.7%，第三段加砂25.0m3，砂比37.6%，第四段加砂35.0m3，砂比38.6%，四段共加砂120.0m3。四段施工非常顺利，施工压力都在作业设备压力保护范围内。每一段都有很明显的破裂压力，说明每一段都得到了独立的改造。施工排量、施工压力、加砂量都达到设计要求，说明该井的压裂设计完全符合该井的情况，分段压裂技术改造是成功的。
效果评价 吴平某井连续抽汲3个班，试油产量稳定，平均日产纯油25.93m3，是邻井（压裂直井）试油产量的3.4倍，取得了良好的经济效益。
从试油改造周期来看：封隔器、桥塞、填砂、胶塞改造该井4段，至少需要10天以上，而采用水力喷射分段压裂技术，简化了施工程序，只用了5天就完成了该井改造，*的缩短改造时间，减小井筒内的外来液体对地层的污染。水力喷射孔分段压裂钻具结构简单，降低井下复杂事故的发生率。总之，水力喷射孔分段压裂简化了施工程序，缩短了试油施工周期，降低了开发成本。
水平井水力喷射分段压裂技术是集射孔、压裂的增产措施工艺，施工方便简捷，施工周期短，对地层伤害小，降低了开发成本，改造有效性强，改造效果好；水力喷射分段压裂工艺在吴平某井等11口井压裂改造的成功， 为今后水平井分段压裂技术改造提供经验和技术支持；水力喷射器的喷嘴磨损比较严重（美国喷嘴一直保持比较好的抗磨性能，出口直径几乎没有变化），它的磨损限制了喷射器的寿命，一趟水力喷射分段压裂钻具只能压裂2段，建议进一步对喷嘴的材料进行研究，增强喷嘴的抗磨损，争取一趟钻具压裂改造完一口水平井。