國內水力噴射壓裂工藝技術應用研究進展

朱正喜，曹 會，陳沙沙

（1.中國石油長城鉆探工程有限公司壓裂公司，遼寧盤錦124010；2.中國石油長城鉆探工程有限公司工程技術研究院，遼寧盤錦124010）

技術綜述

國內水力噴射壓裂工藝技術應用研究進展

朱正喜1，曹 會1，陳沙沙2

（1.中國石油長城鉆探工程有限公司壓裂公司，遼寧盤錦124010；2.中國石油長城鉆探工程有限公司工程技術研究院，遼寧盤錦124010）

水力噴射壓裂是集射孔、壓裂、隔離一體化的新型增產(chǎn)改造技術，適用于低滲透油藏直井、水平井的增產(chǎn)改造，尤其適合薄互層、縱向多層、固井質量差易串槽井、套變井的改造。介紹了國內各油田和科研單位的水力噴射技術研制和應用情況。重點闡述了油管水力噴射技術和連續(xù)油管水力噴射技術。油管水力噴射技術有拖動管柱和不動管柱2種方式，連續(xù)油管水力噴射技術有管內加砂壓裂和環(huán)空加砂壓裂2種方式。針對水力噴射壓裂技術，結合層間封隔器和滑套噴砂器，提出了1種層間封隔器封隔的多級水力噴射壓裂不動管柱技術，適用于薄互層的多層壓裂，壓裂成功率高、易形成主裂縫，增產(chǎn)效果更好。

水力噴射壓裂；滑套噴砂器；拖動管柱壓裂；不動管柱壓裂

近年來，隨著連續(xù)油管及滑套分層技術的應用，水力噴射壓裂技術發(fā)展較快。水力噴射不受壓裂層數(shù)限制，可以進行定向射孔，且沒有常規(guī)射孔對油層的壓實作用，減少了對油藏的傷害，降低了破裂壓力［1-4］。水力噴射被認為是篩管完井改造的唯一方式，對于均質性較好的裸眼、套管井也可以應用［5-6］。

龔萬興等學者認為水力噴射壓裂技術不適應于地層應力復雜，層間應力差異大、出砂嚴重的水平井、邊底水距離較近的井，天然裂縫發(fā)育、滲漏嚴重的井［7-8］。有學者認為，水力噴射壓裂累計液量比常規(guī)壓裂大，液體利用率比較低，成本隨之上升［9］。

目前國內相關單位都在積極推廣應用水力噴射壓裂技術，拖動式管柱和不動管柱壓裂研究都取得一定成果。

1 主要的幾種水力噴射壓裂技術

國內引進國外的先進水力噴射壓裂技術，經(jīng)過自主創(chuàng)新研制，目前主要形成了以下幾種水力噴射壓裂技術。

1.1 連續(xù)油管水力噴射

2000年前后，認識到水力噴射具有“水力封隔”的作用，無需封隔器即可實現(xiàn)液力封隔來隔離已壓裂層。但受到壓裂井口的限制，使用普通油管1趟管柱只能壓裂1層，而連續(xù)油管可實現(xiàn)帶壓作業(yè)，1趟管柱可壓裂數(shù)層，且在發(fā)生砂堵時可快速有效的處理井底情況［9］。因此，連續(xù)油管拖動式水力噴射壓裂技術獲得了大發(fā)展。在此基礎上，主要形成了2項技術。

1.1.1 連續(xù)油管加砂+環(huán)空補液

水力噴射通常有2種壓裂方式：油管加砂壓裂和環(huán)空加砂壓裂。對于油管加砂壓裂，在射孔后，考慮噴嘴使用情況，盡量提高油管排量的同時，可增加環(huán)空補液排量，達到提高改造規(guī)模的目的。

施工工序［10］：

1） 連續(xù)油管下至設計位置（定位器定位）。

2） 連續(xù)油管低排量循環(huán)射孔液達到一定排量后加入石英砂射孔。

3） 射開套管后反循環(huán)洗井。

4） 關閉套管，提高排量試擠前置液，進行地層測試。

5） 環(huán)空補液，管內加砂壓裂。

6） 施工后，上提連續(xù)油管再次定位，進行第2層施工。

劉斌等給出了在射孔和壓裂階段，如何調整環(huán)空壓力。射孔階段，通過調整放噴管線油嘴大小，來防止已壓開層段排液過快；壓裂階段，通過調整環(huán)空注入排量，控制井底環(huán)空壓力來確保已壓裂層段不被壓開［11-12］。

1.1.2 連續(xù)油管補液+環(huán)空加砂壓裂

由于連續(xù)油管內徑較小，摩阻較大，限制了改造規(guī)模?？梢酝ㄟ^優(yōu)化液體配方以及采用較大直徑的施工管柱來減摩降阻，還可以采用環(huán)空壓裂方式。區(qū)別于油管壓裂方式，環(huán)空壓裂方式需要在射孔后填砂，來封堵已壓裂層段［13］。

王騰飛比較分析了油管壓裂和環(huán)空壓裂兩種技術，認為環(huán)空壓裂技術可以提高壓裂規(guī)模及噴嘴壽命，并拓寬連續(xù)油管的改造深度限制，因具有更高的現(xiàn)場適用性及可操作性［13］。但也有一些局限：①裸眼井攜砂時壓裂液滲漏導致液量增加以及砂堵風險；②環(huán)空加砂壓力較大，需套管段全井段固井。

1.2 油管水力噴射

馬發(fā)明認為，受連續(xù)油管長度和內徑影響，采用連續(xù)油管逐層加砂壓裂始終難以用于深井，也難以達到較高排量［14］。對于深井或者高滲油氣藏，建議采用常規(guī)油管代替連續(xù)油管。

1.2.1 油管拖動式水力噴射分段壓裂技術

油管拖動式水力噴射壓裂技術是目前水力噴射體系中各大油田應用最多的一項技術，工藝技術簡單，適合老井補層和產(chǎn)能不高的井，壓完一段后需反洗放噴至井口無壓力后，起油管至下一層進行壓裂，后續(xù)層段依次進行，管柱結構如圖1。

圖1 連續(xù)油管拖動式水力噴射管柱結構示意（中國石油大學）

1.2.2 不動管柱滑套水力噴射分段壓裂技術

不動管柱滑套水力噴射分段壓裂工藝不需移動管柱，通過投球依次打開目的層滑套即可進行射孔和壓裂［15］。該工藝結合了水力噴射技術和滑套多層壓裂的優(yōu)點，不動管柱連續(xù)壓裂，不帶封隔器，管柱容易起出，克服了常規(guī)水力噴射需帶壓裝置、工期長、壓井傷害和連續(xù)油管排量低的缺點。管柱結構如圖2。

施工工序［16］：

1） 下工具串至設計位置（如圖2），替液。

2） 投球封堵底部，對第1段噴砂射孔和壓裂。

3） 投低密度球，打開下一段滑套噴砂器，同時封堵下部油管，對下一段噴砂射孔和壓裂。

4） 重復步驟3，依次壓裂所有層段。

5） 壓后排液并將球排出，原管柱可進行生產(chǎn)。

圖2 水力噴射不動管柱分段壓裂管柱

1.2.3 不動管柱簇式水力噴射分段壓裂技術

為進一步提高處理段數(shù)，2011年長慶油田公司油氣工藝研究院任勇設計了1種水平井水力噴射分段多簇壓裂管柱（如圖3）。該管柱通過安置2～5個噴砂器，1次射孔壓裂可以形成2～5條裂縫［17］。

圖3 水平井水力噴射多簇分段壓裂管柱

龐鵬認為圖3中采用的“同時射孔，同時壓裂”的施工工藝，需要很高排量才能達到“兩條裂縫同時起裂與延伸”，而目前受管柱和地面設備的限制，提高排量有限，因此很難實現(xiàn)多簇分段壓裂的目的，且噴射器在相對位置確定的情況下，無法實現(xiàn)后續(xù)層段的精確定點壓裂。為此，提出了1種“段內分別射孔、造縫，同時壓裂”的施工工藝，在設計和施工時只需要考慮“兩簇間的延伸壓力之差”，提高工藝在非均質儲層的成功率［18］。

新疆油田工程技術研究院在不動管柱滑套噴砂射孔的基礎上，引進“體積壓裂”的概念，于2012年提出1種簇式水力噴射管柱。該技術通過投1個球打多級滑套的方式，實現(xiàn)處理層段的增加，非常適合老井補層及多層的改造，同時也為地層的縫網(wǎng)改造提供了1種管柱技術。該公司于2013-08-02在71121井成功試驗了1級3簇水力噴射壓裂技術。

1.3 水力噴射帶底部封隔器

受水力噴射射孔增壓的局限性，大慶油田和長慶油田采取水力噴射和封隔器聯(lián)作技術，提高封隔效果，保護已壓裂層段，杜絕層間干擾和重復施工，管柱結構如圖4［19］。層間采用封隔器封隔，噴砂射孔時井口回壓不受已壓裂層影響，可以有效降低井筒回壓，增加射孔深度2～3倍，有效降低破裂壓力，易形成主裂縫，加砂量與投球分壓相比顯著提高，改造后增產(chǎn)效果更高。

圖4 長慶油田帶底部封隔器的水力噴射壓裂管柱

長慶油田一份資料顯示，對羅平1井使用了零污染示蹤劑進行測試，結果表明應用封隔器后，封隔有效率由以前的81%提高到92%。

2 國內水力噴射壓裂情況

我國首次應用水力噴射壓裂是在2005-12-09，中國石油長慶油田分公司引進Halliburton石油公司技術，采用常規(guī)油管在靖安油田靖平1井和莊平3井順利完成水力噴射壓裂試驗［20］。2007-07-27，川慶鉆探井下作業(yè)公司在四川白淺110井首次應用了連續(xù)油管拖動式水力噴射分段壓裂技術，進行了3層加砂壓裂［21］。

通過與國外公司的合作，國內不少單位積累了一定的經(jīng)驗，再加上積極的研發(fā)，目前我國一些油田和研究院所已經(jīng)擁有了自己的成套工具設備，中石化以中石化工程院和中原油田為代表，中石油以長慶油田為代表，科研院所以中國石油大學為代表。

2.1 中國石油大學

中國石油大學自2002年開始，累計承擔水力噴射方面的國家863課題、自然科學基金課題等國家類課題共6項。依托這些課題，系統(tǒng)研究了水射流基礎理論以及在石油工業(yè)上的應用，在淹沒非自由射流動力學、自激振蕩射流理論、新型射流理論等方面的研究取得了突破性的進展，系統(tǒng)的建立了新型射流理論的應用體系，開發(fā)了4套水力噴射軟件、撰寫了石油天然氣行業(yè)標準《水力噴射射孔參數(shù)優(yōu)化設計行業(yè)標準》，并研制了2套自主知識產(chǎn)權的水力噴射工具—拖動式噴砂器（如圖5）、滑套式噴砂器（如圖6）。到2010年底，完成近百井次現(xiàn)場試驗。

圖5 中國石油大學拖動式噴砂器

圖6 中國石油大學滑套式噴砂器

2.2 中原油田

自2008年起，中原油田從水平井水力噴射分段壓裂機理、水力噴砂射孔參數(shù)優(yōu)化設計、水力噴砂射孔分段壓裂工藝等幾方面進行了室內研究并進行了現(xiàn)場試驗［22-25］。2011-08，中原油田自主研制的水力噴射壓裂工具在文98-16井現(xiàn)場試驗成功，結束了中原油田噴射壓裂工具完全依靠進口的歷史。依托“深層低滲油藏復雜井況壓裂技術”項目（2012-05通過集團公司專家鑒定），中原油田采油工程技術研究院自主研制出了多級噴射壓裂工具，于2012-09在衛(wèi)334-16井成功舉行了水力噴射2段壓裂，加砂41.6 m3，液量501.6 m3，工具起出檢查噴嘴無磨損，表面沒有明顯反濺損傷。目前，該工具已完成9級噴射壓裂工具的設計加工和配套。

2.3 長慶油田

長慶油田針對射流增壓、噴孔形態(tài)等關鍵理論認識，開展了室內試驗及大型物模試驗，認為水力射流可實現(xiàn)增壓4～10 MPa以及噴孔形態(tài)呈紡錘形［26］。開發(fā)了4套水力噴射工具系列及配套施工工藝，形成“水力噴射＋小直徑封隔器＋連續(xù)混配”為主體的技術模式，創(chuàng)新性提出的“水力噴射＋多級滑套”不動管柱壓裂技術已成功實施了單井10段壓裂。該套分壓工具已累計在氣田應用19口井［27］。

2.4 中石化石油工程技術研究院

中石化石油工程技術研究院依托國家科技重大專項《復雜地層儲層改造關鍵技術研究》和國家科技重大專項《3000型成套壓裂裝備應用技術研究及應用示范》，系統(tǒng)研究了水力噴射孔道壓力場、建立了噴嘴節(jié)流壓力計算模型等，研制的工具目前已達到單井壓裂11～20段，滿足長水平段分段壓裂需求，在東北、華北、華東等成功應用了15口水平井。

2012-11-21，研制的水力噴射工具在延平1井成功應用，采用滑套式接油管水力噴砂壓裂工具進行不動管柱壓裂施工，使用整體式噴嘴，4段共加砂98 m3，歷時11 d［28］。

2.5 勝利油田

勝利油田釆油工藝研究院依托國家重大專項（2011-2015）《勝利油田薄互層低滲透油田開發(fā)示范工程》，開展了固定式多孔水力噴射現(xiàn)場試驗研究，在定向射孔噴槍（如圖7）、防止管柱蠕動、噴嘴耐沖蝕方面做了大量研究工作。目前，139.7 mm（5?2英寸）套管內不動管柱完成4段射孔壓裂聯(lián)作技術已經(jīng)成熟。截止2011-12，在青海油田南淺H21-3、吐哈油田牛東8-6井、勝利萊115等9口井成功進行了應用［16］，該技術在十二五期間重點推廣。

圖7 勝利采油院重力定向噴槍所用噴嘴結構

2.6 新疆油田

新疆油田在引進外單位技術的同時，也在消化吸收。2011-03-30，原新疆油田采油工藝研究院利用自主研發(fā)的技術，在重油公司古16井區(qū)HW95001井成功實施了不動管柱3層壓裂施工，液量1 670 m3，加砂95.5 m3，施工時間6 h，施工井例還有采油二廠15-4A井、采油二廠73157井、夏子街油田夏54井區(qū)塊XHW5401、HHW003。

新疆油田公司工程技術研究院（由采油工藝研究院等多家單位重組）在不動管柱水力噴射分段壓裂的基礎上，為進一步提高處理段數(shù)，滿足老井小層改造的需求，開展了水力噴射多簇壓裂研究，該單位承擔的的《一趟管柱水力噴射分級壓裂技術研究》獲2012年新疆油田公司一等獎。該技術通過投一個球打開多級滑套的方式，實現(xiàn)壓裂層段的增加，使不動管柱水力噴射壓裂技術具有更廣闊的適用性，非常適合老井補層及多層的改造，同時也為地層的縫網(wǎng)改造提供了一種管柱技術。2013-08-02，新疆油田公司在71121井成功試驗了一級三簇水力噴射壓裂技術。

3 一種新型的水力噴射工藝管柱

針對常規(guī)水力噴射時，層間沒有封隔器隔離，只借助高壓噴射增壓實現(xiàn)液力封隔來隔離已壓裂層，對于多層、薄互層或裸眼來說，由于需要在環(huán)空進行過飽和補液，漏失量較大，對于層間非均質性強地層尤其明顯的問題，提出一種可實現(xiàn)多段壓裂改造的不動水力噴射壓裂管柱，層間采用封隔器輔助封隔，如圖8。

圖8 層間封隔器封隔的多級水力噴射壓裂不動管柱

施工工序：第1段投球射孔壓裂后，投球打開過球式滑套噴槍，球落入封隔器內的球座；第2段封隔器坐封且封堵已壓裂層段，進行該段射孔和壓裂施工；第3段依次進行打開滑套和坐封封隔器，壓裂施工。

該工藝適合于油井及氣井低滲透層壓裂酸化改造，尤其適合小薄層、薄互層、多層系、固井質量差易串槽井、套變井的改造。

3.1 技術特點及優(yōu)勢

1） 層間采用封隔器進行封隔，層與層之間具有液力封隔＋封隔器雙重封隔功能，隔離有效性更高。

2） 層間采用封隔器封隔，噴砂射孔時井口回壓不受已壓裂層影響，可以有效降低井筒回壓，顯著增加射孔深度2～3倍，有效降低破裂壓力，易形成主裂縫。

3） 層間采用封隔器封隔，轉層時無需停泵等待已壓裂層閉合，可以連續(xù)泵注施工。

4） 層間采用封隔器封隔，并且噴射器與封隔器相鄰，由層間竄流、沉砂引起的砂卡管柱幾率也會降低。

5） 采用過球式滑套噴槍，適合間隔3～5 m夾層的小層壓裂，壓裂改造針對性強，層間動用效果好，避免小層籠統(tǒng)壓裂只能壓開一層的問題，尤其適合層間油水關系復雜的情況。

6） 采用小直徑高壓封隔器，射孔／壓裂下層時，上層所有封隔器均處于解封狀態(tài)，不影響環(huán)空液流通道，封隔器膠筒采用耐沖刷保護，可以滿足多層射孔壓裂的需要。

7） 采用水力噴射壓裂，環(huán)空壓力較常規(guī)壓裂低很多（根據(jù)統(tǒng)計，絕大多數(shù)井環(huán)空壓力一般不超過30 MPa），因此，壓裂過程中，對封隔器承壓及固井質量要求較低，可適應薄互層的多層壓裂，壓裂成功率高、易形成主裂縫，增產(chǎn)效果更好。

4 結論

1） 連續(xù)油管水力噴射可實現(xiàn)帶壓作業(yè)，可以一趟管柱壓裂數(shù)層，可管內壓裂和環(huán)空壓裂，但難以用于深井。

2） 油管水力噴射費用相對低廉，施工深度較連續(xù)油管大，有拖動管柱和固定管柱2種方式，其中拖動管柱適合產(chǎn)能不高、壓力系數(shù)較低的井，施工層數(shù)不受限制，缺點是施工周期較長。而固定管柱的施工層數(shù)受油管內徑限制，但配合簇式噴砂器使用，滿足目前的儲層改造需求。

3） 介紹了國內各單位關于水力噴射工具的研制和應用情況，目前不少油田單位和科研院所通過引進或者合作方式，擁有了自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品，并可以現(xiàn)場服務。

4） 提出了1種層間封隔器封隔的多級水力噴射壓裂不動管柱，適合油井及氣井低滲透層壓裂酸化改造，尤其適合小薄層、薄互層、多層系、固井質量差易串槽井、套變井的改造。

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Application and Development of Hydraulic Jet Fracturing in China

ZHU Zheng-xi1，CAO Hui1，CHEN Sha-sha2
（1.Fracturing Service Company，Greatwall Drilling Company，CNPC，Panjin 124010，China；2.Engineering Research Institute，Greatwall Drilling Company，CNPC，Panjin 124010，China）

Hydraulic jetting fracturing is an innovative stimulation technology，which combines perforation，fracturing and segregated completion as a whole.This paper details the research and application situation of the hydraulic jet fracturing technology in Chinese oil fields and domestic scientific research institutes.The article expounds the tubing hydraulic jet technology and coiled tubing hydraulic jet technology.Tubing hydraulic jet technology has two methods，one is the dragged hydrojet fracturing and the other is fracturing without pulling string.The coiled tubing hydraulic jet technology also has two methods，one is intraductal sand fracturing and the other is annual sand fracturing.Based on the above hydraulic jet fracturing technologies and the combination of inter-layer packers and Sliding sleeve sand jet，the article proposes a new fixed multi-stage hydraulic jet fracturing string which is isolated by inter-layer packers.The fracturing without pulling string can adapt to thin-bedded multi stage fracturing with a high success rate and is easy to form a main fracture with a better stimulation result.

hydraulic jet fracturing；sliding sleeve sand jet；hydraulic jet fracturing by dragging string；hydraulic jet fracturing of original string

TE934.207

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.020

1001-3482（2014）12-0082-06

2014-06-17

中國石油長城鉆探工程有限公司項目“裸眼水平井不動管柱水力噴射壓裂技術研究與應用”（2013C03）

朱正喜（1984-），男，安徽潛山人，工程師，碩士，主要從事儲層改造技術研究工作，E-mail：zhuzhengxi108＠163.com。