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水力压裂工艺技术概述与分类

发表时间：2020/3/24 来源：《文化时代》2020年1期作者：刘帅

[导读] 水力压裂是油气井增产、水井增注的一项重要技术措施。当地面高压泵组将液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中时，在井底附近蹩起超过井壁附近地层的最小地应力及岩石抗张强度的压力后，即在地层中形成裂缝。随着带有支撑剂的液体注入缝中，裂缝逐渐向前延伸，这样，在地层中形成了具有一定长度、宽度及高度的填砂裂缝。由于压裂形成的裂缝具有很高的导流能力，使油气能够畅流入井，从而起到了增产增注的作用。

胜利油田东方实业投资集团有限责任公司山东东营 257000
        摘要：水力压裂是油气井增产、水井增注的一项重要技术措施。当地面高压泵组将液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中时，在井底附近蹩起超过井壁附近地层的最小地应力及岩石抗张强度的压力后，即在地层中形成裂缝。随着带有支撑剂的液体注入缝中，裂缝逐渐向前延伸，这样，在地层中形成了具有一定长度、宽度及高度的填砂裂缝。由于压裂形成的裂缝具有很高的导流能力，使油气能够畅流入井，从而起到了增产增注的作用。
        关键词：机理；裂缝；技术研究；增产；发展；探索。


一、水利压裂技术概述
        水力压裂技术经过50 多年的发展，在裂缝模型、压裂井动态预测、压裂液、支撑剂、压裂施工设备、应用领域等方面均取得了惊人的发展，不但成为油气藏的增产增注手段，也成为评价认识储层的重要方法。近期水力压裂在总体优化压裂、重复压裂、大型压裂、高砂比压裂，端部脱沙压裂、CO2 泡沫压裂及特殊井（斜井、水平井、深井、超深井、小井眼井等）压裂技术方面有了进一步的完善和发展，压裂的单项技术也有了很大进展。国内压裂酸化技术在设计软件、压裂酸化材料、施工技术指标等方面，已接近国际先进水平。介绍了国内不同储层类型所适用的压裂技术，对更好地发挥水力压裂技术在油气田勘探与开发中的作用具有重要意义。
        自1947 年美国进行第1 次水力压裂以来，经过50 多年的发展，水力压裂技术从理论研究到现场实践都取得了惊人的发展。如裂缝扩展模型从二维发展到拟三维和全三维；压裂井动态预测模型从电模拟图版和稳态流模型发展到三维三相不稳态模型，且可考虑裂缝导流能力随缝长和时间的变化、裂缝中的相渗曲线和非达西流效应及储层的应力敏感性等因素的影响；压裂液从原油和清水发展到低、中、高温系列齐全的优质、低伤害、具有延迟交联作用的胍胶有机硼“双变”压裂液体系和清洁压裂液体系；支撑剂从天然石英砂发展到中、高强度人造陶粒，并且加砂方式从人工加砂发展到混砂车连续加砂；压裂设备从小功率水泥车发展到1000 型压裂车和2000 型压裂车；单井压裂施工从小规模、低砂液比发展到超大型、高砂液比压裂作业；压裂应用的领域从特定的低渗油气藏发展到特低渗和中高渗油气藏（有时还有防砂压裂）并举。同时，从开发井压裂拓宽到探井压裂，使压裂技术不但成为油气藏的增产增注手段，如今也成为评价认识储层的重要方法。
        二、水力压裂工艺技术分类
        压裂是靠在地层中造出高渗透能力的裂缝，从而提高地层中流体的渗流能力。从一口井的增产来说，压裂主要解决有一定能量的低渗透地层的产量问题或井底堵塞而影响生产的井。对有足够的地层压力、油饱和度及适当地层系数的井，应选作压裂的对象。另外选井要注意井况，包括套管强度，距边水、气顶的距离，有无较好的遮挡层等。
        在选井层的基础上，还要妥善地解决一些工艺技术的问题。保证压裂设计的顺利执行对多油层的油井压裂，在多层情况下，要进行分层压裂。利用封隔器的机械分层方法、暂堵剂的分层方法、限流法或填砂法都可以进行分层压裂作业。
        1.堵球法分层压裂
        堵球法分层压裂是将若干堵球随液体泵入井中，堵球将高渗透层的孔眼堵住，待压力蹩起，即可将低渗层压开。

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这种方法可在一口井中多次使用，一次施工可压开多层。施工结束后，井底压力降低，堵球在压差的作用下，可以反排出来。该方法的优点是省钱省时，经济效果好。

        2.封隔器分层压裂
        使用封隔器一次多层压裂的施工方法已被广泛采用，分层压裂管柱如图所示


        共有三种方法，即憋压分层压裂、上提封隔器分层压裂、滑套分层压裂。憋压分层压裂是用几个封隔器隔开欲压的各个层段，在每个上封隔器的下面接一个单流凡尔球座，在球座下面的封隔器上安一个带喷嘴的短节，喷嘴用铜皮封隔。压裂时，先压最下面一层，然后投球封闭底层，再憋压将第二层压开，依次将各层压开。憋压法压裂一次可压 3层。封隔器上提分层压裂是用封隔器预先按施工设计卡开井下需要压裂的最下1～2个层段，压完后停泵使封隔器胶筒收缩，然后再按预先设计好的上提深度起出部分油管，启泵再进行上一个层段的压裂施工。滑套分层压裂自下而上进行，首先压裂最下层，压完后不停泵，用井口投球器投一钢球，使之坐在最下面喷砂器的上一级喷砂器的滑套上，憋压剪断销钉后，滑套便会落入下一级喷砂器上，使出液通道封闭，从而压裂第二层，依次类推，可实现多层压裂。
        3.限流法分层压裂
        限流法分层压裂工艺是当一口井中具有多层而各层之间的破裂压力有一定差别时，通过严格控制各层的孔眼数及孔径的办法，限制各层的吸水能力以达到逐层压开的目的，最后一次加砂同时支撑所有裂缝。
        20、27.58 MPa，按射孔计划将各层按一定孔眼数射开，当注入的井底压力为26.20 MPa时，B层压开；然后提高排量，因为孔眼摩阻正比于排量，当B层的孔眼摩阻大到1.38 MPa，注入的井底压力达到27.58 MPa，此时C层被压开；继续提高排量，B层孔眼摩阻达到2.76 MPa时，注入的井底压力达到28.96 MPa，A层被压开。
        限流法压裂的特点是在完井射孔时，按照压裂的要求设计射孔方案（包括孔眼位置、孔密度及孔径），从而使压裂成为完井的一个组成部分。由于严格限制了炮眼的数量和直径以及层内局部射开和层间同时压开，使得该工艺对套管和水泥环的损害较小，一般不会导致串槽。
        三、结束语
        水力压裂技术作为一项工业应用的成熟技术，日益得到完善和提高，目前主要的成熟技术系统有：整体压裂技术、开发压裂技术、重复压裂技术、深井和超深井压裂技术、大型压裂技术及特殊井压裂技术等。特别是现在，国内大量低渗未动用储量的经济有效开发，还必须首先仰赖于水力压裂工艺技术的“与时俱进”，可以说，水力压裂技术作为“一项永远的技术”，还必须不断地根据储层地质特征的要求，有针对性地开展相应的攻关研究，才能最大限度地发挥压裂的应有潜能，更好地为油田的勘探与生产实践服务。
        参考文献：
        [1].采油技术手册编写组，《采油技术手册》增产分册，石油工业出版社，2002年。
        [2].陈涛平等主编《石油工程》石油工业出版社，2004年。