水平井压裂工艺技术现状及展望

姚展华，张世林，韩祥海，刘理民，赵永杰，陶立达，潘艳萍

（渤海钻探工程有限公司井下技术服务分公司，天津300283） ①

水平井压裂工艺技术现状及展望

姚展华，张世林，韩祥海，刘理民，赵永杰，陶立达，潘艳萍

（渤海钻探工程有限公司井下技术服务分公司，天津300283）①

在广泛调研国内外水平井压裂工艺的基础上，分析了水平井分段压裂工艺、水平井压裂技术及存在的主要问题，展望了水平井压裂技术发展趋势，对水平井分段压裂工艺的选择具有指导意义。

低渗透油气藏；水平井；压裂；工艺

在我国油气勘探开发面临新油田油藏类型越来越复杂、老油田挖潜难度越来越大的新形势下，提高油田开发效益，高效开发边际油田，最大限度地提高油藏采收率，已成为石油行业共同追求的目标。

近几年，我国原油新增储量的70%属于低渗透油藏，使开采方式、油井生产动态表现出特殊性［1］。实现储量的有效动用，大幅度提高单井产量是开发低渗透油田急需解决的问题。水平井作为薄储层、低渗透、稠油油气藏、小储量边际油气藏等的油藏开发最有效手段之一［1－4］，由于其能够增大油藏的泄油面积，改变流体在油藏中的渗流机理和方式，大幅度提高单井产量，目前已广泛应用于整装、断块、边底水、稠油、低渗透、特殊岩性等油藏，特别是在复杂断块、稠油、低渗透等边际油田的开发中发挥了重要作用，其应用比例高达60%以上。图1表明了中石油水平井数量在大幅度增长。

图1 中石油水平井数量增长趋势

应用水平井开发低渗透油藏的关键问题是储层改造，如果储层改造技术和工艺配套有问题，应用水平井开发低渗透油田的经济效益将大幅度降低［5－6］。

1 水平井压裂技术

为了充分利用水平井开发低渗透油气藏，水平井压裂技术是首选的有效方式。目前水平井压裂技术主要有限流法压裂和分段压裂2类［7－8］。

1.1 限流分段压裂技术

1.1.1 压裂原理

限流法分段压裂是一种完井压裂技术，主要用于未射孔的新井。限流压裂是通过严格限制射孔炮眼的数量和直径，并采用尽可能大的注入排量施工，用最先被压开部位的炮眼限流，大幅度地提高井底压力，进而迫使压裂液分流，一次性压开欲压裂的全部裂缝。水平井限流法压裂原理如图2。行施工的难题。由于施工工序繁琐，作业周期长，使得综合成本高，因此，该技术没有得到大范围的发展和推广应用［7－8］。但随着各项技术的进步与发展，开发了一种新的化学隔离分段压裂技术，即自破胶液体胶塞（如图3）水平井分段压裂工艺。先将射孔压裂管柱下入水平井最端部地层，采用水力喷射进行射孔压裂，然后注入水溶性自破胶液体胶塞；上提射孔压裂管柱到第2层，再次采用水力喷砂射孔进行压裂；依此逐次压开多段地层。该工艺最大的特点是胶塞在使用时能承受一定的压差，耐温性能好，成胶时间可调，且能自动破胶，破胶时间可控，无残渣，低伤害，可实现压裂时的有效封堵，从而实现水平井的分段压裂。

图2 限流法压裂原理

水平井限流法压裂与直井限流压裂原理相同，但又有独特之处。

1） 施工控制井段长，规模大，施工井段为固液2相的变质量流，因此在长层段中存在沿程流体摩阻，与直井不同，孔眼限流摩阻值的计算不能仅考虑压裂层段间的破裂压力差值。当确定最大施工排量时，水平井筒引起的摩阻通常也是限制因素。

2） 携砂液引起的炮眼侵蚀对流量分配及裂缝形态影响很大。射孔侵蚀对垂直井的流体分布影响较小，但对水平井作业中流体的分布有很大影响。通常认为根部孔眼首先接触携砂液，所以根端孔眼受到的冲扩程度比趾部的大得多。

3） 水平井限流法压裂与垂直井压裂的主要区别是压裂液存在径向流区，增加了近井裂缝的复杂程度，产生附加摩阻，因此高浓度砂浆在其中流动风险很大。

1.1.2 工艺特点

优点是不下入工具，施工简单，施工周期短，一次施工便可以压开多条裂缝，有利于油层保护。缺点是受射孔孔眼回压影响较大，单条裂缝控制困难；由于施工能力的限制，当水平井筒较长且裂缝数目较多时，单条裂缝孔数较少，改造强度受影响。

该技术在大庆油田已有应用。

1.2 化学隔离分段压裂技术

该技术主要用于套管井，解决井筒由于套管变形、段间距小、井下有落物等无法使用机械封隔器进

图3 水溶性自破胶液体胶塞

该工艺在长庆油田塞平1井进行了4段压裂，在大庆及华北油田共施工5口井6井次，施工成功率100%。

1.3 双封隔器上提多段压裂技术

1.3.1 原理及特点

该技术可一次分段射开所有待改造层段。压裂时利用导压喷砂封隔器的节流压差压裂管柱，先坐封压裂最端部的一段地层，采用解封上提再次坐封的方式，一趟管柱完成各个层段的压裂，压裂原理如图4。该技术具有分层改造目的性和可控性强、井筒隔离和压裂效果好等特点。

1.3.2 需要解决的问题

1） 需要拖动管柱，施工周期长。

2） 封隔器反复坐封密封胶筒易破裂，需重新起下管柱，增大作业量，增加成本。

3） 容易出现封隔器砂卡，解封困难，造成井下事故。

1.3.3 应用

该技术在大庆油田葡萄花和扶余储层压裂中进行了应用［6－8］。截至目前，共完成136口井667段施工，平均单井压裂4.9段，施工工艺成功率95.6%。水平井双封单卡分段压裂技术于2010－09在大庆油田州扶51－平52井成功实施一趟管柱15个层段的压裂现场试验，创国内水平井分段压裂单趟管柱压裂层段数的新纪录。

1.4 水力桥塞分段压裂技术

桥塞封层技术起源于20世纪60年代，我国在20世纪80年代末开始引进，经过近20a的不断研制开发和配套完善，在耐高温、高压、多用途、可回收、可靠性等方面得到了一系列的进步，使得桥塞分层技术在直井分层压裂方面日趋于完善。目前在水平井分段压裂施工中主要应用了2种水平井桥塞压裂工艺。

1.4.1 封隔器＋机械桥塞

封隔器＋机械桥塞分段压裂原理如图5。该技术采取逐段射孔、逐段压裂的技术，即从最底部开始射开第1段，油管压裂，机械桥塞坐封封堵；再射开第2段，油管压裂，机械桥塞坐封封堵，按照该方法依次压开所需改造的井段，打捞桥塞，合层排液求产。封隔器＋机械桥塞分段压裂技术不但具备双封分压的优点，而且一旦砂卡，处理事故比双封管柱容易，但是压后需下入工具打捞桥塞、砂埋或砂卡的风险还是比较大；频繁起下管柱，对高压气井作业影响较大，施工周期比较长，使地层浸泡时间长，易造成污染［9］。此技术在吐哈油田牛平17－14水平井应用并取得良好效果。

图5 封隔器＋机械桥塞分段压裂原理

1.4.2 水力泵入式可钻桥塞

水平井水力泵入式快钻桥塞压裂技术具有封隔可靠、分段压裂级数不受限制、裂缝布放位置精准的特点，作为一项新兴的水平井改造技术，近年来在国外页岩气藏以及致密气藏开发中得到广泛应用。水力泵入式可钻桥塞分段压裂原理如图6，工艺步骤为：①用连续油管或爬行器拖动射孔枪下入，进行第1段射孔；②取出射孔枪，进行第1段压裂作业；③电缆作业下入可钻桥塞，射孔枪水平段开泵泵送桥塞至设计位置；④点火坐封桥塞；⑤上提射孔枪至设计位置并射孔；⑥提出射孔枪和桥塞下入工具；⑦投球至桥塞球座封隔已压裂层，并对该层进行压裂作业；⑧用同样的方式，根据下入段数依次下入桥塞，射孔，压裂；⑨分段压裂完成后，采用连续油管钻除桥塞，排液求产。

该工艺也有局限性，例如分层压裂施工周期相对较长、施工动用设备多、费用高、水平井水平段长度受限等。

该技术在长庆油田苏东13－65H2井完成了15段压裂，目前正在排液阶段。

图6 水力泵入式可钻桥塞分段压裂原理

1.5 环空封隔器分段压裂技术

1.5.1 原理

环空封隔器分段压裂原理如图7。将封隔器下入到设计位置，在油管内施加一定的压力坐封环空压裂封隔器，从油套环空完成压裂施工。解封时从油管加压直到剪断解封销钉，同时打开洗井通道，洗井后提出压裂管柱。重复上述作业过程，实现分射分压［4－5，7］。

1.5.2 优点

1） 下井工具少，一旦出现砂卡事故，处理难度要比双封和封隔器桥塞分层压裂管柱小。

2） 液体摩阻小，有利于提高施工排量、降低施工压力。

1.5.3 应用

吉林油田由于井较浅，大部分水平井采用环空分段压裂技术，已在扶平1井、扶平2井等23口井实施分段环空压裂施工41段，施工均达到设计要求，成功率100%。用该工艺压裂投产的水平井，压后初期产量10.8～14.2m3／d，稳定产量为周边直井产量的3～5倍。

图7 环空封隔器分段压裂原理

1.6 单封压2层压裂技术［9－11］

单封压2层压裂原理如图8。将分层压裂管柱下入井筒内，向油管内投入钢球至节流器的定压球座上，向油管内施加液压坐封二级封隔器，然后升压打掉下部球座并对下部油层压裂施工；下部油层压裂完成后，向油管内再投入一个较大的钢球至定压喷砂器的球座上，向油管内加压至剪钉被剪断，中心管下行并封闭油管内向下层的液流通道；此时分层压裂开关的节流阀打开，压裂液和支撑剂通过节流阀进入上部油层开始对上部油层压裂施工；压裂完毕后，由于多功能分层压裂开关的补偿器作用，分级解封二级封隔器，提出压裂管柱。该压裂管柱结构简单，且卡工具的风险小。

该技术在长庆、胜利、江苏、吉林等油田均有应用。

图9 水力喷射原理

图8 单封压2层压裂原理

1.7 水力喷射加砂分段压裂技术［12－13］

1.7.1 原理

水力喷射分层压裂（HJF）是集射孔、压裂、隔离为一体的新型增产措施，使用专用喷射工具产生高速流体穿透套管和岩石形成孔眼，射流在喷射通道中形成增压，环空中泵入流体增加环空压力，喷射流体增压和环空压力的叠加超过破裂压力压开地层。其技术原理是根据伯努利方程，流体通过喷射工具时压能被转换成动能，高速流体冲击形成射孔通道完成水力射孔；裂缝形成后，高速流体喷射进入孔道和裂缝，孔道相当于一个“射流泵”；环空流体在射流作用下进入地层维持裂缝的延伸，控制环空压力低于地层的延伸压力。整个过程利用水动力学原理实现水力封隔，不需要其他机械封隔措施。通过拖动管柱，将喷嘴放到下一个需要改造的层段，可依次压开所需改造井段。水力喷射原理、水力喷射拖动分段压裂、喷砂射孔压裂增产工艺工具分别如图9～11。

国内外已有数百口井用该技术进行过酸压或加砂压裂处理。

图10 水力喷射拖动分段压裂

图11 喷砂射孔压裂增产工艺工具

1.7.2 优点

1） 不需要机械封隔，能够自动隔离，可用于裸眼、套管完井。

2） 一次管柱可进行多段压裂，施工周期短，有利于降低储层伤害。

3） 可进行定向喷射压裂，准确造缝。

4） 喷射压裂可以有效降低地层破裂压力，保证高破裂压力地层的压开和压裂施工。

5） 该工艺压井次数少，对储层伤害小，施工程序简单，能够产生较高的经济效益。

6） 施工安全性高，可以用一趟管柱在水平井中快速、准确地压开多条裂缝，水力喷射工具可以与常规油管相连接入井，也可以与大直径连续油管相结合，使施工更快捷。

1.8 封隔器＋滑套喷砂器分段压裂技术［7，15］

水平井封隔器＋滑套分段压裂（如图12）是一种适合低渗透油田油井开发，在套管内不动管柱一次性完成5段以内的机械分段压裂工艺技术。其工艺原理是采取从趾端到跟端顺序射孔、压裂的方式作业（以3段为例）。首先，下入射孔枪，同时射开最趾端处的3个压裂井段，起出射孔枪；按照设计连接管柱下入预定深度，油管加液压完成两级封隔器坐封，再提高压力等级打掉定压滑套，打开压裂下部层段通道，压裂下部层段；投球棒封堵底部通道，打开压裂中间层段通道，压裂中间层；投球棒解封下部封隔器；投球棒打开压裂上部通道，压裂上部层段；投球棒解封上封隔器，反洗井后起出压裂管柱；起管柱遇卡丢开下封，下入打捞工具捞出下封隔器。此工艺管柱和封隔器不受卡距限制，可以对长、短射孔段针对性压裂改造；由于全过程液压动作，井下工具少，潜在的事故点大大减少，施工更加安全可靠。该项工艺已在吉林油田的FP64井、FP32井两口井开展了现场应用，封隔器动作正常，工艺管柱性能稳定，取得了满意的效果。

图12 水平井封隔器＋滑套喷砂器分段压裂

近年来，斯伦贝谢、贝克休斯、加拿大封隔器能源服务公司等相继推出水平井多级压裂技术，为世界完井市场提供了典范。

斯伦贝谢的Stage－FRAC水平井多级压裂技术结合其先进的压裂液体系，可以准确放置压裂液，裂缝导流能力高、压裂液损害小，可将完井时间从几天缩短到几小时，一次压裂级数可达17级。

加拿大封隔器能源服务公司的StackFrac技术使用的可彭胀封隔器，可以随井眼变化而变形，极好地适应并下高温高压环境，目前应用的水平井最深达到7 620m。

贝克休斯的水平井裸眼压裂系统除了有裸眼封隔器和小球座封压裂滑套之外，还增加了衬管顶部封隔器和压力坐封滑套。在美国北达科他贝肯页岩层进行了8级压裂。

2 水平井压裂优化设计

压裂设计包括产能预测、裂缝数量优选及缝长优化、射孔位置确定、射孔炮眼数量和孔径确定、施工排量范围、压裂液及支撑剂等。水平井压裂后一般形成多条裂缝，在压裂过程中，由于地应力在水平井长度方向上的差异以及压裂技术的限制，使得形成的多条裂缝在长度、导流能力等方面不尽相同，而且在生产过程中各裂缝间相互干扰，进一步增加了水平井压裂优化设计的复杂性。在水平井压裂理论研究方面，国内外都投入了大量的人力物力，在裂缝起裂，裂缝延伸，井筒和储层温度场，压后水平井产能预测，压裂分析软件方面都取得了很大的进步，但目前常用的水平井压裂设计软件都是国外常规压裂设计软件，国内还没有具有自主知识产权的商业化软件［3－5］，更没有完全适合于水平井压裂的设计软件。

3 水平井压裂技术发展趋势

由于水平井具有许多直井不可比拟的优势，水平井数必将快速增加，尤其是复杂结构井的增加，给水平井储层改造技术提出更高要求。依据国内外的研究与需求，近几年水平井压裂技术的发展趋势应主要有以下几方面。

3.1 不动管柱多次水力喷射分段压裂技术

此技术即是本文1.7所述，此后应在水力喷射辅助压裂的基础上，通过对工具和管柱结构进行改进，实现对水平井一趟管柱真正意义上的多段（10段以上）压裂施工。该技术既可以用于裸眼井和筛管完井，也可以用于水泥完井，管柱结构简单，施工风险小，将会得到快速发展完善，形成主导技术。

3.2 水平井连续油管分段压裂技术

20世纪80年代，国外就已将连续油管应用在油气层改造上，并形成了配套技术。连续油管压裂是一种新的安全、经济、高效的油田服务技术，从上世纪80年代开始在油气田应用。连续油管压裂技术特别适合于具有多个薄油、气层的井进行逐层压裂作业和水平井分段压裂作业。起下压裂管柱快，操作简单，大大缩短了作业时间。适用于水力喷射、限流、滑套等不同压裂管柱。国外已多次成功实施连续油管水力喷射压裂，尤其在环空注入压裂方面取得了很大的进步，而国内还没有相关的现场试验，如何实施环空注入压裂施工还停留在初步阶段，需要进一步研究与现场试验，同时相应配套工具和设施有待进一步改进与完善。随着井下工具及各项配套技术的发展，连续油管压裂必将形成一种适合于不同压裂方式的独特压裂技术［17］。

3.3 定点多级封隔器分段改造完井技术

定点多级封隔器分段改造完井技术是一次性入井实现水平井选择性分段隔离、分段改造工艺技术，这种封隔器在套管内及裸眼段均可以达到较高的耐压指标，适用于多类油气井的增产改造。定点多级封隔器分段改造完井技术主要由遇烃膨胀封隔器和滑套式喷砂器等组成。假设压裂5层，则一趟管柱上把5段所需要的封隔器（10套）连接下到位，第1段采用普通喷砂器，后4段采用滑套喷砂器，压完第1段后打开上一段的滑套喷砂器压上段，实现多段分段压裂。由于滑套不能重复开关，不能保证井筒完整性，不适用于压后生产测试或其他需要重复作业的油气井，但由于该管柱结构简单，性能可靠，适用面比较宽。随着国产裸眼封隔器工具系列的不断完善和现场应用越来越多，定点分段多级封隔器分段压裂技术将为低渗透储层的经济高效开发提供有力的技术支撑，再进一步缩短遇油膨胀时间，并适当降低造价后将会得到快速发展［15－16］。

3.4 高性能压裂液与支撑剂技术

由于水平井压裂施工周期较长，要求压裂液对地层伤害性越小越好，甚至做到无伤害。目前国内外压裂液体系都朝着地层伤害小，环境友好型方向发展，并不断提高其耐盐抗温能力，当前清洁压裂液虽然低伤害，但价格较高，适应油层温度较低（小于120℃）。为适应长期关井降低伤害的要求，水平井压裂液应加强超低表界面张力技术、无滤饼或滤饼可降解滤饼技术、超稳定长效破胶剂技术，智能层内增能助排技术，低成本清洁压裂液、无固相压裂液等研究。近年来，国外支撑剂回流控制技术不断完善，包胶支撑剂的适应能力、应用范围和性能指标也在不断提高。正在开展低密度支撑剂、纤维与热塑膜覆膜等技术研究开发［4，18－19］。

3.5 水平井压裂监测技术

通过水平井压裂监测可为优化压裂设计与施工、制定合理开发方案等方面提供借鉴。水平井压裂时裂缝产生和扩展的过程中，会产生沿地层传播的微型地震波，采用合适的接收仪器接收该地震波，通过分析就能确定裂缝的几何尺寸等参数。井下微地震裂缝监测技术是运用该原理发展而来的一种行之有效的裂缝监测技术，该技术通过对压裂施工全过程的监测和反演地层裂缝参数理论的研究，了解地层参数和压裂施工形成的裂缝长度、高度及裂缝导流能力，且可获得裂缝的几何形态和相关地层参数，为类似区块的地层改造提供借鉴。随着各种精密仪器及相关配套技术的成熟与发展，水平井压裂监测将会在以后的措施改造中发挥越来越重要的作用。

4 结论

1） 水平井开发经过约10a的科技攻关，取得了很多成果，水平井的增产措施是低渗透、边底水、断块等油气藏长期高效开发的重要手段，应加大水平井的分段压裂现场工艺研究。

2） 结合水平井压后裂缝形态和生产过程中油气在裂缝中的渗流机理，建立考虑裂缝干扰的产能预测计算模型，为优化设计提供理论基础。

3） 目前的国内外压裂设计软件都不太适合水平井的压裂改造设计需要，虽然目前的软件具有多裂缝设计功能，在产量预测方面考虑的太少，如果没有考虑裂缝间的干扰、裂缝间距、裂缝位置等对产量的影响，需要研发适合水平井压裂改造的软件。

4） 水平井分段压裂改造工艺技术难点在于分段压裂工艺方式选择和井下封堵工具，需要对此进行高效实用的研究开发与应用。

5） 水平井压裂的特殊性要求压裂液和支撑剂及其配套技术进一步提高。

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Status and Prospect of Horizontal Well Fracturing Technology

YAO Zhan－hua，ZHANG Shi－lin，HAN Xiang－hai，LIU Li－min，ZHAO Yong－jie，TAO Li－da，PAN Yan－ping
（Downhole Technology Service Company，BHDC，Tianjin300283，China）

In view of the difference between horizontal wells and vertical wells in fractured interval remold，segmentation fracturing technology for horizontal well is illustrated，the main problems in hydro－fracturing was analyzed for horizontal well and the development trend of hydro－fracturing for horizontal well.

low permeability hydrocarbon reservoir；horizontal well；fracturing；technology

1001－3482（2012）01－0056－06

TE357.1

A

2011－07－21

姚展华（1981－），男，天津静海人，工程师，硕士，2008年毕业于西南石油大学油气田开发工程专业，目前主要从事试油测试及酸化压裂方面的工作，E－mail：yzhdoris＠126.com。