国内水力喷射压裂工艺技术应用研究进展

朱正喜，曹 会，陈沙沙

（1.中国石油长城钻探工程有限公司压裂公司，辽宁盘锦124010；2.中国石油长城钻探工程有限公司工程技术研究院，辽宁盘锦124010）

技术综述

国内水力喷射压裂工艺技术应用研究进展

朱正喜1，曹 会1，陈沙沙2

（1.中国石油长城钻探工程有限公司压裂公司，辽宁盘锦124010；2.中国石油长城钻探工程有限公司工程技术研究院，辽宁盘锦124010）

水力喷射压裂是集射孔、压裂、隔离一体化的新型增产改造技术，适用于低渗透油藏直井、水平井的增产改造，尤其适合薄互层、纵向多层、固井质量差易串槽井、套变井的改造。介绍了国内各油田和科研单位的水力喷射技术研制和应用情况。重点阐述了油管水力喷射技术和连续油管水力喷射技术。油管水力喷射技术有拖动管柱和不动管柱2种方式，连续油管水力喷射技术有管内加砂压裂和环空加砂压裂2种方式。针对水力喷射压裂技术，结合层间封隔器和滑套喷砂器，提出了1种层间封隔器封隔的多级水力喷射压裂不动管柱技术，适用于薄互层的多层压裂，压裂成功率高、易形成主裂缝，增产效果更好。

水力喷射压裂；滑套喷砂器；拖动管柱压裂；不动管柱压裂

近年来，随着连续油管及滑套分层技术的应用，水力喷射压裂技术发展较快。水力喷射不受压裂层数限制，可以进行定向射孔，且没有常规射孔对油层的压实作用，减少了对油藏的伤害，降低了破裂压力［1-4］。水力喷射被认为是筛管完井改造的唯一方式，对于均质性较好的裸眼、套管井也可以应用［5-6］。

龚万兴等学者认为水力喷射压裂技术不适应于地层应力复杂，层间应力差异大、出砂严重的水平井、边底水距离较近的井，天然裂缝发育、渗漏严重的井［7-8］。有学者认为，水力喷射压裂累计液量比常规压裂大，液体利用率比较低，成本随之上升［9］。

目前国内相关单位都在积极推广应用水力喷射压裂技术，拖动式管柱和不动管柱压裂研究都取得一定成果。

1 主要的几种水力喷射压裂技术

国内引进国外的先进水力喷射压裂技术，经过自主创新研制，目前主要形成了以下几种水力喷射压裂技术。

1.1 连续油管水力喷射

2000年前后，认识到水力喷射具有“水力封隔”的作用，无需封隔器即可实现液力封隔来隔离已压裂层。但受到压裂井口的限制，使用普通油管1趟管柱只能压裂1层，而连续油管可实现带压作业，1趟管柱可压裂数层，且在发生砂堵时可快速有效的处理井底情况［9］。因此，连续油管拖动式水力喷射压裂技术获得了大发展。在此基础上，主要形成了2项技术。

1.1.1 连续油管加砂+环空补液

水力喷射通常有2种压裂方式：油管加砂压裂和环空加砂压裂。对于油管加砂压裂，在射孔后，考虑喷嘴使用情况，尽量提高油管排量的同时，可增加环空补液排量，达到提高改造规模的目的。

施工工序［10］：

1） 连续油管下至设计位置（定位器定位）。

2） 连续油管低排量循环射孔液达到一定排量后加入石英砂射孔。

3） 射开套管后反循环洗井。

4） 关闭套管，提高排量试挤前置液，进行地层测试。

5） 环空补液，管内加砂压裂。

6） 施工后，上提连续油管再次定位，进行第2层施工。

刘斌等给出了在射孔和压裂阶段，如何调整环空压力。射孔阶段，通过调整放喷管线油嘴大小，来防止已压开层段排液过快；压裂阶段，通过调整环空注入排量，控制井底环空压力来确保已压裂层段不被压开［11-12］。

1.1.2 连续油管补液+环空加砂压裂

由于连续油管内径较小，摩阻较大，限制了改造规模。可以通过优化液体配方以及采用较大直径的施工管柱来减摩降阻，还可以采用环空压裂方式。区别于油管压裂方式，环空压裂方式需要在射孔后填砂，来封堵已压裂层段［13］。

王腾飞比较分析了油管压裂和环空压裂两种技术，认为环空压裂技术可以提高压裂规模及喷嘴寿命，并拓宽连续油管的改造深度限制，因具有更高的现场适用性及可操作性［13］。但也有一些局限：①裸眼井携砂时压裂液渗漏导致液量增加以及砂堵风险；②环空加砂压力较大，需套管段全井段固井。

1.2 油管水力喷射

马发明认为，受连续油管长度和内径影响，采用连续油管逐层加砂压裂始终难以用于深井，也难以达到较高排量［14］。对于深井或者高渗油气藏，建议采用常规油管代替连续油管。

1.2.1 油管拖动式水力喷射分段压裂技术

油管拖动式水力喷射压裂技术是目前水力喷射体系中各大油田应用最多的一项技术，工艺技术简单，适合老井补层和产能不高的井，压完一段后需反洗放喷至井口无压力后，起油管至下一层进行压裂，后续层段依次进行，管柱结构如图1。

图1 连续油管拖动式水力喷射管柱结构示意（中国石油大学）

1.2.2 不动管柱滑套水力喷射分段压裂技术

不动管柱滑套水力喷射分段压裂工艺不需移动管柱，通过投球依次打开目的层滑套即可进行射孔和压裂［15］。该工艺结合了水力喷射技术和滑套多层压裂的优点，不动管柱连续压裂，不带封隔器，管柱容易起出，克服了常规水力喷射需带压装置、工期长、压井伤害和连续油管排量低的缺点。管柱结构如图2。

施工工序［16］：

1） 下工具串至设计位置（如图2），替液。

2） 投球封堵底部，对第1段喷砂射孔和压裂。

3） 投低密度球，打开下一段滑套喷砂器，同时封堵下部油管，对下一段喷砂射孔和压裂。

4） 重复步骤3，依次压裂所有层段。

5） 压后排液并将球排出，原管柱可进行生产。

图2 水力喷射不动管柱分段压裂管柱

1.2.3 不动管柱簇式水力喷射分段压裂技术

为进一步提高处理段数，2011年长庆油田公司油气工艺研究院任勇设计了1种水平井水力喷射分段多簇压裂管柱（如图3）。该管柱通过安置2～5个喷砂器，1次射孔压裂可以形成2～5条裂缝［17］。

图3 水平井水力喷射多簇分段压裂管柱

庞鹏认为图3中采用的“同时射孔，同时压裂”的施工工艺，需要很高排量才能达到“两条裂缝同时起裂与延伸”，而目前受管柱和地面设备的限制，提高排量有限，因此很难实现多簇分段压裂的目的，且喷射器在相对位置确定的情况下，无法实现后续层段的精确定点压裂。为此，提出了1种“段内分别射孔、造缝，同时压裂”的施工工艺，在设计和施工时只需要考虑“两簇间的延伸压力之差”，提高工艺在非均质储层的成功率［18］。

新疆油田工程技术研究院在不动管柱滑套喷砂射孔的基础上，引进“体积压裂”的概念，于2012年提出1种簇式水力喷射管柱。该技术通过投1个球打多级滑套的方式，实现处理层段的增加，非常适合老井补层及多层的改造，同时也为地层的缝网改造提供了1种管柱技术。该公司于2013-08-02在71121井成功试验了1级3簇水力喷射压裂技术。

1.3 水力喷射带底部封隔器

受水力喷射射孔增压的局限性，大庆油田和长庆油田采取水力喷射和封隔器联作技术，提高封隔效果，保护已压裂层段，杜绝层间干扰和重复施工，管柱结构如图4［19］。层间采用封隔器封隔，喷砂射孔时井口回压不受已压裂层影响，可以有效降低井筒回压，增加射孔深度2～3倍，有效降低破裂压力，易形成主裂缝，加砂量与投球分压相比显著提高，改造后增产效果更高。

图4 长庆油田带底部封隔器的水力喷射压裂管柱

长庆油田一份资料显示，对罗平1井使用了零污染示踪剂进行测试，结果表明应用封隔器后，封隔有效率由以前的81%提高到92%。

2 国内水力喷射压裂情况

我国首次应用水力喷射压裂是在2005-12-09，中国石油长庆油田分公司引进Halliburton石油公司技术，采用常规油管在靖安油田靖平1井和庄平3井顺利完成水力喷射压裂试验［20］。2007-07-27，川庆钻探井下作业公司在四川白浅110井首次应用了连续油管拖动式水力喷射分段压裂技术，进行了3层加砂压裂［21］。

通过与国外公司的合作，国内不少单位积累了一定的经验，再加上积极的研发，目前我国一些油田和研究院所已经拥有了自己的成套工具设备，中石化以中石化工程院和中原油田为代表，中石油以长庆油田为代表，科研院所以中国石油大学为代表。

2.1 中国石油大学

中国石油大学自2002年开始，累计承担水力喷射方面的国家863课题、自然科学基金课题等国家类课题共6项。依托这些课题，系统研究了水射流基础理论以及在石油工业上的应用，在淹没非自由射流动力学、自激振荡射流理论、新型射流理论等方面的研究取得了突破性的进展，系统的建立了新型射流理论的应用体系，开发了4套水力喷射软件、撰写了石油天然气行业标准《水力喷射射孔参数优化设计行业标准》，并研制了2套自主知识产权的水力喷射工具—拖动式喷砂器（如图5）、滑套式喷砂器（如图6）。到2010年底，完成近百井次现场试验。

图5 中国石油大学拖动式喷砂器

图6 中国石油大学滑套式喷砂器

2.2 中原油田

自2008年起，中原油田从水平井水力喷射分段压裂机理、水力喷砂射孔参数优化设计、水力喷砂射孔分段压裂工艺等几方面进行了室内研究并进行了现场试验［22-25］。2011-08，中原油田自主研制的水力喷射压裂工具在文98-16井现场试验成功，结束了中原油田喷射压裂工具完全依靠进口的历史。依托“深层低渗油藏复杂井况压裂技术”项目（2012-05通过集团公司专家鉴定），中原油田采油工程技术研究院自主研制出了多级喷射压裂工具，于2012-09在卫334-16井成功举行了水力喷射2段压裂，加砂41.6 m3，液量501.6 m3，工具起出检查喷嘴无磨损，表面没有明显反溅损伤。目前，该工具已完成9级喷射压裂工具的设计加工和配套。

2.3 长庆油田

长庆油田针对射流增压、喷孔形态等关键理论认识，开展了室内试验及大型物模试验，认为水力射流可实现增压4～10 MPa以及喷孔形态呈纺锤形［26］。开发了4套水力喷射工具系列及配套施工工艺，形成“水力喷射＋小直径封隔器＋连续混配”为主体的技术模式，创新性提出的“水力喷射＋多级滑套”不动管柱压裂技术已成功实施了单井10段压裂。该套分压工具已累计在气田应用19口井［27］。

2.4 中石化石油工程技术研究院

中石化石油工程技术研究院依托国家科技重大专项《复杂地层储层改造关键技术研究》和国家科技重大专项《3000型成套压裂装备应用技术研究及应用示范》，系统研究了水力喷射孔道压力场、建立了喷嘴节流压力计算模型等，研制的工具目前已达到单井压裂11～20段，满足长水平段分段压裂需求，在东北、华北、华东等成功应用了15口水平井。

2012-11-21，研制的水力喷射工具在延平1井成功应用，采用滑套式接油管水力喷砂压裂工具进行不动管柱压裂施工，使用整体式喷嘴，4段共加砂98 m3，历时11 d［28］。

2.5 胜利油田

胜利油田釆油工艺研究院依托国家重大专项（2011-2015）《胜利油田薄互层低渗透油田开发示范工程》，开展了固定式多孔水力喷射现场试验研究，在定向射孔喷枪（如图7）、防止管柱蠕动、喷嘴耐冲蚀方面做了大量研究工作。目前，139.7 mm（5⅟²英寸）套管内不动管柱完成4段射孔压裂联作技术已经成熟。截止2011-12，在青海油田南浅H21-3、吐哈油田牛东8-6井、胜利莱115等9口井成功进行了应用［16］，该技术在十二五期间重点推广。

图7 胜利采油院重力定向喷枪所用喷嘴结构

2.6 新疆油田

新疆油田在引进外单位技术的同时，也在消化吸收。2011-03-30，原新疆油田采油工艺研究院利用自主研发的技术，在重油公司古16井区HW95001井成功实施了不动管柱3层压裂施工，液量1 670 m3，加砂95.5 m3，施工时间6 h，施工井例还有采油二厂15-4A井、采油二厂73157井、夏子街油田夏54井区块XHW5401、HHW003。

新疆油田公司工程技术研究院（由采油工艺研究院等多家单位重组）在不动管柱水力喷射分段压裂的基础上，为进一步提高处理段数，满足老井小层改造的需求，开展了水力喷射多簇压裂研究，该单位承担的的《一趟管柱水力喷射分级压裂技术研究》获2012年新疆油田公司一等奖。该技术通过投一个球打开多级滑套的方式，实现压裂层段的增加，使不动管柱水力喷射压裂技术具有更广阔的适用性，非常适合老井补层及多层的改造，同时也为地层的缝网改造提供了一种管柱技术。2013-08-02，新疆油田公司在71121井成功试验了一级三簇水力喷射压裂技术。

3 一种新型的水力喷射工艺管柱

针对常规水力喷射时，层间没有封隔器隔离，只借助高压喷射增压实现液力封隔来隔离已压裂层，对于多层、薄互层或裸眼来说，由于需要在环空进行过饱和补液，漏失量较大，对于层间非均质性强地层尤其明显的问题，提出一种可实现多段压裂改造的不动水力喷射压裂管柱，层间采用封隔器辅助封隔，如图8。

图8 层间封隔器封隔的多级水力喷射压裂不动管柱

施工工序：第1段投球射孔压裂后，投球打开过球式滑套喷枪，球落入封隔器内的球座；第2段封隔器坐封且封堵已压裂层段，进行该段射孔和压裂施工；第3段依次进行打开滑套和坐封封隔器，压裂施工。

该工艺适合于油井及气井低渗透层压裂酸化改造，尤其适合小薄层、薄互层、多层系、固井质量差易串槽井、套变井的改造。

3.1 技术特点及优势

1） 层间采用封隔器进行封隔，层与层之间具有液力封隔＋封隔器双重封隔功能，隔离有效性更高。

2） 层间采用封隔器封隔，喷砂射孔时井口回压不受已压裂层影响，可以有效降低井筒回压，显著增加射孔深度2～3倍，有效降低破裂压力，易形成主裂缝。

3） 层间采用封隔器封隔，转层时无需停泵等待已压裂层闭合，可以连续泵注施工。

4） 层间采用封隔器封隔，并且喷射器与封隔器相邻，由层间窜流、沉砂引起的砂卡管柱几率也会降低。

5） 采用过球式滑套喷枪，适合间隔3～5 m夹层的小层压裂，压裂改造针对性强，层间动用效果好，避免小层笼统压裂只能压开一层的问题，尤其适合层间油水关系复杂的情况。

6） 采用小直径高压封隔器，射孔／压裂下层时，上层所有封隔器均处于解封状态，不影响环空液流通道，封隔器胶筒采用耐冲刷保护，可以满足多层射孔压裂的需要。

7） 采用水力喷射压裂，环空压力较常规压裂低很多（根据统计，绝大多数井环空压力一般不超过30 MPa），因此，压裂过程中，对封隔器承压及固井质量要求较低，可适应薄互层的多层压裂，压裂成功率高、易形成主裂缝，增产效果更好。

4 结论

1） 连续油管水力喷射可实现带压作业，可以一趟管柱压裂数层，可管内压裂和环空压裂，但难以用于深井。

2） 油管水力喷射费用相对低廉，施工深度较连续油管大，有拖动管柱和固定管柱2种方式，其中拖动管柱适合产能不高、压力系数较低的井，施工层数不受限制，缺点是施工周期较长。而固定管柱的施工层数受油管内径限制，但配合簇式喷砂器使用，满足目前的储层改造需求。

3） 介绍了国内各单位关于水力喷射工具的研制和应用情况，目前不少油田单位和科研院所通过引进或者合作方式，拥有了自主知识产权的产品，并可以现场服务。

4） 提出了1种层间封隔器封隔的多级水力喷射压裂不动管柱，适合油井及气井低渗透层压裂酸化改造，尤其适合小薄层、薄互层、多层系、固井质量差易串槽井、套变井的改造。

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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

中国石油长城钻探工程有限公司项目“裸眼水平井不动管柱水力喷射压裂技术研究与应用”（2013C03）

朱正喜（1984-），男，安徽潜山人，工程师，硕士，主要从事储层改造技术研究工作，E-mail：zhuzhengxi108＠163.com。