水力喷射定向深穿透压裂技术研究与应用

苏 建

（辽河油田公司钻采工艺研究院，辽宁盘锦124010）

水力喷射钻孔工艺技术起源于煤层气开发［1］，引入石油界后作为一项油气储层的解堵、增产措施的新兴工艺措施，该技术能够在套管内实现由垂直向水平90°转向，通过高压水射流的水力破岩作用［2］，在目的油层中喷射出直径30～50mm，水平井长度可达100m的水平微小井眼（见图1），从而达到沟通裂缝、增大泄油半径的目的［3－4］。某些低品质难开发油藏（致密砂岩、火山岩等）基质渗透性差、裂缝沟通性弱，采用水力喷射钻孔后仍难获得工业油流。水力喷射定向深穿透压裂技术是利用微井眼的导向作用，采用水力压裂改造工艺，实现人工裂缝的高效穿透，此项工艺已在辽河油田辉绿岩（火山岩）储层中成功应用，并获得高产工业油流。

1 水力喷射定向深穿透压裂技术

1.1 工艺原理

水力喷射钻孔技术的工艺原理是［5］：连续管连接铣刀钻具，入井进行套管开窗，然后连续管连接喷射工具，入井进行油层喷孔，喷嘴为反冲自进设计（见图2），喷嘴工作方式为单射流破岩、非水力机械联合破岩方式。该技术从施工工序上可分为：（1）自然伽马校深；（2）陀螺定向；（3）套管开窗；（4）钻水泥环；（5）油层喷孔。每孔施工周期内，连续管下井3次，测井1～2次。系统优点是：结构简单、控制简便、成功率高，钻孔长度可达100m。该技术完成后，继续实施水力压裂改造工艺，能够利用钻孔的导向作用，进一步增大改造体积，以获得好的压裂效果。

图1 水力喷射钻孔工艺原理Fig.1 Technical principle of jetting drilling technology

图2 反冲自进式水力喷嘴Fig.2 Self－advancing hydraulic nozzle

1.2 定向深穿透压裂人工裂缝形态

水力压裂的目的是在储层中建立高导流能力人工裂缝，压前采用水力喷射钻孔技术对储层进行预处理，相当于为压裂裂缝的起裂提供了“制导方向”。受区域地应力的影响，人工裂缝通常沿着最大主应力方向延伸［6－7］。

因此在选择水力喷射钻孔前必须考虑区域地应力的走向（见图3）：①若沿压裂裂缝延伸方向钻孔，压裂时各个钻孔分别起裂，受水力钻孔的导向作用，人工裂缝沿钻孔方向深度延伸，增加了裂缝的穿透性，提高了压裂改造体积，同时裂缝之间形成干扰，有利于形成复杂裂缝，扩大压裂裂缝受效体积；②若沿最小主应力方向钻孔，压裂时首先在钻孔方向破裂，受到区域应力的影响，裂缝方向最终沿最大主应力方向延伸，形成转向裂缝，有利于降低井眼周围渗流阻力。以上两种裂缝形态对改善储层物性都有一定的作用，但通常认为沿最大主应力方向钻孔然后进行压裂改造，更有利于改善低渗储层的渗透性。

图3 人工裂缝走向Fig.3 Artificial fracture direction

2 工艺实施步骤

2.1 选井选层

水力喷射钻孔液体为质量分数2%KCl溶液（不含磨料），喷射能力有限，因此储层岩性的致密程度决定着该项技术能否成功实施。火山岩、混合花岗岩等岩类埋深普遍较大，岩石性硬、致密，对于此类储层，压前需对岩心进行地面喷射实验，当施工排量为1.2～1.5m3／h，目标岩性能够在5min内被喷射出微井眼（见图4）。以此保证水力喷射能在储层中同样喷射出微井眼，为该项新技术的实施提供基础条件。根据水力喷射钻孔技术工具适应性及在辽河油区的现场实施经验，主要选井选层标准如表1所示。

图4 岩心喷射样品Fig.4 Hydraulic jetting core sample

表1 水力喷射钻孔技术选井选层原则Table1 The selection principle of hydraulic jetting drilling

续表1

2.2 确定水力钻孔方向

实施水力喷射定向深穿透压裂技术，需首先确定水力钻孔方向，选择原则主要有：

①油源和储层发育有利部位；

②区域地应力走向（由测井数据或邻井裂缝监测获得）。

2.3 钻孔前后试油测试

水力喷射钻孔结束后，须对改造层进行地层试油测试，获取储层的静压、温度，并与钻孔前的测试结果进行对比，初步判断水力喷射钻孔对储层的改造情况。现场应用过程中，若干井钻孔结束后，在压前进行“储层试挤测试”，目的层出现“不吸液”的现象，通过该手段可验证“水力喷射钻孔”是否成功，以及地层当前的吸液量能否适合实施水力压裂。

2.4 压裂优化设计

“水力喷射定向深穿透压裂技术”此项工艺技术实施的关键有下面两个方面：

2.4.1 钻孔孔眼个数和施工排量 钻孔孔眼摩阻可采用以下计算公式［8］：

式中：ppf为射孔孔眼摩阻，Pa；Q 为压裂液注入流量，m3／min；ρ 为压裂液混合密度，kg／m3；d 为孔眼直径，m；n为孔眼数；C为孔眼流量系数，取0.56。

由计算结果可知（见图5），当孔眼个数相同时，排量越大孔眼摩阻越大。当钻孔孔眼数大于6个／井次时，摩阻受排量影响逐渐减小。根据现场施工经验及地面车组的泵液能力，对裂缝性储层改造时易采用不小于5.0m3／min的排量，钻孔孔数选择为5～10孔／井次，实际操作时可根据地面限压情况适当进一步提高施工排量。

图5 孔眼摩阻与孔眼数关系Fig.5 Relationship between friction and perforation numbers

2.4.2 火山岩储层压裂改造工艺 与沉积岩相比，火山岩油气藏一般呈现以下的特点［9］：

（1）储层渗储层透率极低，一般在0.1mD以下；

（2）储层埋深大，井深一般超过3 000m；

（3）岩性致密、坚硬，抗张强度高；

（4）储集空间复杂，天然裂隙、溶孔发育，储层滤失严重。

采用“水力喷射定向深穿透压裂技术”，压裂液的滤失量是关系压裂成功与否的关键参数，针对措施有：

①压前进行小型测试，并将排量提至施工要求排量，以获得施工泵压、滤失量、摩阻等参数；

② 火山岩储层的改造原则是采用低砂比、造长缝、大规模、大排量施工，采用粉陶等降滤失剂应对压裂液滤失问题，降低砂堵风险，并辅以“多级支撑剂段塞”泵注工艺，利用裂缝中支撑剂的暂堵作用，在储层中形成“枝状”裂缝，以提高对储层的改善程度；

③降低压裂管柱沿程摩阻，提高施工排量，增大井底施工净压力。在井况允许的条件下，可选取管径较大的压裂管柱或上提封隔器座封位置；

④ 压后返排速度不易过快，避免微隙中的支撑剂回流，当油压大于12MPa时采用2mm油咀控制返排速度。

3 应用实例

于68井是辽河油田东部凹陷的一口探井，该井钻遇到一套火山岩储层，岩性为辉绿岩。火山岩储层岩性致密、硬度高、脆性大，在区域应力的构造作用下，可以形成裂缝性储藏。该井受断块遮挡影响，成藏条件十分有利，改造目的层埋深3 300m，层厚35.7m，根据测录井显示与主应力走向（见图6），在储层内自下而上钻孔5个（间距5m，4个孔眼沿最大主应力方向，1个孔眼沿油源方向），钻孔孔径φ30mm，理论累计钻入地层深度500m（每孔100 m）。钻孔结束后，对目的层进行了试油测试，但试油结论仍不理想，折算产油量为0.07t／d。为扩大对储层的改造程度，利用水力喷射钻孔的孔眼导向作用，配合水力压裂储层改造工艺，以进一步落实储层产能。以控制压裂液滤失和提高施工排量为手段，成功实施了“水力喷射定向深穿透压裂技术”，共泵入压裂液450m3，共加入陶粒41m3，排量5.0 m3／min，平均施工泵压72MPa，平均砂比20%。压后采用4mm油嘴放喷，获得了60.48t／d的高产工业油流，取得了很好的改造效果。

图6 钻孔方向选择原则Fig.6 Selection principle of drilling direction

4 结论

（1）水力喷射定向深穿透压裂技术将“水力喷射钻孔技术”与“水力压裂工艺”有机组合，利用孔眼的导向作用，实施压裂改造工艺可有效地对储层进行深穿透改造，为储层改造提供了一种全新方式；

（2）受区域地层应力走向的影响，裂缝形态主要有两种。当钻孔方向与最大主应力方向一致时，更易实现深穿透的效果；

（3）孔眼摩阻主要受孔眼个数和施工排量的影响，当需大排量泵入时应选取较多的孔眼数，钻孔孔数选择为5～10孔／井次；

（4）为保证该工艺的成功实施，在水力喷射钻孔前后进行常规试油测试，获取地层压力等关键参数，并在压前进行“储层试挤测试”，验证“水力喷射钻孔”是否成功，以及地层当前的吸液量能否适合实施水力压裂。

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