水力振荡压裂技术研究

王爱国

（中海油能源发展股份有限公司物流分公司，天津300452）

水力振荡压裂技术研究

王爱国*

（中海油能源发展股份有限公司物流分公司，天津300452）

水力压裂技术是油气田勘探和开发的重要技术手段。在充分调研分析基础上，将水力压裂与水力振荡技术相结合，在压裂时将静态压裂变为连续振荡的动态加砂压裂，水力振荡起到疏通孔喉、降低目的层破裂压力、提高加砂速度等作用，减少了压裂用液量，进而提高压裂效果、降低施工成本。因此，水力振荡压裂技术是一个新的、可行的发展方向，这项技术的深入研究和推广应用是水力压裂技术发展的一项突破性进展。

水力压裂；水力振荡；低渗透；砂堵；水力脉冲

水力压裂是油气井增产、注水井增注的一项重要技术措施，是目前煤层气、页岩气、致密砂岩等特低渗透油田开发不可缺少的一个开发环节［1］。它不仅广泛应用于低渗透油气藏的开发，而且在中高渗透油气藏的增产改造中也取得了很好的效果。

水力压裂技术发展至今已经非常成熟，但在一些特殊情况下还存在一些问题，比如国内有些区块在水力压裂过程中屡屡出现施工压力过高、加砂困难甚至砂堵等现象，尤其是大型压裂施工过程中，虽经多种方法尝试后有所缓解，但效果非常有限。目前解决这方面问题的主要方法有：压裂过程中降低加砂速度，提高压裂液粘度；压裂前用各种压力振击器疏通炮眼等，但这些方法会引起另外一些方面的问题：（1）施工成本高；（2）与压裂作业过程不能同时进行，导致作业时间长；（3）工作液选择不当，容易对地层造成二次伤害。而将水力振荡技术应用于水力压裂施工过程中，可有效解决以上问题。

1　水力振荡作用机理

水力振荡产生水力脉冲波，水力脉冲波携带能量在目的层中传播，以振动和冲击方式激发振动场内的介质，使介质质点的某些物理量（如位移、速度、加速度、压力等）发生反复、周期性变化，从而起到清除孔隙粘附层、剪切造缝、疏通孔喉、解聚降粘等作用［2-3］。

2　水力振荡技术的应用

水力脉冲振动解堵技术［4］：利用小型水力振荡器取代注水井的水嘴，在注水压力作用下，对油层起到定量配水和水力振荡处理作用，使水力振荡变成长期的预防措施。该种技术可在地面管线上安装脉冲振动发生器（压力开关装置）进行周期性升、降压，可使注水泵产生的静水压力变为动水压力，使油层孔壁与堵塞颗粒之间的静摩擦变为动摩擦，在多次重复作用下，其间的摩擦力将逐渐减小，堵塞颗粒被松动，并在降压期间从地层排入井内，解除地层堵塞，恢复地层吸水能力。

水力冲击法解堵技术［5］：水力冲击解堵技术是利用高压液体将冲击片爆破阀突然打开，产生瞬时高速流体突然遇阻而引起水力冲击，产生瞬时高压。此压力波在井筒及油层孔隙中传递，进行解堵。它的增油作用机理体现在2个方面：机械作用和水力作用。机械作用是压力直接作用在岩层上使其破碎，产生裂缝；水力作用是指压力波的传播、反射和叠加所形成的压力脉动对地层的振动作用，它可破坏堵塞颗粒与储层岩石之间的凝聚力，使输油孔道毛细管径发生变化，导致毛细管的周期性胀缩，有利于提高油层的渗透率。

3　水力振荡压裂技术

根据材料力学和断裂力学，材料在交变应力作用下，破坏时的最大应力远远小于静负荷时的强度极限或屈服极限。同样，地层岩石在脉冲压力产生的交变应力作用下，地层表层产生周期性的张压应力，由于地层的抗张强度低，所以脉冲动压力可以降低岩石的结构强度，使破裂压力比静水破裂压力低，容易在地层产生微裂缝，并加速扩展和延伸现有裂缝［6］。另一方面，由于压裂液受到脉冲压力的扰动，支撑剂的沉降速度大大降低，压裂液携砂能力大大提高，从而尽快把支撑剂输送到缝端，改善铺砂剖面，达到饱填砂的目的，进而提高压裂效果。因此，参考水力振荡技术的应用实例，应用相关理论分析可知：如果将水力压裂与振荡技术相结合，那么在压裂的同时，振荡技术能起到疏通孔喉、降低目的层破裂压力、提高加砂速度等作用，这样压裂效果会明显提高，且施工复杂程度没有任何增加［7］。

4　关键技术研究进展

水力振荡压裂技术核心装置为射流振荡压裂工具，简称水力振荡器。俄罗斯、美国、加拿大以及我国在这方面都进行了相关研究。

4.1国外相关研究

前苏联井下水力振源的研制工作开始于20世纪60年代［8］。从1967年开始先后开展了低频波弹性振动处理井底地带的试验工作；声处理井底地带的试验工作；用射流泵造成多次压降来处理油层的实验。低频弹性波处理技术主要采用108型分流振动器，已处理5000口井，增产原油500×104t，增加注水量150×104m3，有效期1～1.5年；射流泵处理油层的实验，处理成功率为80%，注水井吸水量增加了0.5～2倍，油井产量提高0.5～1倍。随着水力振动技术的发展，振动器的频率越来越低（＜3000Hz），而振动的强度越来越大，并与自动监测手段结合形成了自动控制系统，还与酸化、水力压裂等强化措施结合使用。从20世纪60年代末到现在前苏联用各种振动法处理井底地带的采油井在1.2万口以上，注水井2500口左右，增产原油900多万吨，增加注水量300×104m3左右。

20世纪80年代以后美国的井下振动装置开始采用水力作动力，频率大约为100Hz，可利用流量来调节其大小。由Los Alamos国家实验室、Law rence伯克利国家实验室和加利福尼亚大学伯克利分校联合研究了岩芯在低频波动下的所受到的影响，同时该项目组在加州的Center Valley进行了现场的井下振动试验，发现经过处理后的油井其产油量有明显增加。

加拿大的振动采油主要应用于稠油开采。1997年有关人员开始了压力脉冲技术的室内实验研究，1998 年9月在PE-TECH公司的支持下进行了现场单井实验，1999年开展了全油田范围内的应用，效果良好。他们研制利用的振荡器有：常用的反馈式振荡器［9］（主要由于解堵），如图1所示；新型反馈式振荡器［10］（主要用于清洗井眼），如图2所示。

2005年，哥伦比亚使用该振荡器进行清洗作业后，增产500桶石油当量，产量下降幅度从作业前的6%降至2%。2006年9月，旧金山油田使用该振荡器进行增产处理后，SF 28井10月就增产133桶石油当量［11］。2009年，阿尔及利亚将它作为核心装置制造出FO工具［12-14］用来进行洗井，产生了显著生产收益，产量从0增加至8.81m3/h。北非的一口井也通过上述FO工具进行酸化作业，使油井产量从0.99m3/h增加至7.67m3/h。

图1　常用的反馈式振荡器结构图

图2　新型反馈式振荡器横截面示意图

目前，该流体振荡器在国外已被广泛用作辅助技术来促进增产，效果明显。该技术相对于国产振荡器较为先进，其功效与工作状态也适宜与压裂作业结合，但到目前为止却未见与水力压裂相结合的使用情况报道。

4.2国内相关研究工作进展

我国开展振动采油研究起步较晚。20世纪90年代初，周晓君等人成功研制出亥姆霍兹振腔式水力振荡器；孙应力等人研制出反馈式水力振荡器；吉林油田研制出滑阀式水力振荡器；2008年中石油玉门油田作业公司采油工艺研究所研制出压差式低频水力脉冲器（滑阀式水力振荡器改进而成），这些技术在油田已取得了广泛的应用。

通过对比分析，上述4种水力振荡器的性能指标各有优劣，如表1所示。

从表1可以看出，在理论上应优选反馈式振荡器作为水力振荡压裂核心装置，但是共振腔式振荡器（如亥姆霍兹式、风琴管式振荡器）也不错，而且制作是最简单的［15］。所以，现场应用时应结合具体情况来进行优选。

5　水力振荡压裂技术研究趋势分析

目前，水力振荡压裂技术在处于刚起步阶段，要想该技术尽快应用于现场创造效益，必须重点开展以下2方面的研究：

表1　各种振荡器性能比较

首先是脉冲射流发生器的深入研究，使之与水力压裂工具配套。现阶段射流振荡器有许多种，可根据实验来选择和制作适合水力振荡压裂的脉冲射流发生器。要应用于现场，必须研究水力振荡对管柱是否有不利影响，对套管及水泥石是否有不利影响，是否会导致封隔器坐封失效等，以保证整套装置的安全性、可靠性及作用效果。

其次是要研究压裂液、支撑剂的运动状态。压裂液在振荡器附近的动力学过程为一个平衡流动→偏离平衡→趋向平衡的复杂过程。在振荡器之前一段距离上，可以认为流体与支撑剂之间处于动力学平衡状态，在经过振荡器时，流体已开始在压差作用下加速，同时粘度降低；固相支撑剂因质量大、惯性大则加速比较慢。如何让两相流动协调作用，以便于起到理想的铺砂效果，需要深入研究压裂液和支撑剂两相流动状态问题。

6　结论

（1）水力压裂技术是勘探和开发油气田的重要支撑技术，大力发展水力压裂技术是油田现场需求趋势。水力振荡压裂技术可以进行连续振荡加砂压裂，把射流振荡处理油层技术与水力压裂相结合，变静态压裂为连续振荡动态加砂压裂，具有降低施工压力、破裂压力，提高加砂速度，减少用液量，进而提高压裂效果、降低施工成本等特点，且施工简便易行。故水力振荡压裂技术是一个新的、可行的发展方向，这项技术的深入研究和推广是水力压裂技术发展的一项突破性进展。

（2）通过比较，反馈式振荡器可优先考虑作为水力振荡压裂技术核心装置，该装置简单实用，对所有水力压裂最为适用。

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TD82.72

A

1004-5716（2016）08-0074-03

2015-08-11

2015-08-28

王爱国（1963-），男（汉族），河南叶县人，高级工程师，现从事钻完井生产管理及研究工作。