新型压裂技术应用分析

陈亚联

（1.咸阳川庆鑫源工程技术有限公司，陕西 咸阳 710018；2.川庆钻探长庆井下技术作业公司，陕西 西安 710018）

水力压裂技术已经成为国内外油气田开发的核心技术。水力压裂自1947年在美国堪萨斯州试验成功，至今已有70多年的发展历程。近几年，水力压裂工艺技术有了较大的发展，并取得了良好的效果[1-3]。随着油气田开发的不断深入，人们对储层地质条件亦有了深层次的认识，因此压裂工艺及技术也呈现出多学科、多领域的特点，以求达到更好的改造效果[4-6]。

压裂技术的发展主要表现在新工艺、新技术、新理念等方面，包括了转向压裂、体积压裂、高速通道压裂、宽带压裂等新技术、新工艺。

1 水力压裂工艺原理

水力压裂主要是通过改变流型、形成连通通道等方式，实现压裂增产的目的[7]。

1.1 改变流型

储层在压裂前，地层中的流体大多为径向流，即以径向的方式流到井底。进行压裂改造后会流入井底，流体的形态由原有的径向方式变成单向方式，从而提高了导流能力[8-10]。

图1 流体形态转化示意图

1.2 形成连通通道

一般储层都具有非均值性特点，因此并未完全与井底连通。通过水力压裂，则可以形成较长的裂缝，实现了人造裂缝与天然裂缝的沟通，从而达到增产的目的。

2 几种常见的压裂工艺技术

2.1 高速通道压裂

2010年斯伦贝谢提出了高速通道压裂技术（Hiway），其主要原理是通过脉冲加砂的方式，改变压裂支撑剂的铺置形态，从而形成非均匀、不连续的支撑剂团。大量的支撑剂团可以在裂缝中形成砂柱，砂柱之间形成导流通道，通道相互连通形成立体网络，从而实现大的支撑裂缝内包含众多小通道的形态，较好地改善了渗流能力（图2）。高速通道压裂消除了因压裂液残渣堵塞、支撑剂嵌入等引起的导流能力损耗，提高了压裂改造的效果[11-12]。

2012年3月，Hiway压裂技术在胜利油田义XXX-X井、大北XXX-X井进行了现场试验，至2014年12月，累积增产原油量为3700t，与同区块采用常规压裂工艺的油井相比，增产了15%。

在某些储层，Hiway所形成的砂柱会有垮塌风险。室内实验研究表明，当杨氏模量和闭合应力的比值小于350时，Hiway所形成的裂缝稳定性差，当此比值在350～500时，可形成稳定的缝内网络通道，当此比值大于500时，所形成的网络通道效果更佳[13-14]。

图2 Hiway压裂布砂示意图

图3 传统压裂与Hiway导流方式对比

2.2 端部脱砂压裂

端部脱砂是指在压裂过程中，使支撑剂在裂缝的端部脱砂，形成砂桥，阻止裂缝向前延伸，再继续注入高砂比的携砂液，使裂缝内的净压力增加，裂缝变宽，裂缝内的填砂浓度增加，从而形成宽度较宽、导流能力较高的裂缝。端部脱砂压裂分两个不同的阶段，第一阶段为造缝到端部脱砂，这一过程为常规的水力压裂过程，目前主要有二维、三维模型；第二阶段则为裂缝膨胀和支撑剂充填阶段。由于端部脱砂技术是依靠周边脱砂憋压造成短宽缝，因此主要适用于浅层、中浅层的高渗透或松软地层。

2.3 体积压裂

体积压裂是利用“大排量、低砂比、大液量”压裂理论开启天然裂缝，使裂缝壁面发生滑移和错断，形成人工裂缝与天然裂缝相互贯穿的缝网系统，将人工裂缝的泄流面积转变为扩大裂缝网络与油藏的接触体积，从而有效提高增产效果[15-16]。

体积压裂适用的储层条件：1）低渗透储层。在国外尤其是美国，体积压裂主要适用于渗透率在0.05～0.10 mD油气层的开发；2）具有天然裂缝的储层。储层天然裂缝越发育，人造裂缝与天然裂缝贯穿后的裂缝网络就更为明显，体积压裂的效果越好；3）高强度岩石储层。岩石越坚硬，越易产生剪切滑移，形成剪切裂缝及粗糙的节理，裂缝的导流能力越强。在国外，体积压裂主要用于弹性模量大于3.0×104MPa的储层。

体积压裂在美国的Bakken取得了良好效果，其储层渗透率约在0.01～0.10 mD之间。我国长庆油田鄂尔多斯盆地的某些储层与Bakken有相似之处，渗透率在0.1～0.3 mD之间。2012年，长庆油田对盆地低压致密油层体积压裂设计模式进行探索试验，现场试验24口井，其中直井17口，水平井7口。直井投产1年后，与邻井相比，试验井的单井产量平均日增油49%；水平井投产初期，平均单井产量达到10t·d-1，较之常规压裂的水平井，产量提高140%。2017～2019年，体积压裂已在长庆油田致密油区块进行了规模化应用。

2.4 震动压裂工艺

当震动产生的水击压强远远大于地层破裂压力和井筒附近地层的最大主应力时，会产生一些新的微裂缝，随后将高压压裂作用于微裂缝上，便可使这些裂缝延伸、扩展，从而达到提高导流能力的目的[17-18]。该技术适用于岩石致密、近井地带污染严重的储层或井位，现场已应用500余井次，有效降低了施工压裂、注水压力等。

2.5 老井转向压裂

老井转向压裂是采用化学暂堵剂暂时性封堵老裂缝，使重复压裂的平面上的裂缝转向，或纵向剖面的新层开启。暂堵剂为转向压裂的核心材料，一般为黏弹性小颗粒，可在炮眼处和高渗透带产生滤饼桥堵，形成高于裂缝破裂压力的压差值，使压裂液不再进入老裂缝，而是形成新的裂缝层，因此实现了转向压裂[19]。

转向压裂适用于有一定能量基础的注水开发后期的老井。开展转向重复压裂技术理论的研究，尤其是加强重复压裂新裂缝的造缝机理和延伸规律的研究，对于指导重复压裂施工，提高其工艺可行性和经济可行性、提高低渗透油气藏开发水平，具有重要的现实意义和长远意义[20-21]。

图5 裂缝形态

吉林油田大部分区块已经进入开发中后期，且储层渗透率较低，经过多年注水开发后呈现出产能低、含水高等特点。为了提高单井产量，吉林油田于2011～2015年进行了2000余口井的重复压裂，产得原油280多万t。

2.6 宽带压裂

宽带压裂是在测试储层不同层段地层应力的基础上，实现“精益”压裂。在应用宽带压裂时，压裂液首先进入应力较低的压裂层段，然后采用不同性质和形态的暂堵，将已经改造过的近井筒缝眼进行临时封堵，再依次对应力较高的层、簇间进行改造，增强了井筒近井地带的波及度和接触面积，层、簇间的改造效果较好，产能得到有效提高。

2014年，宽带压裂技术在美国鹰福特页岩气区块进行了先导性试验。试验采用了优选的暂堵材料，优化了压裂工艺参数，并对泵压、裂缝进行了现场检测。试验井投产后，相比常规工艺改造的井，产能提高约15%，改造效果较佳。

2015～2018年，长庆井下技术作业公司进行了技术攻关，对暂堵材料进行了研制和优选，同时结合压裂工具管柱的结构特点和地层应力，对压裂设计和工艺等进行了模拟优化分析，形成了配套的暂堵材料及工艺。2015年10月，该技术在长庆超低渗区块油井直井上进行了5井次的先导性试验，随后在华池油田、陇东油田水平井、老井进行了30井次试验，在壳牌长北区块气井进行了30井次的试验。试验结果表明，该技术平均暂堵升压5MPa以上，改造前平均日产油1.36t，改造后投产初期平均日产油5.82t，增产幅度达3倍以上。

今后若能采用微地震、裂缝监测技术等，建立某一储层或某一区块的数据库及预测分析模型，将会使宽带压裂技术的优势充分体现。其技术优势主要表现在：

1）可代替机械分隔，减少了分隔器对套管的损伤，以及因分隔器质量问题造成的施工异常。

2）可有效降低施工压力。传统的机械分隔一般都要达到一定的工作压力才能分隔，而宽带压裂则只需在略大于地层压力时即可，不需要象传统机械分隔器那样，要求压力大于分隔器的工作压力，从而降低了压裂施工压力，同时对压裂液的性能和数量要求也有所降低。

3 结论

1）储层条件是选择压裂工艺的先决条件，因此在优化压裂工艺前应对储层有深入的认识。

2）当杨氏模量和闭合应力的比值＞350时，采用Hiway压裂工艺的效果较好。

3）储层天然裂缝发育，岩石坚硬，渗透率较低时，体积压裂工艺的效果较佳。

4）暂堵剂为转向压裂的核心材料，对于转向压裂的缝长有着至关重要的影响。

5）采用地测技术监控裂缝、地应力等数据，并建立相关的数据库乃至模型，对于暂堵材料的选型及施工设计制定有着良好的建设性意义。

6）建议对宽带压裂暂堵材料及施工工艺进行深度研究，以便代替机械分割，提高压裂波及度，降低压裂施工压力。