井下低频水力脉动压裂技术及其应用

聂翠平 ，兰剑平 ，王祖文 ，张 冕，许洪星 ，尹国勇

1 西安石油大学石油工程学院 2 中国石油川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司

0 引言

在低渗、超低渗油气开发中，水力压裂技术是重要的技术手段，近年来各大服务公司重点围绕水平井压裂、体积压裂，在工具、材料和工艺上，形成了系列配套技术。

针对裂缝扩展控制和支撑问题，斯伦贝谢公司早前推出了旨在提高裂缝导流能力的“高速水力通道（HiWAY Flow-Channel Fracturing）”压裂技术并沿用至今，在此基础上，国内也较多的研究应用了相应的“脉冲加砂技术”［1］。近年来，基于优化设计，斯伦贝谢公司研发了能压开更多裂缝的“宽带压裂（BroadBand）”系列技术等［2-3］。

目前，国内水平井压裂技术已经形成了针对不同储层的配套技术，当前主要研究和应用重点为6 m3/min以上大排量施工配套技术，旨在获得更大压裂控制体积的规模化压裂配套技术和体积压裂（SRV）配套技术［4-7］。

在煤矿井下巷道强化瓦斯抽排中，已经有学者研究应用了“脉动水力压裂”技术——通过调节流量控制压力脉动的脉动注水方式来增加煤层的透气性，并在工程应用中取得了良好的瓦斯强化抽排效果［8］。

针对致密储层压裂中抑制压裂砂沉降、提高裂缝导流能力，以及有效降低施工压力和尽可能在缝内压开多分支裂缝问题，基于水力脉动压裂机理研究确定的合理参数，研发了一种水力强制驱动的井下低频水力脉动发生装置，脉动发生装置直接连接于喷砂器之上，在不改变原有施工设计的基础上，形成了井下低频水力脉动压裂新技术。

1 脉动压裂技术关键技术参数

1. 1 脉动压裂机理

1. 1. 1 脉动降低起缝压力

水力压裂施工中，井下低频水力脉动装置产生一定频率和压力波幅的水力脉动，脉动压力导致储层岩石产生明显的疲劳损伤，起缝压力和裂缝延伸压力降低。

脉动压力波的传播将引起裂缝内压力的剧烈变化，且各点的压力随时间变化。有学者研究了水力压力波在裂缝中的传播，认为脉动压力波在裂缝传播中将产生“反射”、“往复”、“叠加”等效应，瞬变流计算结果表明，缝内压力为波动压力，其升高值可达压力波动幅值的3 ～ 5倍；其他相关的理论计算和模拟观测也表明，缝内压力升高值通常可达脉动压力波幅的1.5～3倍，最高可达5倍［8］。水力压裂中，由于缝内压力升高，理论上裂缝起缝和扩展不再完全受地应力和岩石抗拉强度控制，利于产生更多分支裂缝，形成复杂裂缝。

1. 1. 2 脉动强化携砂和铺砂

在水力压裂裂缝中，压裂砂粒颗粒受到的拖曳力与上举力可以表达为：

式中：FD—拖曳力，N；FL—上举力，N；CD和CL—是拖曳力系数和上举力系数，通常由实验得出；d—砂粒直径，m；ρl—压裂液密度，kg/m3；u0—压裂液流速，m/s。

由式（1）、式（2）可以看出，拖曳力和上举力与流速的平方成正比。

脉动作用下裂缝中压裂液流态为瞬态流，其瞬时流速相比平均流速急剧增大。压裂液中脉动压力的传播速度一般在102～ 103m/s，大功率井下低频脉动引起的流速瞬时峰值远大于压裂液的平均流速，由此产生的剧烈流速波动将引起拖拽力和上举力的急剧变化。

由于压裂砂尺寸较小，在压裂砂颗粒表面和底面传播的脉动压力波无滞后，如果压裂砂沉降，脉动作用下压裂砂颗粒起动的上举力急剧变化，瞬时峰值急剧增大。因此，脉动有利于抑制压裂砂沉降形成砂堤，而拖拽力增大，有利于压裂液携砂到裂缝远端。

脉动压力有效促进了压裂液携砂和抑制压裂砂沉降，防砂堵。裂液携砂能力增强，裂缝远端也能得到有效支撑，进而有效提高了裂缝导流能力。

1. 1. 3 脉动降低沿程摩阻

图1为W油区现场使用的压裂液在模拟井温下的抗剪切性能曲线，从图1看出，压裂液在高剪切速率下表现出较低的黏度。

图1 W油区压裂液高温抗剪切性能曲线

井下大功率低频脉动作用对管柱内和裂缝中的压裂液产生强剪切，导致压裂液黏度降低，沿程流动摩阻降低，有利于降低施工压力。

1. 2 合理脉动参数范围

有学者研究了抗压强度为73 MPa砂岩在围压作用下的动载疲劳特性。采用模拟围压分别为2.0 MPa、10.0 MPa、40.0 MPa、三轴常循环偏应力加载频率分别为0.1Hz、1.0 Hz、3.0 Hz的正弦波动载荷，测试结果表明，岩石将产生明显的疲劳损伤。并且在较低频率下，较少循环次数（实验测试为15次，时间约1.5 s）就能导致岩石破坏［9］。实验证实，频率、围压、动载加载路径皆为影响岩石疲劳损伤的重要因素，且低频下较短时间产生疲劳破坏。

在相关脉动频率、脉动压力幅度等对岩石强度影响方面，针对煤矿巷道瓦斯抽采井的脉动注水相关研究表明，低频脉动载荷通常能导致明显的岩石疲劳损伤［10-12］。

在油气井水力压裂中的水力脉动载荷对砂岩储层岩石的影响尚未见资料报道。

针对油气井井下低频脉动水力压裂，设计了相关水力脉动对岩石疲劳损伤的探索性实验研究。前期研究表明，水力脉动载荷（基础载荷+正弦脉动载荷）处理岩石实验中，基础载荷对岩石疲劳损伤影响显著，脉动处理时长也有一定影响。

为确定水力脉动载荷对砂岩疲劳损伤的影响，针对W油区储层水力压裂，考虑施工管柱中封隔器、水力锚在脉动作用下能正常工作，实验研究了水力脉动压力幅度为2 ～ 3 MPa、频率为3 ～ 30 Hz，基础载荷约为岩石抗压强度的80%、脉动处理时长为10 s条件下的岩石疲劳损伤。

1. 2. 1 水力脉动频率

实验中采用W油区C6储层岩心，模拟地层条件施加围压，在岩心夹持器内加载25 MPa压力后在不同脉动频率下施加2 MPa的脉动压力，处理时长为10 s，脉动处理后岩石的抗压强度如图2所示。

图2 水力脉动频率对岩石的抗压强度的影响

由实验结果可以看出，C6储层岩石在脉动压力波幅2 MPa短时间脉动处理后，20 Hz较低频率以下，岩石疲劳损伤程度较大，较高频率下疲劳损伤程度较小。

对于砂岩储层，由于岩石的抗拉强度和抗压强度存在确定关系，实验结果也间接说明了井下低频水力脉动能降低裂缝起缝和延伸压力，且较低频率更有利。进一步数值模拟计算表明，较低脉动频率下水力裂缝中的压力传播衰减较小。由此可以确定，在水力脉动压裂中采用低频更为有利。

1. 2. 2 水力脉动压力波幅

采用全尺寸物理模型模拟测试水力裂缝中的压力衰减实现起来难度偏大。模拟W油区实际储层条件，根据压裂施工设计模拟计算的裂缝尺寸，采用瞬变流模型计算了在半缝长为100 m、缝高5 m的水力裂缝中，施加波动压力波幅为2 MPa、频率为15 Hz的正弦波形压力波时裂缝中不同位置的脉动压力波幅随时间的变化。半缝长分别为60 m、80 m处压力波幅随时间变化的波形如图3、图4所示。

图3 半缝长60 m处脉动压力随时间变化

图4 半缝长80 m处脉动压力随时间变化

计算表明，裂缝中各点脉动压力波幅是随时间变化的。在井底施加波幅为2 MPa的脉动压力，脉动压力波幅在半缝长60 m处衰减为30.8 kPa，在半缝长80 m处衰减为11.77 kPa。井底施加2 MPa脉动压力波幅，裂缝远端的脉动压力波幅在10 kPa级别。

为确定岩石疲劳损伤与压力波幅的关系，实验研究了频率为15 Hz、脉动压力波幅为0.01 ～ 2 MPa范围内，水力脉动对于岩石疲劳损伤的影响。

实验中同样采用C6储层岩心，模拟地层条件，加压到25 MPa后再施加频率为15 Hz的脉动压力波幅，处理时长10 s，然后测试处理后岩石的抗压强度。测试结果如图5所示。

图5 水力脉动压力波幅对岩石抗压强度的影响

从图5可知，水力脉动压力波幅在0.01 MPa级别能导致明显的岩石疲劳损伤，脉动压力波幅越大，岩石的疲劳损伤程度越大，岩石疲劳损伤程度和脉动压力波幅为近似线性关系。

1. 2. 3 合理脉动参数范围

基于针对目标储层岩石的低频水力脉动对岩石疲劳损伤测试结果，以及水力脉动传播衰减计算结果，认为井底脉动压力波幅2 MPa、脉动频率15 Hz就能在水力裂缝远端产生导致岩石疲劳损伤的有效压力波幅。结合工程经验，综合考虑水力锚锚定、封隔器坐封等施工安全因素，可以确定脉动频率20 Hz以下、2 ～ 3 MPa脉动压力波幅为合理脉动参数。

2 脉动发生装置研制与测试

基于井下低频水力脉动合理参数范围，在比较多种水力脉动发生原理的基础上，研制了一种能适应当前压裂工艺管柱和施工排量设计的新型水力驱动井下低频脉动发生装置。

井下低频水力脉动发生装置设计为一个连接于喷砂枪之上的工具短节。采用水力驱动强制脉动发生方式，特殊的防砂卡结构和抗压裂砂冲蚀表面强化处理，在结构设计上保证了即使脉动发生装置失效也不影响压裂施工的继续进行，而仅仅只是脉动发生功能失效。

从工具整体设计上，考虑输出脉动压力波幅、频率与施工排量、工作液密度相关，采取了组配式工具设计，下井前依据压裂施工设计组配工具，保证主压时间段装置输出参数在合理范围。

同时，在工具结构设计上，还考虑了适应压裂施工原管柱试油。

完成样机加工后，采用测量精度±0.1% FS、响应时间小于0.1 ms的压力传感器，采用自研数据接口配套检波器检测脉动压力波动幅值、波形和频率，进行了地面模拟测试。

测试中发现，工具产生水力脉动存在最小排量。排量越大，脉动压力波幅越大，频率越高，且输出参数、波形与结构设计和施工排量有关。测试到的水力脉动压力波形近似正弦波。

依据测试结果，对样机设计进行多次改进和完善，确定了适应施工排量的脉动发生装置组配方式。

3 现场应用

3. 1 现场试验

现场试验在以往施工压力偏高的W油区同一平台丛式井组的新井进行，目标层同为C6砂岩储层。第一次现场试验在该平台A1和A2井，同样采用该区成熟的单封单卡压裂工艺，工艺管柱结构上的区别仅仅是在喷砂器上方加入了长度约50 cm的脉动发生装置。和该平台邻井的阶段施工压力对比如图6所示。

图6 试验井与邻井施工压力对比

从施工结果看，相比邻井，最小施工压力降低25.8%，最大施工压力降低14.1%。在施工各阶段，水力脉动压裂井施工压力明显降低。

在A1和A2井取得施工压力显著降低效果后，在该平台C井尝试了以往在其他油区增油效果明显，但在W油区因易砂堵、作业压力偏高不能实施的在加砂中段加入了200 kg水溶性暂堵剂，旨在提高裂缝净压力、压开较多支缝的“多裂缝”压裂技术。“多裂缝”压裂施工曲线如图7所示。

图7 C井“多裂缝”压裂施工曲线

从施工数据看，加砂中段加入堵剂过程中施工压力上升明显，无砂堵现象。

C井与同平台邻井C1井、C2井的施工压力对比如图8所示。相比邻井，最小施工压力偏小，最大施工压力降低8.3%，“多裂缝”压裂施工也取得了施工压力明显降低效果。

图8 C井“多裂缝”压裂与邻井施工压力对比

3口井的现场试验表明，低频水力脉动导致岩石疲劳损伤，起缝压力和裂缝延伸压力降低，脉动剪切还降低了压裂液沿程流动摩阻，施工压力显著降低。

3. 2 增产情况

试验井A1、A2井按施工数据模拟，压裂裂缝半缝长均为70 m，加砂量分别为20 m3和25 m3，邻井B1、B2井按施工参数模拟压裂半缝长均为80 m，加砂量同为35 m3。试验井相比邻井，在压裂半缝长少10 m，加砂量分别少10 m3、15 m3情形下，自投产275 d内，单井总产量略高。

“多裂缝”压裂试验井C井和邻井压裂规模相当，自投产416 d内，平均单井增产659.8 t，增产189.47%。

4 结论与建议

（1）低频水力脉动能导致岩石疲劳损伤、降低水力压裂沿程摩阻，进而显著降低施工压力，其中脉动频率和压力波动幅度是关键影响因素。

（2）低频水力脉动能强化携砂、防砂堵，提高裂缝导流能力并获得明显增产效果。

（3）低频水力脉动“多裂缝”压裂技术现场应用获得成功，进一步证实了低频脉动能强化携砂、辅助压开多支逢并有效支撑裂缝簇，该技术有望在致密砂岩储层体积压裂中获得应用。

（4）由于实验装备等多方面条件限制，目前所完成的相关低频水力脉动压裂的机理研究还很肤浅，还需要结合前期现场应用取得的认识，进一步加强机理研究。