水动力压裂技术在海上油田应用的可行性分析

2021-07-16邹信波江任开匡腊梅李旭光

钻采工艺 2021年3期

邹信波，刘帅，江任开，杨光，段铮，匡腊梅，孙林，李旭光

1中海石油（中国）有限公司深圳分公司2中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司

0 引言

根据国家能源战略的要求，中国海上油田对低渗储层开发的需求越来越迫切，但目前低渗储层储量大、动用程度低，开发效果普遍不理想。受储层多近水、平台空间受限、作业成本高等［1］因素限制，陆地油田开发低渗储层常用的水力压裂技术在海上油田受到限制，难以经济有效开发。目前海上油田主要增产措施为酸化技术，年施工井次约500井次，但酸化改造能力弱，作业效果不理想。因此，海上油田采用了如爆燃压裂、微压裂等小规模改造技术，并与酸化技术联作，取得较理想的增产效果，但受海洋环保、安全性等严格限制，难以规模实施。

为解决上述问题，一种不受现有因素限制、绿色环保的“水动力压裂”技术［2-3］被论证。该项技术不涉及任何民用爆炸品，技术成本低，在海上油田低渗储层具有较大应用潜力。

1 海上油田增产技术面临难点

（1）海上油田低渗储层大部分面临近水难题，据统计距离水层约3～15 m［4］。2006年起，海上油田实施水力压裂达到50余井次，但实施效果不理想。据统计，海上某区块数量占比52%的井因地层出水或压裂后产出硫化氢而致使压裂效果并不理想，数量占比48%的井受平台空间限制，难以实现经济开发。

（2）海上油田钻井费用是陆地油田的十余倍，工程费用更是高达几十倍，开发成本高，同时海上油田的经济产量门槛高，即海上油田经济累产量需要达到陆地油田的十余倍，内部收益率才能实现12%的基础开发指标。

（3）“物理+化学”联作是海上油田近年来倡导的低渗油田增产技术理念，如爆燃压裂酸化联作这一低成本改造技术，它费用仅为水力压裂的1/4～1/10［5］，却实现平均单井增油43 m3/d，增产倍比高达11.9倍，经济效益显著。但技术涉及的民用爆炸品除了需要爆炸物品作业、公安局备案运输、爆炸物品存储等系列资质以外，海上油田还会涉及船舶载运危险货物以及平台的防火防爆、防雷防静电等环节，导致技术在海上油田难以规模实施。

因此，海上油田急需一种绿色、低成本、高效的增产技术。

2 水动力压裂技术研究现状

根据水击机理，当在有压管道中，液体流速发生急剧变化所引起的压强大幅度波动的现象称为水击，在水利部门需要克服这种影响，防止管道严重变形或爆裂。而在石油行业中利用这种水击“增能”的能量，达到爆燃压裂类似的效果。

“水动力压裂”也称“水力冲击压裂”，该技术是利用流体的水击（水锤）原理，借助井筒中井液的重力势能和流体的可压缩性、惯性，产生1.1～3倍地层破裂压力的瞬时高压压破地层，并在近井筒3～15 m范围内，产生3～8条裂缝的小型高压水力压裂技术。

该技术主要采用水力冲击器进行水力脉冲压裂破岩及扩缝。水力冲击器主要由油管、导流短节、冲击片、冲击室、柱塞、筛管等部件组成，如图1所示。水力冲击器的工作原理：地面泵加压，当泵注压力和液柱压力之和大于冲击片破裂压力，冲击片瞬时破裂；油管及油套环空液体通过导流短节在巨大压差下大量进入0.1 MPa的冲击室中，形成高速液流；高速液流冲至下柱塞遇阻，产生水击效应，动能转化为压能，产生极高瞬时压力；压力将柱塞推出，产生大大超过岩石破裂压力的水力冲击力。

图1 水击冲击器示意图

假设2 000 m井液柱压力20 MPa，地面泵注压力24 MPa，冲击室长度13 m，管径0.076 m，壁厚0.01 m，水击速度可达1 367 m/s，水力冲击压力可达108.6 MPa［6］，该压力是冲击片压力的2～3倍，并经现场实验检测，实测压力和计算值相差无几［7］。

水动力压裂技术从70～80年代由前苏联研究并应用于油水井解堵中，国内于1982年开始研究，1983年在中原卫城油田卫74井［8］进行工业性试验取得成功，目前在吉林、大庆、河南、长庆、辽河、胜利、大港油田进行应用，应用规模不大，至今30余年应用井次才约1 000井次［9-15］。

该项技术增产作用机理主要包括机械造缝作用、水力脉冲作用两方面［16］。陆地曾对实施的多口井况进行检测，显示地层产生裂缝，但裂缝缝长有限，缝长10 m左右，缝宽小于0.5 mm［17］。同时水击冲击作用压力不断振荡并衰减，形成多个压力波，可以使裂缝不断延伸并产生新裂缝，导流能力提高，同时起到负压脉冲解堵效果。

目前陆地油水动力压裂田技术主要以实现多次连续水击为主，并形成配套技术［10-15］。

3 水动力压裂技术在海上油田应用的可行性

3.1 储层可行性

根据陆地油田应用的井况统计，水动力压裂技术应用渗透率范围较广，主要用于低渗油水井中，例如河南宝浪油田8口注水井，应用的储层渗透率＜15 mD，此外还应用于中高渗油井中，例如胜利油田东辛、孤岛等采油厂实施23井次，其中X23-34井储层渗透率为630 mD。辽河油田的45-026-183井储层渗透率为1 647 mD；此外，陆地油田应用井深在

2 000～4 000 m。

海上低渗油田储层渗透率小于50 mD，除部分井渗透率仅1～10 mD外，已开发井多集中在10～50 mD；同时低渗储层埋深在2 000～5 000 m，目前开发的主力油田主要以2 000～4 000 m为主。因此，海上油田实施的储层条件，相对陆地油田而言，应该更加优良。

水动力压裂技术主要应用于海上油田低渗储层物性差的井、存在严重污染的井、薄层且近水不适合水力压裂的井、受平台空间限制无法进行水力压裂的井、单独酸化效果不理想的井、受资质问题限制无法进行爆燃压裂的井，需要注意的是目前该技术并不适合在套管受损或者固井质量不理想的井况中应用。

3.2 工艺可行性

首先，水动力压裂改造能力远低于水力压裂技术，与爆燃压裂相当，但不如陆地爆燃压裂的电缆作业方便，因此也决定了它在陆地油田的应用规模，但在诸多技术受限的海上油田，它却具有较大的应用空间。

其次，在应用井况上，由于陆地油田作业前未进行有效监测与控制，对于一些老井套管产生破坏变形，也限制了水动力压裂技术的应用。因此，在海上应用时需要优选套管和固井质量好的井况，并提前强化峰值压力计算、进行井况条件检测等工作。

水动力压裂技术工艺简单，只需要常规泵即可作业，海上平台具有泥浆泵、泥浆池等固定设备，为技术应用创造了优良条件，另外跟酸化技术联作时，用现场酸化泵和罐即可完成施工，对于主要以酸化技术为主的海上油田，只需要多增加一套水力冲击器即可，不再需其它大型设备，基本不占平台空间。

此外，对于海上油田的井况来说，海上油田主要以Ø244.48 mm或Ø177.8 mm套管为主，现有水力冲击器能满足海上油田作业条件，且由于该技术产生的瞬间高压与爆燃压裂技术具有一定相似性，海上油田在管柱安全、井口安全、压力校核等也积累大量经验，具有较好的应用环境。

3.3 经济可行性

与水力压裂技术相比，费用将大大降低，适用于薄层、近水等特殊储层，突破平台空间、水源受限的井况；与爆燃压裂技术相比，费用还将降低30%以上，造缝效果、安全性、联作效率等得到提升；技术形成的配套工具可重复利用，成本低，且易形成自主化产权的配套技术，一次性投入将长期受益。

4 海上油田水动力压裂技术攻关思路

由于海上油田与陆地油田在油藏、井筒等方面的一些差异，因此需要针对海上油田施工难点，进行相应的技术改进。

4.1 一趟管柱多级水动力压裂技术

目前陆地油田实施的井况多以单层多次作业为主，因此各研究机构研究的重点为实现多次连续水击［10-14］，但海上油田储层层厚、跨度较大、小层多，同时海上油田多层合采井或水平井数比例多，如果直接采用现有技术，需要多次起下管柱实施，影响作业时效，因此需要研究一趟管柱多级水动力压裂。

目前现有国内外一趟管柱多段水击的方法主要通过多个水力冲击器直接串联［15］，通过环空不同压力等级进行加压作业，面临部分层位无法启动、需要大马力泵、易破坏井壁或管柱等问题。因此，可借助于水力压裂的多级或者无级滑套等思路，研发海上油田的多级作业技术。

4.2 研发适合Ø244.48 mm 或Ø177.8 mm 套管水力冲击器

目前陆地油田多采用外径114 mm、长度13 m的水力冲击器，以发挥最大的水击速度和水击压力的效能，在海上油田井筒尺寸改变情况下，需要重新进行工具尺寸设计。并根据海上油田不同井况的井深，优选冲击片的钢材和厚度，海上油田曾进行过深水井套管环空泄压装置研究，破裂盘阀体选用SS316不锈钢，爆破片选用NS312镍洛合金［18］，两项技术的启动机理类似，可以借鉴引申研究。