水平井压裂技术在低渗透油田开发中的研究与应用

张化林

（延长油田股份有限公司吴起采油厂，陕西延安 716000）

低渗透油田的渗透率低、能量弱，同时流体渗流阻力大，储层物性和连通性差以及存在启动压力梯度等。因此，常规直井水驱无法对低渗透油田进行开发，而水平井压裂技术能够改善地下流体渗流的问题，并结合地层能量，使油井产量和开采效率得到提高。目前，国内低渗储层分段压裂施工工艺处于刚起步阶段，相关技术和配套设施不够完善，例如水平井分段压裂工艺、井下封隔工具的使用以及理论与实际生产的结合等，仍然存在较大差距。因此，应加大研发力度，不断提升技术水平，从而满足勘探开发需求[1]。

1 压裂的概念与低渗透油田压裂技术

在开采石油、天然气过程中，利用压裂液的液压能在含油地层中形成缝隙，并立即导入支撑剂固定，防止泄压后缝隙闭合，人为地改变地层对油气水等液体的渗透性能，减少地层中气、液相物质流出阻力，使得石油或者天然气能顺利采出，从而能大幅提高石油采收率。目前最常见的新型压裂液，分为泡沫压裂液、油基压裂液、水基压裂液，并且各种型号的压裂液均有着突出的优点。生产过程中，要按照低渗透油田的压裂工艺特点和油田要求，正确选择压裂液。而经常使用的压裂砂为石英砂或者陶粒，后者成本高但强度更大，多用于深井或者高压井。

我国的低渗透油田资源相当丰富，在过去相当长一段时间，因低渗透油藏渗透率低，使得开采和开发利用难度很大。当石油作为流体过滤时，由于地层中孔隙的喉道半径很小，它会受到来自液体表面的阻力和相互作用，渗透定律偏离了达西定律。所以，在油田产出时，单井生产率通常都很低，不压裂也就没有自然产能。国内外为开发利用低渗透油藏，研究和实践了各种方法，实践表明水平井应用于低渗透油藏具有明显优势，具有泄油面积大等优点，结合压裂技术可以得到较高的采收率。因此，水平井压裂是低渗透油藏开发的一个重要方面。想要提高油田产量以及低渗透油田的产量，需要从水平井的优化改造研究入手。通常，反映水平井日常产量和总生产量的因子主要是水平段长度、压裂形成的断裂段数和断裂间距等。这些影响因素可以通过压裂来控制最终关键参数。因此，低渗透油藏水平井压裂优化研究具有较高的现实意义[2]。

2 低渗透油田的地质特征

低渗透性油田和其他形式的油田比较，最大的优势是其地质结构渗透性较小，且地层之间的缝隙也相对小，因此渗漏作用较不良，由此造成油田开采难度大，难以在有效时间内提升石油开采效益。另外，低渗透油田的开发研究中，油田开采效益还与油田地质条件、地貌特点以及低渗透油田地质上的岩体类型等因素有关，因此，要加大开发力度，深入研究，以便于在开采过程中进行有针对性地开发，确保提高石油开采效率。

低渗透油田地质中存在白云岩与粉砂岩等成分，使得石砂之间的缝隙较小，进而造成该区域内的油层在开采过程中存在较大的开发难度和阻碍。同时随着压强的不断增大，空隙内所遭受的挤压作用逐渐变小，导致地质的渗透性也相应减小，最终形成地质渗透性不良，渗透效果也极大减弱。另外，低渗透油田地质中存在的一些矿物碎石成分，通过长期的堆积沉淀逐渐转化为岩石层，也会对石油开采带来巨大的考验[3]。

3 低渗透油田开发中应用的水平井压裂工艺分析

水平井压裂技术在低渗透油田开发应用中能够与实施分段和系统开发更好地相配合，并且相互协调，使技术系统与低渗透油田开采作业有序进行，为技术系统的创建创造途径，同时起到节约能源的作用。

3.1 水平井环空分段压裂工艺

水平井环空分段压裂技术的应用范围相当广阔，并且在低渗透油田的开发工作中可以较好地满足外围条件。该技术主要采用了井口专用短节、高安全性接头和压裂封隔装置等专用工具，可以较好地把环形空间封闭而处于完全闭合状态，给井内的清洗作业保证了良好的通畅性[4]。

3.2 水平井滑套分段压裂工艺

水平井滑套分段压裂工艺的构成主要是大型高压头和压裂工具，通过两者之间的协调配合能够营造良好的密封环境，在这一环境下，封隔器能够高效运转。另外，通过高压安全接头和封层型的压裂工具共同作用，能够使得低渗透油田内部液压系统在安全、稳定的环境下进行调节和控制，即使在解封后也能够在井内进行正方向的洗井，还能确保水平井管柱能够顺利提出。

3.3 水平井压裂配套工艺

水平井压裂技术的高效率开发离不开配套工艺的良好辅助。例如在分段压裂技术应用过程中，在优化射孔原则基础上，对排量和摩擦、阻力之间的关系进行精确，并根据不同排量对应的标准来选择不同的孔眼，最终确保“摩擦性”的稳定。另外，还可以建立多层次、双循环的分段压裂流，并且在水平井内部建立预测模型，结合孔数、孔径、井内排流量、管径、砂量试验等与压裂技术相融合，最终形成系统性的配套工艺。

4 水平井分段压裂技术运用

4.1 水力喷射压裂

水力喷射压裂的主要工艺原理是对压能和动能的转化，在这两种能量进行转化的过程中会应用到伯努利方程。之后利用压裂车泵入液体，最后就可以推动高速水射流的产生。

然后对射孔作业井段定位并利用高速流体或者是携带石英砂的高速流体对套管障碍物进行冲击，可以将套管上的开口刺开，再对岩层加以剪切和穿透，在这个过程中，高速流体运动所产生的动力也可以通过与岩层之间的碰撞之后，变为水压能。因为在水力喷射压裂技术的使用过程中，所使用的钻具组合相对比较简单可靠，所以能够有效降低破裂压力，进而提高整体施工的进度[5]。

4.2 限流多段压裂技术

在完井压裂技术中会存在限流多段压裂技术，这种技术的应用主要存在于还没有进行射孔的井中。采用这项工艺开展低渗透油田的开发，可以使油田开采项目中的注液量加以放大，并且在注液量扩大的同时也可以有效从直径和数量上对射孔加以控制，这样的方法主要是希望可以使油井井底的水压逐步上升，从而实现在所有层块上均可以对注液量实现大量分流的目的。另外，当限流多段压裂方法用于低渗透油田时，也可以在油井井底压强大于土壤岩层裂缝压强的前提下使裂纹产生于层块上[6]。而且这项设计的优势还相当突出，例如在长度和重量上，不同层块的射孔炮眼产生较大差异，对不同的层段进行改造可以获得不同的预期效益。而在实际的开采环境中，还可以减少工具的使用，这样的施工工序会相对比较简单，同时还具有施工周期短的优点。

4.3 裸眼封隔器分段压裂

这个工艺技术主要是在介质的选用上以封隔器为主，之后再在不同的射孔段上使用封隔器进行压力阻挡，再经过压裂改造对某一射孔段加以实施；而在完成最后的实施之后，经过压裂段和投球同时将封堵上的射孔段的滑套打开，之后再经过压裂改造技术对上部层段加以实施。这样可以顺序上返，从而完成多段分压。当进行改造以后，球体将随压裂液返排出竖井，合层工作完成。

4.4 水平井压裂配套工艺

在进行水平井压裂配套工艺时，要想进一步增强其技术能力就需要有完善的配套工艺。在开展分段压裂过程中，就需要先对孔射进行设计，并以此为基础进行油田开发，把排量与冲击、压力之间的递进联系加以精确，孔眼也按照对排量的要求来选取，这样才能在“摩阻性”方面进行平衡。另外，为了可以使配套的技术更加完善，还需要在分段压裂流设计中满足多层次、双循环的要求，并把预测模型设置在水平井内。

4.5 化学隔离多段压裂

这项技术一般是无法对机械封隔器的套管井加以利用而提出来的。采用这种技术对低渗透油田进行开发的过程中，重点是对开裂的各层管依次进行射开，然后再将这些层段进行隔离，在隔离过程中主要利用的材料是液态胶塞、砂子等。对这些工序施工完毕后，还需要将这些材料冲开，之后再进行合层排液。这种技术同样不需要使用工具，而且安全性能较高。

5 低渗透油田水平井压裂新思路

5.1 水平井可控穿层压裂技术

水平井的好处是横穿储层能增加单井数量，但纵向储层的使用量较少。所以，对于水平井可通过穿层压裂技术来实现横纵储层的连接互通，其主要工艺途径是通过对水平段实施分段多簇射孔，进而再利用其高排量、高液量、高黏度等液压改造技术，从而实现水平井段“一缝穿多层”的穿层压裂技术改造。而水平井穿层压裂技术则通过对布置在主含油层中的水平井上的多个含油层进行互通，进而拓宽泄油区域。穿层压裂技术的关键是确定穿层压裂储层的判断标准，穿层压裂设计方法优化以及对穿层效果的监测。

总结了穿层压裂理论模型与人工裂缝全三维模拟技术，并根据水平井钻遇条件和储层膨胀的特点，研究形成了“压砂穿泥”和“压泥穿砂”两种压裂模型，还分别对两种模式的优化技术进行研究。

（1）钻遇段砂岩穿层压裂：提高施工排量、压裂液的黏度；扩大开挖范围，增加平均砂比；前置液中砂段塞处理，增加缝内净压力。

（2）非钻遇段泥岩穿层压裂：通过优化射孔的方向、酸处理方法，减少裂缝压力；增加前置液配比，提升造缝水平；低砂比、长期施工；加砂末端高砂比保缝口宽度；间断加砂。

5.2 水平井体积改造技术（SRV）

利用压裂的方法对储层加以改建，在建立一个或多个主要裂隙时，利用分段多簇射孔、大排量、大液量、低黏液体积，以及转向材料及方法的运用，完成对自然裂隙、岩石层理的沟通，并且在主要裂隙的侧向强制建立次级裂隙，再在次级裂隙上不断分枝建立二级次生裂等。将主要裂隙和多级次生裂隙叠加建立裂隙网络，把能够发生渗流的资源储集体“打碎”，使裂隙侧壁和储层基质的接触范围最大化，使油气在任何方位的基质向裂隙的渗流间隔最短，极大提高了储层整体渗透率，完成储层从长、宽、高三个方位的总体改建，最大程度增加储层利用效率和采收量。体积改造产生的已经不仅是双翼的断裂，而是复杂的网状断裂体系，裂纹的起裂和延伸不单纯是断裂的张力断裂，而且还产生了剪切、滑动、错段等复杂的力学活动[7]。

6 低渗透油田压裂技术应用效果分析及发展趋势

为了研究水平井压裂技术在低渗透油田开发中的应用，以吴起油田部分水平井为研究对象，对其中一部分实施环空分段压裂技术，一部分实施滑套分段压裂技术，其余井采用其他开发方式予以对比分析。数据收集和实验结果分析可以发现，采用环空工艺技术和滑套工艺技术的水平井达到了良好的开发效果，不但可以起到限流的作用，还能极大提升压裂过程中低渗透油田的开采效果。相比之下，采用其他开发方式的水平井，原油量没有得到改善，由此可见，水平井压裂技术应用于低渗透油田的开发，可以提升油田的开发效率，还能够实现集约化资源利用的目的。这一应用行为为低渗透油田的可持续开采以及安全利用提供了有力保障，同时适用于整个国家的油田开采行业，具有战略性的意义。

国内外专家学者在提升油田开发有效性方面不断钻研和创新，并且在低渗透油田压裂技术的创新上取得了优异的成果。就现阶段而言，低渗透油田开裂技术将会朝着更加完善、先进的方向发展。首先，信息时代的不断进步，也就意味着水平井压裂技术配套软件也会随之得到进一步的更新迭代，并且功能也会随着低渗透油田的开采要求而不断优化，例如模拟模块具有三维立体功能，能更好地确定井下压裂情况，并根据实际情况进行后续的合理调整。其次，已有研究人员认识到低渗透油田油层力学性质的特殊性，并以Notel-Smith曲线为基础重新构建低渗透油田压裂压力解释模型，这有利于更好地分析多层压裂过程，从而提升低渗透油田压裂技术的准确度。除此之外，用于低渗透油田压裂技术的材料和设备等也会随之不断优化和创新，以确保低渗透油田的顺利开采。

7 结束语

利用水平井压裂技术对低渗透油田进行开采的过程中，能够让整体的开采效率和综合效益显著提高。在低渗油田开采时，水平井压裂技术的应用也比较广泛。在以后的低渗透油田开采过程中，应该对这些不同的水平井压裂技术进行综合利用，将几种技术的优点结合起来进行油田开采工作，从而实现开采效果的最佳，在经济效益上促进油田工程的发展。