总第148期 2016年

水平井多级压裂

      打水平井是钻井专业的上乘技术，多级压裂是完井专业的上乘技术。起初这两项技术各自单独发展，自成体系。20世纪80年代末90年代初，一个叫乔治.米歇尔(George Mitchell)的美国企业家兼地质学家把水平井技术和水力压裂技术结合在了一起，目的就是为了开采页岩气。 这两项上乘技术一经结合，直接在美国掀起了震惊石油界的页岩气革命，进而使美国由能源净进口国华丽转身为能源出口国。
水平井钻井技术的发展历程
      以前打井都是直井。有记录的第一口水平井于1929年出现在德克萨斯，15年后，第二口井出现在宾夕法尼亚，可见以前水平井需求不大。后来的海上石油开发对定向井技术产生了需求，井下马达(Downhole Motors)，随钻测量(MWD)，旋转导向(Steerable Assemblies) 和随钻测试(LWD) 等技术相继诞生。这些技术为水平井钻井的发展打下了基础。20世纪80年代初，阿科（ARCO）公司试验了小半径水平井；1985年，阿科钻出了中半径水平井，这口井水平段长近500米，造斜率为每20?/100英尺。20世纪80年代末，现代水平井钻井技术由于页岩气的开发而打磨成型。
水力压裂技术的发展历程
      1947年，第一个水力压裂试验成功，两年后投入了商业应用。20世纪70年代，大规模水力压裂技术(Massive Hydraulic Fracturing)问世。压裂成了常规的增产模式，在直井和水平井都广泛应用。据估计，在美国有一百万口直井和一百万级水平井段进行了压裂。美国以外，水平井做过一百五十万级的压裂。
水力压裂技术理论
      压裂的基本原理是利用高压水力作用把储层压开裂缝，以提高储层流体流动能力的一个增产措施。可以把地层想像成一个气球，气吹多了压力达到了爆点气球就爆了。地层的爆点就叫地层破裂压力，地层受力超过这个压力就会裂开。用水马力泵沿管柱向地层打液压，液压存储着能量，就像利斧一样劈开地层岩石形成裂缝，裂缝打开后就从近井周围延伸至几十米甚至上百米的远井地带，所过之处油气储层互相连通。但是地层有一定的弹性，施加的液压一旦释放，裂缝就会闭合，连通的储层又隔绝了，怎么办？就在压裂液里面掺颗粒较大的砂子或者陶粒作为支撑剂，当裂缝闭合时，支撑剂嵌入裂缝，让它无法闭合，就形成油气流通路。而砂子或陶粒重量大，在普通水中不容易悬浮，就在水里面加入凝胶剂和胶联剂，增大液体粘度，砂子或陶粒就不容易沉降了。就这样，压裂液打到哪里，支撑剂就跟到哪里，"高速路"就修到哪里。地层通路铺设完毕后，原来分散的流通不畅的油气就汇聚成流，沿修好的“高速公路”奔向井筒。“不积小流无以成江海”，难道水平井多级压裂的灵感来自于战国荀子？
水力压裂设备和压裂液
      如果说压裂理论是软件，压裂设施就是硬件。硬件设施包括地面设备和井下工具。地面设备从现场施工的照片上很容易看到，压裂泵、罐体、管线管汇、搅拌车、吊车、运输车、指挥房和工具房等，全是钢铁机械，当然指挥房里面安装的有压裂软件和施工监视系统。
水平井多级压裂施工工艺
      水平井多级压裂的施工工艺是有井下工具来决定的。目前看来，有3种压裂工艺比较流行：
      第一种，射孔-压裂-封堵法。这种方法适用于套管完井：钻完水平段，下套管，固井。完井的时候先下枪射穿套管，然后压裂，压裂后再下桥塞把压裂好的层段封堵，这样一级压裂就完成了。接着移到上一层段，再射孔，再压裂然后封堵，完成第二级压裂。依此类推，直到整口井压裂结束。投产前，需要动用钻杆或连续油管把各层位封堵的桥塞钻掉。这种方法效率低，但是工艺可靠，应用历史最长，应用面最广。虽然下面介绍的两种方式越来越先进，但是该方法在今后5年仍然能占据统治地位。
      第二种，投球开启压裂滑套法。这种方法适用于裸眼完井：钻完水平段，不下套管，而是下尾管+裸眼封隔器+压裂滑套。完井的时候，先投球打开压裂滑套，然后进行压裂施工，一级压裂结束后投一个较大的球，落到上面一级的压裂滑套上打开滑套，进行第二级压裂施工，依此类推，直到整口井压裂作业完毕。这种方面相比第一种方法来说方便快捷。但是有级数限制，因为打开滑套的球一级比一级大，当球的直径等于或大于井下工具的最小内径时，球就无法打开滑套，压裂施工也无法进行了。
      第三种，连续油管工具串拖拽法。上两种方法压裂的时候不需要再下入内层工具。但连续油管拖拽法除了把外层工具提前下入井里外，压裂的时候还得下入连续油管工具串配合外层工具使用。该方法既适合套管井又适合裸眼井。如果用在套管井，连续油管工具串需要加上喷砂射孔工具，在套管上打孔后方能压裂；如果用于裸眼井，需要连续油管工具配合，打开事先下入井里的外层滑套，然后进行压裂。这种方法的优点就是兼顾了以上两种方法的优点: 没有级数限制，压裂后不需要钻塞处理。缺点就是需要压裂和连续油管交叉配合作业，增加了作业难度和风险。
水平井多级压裂的挑战
      首先是打井难度大。水平井技术对定向工具，定向井工程师和泥浆工程师经验要求高。水平段长度和水平井半径直接影响经验清洁，水平段越长，半径越小，井眼清洁越困难。起下钻时，钻具躺在水平段上，摩擦系数很大，对钻井参数判断影响大。
      其次是压裂设备多。现代的大规模水力压裂每级需要约1000方水，每口井按10级压裂算，就需要上万方水，这么多水得需要多少水罐去装啊。
      第三是成本高。钻井难度大，时间长，对工具和人员要求高，设备多，压裂液多，成本就这么上去了。
      第四是环境污染。虽然压裂液99%以上的成分是水，但还是含有重金属和酸液等有害物资。压裂液打进了地层，尽管不会产生压开地下淡水层而造成污染的风险，但是还得返排到地面，处理不当会对农作物和地表淡水造成污染。所以有的公司要求压裂液回收再利用，有的干脆回注到地下深处。
水平井多级压裂前景
      水平井钻井技术和压裂技术单独拿出来，市场广阔。可以说有油气生产的地方，就有水平井钻井市场；想增产，就需要压裂。
      而水平井多级压裂作为现代钻完井技术的集大成者，成为了油气开发技术发展史上的里程碑。而是否拥有水平井多级压裂技术，则成为衡量一个公司技术实力的标志。单独能提供水平井钻井技术的公司有，单独能做压裂作业的公司更多。但是一个公司既能做水平井钻井又能做多级压裂的，除了国际四大油服，国内的公司了了无几。至于水平井多级压裂大包项目，即提供钻机、定向井技术和工具、压裂设备、压裂设计和施工等一体化“交钥匙”工程，四大油服都做不到。这，就是我们的机会！（完井部 杨学勤）