不同井况下的水力压裂工艺

页岩储层孔隙度小，渗透率低，水平井加多级压裂是页岩气开发应用zui广泛的方式。目前常用的技术有多级压裂、清水压裂、水力喷射压裂、重复压裂和同步压裂等。页岩气压裂技术有可膨胀封隔器+滑套多级压裂、压裂封隔器+滑套多级压裂、泵送桥塞多级压裂、水力喷射压裂等。在美国的页岩气开发技术中，封隔器+滑套多级压裂、泵送桥塞多级压裂技术比较成熟，使用比较广泛，可适用于较长的水平段;水力喷射压裂可实现准确定位喷射，无需机械封隔，节省作业时间，非常适合用于裸眼井、筛管井以及套管井中。
　　封隔器+滑套多级压裂 封隔器+滑套多级压裂技术分为管内封多级压裂和管外封多级压裂两种。管内封多级压裂适用于套管完井压裂，一般采用压裂封隔器分段封隔;管外封多级压裂适用于裸眼井，一般采用可膨胀封隔器分段封隔。无论是管内封还是管外封压裂，施工原理基本一致，都是根据页岩气储层开发的需要，使用封隔器将水平井段分隔成若干段，水力压裂施工时通过投球打开滑套，从水平段趾端开始逐级投球，进行有针对性的压裂施工，水平井多级压裂目前已经是北美页岩气压裂开采主要技术手段。
　　水平井多级压裂技术关键在于封隔器（压裂封隔器和可膨胀封隔器）和滑套可靠性和安全性能，尤其是管外封压裂管柱的可膨胀封隔器和开启滑套的高强度低密度球材料决定技术的成功与否。
　　目前国外油田服务公司都有自己成熟的工具，图1为贝克休斯Frac-Point分段压裂系统工具，据报道，贝克休斯利用其Frac-Point EX 多段压裂系统在威廉森页岩盆地成功进行了一次24段完井作业。滑套用封堵球材料为复合材料，耐压58MPa，耐温120°，球尺寸极差为 0.25in（6.35mm）。目前正在研发的产品耐压可达70MPa，尺寸级差可达0.125in（3.2mm）。图2为哈里伯顿Delta-Stim 多级压裂工具，滑套为Delta-Stim增产滑套，封隔器选用可膨胀的Swellpacker封隔系统，膨胀胶筒可膨胀至200%，可密封不规则裸眼井和套管井。
　　泵送桥塞多级压裂 页岩气桥塞多级压裂技术属于机械封堵分层压裂技术，适用于套管井。国外油田服务公司都有相当成熟的技术和产品，图3为贝克休斯QUIK Drill可钻式复合材料桥塞，该桥塞可耐温450℉（232℃），耐压12500PSI（86MPa），材料为易钻磨复合材料。桥塞需要电缆坐封工具坐封（E-4服务工具），可实现坐封射孔联作。其压裂作业过程为：井筒准备，用合适尺寸通井规通井，*段射孔，取出射孔枪，进行*段压裂，电缆作业下入桥塞及射孔枪，水平段开泵泵送桥塞至预定位置，点火坐封桥塞，上提射孔枪至预定位置，射孔，起出射孔枪和工具，投球至球座，封隔已压层，压裂作业，用同样方式，根据水平页岩层段设计段数，依次下桥塞，射孔，压裂。
　　图4为哈里伯顿Fas Drill压裂桥塞，左侧桥塞的球形止回阀一球座单向阀。球可在下井时提前预装，跟桥塞一同下井，右侧带球笼的压裂桥塞，球形止回阀为一球笼单向阀，这个工具是专为斜井设计的，防止在斜井段由于球的自由活动无法形成密封。Fas Drill桥塞耐压值可达到70MPa。耐温值zui高达到350℉（177℃）。
　　水力喷射多级压裂 水力喷射分段压裂技术原理是根据伯努利方程：把压力能转变为动能（即喷射速度），是一种将水力喷砂射孔与水力压裂结合起来的工艺技术，由高速射流实现水力封隔，无需封隔器。水力喷射可以实现准确定位射孔，根据需要的布置不同尺寸的多条裂缝。利用这种技术可以的控制水平井水力压裂裂缝的位置，尤其对于裸眼完井和筛管完井的低渗透页岩气水平井来说，是一种zui有效的压裂增产措施。
　　喷射流体在底层中形成裂缝，通过油套环空泵入液体使压裂层压力小于裂缝延伸压力，射流出口周围流体速度zui高，其压力zui低，射流流体卷吸环空周围液体，一起进入页岩目的层，驱使裂缝向前延伸，因目的层压力低于裂缝延伸压力，所以在喷射压裂下一层时，以前压开层段裂缝不再延伸。水力喷射压裂技术可以在裸眼、筛管完井的水平井中进行加砂压裂，也可以在套管井中进行，施工安全性高，可以用一趟管柱在水平井中快速、准确地压开多条裂缝，水力喷射工具可以与常规油管或连续油管相连接入井。图5为水力喷射原理图。
　　水力喷射工具关键部件是喷嘴，喷嘴的耐用性和可靠性是制约页岩气水平井水力喷射改造的瓶颈。现阶段制造喷嘴的材料主要有硬质合金、陶瓷、人造宝石、金刚石等。但是由于金刚石和人造宝石成本高，目前水力喷射压裂用喷嘴主要由硬质合金和陶瓷加工制造。随着页岩地层深度不断加深，地层压力增高，喷射压力也高喷射速度越快，要求喷嘴材料的硬度和耐磨性也越高。