0 引言

水平井压裂技术对于非常规油气藏的开发意义重大，已成为非常规油气藏改造的主体技术。国外从20世纪80年代开始对水平井应用压裂增产改造技术，从起初的笼统压裂到2002年以后的分段压裂，经过10多年的发展，主要形成了水力喷射分段压裂技术、裸眼封隔器分段压裂技术和快钻桥塞分段压裂技术，其中裸眼封隔器分段压裂技术应用最为广泛。国内水平井压裂技术虽然起步较晚但发展迅速，通过借鉴以及不断地创新研究，已经掌握了上述3种技术并成功地应用于国内各大油田^[1]。同时随着压裂技术的发展，国外压裂技术在高效化、智能化和无限级发展进程中较为领先，国内在水平井压裂技术各方面与国外依然存在一定差距，尤其在压裂工具方面，需要进一步攻关和试验^[2-3]。为此，国内相关人员通过不断改进和创新，开发了可溶解桥塞技术以及可开关套管滑套技术。

1 水力喷射分段压裂技术

水力喷射分段压裂技术以其管柱结构简单、易于操作、坐封可靠、施工安全和适用范围广等优点，在水平井改造过程中具有很大的优势。近几年，该技术在国内应用已经非常成熟，且效果显著，成为国内水平井改造的基本技术。

1.1 原理

水力喷射分段压裂技术将水力喷砂射孔与水力压裂相结合，其工艺原理主要依据伯努利方程：

(1)

式中：p为流体所受的压力，Pa; ρ为流体密度，kg/m³；v为流体的流动速度，m/s; g为重力加速度，m/s²; z为流体所在平面垂直高度，m; C为常数。

由该方程可知，流体通过喷射工具可将油管中的高压能量转换为动能，在高速流体冲击套管过程中，套管以及近井带岩石被射穿形成射孔通道，完成水力射孔。而高速流体在射孔通道中速度会降低，导致孔内压力不断升高，同时在油套环空中泵入带压流体，当压力满足如下关系式^[4-6]：

(2)

即当射流增压和环空压力之和大于地层的破裂压力时，地层将从射孔通道顶端被压开，并形成主裂缝；射孔出口速度最高，而压力最低，在射孔出口处形成低压区，环空的流体则在压差的作用下被吸入地层，并随着流体不断被泵入，维持裂缝延伸，整个过程根据水动力学原理实现水力封隔，不需要采取其他封隔措施。此后从油管加入压裂支撑剂，并完成顶替，实现整个压裂过程。

1.2 国内水力喷射压裂情况

国外在20世纪80年代中期开始致力于水平井压裂增产改造技术研究，最初是沿水平井段进行笼统压裂。1998年，J.B.SURJAATMADJA^[7]第1次提出了水力喷射分段压裂方法。2000年前后，相关学者认识到水力喷射具有“水力封隔”的作用，无需封隔器即可实现液力封隔来隔离已压裂层^{[5, 8]}。2005年中国石油长庆油田分公司引进哈里伯顿公司水力喷射压裂技术，采用常规油管在靖安油田靖平1井和庄平3井顺利完成水力喷射压裂试验。2007年川庆钻探井下作业公司在四川白浅110井首次应用连续管拖动式水力喷射分段压裂技术，进行了3层加砂压裂。此后，吐哈油田井下公司和中原油田等分别进行了水力喷射压裂试验并取得了成功^[9]。2010年，在长庆油田苏里格气田东区，利用哈里伯顿公司CobraMax压裂工艺，下入连续管进行水力喷砂射孔环空压裂改造施工^[10]，加砂方式由油管加砂改为套管加砂，为国内水力喷射压裂技术的发展提供了借鉴。

1.3 水力喷射压裂工具

由于水力喷射具有“水力封隔”的作用，所以早期的水力喷射工具不带机械封隔器，工具结构较简单。以川庆钻探^[11]和长庆油田^[12]早期的工具为例，其结构如图 1和图 2所示。

随着压裂技术的发展，长庆油田针对低渗透油藏水平井分段压裂破裂压力高、压裂液窜层、封隔效率低及改造成本高等难点，提出了水平井水力喷射与小直径封隔器联作压裂技术^[13]，工具结构如图 3所示。改进后的工具施工方便，具有显著的增产能力，推动了水力喷射压裂工具的发展。

近几年通过与国外公司的合作，加上国内不断地研发，目前我国长庆油田油气工艺研究院^[14]、中原油田^[15]、胜利油田有限公司采油工艺研究院^[16]和中国石油大学(北京)^[17]等多家单位已经拥有了成套压裂工具设备，所以国内已经基本掌握了这项技术，并将其发展得非常完善。

2 封隔器加滑套多级分层压裂技术

封隔器加滑套多级分层压裂技术可通过不动管柱一次性压开多个层位。其工艺优点是：一趟管柱可完成多段的定点改造，井下工具少，工序简单，作业效率高，试油周期短、井控风险低、工艺管柱性能可靠，同时满足浅、中、深水平井分段压裂的要求；其缺点是：要求井径规则，固井质量好，油管加砂，体积小，排量受限制，施工压力高，出现意外情况管柱不易调整，因为投球有级差，导致压裂级数受限。

2.1 工具组合

该技术的工具组合是在最下部安装坐封球座和压力滑套，然后装封隔器和投球滑套等。根据压裂层数决定投球滑套和封隔器的数量及组合情况。在组合管柱下入井中并准确定位后，先投球坐封，压裂最下部层段，再投球打开第1级滑套并封堵下部层位，压裂第2段，随后投入不同直径的球，逐级打开投球滑套完成分压。裸眼水平井和套管完井水平井分段压裂管柱组合分别如图 4和图 5所示。

2.2 发展现状

随着封隔器加滑套多级分压裂技术在国内的大范围应用，针对其在施工中出现的问题，国内研究人员不断对其进行改进和研究。2009年，长庆气田引进国外TAP压裂技术，并结合长庆气区的储层发育特点，研发了套管滑套有限级分层压裂技术，其压裂工具如图 6所示。该技术将滑套和套管一起下入井中并固井，压裂时通过投球打开滑套并直接憋压起裂。该技术解决了滑套压裂后期作业难度大的问题，且完井井筒结构简单，无需机械封隔器，将压裂通道从油管改为套管，最大通径为套管内径，满足大排量压裂工艺要求，在压裂层数要求不多的油气井有很好的应用前景^[18]。

后期，针对压裂球反排困难的问题，国内自主研发了配套的可溶球^[19-20]。可溶球采用可分解材料制作，后期自行分解，无需反排，使得工艺更为简单。为解决常规水平井多级滑套分段压裂技术存在的后续储层改造困难的难题，国内研发了可反复开关滑套^[21-22]。该滑套可选择性开关，实现水平井堵水和分段选择性测试。由于该技术需要下球座投球封堵，影响采油通道直径，国内又研制了液压式滑套开关工具来配合固井水泥+开关滑套多段压裂技术^[23]。

投球滑套压裂工具在应用中面临以下技术难题：①球与球座机械接触形成密封，后期为实现全通径产液需磨铣钻除所有球座；②球与球座结构尺寸存在级差，完井管柱分段级数有限；③球必须按照从小到大的顺序依次投放，完井管柱结构及滑套操作不够灵活，施工难度和风险大。为此，中国石化石油工程技术研究院将无线射频识别(RFID)技术应用于滑套压裂^[24]，通过电子标签编码，以非接触方式控制滑套工具打开或关闭，其滑套结构如图 7所示。

该技术已在分段压裂滑套工具上应用，并进行了现场试验。试验结果表明：滑套工具通径大，无级数限制，施工效率高，施工成本低；同时，该技术还实现了水平井分段压裂工具的智能化，具有广阔的应用前景。

3 水力泵送速钻桥塞技术

水力泵送速钻桥塞技术作为一项新兴的水平井改造技术，近年来在国外页岩气藏以及致密气藏开发中得到广泛应用。该技术封隔可靠，分段压裂级数更多，裂缝布放位置精准，施工排量可达8~11 m³/min，施工压力低，压后无需反排，且桥塞压裂技术适应性好，可实现无限级压裂。因此，该技术在国内发展迅速，各大油田均有应用^[25-27]。

3.1 水力泵送桥塞压裂工艺

水力泵送速钻桥塞压裂技术工艺实施过程为：①利用连续管或爬行器拖动射孔枪下入预定位置，进行第1段射孔；②取出射孔枪，对第1段进行光套管压裂；③水力泵送下入桥塞、射孔枪以及电缆至预定位置；④点火坐封桥塞；⑤分离桥塞与射孔枪，上提射孔枪至指定位置进行射孔；⑥提出射孔枪及电缆；⑦投球至桥塞球座封隔已压裂层，并开始压裂作业；⑧重复③~⑦，依次压裂各压裂层位；⑨压裂完成后，采用连续管钻除桥塞，排液求产。

3.2 技术改进

针对桥塞压裂技术需要钻磨的问题，国内研究人员对其进行了相关改进和研究，如长庆油田油气工艺研究院自主研发的大通径桥塞配套可溶球^[27]，压后无需钻磨即可实现大通径。2015年吐哈油田自主研发的可溶桥塞已试验成功，桥塞本体由可溶性金属材料制造，压后无需钻磨即可自行溶解，从而实现全通径，使得桥塞压裂技术更加完善。

4 可开关套管滑套技术

近几年，国外可开关套管滑套技术的发展也促进了国内压裂技术的发展，通过借鉴国外连续管无限级滑套分段压裂技术^[28]，国内在这方面也有了一定的研究成果。2013年6月，渤海钻探在苏里格苏76区块利用连续管无限级套管滑套分段压裂技术进行了一口井10层的加砂压裂^[29-30]。首先计算好压裂层位置，然后将滑套与套管一起下入井中并固井，由连续管带井下作业工具来打开无限级滑套，通过油套环空压裂。后期可根据工艺需要通过井下作业工具重复打开或者关闭滑套。连续管井下工具组合包括连续管接头、丢手工具、喷射工具、封隔器、套管接箍定位器(管串定位确定滑套位置)、引导头和配管短节。无限级可开关滑套结构如图 8所示。

该技术不需投球即可实现无限级压裂，在满足正常压裂需求的同时，还可满足多种工艺要求，且结合了套管滑套无限级和大通径的优点，成为近年来国内外先进智能压裂技术的引导者。其优点如下^[27]：

(1)滑套直接安装在套管上，通过地面控制设备控制滑套的打开与关闭。拥有桥塞压裂技术最大通径的特点，施工排量达到最大值，满足大排量、大砂量和低施工压力的要求。

(2)由于其无限级的特点，所以压裂层位更多，成本更低，同时满足未来压裂工艺高效化和智能化的要求。

(3)由于其套管可开可关的特点，该工具可用于现在工艺所需的分层开采和分层注水，且无需附加任何工具，可节约采油成本，充分释放井底能源，提高采收率。

(4)后期可用于找水和堵水等工艺，满足更多工艺需求。

(5)工具结构简单，无需机械封隔器，工作可靠。即使压裂过程中滑套开关失效，导致滑套无法打开，但因其有与套管相同的最大内径，所以依然可采用比较成熟的前3种工艺去挽救，不会造成太大的影响。

5 结束语

水平井压裂技术已成为低渗透、超低渗透致密油气藏改造的主体技术。经过10多年的发展，国外主要形成了水力喷射分段压裂技术、裸眼封隔器分段压裂技术和快钻桥塞分段压裂技术，其中裸眼封隔器分段压裂技术应用最为广泛。通过借鉴国外技术及自主研究，国内在水平井压裂技术方面形成了很多核心技术，为我国油气生产提供了可靠保障。阐述了上述压裂技术的发展现状和应用情况，分析了各种压裂技术和优缺点以及适用性，最后指出可开关套管滑套技术将是国内压裂技术的发展方向。