国外页岩气水力压裂技术及工具一览

国外页岩气水力压裂技术及工具一览页岩储层具有超低孔低渗特性，钻完井后需要压裂改造后才得到经济产量。

国外油田服务公司最新工具达到了很高水平，水平井裸眼封隔器投球滑套分段压裂技术用高强度低密度球级差达到1/16in，封隔器耐压差达到70MPa，TAM公司自膨胀封隔器最高可达302 °C ；泵送桥塞射孔分段压裂技术所用桥塞可分为：堵塞式、单流阀式和投球式复合桥塞，桥塞耐压差达103.4MPa，耐温232 °C ；哈里伯顿CobraMax H连续油管喷射工具系统，目前最多达到44段。

这些为国内页岩气水力压裂完井方式与压裂工具的选用打下基础。

从应用工具角度看，分段压裂工艺方面主要包括：水平井裸眼封隔器投球滑套分段压裂技术，泵送桥塞分段压裂技术，水力喷射分段压裂技术。

从压裂工具方面分析，目前页岩气压裂技术有可膨胀封隔器/裸眼封隔器+滑套多级压裂，泵送桥塞射孔压裂联作多级压裂，水力喷射压裂等。

在美国的页岩气开发技术中，可膨胀封隔器/裸眼封隔器+滑套多级压裂，泵送桥塞射孔压裂联作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、筛管井以及套管中井。

1、水平井裸眼封隔器投球滑套多级压裂系统封隔器投球滑套多级压裂技术一般采用可膨胀封隔器或者裸眼封隔器分段封隔。

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，水力压裂施工时水平段最趾端滑套为压力开启式滑套，其它滑套通过投球打开，从水平段趾端第二级开始逐级投球，进行有针对性的压裂施工。

水平裸眼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，并越来越受到作业者的欢迎。

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，高强度低密度球级差达到1/16in，封隔器耐压差达到70MPa，TAM公司耐高温自膨胀封隔器最高可达30 °C 。

QuickFRAC和StackFRAC HD Packers Plus公司是开放完井多阶段压裂系统的先驱，并在设计和制造各种解决方案的革新方面是行业的领导者。

自2000年公司开始运营以来，Packers Plus已经完成了超过7750个系统，并负责了超过8万级压裂。

目前已经研发了两套最先进的裸眼多级压裂系统：QuickFRAC系统和StackFRAC HD系统。

QuickFRAC系统原理是一次投入一个封堵球开启多个滑套的多级压裂批处理系统，已实现15次投球进行开启60级滑套的多级压裂的施工，每级之间由RockSEAL II封隔器封隔，滑套为QuickPORT滑套。

图1.裸眼封隔器投球滑套多级压裂（一球一封）另一套目前最先进的是StackFRAC HD（High Density）高密度多级压裂系统，该系统可以多次投入同一尺寸封堵球开启多级滑套RepeaterPORT，有效增加压裂级数，每级之间用RockSEAL II封隔器封隔。

2011年12月，Packers Plus 能源服务公司已成功安装一个60级的裸眼完井系统，将124套工具串入井。

结合StackFRAC和QuickFRAC系统，可以更好地满足客户多级压裂的需求。

FracPoint TM系统。

贝克休斯的FracPoint TM多级投球打滑套压裂系统实现快速、连续的水力压裂。

每两级滑套之间可以选用液压座封裸眼封隔器或自膨胀封隔器。

压裂完成一级后投球泵送打开下级滑套，如此逐级进行压裂。

整体压裂完毕，密封球被从井内返排处地面。

FracPoint TM分段压裂系统主要部件有：大扭矩悬挂器系统、液压座封裸眼封隔器或自膨胀封隔器、抗高速冲蚀的投球打开滑套、压力打开滑套、耐高温高压封堵球，井筒隔绝阀。

贝克休斯利用其FracPoint升级系统FracPoint 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，这也是单一井眼中滑套压裂与封隔器完井系统目前达到的最高级别。

滑套用封堵球材料为优质复合材料，耐压58MPa，耐温120°C ，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）。

该系统新设计了滑套球座系统，球座中增加了支撑环结构，增加了压裂过程中球座的耐压能力。

DeltaStim Plus 20 和RapidFrac系统。

哈里伯顿DeltaStim Plus 20完井技术服务。

服务涉及三种成熟的可靠工具：DeltaStim滑套，DeltaStim压力开启滑套和Swellpacker隔离系统。

DeltaStim完井可与VersaFlex尾管悬挂器一起下入井中。

根据地层条件可使用Swellpacker隔离系统或Wizard Ⅲ封隔器实现裸眼完井的隔离，Swellpacker封隔器膨胀胶筒可膨胀至200%，可密封不规则裸眼井和套管井，也可以采用注水泥固井完井隔离。

DeltaStim Plus 20完井技术服务系统在4.5in套管中可以分21级，5.5in套管中可以分26级，7in套管可以多达30级，开启球级差达到1/8in。

机械开关滑套可是现实多次开关，并可实现无限级数压裂。

哈里伯顿另外一套RapidFrac快速压裂完井系统，提供了一种新的水平井多级完井方法，可以更加准确地布置裂缝。

RapidFrac系统可以一次投球打开两个可膨胀封隔器之间层段的多个滑套。

为了确保增产的油藏体积最大化，在任何一个水平井完井中都可以同时使用多达90个滑套。

与RapidFrac系统配套的是三种成熟工具：DeltaStim Lite滑套，DeltaStim压力开启滑套和Swellpacker 隔离系统。

Brigham勘探公司和William生产公司率先采用该技术，最初应用在巴肯页岩，目前已经在全球的页岩开发中推广。

Brigham在巴肯页岩应用RapidFrac取得了成功。

Williams为了证明该技术的真实效果，钻出了两口井进行对比，一口井使用传统的“堵塞+射孔”的压裂系统，另外一口井使用RapidFrac系统。

结果表明，新的RapidFrac完井系统明显优势，完井时间比传统技术缩短了一半以上，早起生产动态非常好，认为该技术是提高完井效率的一项重大进步。

2、泵送桥塞射孔联作多级压裂系统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，由于其具有分层压裂段数不受限制、压裂层位定位精确、封隔可靠性高等优点，受到各作业公司的欢迎。

其作业流程为：井筒准备，用合适尺寸通井规通井，第一段射孔；取出射孔枪，进行第一段压裂；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2.泵送桥塞多级压裂技术国外油田服务公司都有比较成熟的桥塞工具，根据结构桥塞可分为三类：全堵塞式复合桥塞、单流阀式复合桥塞和投球式复合桥塞，桥塞耐压差已达103.4MPa，耐温232°C 。

QUIK Drill可钻式复合材料桥塞。

贝克休斯QUIKDrill可钻式复合材料桥塞，该桥塞可耐温450°F（232°C），耐压12500PSI（86MPa），材料为易钻磨复合材料。

贝克休斯QUIK Drill快钻桥塞分为三类：全堵塞式复合桥塞、单流阀式复合桥塞和投球式复合桥塞，其中投球式和单流阀式桥塞，可以再磨掉桥塞之前进行试气。

全堵塞式在压裂完成后全部磨铣掉，进行生产。

Fas Drill®系列快钻压裂桥塞哈里伯顿Fas Drill®系列快钻压裂桥塞，普通单流阀式桥塞的球可在下井时提前预装，跟桥塞一同下井，哈里伯顿设计了带球笼的压裂桥塞，单向阀为球笼式，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。

根据适用温度（华氏度）可分为四个系列：250系列，300系列，350系列和400系列，不同系列工具耐压从5000psi （34.5MPa）到15000psi（103.4MPa）不等。

主要产品尺寸规格有：4-1/2in，5in和5-1/2in。

Diamondback复合压裂桥塞斯伦贝谢公司Diamondback复合压裂桥塞，主体为复合材料，耐压8000psi（55MPa），耐温达到275°F（135°C），尺寸规格有4-1/2in和5in两种规格。

斯伦贝谢公司还有一种可钻桥塞CopperHead，主体为铝制材料，完全堵塞式桥塞。

耐压达10000psi（69MPa），耐温350°F （177°C）。

尺寸规格有2-7/8in、3-1/2in、4-1/2in、5-1/2in和7in。

为了满足更高压力和温度要求，斯伦贝谢公司对该产品进行优化设计了CopperHead Extreme可钻桥塞，主体材料仍为铝制材料。

耐压达15000psi （103MPa），耐温达400°F（204°C），尺寸规格主要有4-1/2in和5in两种规格。

3、水力喷射多级压裂水力喷射分段压裂是一种最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最高，其压力最低，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3.水力喷射多级压裂技术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。

国外油田服务公司应用较早且较多的公司是美国的HALLIBURTON公司。

仅2006～2007年两年间HALLIBURTON公司在美国、加拿大、哈萨克斯坦、俄罗斯、巴西应用水力喷射压裂690层段，在德克萨斯创下了2天压裂10层段的记录。

目前有两套比较成熟的水力喷射压裂系统——CobraMax H和SurgiFrac系统。