壓裂加砂不足的危害及原因分析研究

吳友梅王孝超邱守美賈元釗龍長(zhǎng)俊李文彪

（1.中國(guó)石油華北油田采油工程研究院 河北任丘 062552；2.中國(guó)石油華北油田第二采油廠 河北霸州 065700）

論文之窗

壓裂加砂不足的危害及原因分析研究

吳友梅1王孝超1邱守美1賈元釗1龍長(zhǎng)俊1李文彪2

（1.中國(guó)石油華北油田采油工程研究院 河北任丘 062552；2.中國(guó)石油華北油田第二采油廠 河北霸州 065700）

華北油田進(jìn)入開發(fā)中后期，水力壓裂成為增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施。本文對(duì)近3年壓裂施工井進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，從理論上分析了加砂不足的危害，并結(jié)合華北油田具體情況分析了加砂不足的原因和采取的對(duì)策，為提高加砂成功率和改造效果提供有利借鑒。

壓裂；加砂不足；砂堵；異常高壓；濾失；導(dǎo)流能力；壓裂效果

壓裂縫長(zhǎng)和裂縫導(dǎo)流能力是影響壓裂效果的兩大因素。但加砂不足會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層改造不充分，形成的裂縫導(dǎo)流能力低，嚴(yán)重影響壓裂效果。高停泵壓力、儲(chǔ)層地應(yīng)力異常、巖性致密和砂堵是引起加砂不足的常見原因。在廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)加砂不足原因的分析，提出相應(yīng)的解決措施，對(duì)提高加砂成功率和壓后增產(chǎn)效果具有重要意義。

1 壓裂加砂不足的危害

加砂不足導(dǎo)致砂比過(guò)低，不利結(jié)果主要有兩個(gè)：一是支撐劑在裂縫內(nèi)單層鋪置，破碎和嵌入比例增加，對(duì)裂縫導(dǎo)流能力不利；二是砂量過(guò)少、濃度低使得壓開的裂縫得不到有效支撐，縫寬縫長(zhǎng)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，裂縫導(dǎo)流能力下降，導(dǎo)致壓后產(chǎn)能低、改造效果差。

通過(guò)對(duì)華北油田201 2—201 4年壓裂施工情況統(tǒng)計(jì)，加砂不足的井?dāng)?shù)比例為1 2%～1 4%，措施后加砂不足井的單井平均日增油量均遠(yuǎn)小于完成加砂井。因此，加砂不足對(duì)改造效果有重要影響。

2 壓裂加砂不足的原因

通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)相關(guān)研究，從地層、工具設(shè)備、設(shè)計(jì)等方面對(duì)加砂不足原因進(jìn)行了分析。

2.1 地層因素

（1）異常高地應(yīng)力、巖性致密儲(chǔ)層及深井高溫油氣藏，破裂壓力較高，施工過(guò)程中加砂困難，極易發(fā)生砂堵，導(dǎo)致施工失敗。例如，J40井深3700～3850m，屬于異常高地應(yīng)力儲(chǔ)層，地層破裂壓裂梯度為0.021 5～0.0225MPa/m。該井采用封隔器分壓工藝，施工中第一層破裂壓力為75MPa，施工壓力高，加砂難度大，未完成設(shè)計(jì)加砂，第二層無(wú)明顯破裂壓力，加砂6.3m3后壓力突然上升到82.2MPa砂堵（圖1）。

圖1 J40井壓裂施工曲線

（2）碳酸鹽巖儲(chǔ)層，楊氏模量、抗張強(qiáng)度、斷裂韌性等比沉積巖高，裂縫的破裂、延伸壓力均較高。此外，井筒附近儲(chǔ)層堵塞嚴(yán)重，地層吸液困難，也使施工壓力高。

（3）裂縫性油藏，地層濾失大。裂縫型油藏中存在大量天然裂縫或誘導(dǎo)裂縫，容易導(dǎo)致壓裂液大量濾失、降低壓裂液造縫效率，形成裂縫寬度窄，加砂過(guò)程中易出現(xiàn)砂堵或早期脫砂。T43井儲(chǔ)層為碳酸鹽巖礫巖體，屬于裂縫性儲(chǔ)層，酸壓時(shí)采用支撐劑段塞和大排量降濾，由于存在大量天然裂縫，施工中酸液濾失嚴(yán)重，砂子進(jìn)入地層后產(chǎn)生脫砂現(xiàn)象，導(dǎo)致砂堵，影響作用效果（圖2）。

圖2 T43井酸壓施工曲線

另外，復(fù)雜裂縫油藏在壓裂施工中易形成多裂縫，裂縫形態(tài)復(fù)雜，扭曲程度增加，儲(chǔ)層裂縫彎曲摩阻和孔眼摩阻相對(duì)較高，二者共同作用造成施工異常高壓。

（4）基質(zhì)低孔、特低滲，物性極差的儲(chǔ)層，需大規(guī)模改造，使砂堵風(fēng)險(xiǎn)增大。

（5）巖性復(fù)雜儲(chǔ)層，易形成多裂縫。凝灰?guī)r儲(chǔ)層黏土礦物含量高，遇水后有崩解性、分散性、流變性等特點(diǎn)。水基壓裂液進(jìn)入巖石后，水壓力降低了巖石的內(nèi)聚力和巖石的抗壓強(qiáng)度，巖石結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致裂縫坍塌。并且由于凝灰?guī)r吸水性強(qiáng)，降低縫內(nèi)凈壓力，影響人工裂縫的延伸，導(dǎo)致早期砂堵。T1井儲(chǔ)層巖性復(fù)雜，儲(chǔ)層以泥灰?guī)r為主，天然裂縫發(fā)育。由于改造層段井深4500～4700m，裂縫的破裂壓力、延伸壓力均較高，同時(shí)天然裂縫發(fā)育，導(dǎo)致在施工初期段塞打磨階段即產(chǎn)生砂堵，導(dǎo)致施工失?。▓D3）。

圖3 T1井壓裂施工曲線

（6）井斜或斷層的影響。斜井壓裂時(shí)，在孔眼處形成微裂縫發(fā)生不同程度的轉(zhuǎn)向，同時(shí)形成多裂縫。這樣會(huì)增加液體的濾失量，降低液體效率和裂縫寬度。

2.2 工具設(shè)備因素

（1）壓裂車故障?；焐败嚦霈F(xiàn)故障，不能及時(shí)給泵車提供充足的液量，使泵車抽空，導(dǎo)致壓力異常波動(dòng)。西5井在加前置液時(shí)停車，導(dǎo)致造縫不充分，后期加砂壓力異常升高，降砂比未見效后停砂頂替。在攜砂液階段停車，造成支撐劑在縫內(nèi)堆積，特別是高砂比階段，易導(dǎo)致砂堵（圖4）。

圖4 西5井壓力施工曲線

（2）壓裂時(shí)封隔器失封，喪失保護(hù)其以上套管的作用。封隔器失封，壓裂時(shí)易發(fā)生竄層，同時(shí)有砂埋封隔器的危險(xiǎn)Y63井采用頂封壓裂，前置液階段封隔器失封，套壓持續(xù)上升，停止施工（圖5）。。

圖5 Y63井壓裂施工曲線

（3）帶投球滑套的封隔器，在施工中易出現(xiàn)滑套未打開或打開未到位的情況，使得施工壓力異常升高，達(dá)不到設(shè)計(jì)加砂量。B18井采用五級(jí)滑套封隔器分壓，施工中第三級(jí)滑套打開不明顯，起出管柱發(fā)現(xiàn)第三級(jí)滑套未打開（圖6）。J38井送球入座過(guò)程中壓力異常升高（上升約40MPa），導(dǎo)致未達(dá)到設(shè)計(jì)加砂量，起出管柱滑套打開未到位。

圖6 B18井壓裂施工曲線

（4）采用水力噴射施工的井，施工時(shí)可能出現(xiàn)噴槍掉噴嘴或者噴嘴刺豁現(xiàn)象，使井口壓力陡降，導(dǎo)致施工中止，未完成設(shè)計(jì)加砂量。

2.3 設(shè)計(jì)因素

（1）設(shè)計(jì)前置液比例低，動(dòng)態(tài)裂縫形成不充分。對(duì)于塑性地層裂縫起裂復(fù)雜或發(fā)育有多裂縫的情況，砂堵幾率增加。

（2）設(shè)計(jì)砂比過(guò)高或砂比提升過(guò)快，對(duì)于裂縫擴(kuò)展延伸困難的地層，易出現(xiàn)砂堵。對(duì)于低孔滲致密氣藏來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)砂比過(guò)高，出現(xiàn)砂堵和泵壓異常偏高的幾率增加，導(dǎo)致加砂壓裂施工失敗。

（3）設(shè)計(jì)的壓裂液基液粘度偏低，不能滿足高濾失和多裂縫復(fù)雜情況的需要。

（4）對(duì)地層壓力認(rèn)識(shí)不足，造成使用承壓能力較低的井口，施工時(shí)套壓超過(guò)限定值。

3 采取措施

為解決加砂不足的難題，針對(duì)造成加砂不足的不同原因，采取相應(yīng)措施，可提高施工成功率。

（1）對(duì)異常高地應(yīng)力和施工壓力高儲(chǔ)層，查采取深穿透補(bǔ)孔、高能氣體壓裂、酸化處理等措施降低破裂壓力。

（2）對(duì)于裂縫性油藏，壓裂液濾失量大，可采取以下提高壓裂液效率：①采用降濾失劑或支撐劑段塞降濾，封堵天然微裂縫；②采用油溶性降濾失劑，暫堵天然裂縫；③組合陶粒降濾，不同粒徑的陶粒分別填充在不同寬度的裂縫內(nèi)部，既可降濾，也可以合理支撐裂縫；④采用降濾失性能好的壓裂液；⑤適當(dāng)增加排量，有利于減少裂縫條數(shù)，減少濾失；⑥適當(dāng)增加前置液比例，減少地層濾失對(duì)壓裂液效率的影響。

（3）對(duì)不同性質(zhì)的地層采取不同的優(yōu)化壓裂液體系：對(duì)施工壓力高地層，優(yōu)選低摩阻低濾失壓裂液體系，也可采用加重壓裂液體系，降低施工壓力；對(duì)深井高溫儲(chǔ)層，采用低摩阻、耐高溫、耐剪切和攜砂性能好壓裂液；對(duì)黏土含量高、水敏嚴(yán)重儲(chǔ)層，壓裂液體系應(yīng)具有良好的防膨性能；對(duì)天然裂縫發(fā)育的儲(chǔ)層，壓裂液體系應(yīng)具備良好的降濾失性能。

（4）優(yōu)化壓裂規(guī)模和參數(shù)。壓裂改造的關(guān)鍵是要達(dá)到裂縫導(dǎo)流能力和地層的供給能力相匹配，低滲透油氣藏水力壓裂應(yīng)以造長(zhǎng)縫為主，裂縫導(dǎo)流能力次之。針對(duì)儲(chǔ)層物性條件，優(yōu)選合適的施工參數(shù)，如前置液比例、段塞砂比和砂量、加砂程序、加砂量和砂比等，降低施工砂堵的風(fēng)險(xiǎn)。

（5）余東合等人研究的水力壓裂實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓裂施工關(guān)鍵參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)油壓—時(shí)間、套壓—時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線的斜率進(jìn)行壓裂實(shí)時(shí)預(yù)警，判斷可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，有效預(yù)防砂堵。

4 結(jié)論及建議

（1）準(zhǔn)確獲取地層參數(shù)是壓裂成功的重要保障，可根據(jù)鄰井地層壓力數(shù)據(jù)、測(cè)井曲線進(jìn)行地應(yīng)力分析，重點(diǎn)井可以進(jìn)行小型壓裂測(cè)試，以準(zhǔn)確掌握施工井的地層參數(shù)、井眼附近摩阻、濾失情況等資料，實(shí)時(shí)優(yōu)化施工設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)和施工成功率。

（2）壓裂加砂不足導(dǎo)致的裂縫導(dǎo)流能力降低，嚴(yán)重影響壓裂效果和壓后產(chǎn)能。所以施工人員應(yīng)重視地層、工具設(shè)備、設(shè)計(jì)等影響加砂不足的因素，提前做好預(yù)案，并根據(jù)加砂不足的具體原因采取相應(yīng)措施。

（3）合理設(shè)計(jì)是壓裂成功的重要保障，在詳細(xì)了解地層的基礎(chǔ)上，應(yīng)優(yōu)化施工設(shè)計(jì)，選擇適宜的壓裂液體系、支撐劑體系、泵注程序、壓裂設(shè)備等，確保設(shè)計(jì)準(zhǔn)確無(wú)誤。

（4）進(jìn)一步研究預(yù)測(cè)砂堵的方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)砂堵征兆以避免砂堵的發(fā)生。

（5）加強(qiáng)對(duì)巖性復(fù)雜區(qū)塊壓裂加砂不足原因的分析，對(duì)產(chǎn)生加砂不足的多種因素開展相應(yīng)的對(duì)策研究，為同區(qū)塊類似井的施工提供借鑒。

[1]賈海正，李佳奇，張勇輝.莫北油氣田水力壓裂及影響因素分析[J].內(nèi)蒙古石油化工，2011，14：152-154.

[2]吳浩兵.海拉爾油田南屯儲(chǔ)層壓裂施工分析及處理措施[J].石油地質(zhì)與工程，2013，27(4)：103-104.

[3]彭中，李升芳，杲春.江蘇油田Z13斷塊壓裂砂堵原因分析及對(duì)策[J].復(fù)雜油氣藏， 2013，6(1)：76-78.

[4]曾凡輝，劉林，林立世等.碳酸鹽巖儲(chǔ)層加砂壓裂改造的難點(diǎn)及對(duì)策[J].天然氣工業(yè)，2009，29(12)：56-58.

[5]李勇明，郭建春，劉巖等.華北油田Z16裂縫性斷塊油藏防砂堵壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用[J].特種油氣藏，2009，16（5）：82-85.

[6]余東合，梁海波，余曦等.華北油田水力壓裂實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)[J].石油鉆采工藝，2015，37（2）：85-87.

[7]呂傳炳，余東合.冀中凹陷高家堡地區(qū)異常破裂壓力儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù)[J].石油鉆采工藝，2009，31（3）：102-106.

[8]黃仲堯.低滲透裂縫性油藏壓裂施工工藝技術(shù)[J].鉆采工藝，2011，34(6)：37-40.

[9]王永剛，鄭淑媛，劉彝等.南堡油田深層火成巖天然氣藏壓裂技術(shù)[J].石油鉆采工藝，2010，32（3）：119-121.

[10]韓慶，孫建平，張帆.壓裂施工中壓力異常波動(dòng)原因分析及處理[J].石油和化工裝備，2012，15（1）：36-38.

[11]張曉光.關(guān)于壓裂作業(yè)中的幾個(gè)常見問(wèn)題[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012（5）：289.

[12]何智慧，馬新仿，熊延松等.預(yù)測(cè)水力壓裂井砂堵的新方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程， 2014，14（8）：156-159.

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