致密砂巖氣藏壓裂砂堵原因分析及對策

祁生金，賀海龍，光 輝，王旭強，盛 辰，雷飛云，馮志楊

（中國石化華北油氣分公司采氣二廠，陜西咸陽 712000）

東勝氣田位于鄂爾多斯盆地北部，主力層位優(yōu)勢沉積相為辮狀河道[1]，同時層內(nèi)發(fā)育天然裂縫和泥巖隔層，平均孔隙度小于10%，平均滲透率約1×10-3μm2，儲層致密且非均質(zhì)性強[2]，近年來通過水力壓裂技術(shù)取得了較好的氣井產(chǎn)量[3]。但隨著壓裂規(guī)模和砂量的提升，砂堵率也逐漸升高，由于氣田部分區(qū)塊儲層地層壓力較低，砂堵后很難放噴解堵，需要采用連續(xù)油管沖砂，處理時長平均為4.5 d，這不僅延長了施工周期[4]，耽誤了氣井產(chǎn)能快速釋放，同時導(dǎo)致正常返排時機延后，壓裂液長期滯留在地層中加大了儲層傷害。因此，有必要對氣田砂堵原因進行剖析，總結(jié)歸納砂堵時壓裂曲線的特點和類別，提出符合工區(qū)實際的防控措施，為施工過程中及時做出正確決策和壓裂設(shè)計優(yōu)化提供參考。

1 砂堵原因分析

壓裂砂堵的發(fā)生往往是地質(zhì)和工程多種因素綜合作用導(dǎo)致的，東勝氣田發(fā)生砂堵的層段中地質(zhì)原因占30%，包括地層可壓性弱和地層造成的濾失脫砂；70%的工程原因包括液體性能差、設(shè)備故障和現(xiàn)場指揮失誤。

1.1 地層可壓性弱

儲層泥質(zhì)含量較高時，會使泊松比增大，楊氏模量減小[5]，進而導(dǎo)致儲層脆性和地層可壓性減弱［巖石脆性特征見式（1）］[6]，致使施工壓力過高，排量難以提升，而縫寬對排量較為敏感，較低的排量難以形成足夠的縫寬[7]，易在施工后期高砂比階段砂堵。

式中：BI-Richman 巖石脆性指數(shù)，%；BIE、BIv-歸一化楊氏模量和歸一化泊松比，無量綱；E-楊氏模量，GPa；v-泊松比；Emax、Emin-楊氏模量最大、最小值，GPa；vmax、vmin-泊松比最大、最小值。

A 井為部署在東勝氣田錦30 井區(qū)的一口水平井，壓裂層段發(fā)育有泥巖隔層，泥質(zhì)含量達13.2%～21.4%。從該井第2 段壓裂曲線可以看出，前置液造縫階段泵注3 個段塞后壓力不降反升，由于泵壓較高，施工排量難以提升到設(shè)計排量（12 m3/min）（圖1），導(dǎo)致縫寬不足，后期高砂比階段（26%砂比）造成縫口橋堵超壓。

圖1 A 井第2 段壓裂曲線

1.2 地層濾失

濾失本質(zhì)是液量和水力的損失，而裂縫長度對液量敏感，當液量不足時縫長明顯降低[9]，縫長不足導(dǎo)致裂縫在后期加砂飽和砂堵，但濾失發(fā)生時很難通過加大液量抵消濾失量，此時考慮提前堵漏或加速液體流動對沖濾失。

地層發(fā)育有天然裂縫時，雖然可以增加油氣的滲流通道，但在壓裂過程中與水力裂縫溝通時極易造成壓裂液濾失脫砂砂堵。B 井同樣為部署在錦30 井區(qū)的一口水平井，該井在鉆井過程中發(fā)生多次漏失，表明儲層天然裂縫發(fā)育。在對該井第1 段進行壓裂改造時，施工壓力波動極大，表明在不斷溝通天然裂縫，而在砂比為22%和23%時壓力突降明顯，23%砂比加砂2 min左右壓力上升停砂頂替，但高砂比發(fā)生濾失時脫砂更為嚴重，導(dǎo)致縫內(nèi)沉砂嚴重超壓砂堵（圖2）。

圖2 B 井第1 段壓裂曲線

除上述天然裂縫引起的濾失外，地層虧空也會導(dǎo)致壓裂液大量濾失造成砂堵。東勝氣田錦58 井區(qū)2015 年開始建產(chǎn)，開發(fā)時間較長，目前產(chǎn)建新井以加密井居多，周圍老井長時間開采使地層壓力下降，導(dǎo)致縫內(nèi)與地層之間壓差增大，壓裂液大量濾失進入地層[8]，壓裂過程中泵壓持續(xù)走低，同時為防止壓竄鄰井，施工排量較低，難以對沖濾失，易脫砂砂堵。C 井為部署在該井區(qū)的水平井，第1 段施工時破裂壓力超50 MPa，后續(xù)壓力持續(xù)下降，壓降幅度超過50%，25%砂比時壓力開始上漲，停砂中頂后壓力迅速上升砂堵（圖3）。

圖3 C 井第1 段壓裂曲線

1.3 液體性能差

壓裂液是壓裂施工中最重要的材料，除了傳遞壓力還要將支撐劑攜帶進入裂縫，如果壓裂液性能不達標，將大幅增加施工風險。D 井同樣為部署在錦30 井區(qū)的一口水平井，采用聚合物乳液施工，該液體主要依靠基本黏度（常溫、170 s-1剪切下黏度高于60 mPa·s）和高排量黏彈性攜砂；D 井在第1 段砂比20%時施工壓力開始大幅下降，而26%砂比時壓力迅速上升超壓，欠頂34 m3砂堵（圖4）。在現(xiàn)場做懸砂實驗發(fā)現(xiàn)液體降黏、脫砂嚴重，導(dǎo)致在高砂比階段濾失且難以將支撐劑攜帶到裂縫深部，在縫口沉砂造成砂堵。

1.4 設(shè)備故障

壓裂泵車和混砂車是壓裂施工中的動力源和供液源，如果在施工過程中發(fā)生故障，將直接導(dǎo)致施工暫停，加大后續(xù)施工風險，其本質(zhì)也是液量損失導(dǎo)致的砂堵。E 井第1 段壓裂過程中混砂泵分別在6～90 min 和120～235 min 發(fā)生兩次刺漏，施工中途停泵整改，合計時間長達200 min，在停泵期間前期壓開的裂縫在地應(yīng)力作用下閉合，雖然整改結(jié)束啟泵后補充了前置液量，但只重新壓開了舊裂縫，難以使裂縫再次延伸達到設(shè)計縫長，在后期加砂過程中裂縫填充飽和，加砂結(jié)束頂替過程中超壓砂堵（圖5）。

圖5 E 井第1 段壓裂曲線

1.5 現(xiàn)場指揮失誤

F 井為錦30 井區(qū)的一口探井，采用油套同注工藝壓裂，由于層位靠近河道邊緣，儲層非均質(zhì)性強，施工壓力高且波動較大，23%砂比加砂初期壓力上漲，加砂后期泵壓由55 MPa 快速上升至63 MPa，停砂頂替，最終超壓砂堵。從施工曲線可以看出，導(dǎo)致該井砂堵的直接原因是現(xiàn)場指揮未在壓力上漲初期及時停砂頂替，造成縫內(nèi)沉砂過多進液通道堵塞頂替失敗（圖6）。

圖6 F 井壓裂曲線

2 砂堵曲線特征分析及對策

地層可壓性弱、地層濾失、液體性能差導(dǎo)致的砂堵在壓裂曲線上難以及時識別，因此，需要對其曲線特征進行分析。為了加強泵時與泵壓的相關(guān)性，取地層破裂后的數(shù)據(jù)，對泵時和泵壓分別取自然對數(shù)后分階段線性回歸，再按砂堵原因分類，見圖7。

圖7 砂堵曲線分因素歸納

從圖7a 可以看出，當儲層可壓性較弱時，泵壓隨時間呈上升趨勢，但上升趨勢不明顯（斜率為0.04），曲線整體表現(xiàn)出施工壓力高，破壓不明顯，難以達到設(shè)計排量、高砂比或頂替階段超壓。為抵消造縫不足導(dǎo)致的施工風險，可在前置液階段增加1～2 個5%～7%砂比段塞，打磨近井筒裂縫迂曲度的同時增加前置液量，使裂縫延伸更充分；壓裂前用預(yù)置酸處理井筒周圍污染帶，降低壓裂液注入阻力，同時在保證裂縫導(dǎo)流能力的情況下可將支撐劑粒徑適當降低（可將20/40 目支撐劑優(yōu)化為30/50 目）。

當儲層發(fā)育有天然裂縫時，壓裂初期泵壓基本保持穩(wěn)定，一旦溝通天然裂縫，壓力會有較大幅度的突降（斜率為-0.17），將天然裂縫填充后壓力又急劇回升（斜率為0.29），易造成瞬間脫砂砂堵（圖7b）。地震發(fā)現(xiàn)天然裂縫發(fā)育或鉆井頻繁漏失時，為防止壓裂時發(fā)生惡性濾失，可在前置液階段采用混合水（低黏+高黏）造縫，微粒徑支撐劑段塞填充天然裂縫；如果施工過程中壓力先降后升，升壓速度在1.0～2.0 MPa/min 時應(yīng)及時停砂中頂。

地層虧空導(dǎo)致的濾失幅度大于天然裂縫（斜率為-0.18），且從壓裂初期持續(xù)到砂堵前期，此后由于壓裂液大量濾失導(dǎo)致縫內(nèi)沉砂壓力開始快速回升（上升斜率2.57），易在高砂比階段砂堵（圖7c）。針對虧空地層壓裂，可在壓降超過40%時小幅提高排量和壓裂液黏度對沖濾失，此外可考慮段內(nèi)多簇壓裂工藝，加大裂縫空間競爭，縮短縫長防壓竄的同時滿足大排量施工降低砂堵風險；如果施工過程中壓力出現(xiàn)先降后升，升壓速度超過0.5～1.0 MPa/min 時應(yīng)及時停砂頂替。

壓裂液性能不達標引起的壓力波動多表現(xiàn)在高砂比階段，低砂比時可靠排量將支撐劑沖進地層，高砂比時壓裂液攜砂性能不足易脫砂砂堵，在此之前壓力會有明顯的下降趨勢（圖7d 斜率達-0.18），后瞬間超壓，由此可見壓前質(zhì)檢的重要性。

3 結(jié)論與建議

（1）針對東勝氣田部分儲層難壓開，造縫不充分導(dǎo)致砂堵的情況，可在前置液階段適當增加段塞數(shù)量，提高前置液比例，或采用預(yù)置酸處理地層，同時可考慮優(yōu)化支撐劑粒徑。

（2）針對氣田錦30 井區(qū)天然裂縫導(dǎo)致的濾失砂堵，可采用混合水壓裂工藝，小粒徑支撐劑段塞填充天然裂縫；針對錦58 井區(qū)地層虧空造成的濾失砂堵，可在壓力降低時小幅提高排量和壓裂液黏度，同時引進新工藝防壓竄的同時防砂堵。

（3）現(xiàn)場指揮應(yīng)時刻關(guān)注壓力變化，如果加砂階段壓力出現(xiàn)先降后升且速度較快時應(yīng)及時停砂頂替，避免縮縫導(dǎo)致砂堵。

（4）不熟悉地質(zhì)情況造成的首段砂堵占70%，設(shè)計時首段可適當降低平均砂比和最高砂比，攜砂液階段砂比溫和提高。

（5）壓裂前應(yīng)做好設(shè)備和入井材料的質(zhì)檢，保證施工過程中設(shè)備不停泵，液體不脫砂。