一種均勻鋪置濃度設(shè)計方法及其現(xiàn)場應(yīng)用

池曉明 張 冕 劉 歡 袁冬蕊 楊 燕 尹俊祿

（中國石油川慶鉆探長慶井下技術(shù)作業(yè)公司工程技術(shù)發(fā)展研究中心，陜西西安 710018）

隨著油田開發(fā)難度的增加，水力壓裂措施日益復(fù)雜。常規(guī)的“經(jīng)驗式”泵注程序每口井前期泵注混砂濃度及延續(xù)時間基本相同，泵注中期含砂濃度有所區(qū)別，然而后期含砂濃度又趨于相同，這種加砂方式隨意性很強(qiáng)，沒有設(shè)計依據(jù)。分析認(rèn)為該泵注程序可能導(dǎo)致壓裂支撐劑進(jìn)入地層后不能均勻分布，壓裂后地層閉合易成為多個互不干擾的填砂裂縫，只有近井地帶的裂縫能夠起到導(dǎo)流作用，或造成其他災(zāi)難性事故，如由于造縫寬度不夠、前置液損耗或高支撐劑濃度引起井眼附近混砂液脫水等原因造成脫砂。實踐證明該泵注程序越來越不適應(yīng)油田生產(chǎn)的客觀要求。為此，開展了均勻鋪置濃度的壓裂設(shè)計方法研究。

1 泵注程序優(yōu)化原則

為了獲得優(yōu)化的壓裂設(shè)計，使井的改造增產(chǎn)效益達(dá)到最佳，根據(jù)油氣藏的儲層特性及產(chǎn)出能力，取得優(yōu)化的裂縫長度和導(dǎo)流能力，壓裂設(shè)計中規(guī)模、前置液量、排量、加砂濃度等參數(shù)對縫長和裂縫導(dǎo)流能力都有較強(qiáng)的敏感性，其中加砂濃度對導(dǎo)流能力的敏感性最大，加砂濃度是否合理將直接影響壓裂措施效果的有效性、長期性和經(jīng)濟(jì)性。泵注程序由砂濃度漸進(jìn)增加的加入表組成，反映的是獲得理想裂縫長度的壓裂液用量、黏度剖面與獲得理想導(dǎo)流能力的支撐劑數(shù)量與類型，在壓裂過程中使支撐劑加入速度程序化是很重要的。一個合理的泵注程序應(yīng)當(dāng)是這樣的：前置液全部濾失進(jìn)地層，泵注結(jié)束時支撐劑達(dá)到裂縫端部，形成充滿支撐劑的裂縫，獲得相當(dāng)均勻的支撐寬度和足夠的導(dǎo)流能力使生產(chǎn)過程中的壓力降最小［1］。為了使支撐劑最大限度地填充裂縫，必須使支撐劑到達(dá)預(yù)期縫長的同時，前置液濾失完畢。此時的前置液量為最經(jīng)濟(jì)的前置液量，能實現(xiàn)這一目標(biāo)，并能滿足壓裂導(dǎo)流能力要求的泵注程序稱之為最佳的泵注程序設(shè)計。

根據(jù)壓裂液效率確定最優(yōu)化前置液量與支撐劑泵注程序的方法如下［2］。

（1）計算無因次攜砂液泵注時間tDP

（2）最少的前置液量vpad由下式給出

式中，tDP為攜砂液無因次泵注時間；ti為總的泵注時間，min；tf為支撐劑從開始注入至輸送到裂縫端部所經(jīng)過的時間，min；η 為壓裂液效率，小數(shù)；hf為裂縫高度，m；xf為裂縫半長，m；c 為壓裂液綜合濾失系數(shù)，m/min1/2；qi為泵注排量，m3/min；vi為總用液量，m3；vpad為前置液量，m3。

（3）確定壓開裂縫被支撐劑最大覆蓋的泵注程序。

① 計算泵注攜砂液時的壓裂液效率η

施工結(jié)束時，裂縫內(nèi)最終的支撐劑濃度cf則被定義為

② 在某一時間t 時，支撐劑被輸送至xf（t）處的支撐劑平均濃度可按下式確定

式中，η 為泵注攜砂液時的壓裂液效率，小數(shù)；cp為支撐劑濃度，kg/m3；cf為施工結(jié)束時裂縫內(nèi)最終的支撐劑濃度，kg/m3；t 為泵注時間，min；tpad為泵注前置液的時間，min。

在前人的理論研究基礎(chǔ)上，結(jié)合長慶油田儲層特征，在前期壓裂施工參數(shù)及措施效果的基礎(chǔ)上，提出了一種簡單、可行的優(yōu)化方法——均勻鋪置的加砂程序。均勻鋪置濃度的泵注程序關(guān)鍵是要造成高導(dǎo)流能力的裂縫，要達(dá)到這個目的，除了要根據(jù)儲層的特點編寫泵注程序外，還要有良好的壓裂設(shè)備和工藝措施相配合，確定合適的填砂濃度、攜砂液、支撐劑和前置液用量以及合適的地面加砂程序。

2 均勻鋪置濃度泵注方法

壓裂的過程中通過對液體效率的現(xiàn)場分析診斷，根據(jù)不同的液體效率，合理匹配壓裂施工參數(shù)，改變了以往單純的依據(jù)施工經(jīng)驗的泵注方法（圖1），采用不同階段砂液比上提速度不同均勻鋪置濃度加砂程序，確定了各段裂縫填砂所應(yīng)具有的砂濃，使壓裂支撐劑進(jìn)入地層后能均勻鋪置，從而在確保泵注安全的前提下提高了壓裂設(shè)計的有效性和儲層的改造程度。

圖1 經(jīng)驗式泵注程序

當(dāng)前置液全部濾失進(jìn)地層，泵注結(jié)束時支撐劑達(dá)到裂縫端部，最大限度地填充裂縫，獲得均勻連續(xù)不間斷的支撐裂縫和足夠的導(dǎo)流能力，此時的支撐劑鋪置濃度可以稱之為均勻鋪置。

采用該泵注程序得到如圖2 所示的模擬結(jié)果，說明了從泵注結(jié)束到閉合過程中支撐劑的運移情況。泵注結(jié)束時得到的一個均勻的混砂液濃度，裂縫閉合后混砂液的繼續(xù)移動在裂縫中形成了一個相當(dāng)均勻的支撐劑鋪置剖面。這種壓裂加砂程序的優(yōu)化方案包括下列步驟。

圖2 均勻鋪置濃度示意圖

（1）盡可能精確地確定液體效率。需要獲取該區(qū)塊小型壓裂解釋結(jié)果、水力裂縫監(jiān)測解釋報告，該區(qū)塊曾進(jìn)行過壓裂施工，可對施工數(shù)據(jù)進(jìn)行水力裂縫的模擬計算，由計算結(jié)果得出泵注結(jié)束時的最大用液效率。

（2）根據(jù)不同液體效率確定不同的提高砂液比時間間隔，確保每種液體效率下的泵注程序，都有前期砂液比上提速度較快、后期減緩的特點。液體效率越高，砂液比提高的時間間隔越小，砂液比提高速度越快，平均砂液比越高泵注就越接近真正的均勻鋪置濃度泵注程序。

（3）在進(jìn)行均勻鋪置濃度泵注程序時，排量與液體效果保持相關(guān)，因在其他條件相同時，提高排量相當(dāng)于提高液體效率。

當(dāng)混砂液進(jìn)入裂縫時，其中任何一段的砂濃度隨液體濾失而提高，混砂液的液體濾失與裂縫寬度剖面決定了支撐劑的鋪置濃度，液體效率決定支撐劑加砂程序。采用不同階段砂液比上提速度不同，做出一個直觀可行的圖版，使得支撐劑的“加入速度”程序化。如圖3 所示不同液體效率下的加砂程序不同，當(dāng)液體效率低，加砂梯度趨于直線；當(dāng)液體效率高，初始砂濃度必須快速提高到一定高度，后期再逐漸減緩，以確保裂縫鋪置均勻。

圖3 均勻鋪置濃度加砂程序

3 現(xiàn)場應(yīng)用

鄂爾多斯盆地東部發(fā)育淺層砂巖氣藏具有低孔、低溫、低壓的特點，由于淺層砂巖氣藏地質(zhì)條件，儲層改造方面存在許多難點，主要開發(fā)層位為上石盒子、盒8、太原、石千峰和山1，其中石盒子和石千峰的滲透率較好，微裂縫發(fā)育，而山1 屬于典型致密巖層，滲透率只有石盒子的1/30。根據(jù)淺層砂巖氣儲層儲集砂體非均質(zhì)性強(qiáng)特點，2011 年開始對該氣藏在泵注程序上進(jìn)行了優(yōu)化，采用均勻鋪置濃度加砂程序，即通過測試壓裂對液體效率的現(xiàn)場分析診斷不同的液體效率，確定各段裂縫填砂所應(yīng)具有的砂濃度，實時分析，調(diào)整主壓裂，合理匹配相應(yīng)的壓裂施工參數(shù)，使壓裂支撐劑進(jìn)入地層后能均勻鋪置。現(xiàn)以A-01 井加砂程序設(shè)計為例加以論述。

3.1 確定液體效率

應(yīng)用小型壓裂測試軟件對交聯(lián)瓜膠測試壓裂（圖4）分析得出交聯(lián)瓜膠液體效率為50.83%，根據(jù)以下公式計算

圖4 測試壓裂圖

計算的出前置液為82 m3，測試的壓裂解釋滲透率1.0 mD，結(jié)合前面布置濃度分析，設(shè)計加砂梯度120 →220 →310 →410 →480 →590 kg/m3，如圖5、圖6 所示呈線性加砂模式。

圖5 設(shè)計加砂曲線

3.2 均勻鋪置濃度效果驗證

主壓裂施工采用2.9 m3/min 排量泵注，加支撐劑26.5 m3，平均砂比為26.3%，加砂階段為95 → 226 →298 →440 →500 →619 kg/m3。在凈壓力的擬合過程中，儲層滲透率按最初測試壓裂1.0 mD 給予，測定的凈壓力與實測凈壓力基本吻合（圖7），能反映儲層的真實情況，擬合后的裂縫剖面如圖8 所示；支撐裂縫長度115.8 m，平均支撐裂縫寬度0.89 cm，裂縫高度為31.8 m，平均支撐劑濃度4.34 kg/m2，基本達(dá)到設(shè)計要求，求產(chǎn)獲井口產(chǎn)量3 120 m3/d，改造效果理想。

圖6 實際加砂曲線

圖7 凈壓力擬合圖

圖8 裂縫剖面圖

從裂縫中支撐劑鋪置圖（圖9）看，整個鋪砂呈上升趨勢，達(dá)到縫口段平穩(wěn)，縫口端達(dá)到很好的鋪砂，支撐劑在裂縫能形成均勻鋪置，達(dá)到設(shè)計預(yù)期要求。

圖9 支撐劑鋪置圖

A-08 井均勻鋪置濃度的泵注程序設(shè)計和驗證方法與A-01 井相同，設(shè)計加砂梯度為220 →281 → 370 →448 →518 kg/m3的直線加砂模式，該井施工后求產(chǎn)獲井口產(chǎn)量19 000 m3/d，改造效果理想。

4 結(jié)論及建議

（1）提出基于液體效率的均勻鋪置濃度壓裂設(shè)計方法，并且確定了該方法加砂程序優(yōu)化方案的具體實施步驟。

（2）均勻鋪置濃度設(shè)計方法在山西淺層砂巖氣藏的實施表明該方法切實有效的提高了壓裂設(shè)計的有效性和儲層的改造程度，將成為儲層壓裂改造的必然趨勢。

（3）采用均勻鋪置的加砂程序，拓寬了支撐寬度，并使支撐剖面得以豐滿。為此，要求壓裂液必須具有良好的流變性能，以攜帶連續(xù)快捷遞增砂液比的攜砂液，同時，必須保證設(shè)備上水效率高，操作準(zhǔn)確到位。

（4）為了保證壓后取得預(yù)期的裂縫幾何尺寸和增產(chǎn)效果，只有不斷深化對儲集層的認(rèn)識、不斷改進(jìn)設(shè)計思路，不斷的積累現(xiàn)場施工經(jīng)驗及不斷掌握地面、井下工具、設(shè)備的功能，才能提高壓裂設(shè)計的質(zhì)量，使之充分起到對壓裂施工的指導(dǎo)和檢驗作用。

［1］ 米卡爾 J.埃克諾米德斯，肯尼斯 G 諾爾特. 油藏增產(chǎn)措施［M］.張保平，譯.3 版.北京：石油工業(yè)出版社，2002-04.

［2］ 俞紹誠.水力壓裂技術(shù)手冊［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2010-06.