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俊李文彪

（1.中國石油華北油田采油工程研究院 河北任丘 062552；2.中國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龍長俊1李文彪2

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

華北油田進入開發中后期，水力壓裂成為增產穩產的重要措施。本文對近3年壓裂施工井進行了統計分析，從理論上分析了加砂不足的危害，并結合華北油田具體情況分析了加砂不足的原因和采取的對策，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；導流能力；壓裂效果

壓裂縫長和裂縫導流能力是影響壓裂效果的兩大因素。但加砂不足會導致儲層改造不充分，形成的裂縫導流能力低，嚴重影響壓裂效果。高停泵壓力、儲層地應力異常、巖性致密和砂堵是引起加砂不足的常見原因。在廣泛調研國內相關研究的基礎上，通過對加砂不足原因的分析，提出相應的解決措施，對提高加砂成功率和壓后增產效果具有重要意義。

1 壓裂加砂不足的危害

加砂不足導致砂比過低，不利結果主要有兩個：一是支撐劑在裂縫內單層鋪置，破碎和嵌入比例增加，對裂縫導流能力不利；二是砂量過少、濃度低使得壓開的裂縫得不到有效支撐，縫寬縫長達不到設計要求，裂縫導流能力下降，導致壓后產能低、改造效果差。

通過對華北油田201 2—201 4年壓裂施工情況統計，加砂不足的井數比例為1 2%～1 4%，措施后加砂不足井的單井平均日增油量均遠小于完成加砂井。因此，加砂不足對改造效果有重要影響。

2 壓裂加砂不足的原因

通過調研國內相關研究，從地層、工具設備、設計等方面對加砂不足原因進行了分析。

2.1 地層因素

（1）異常高地應力、巖性致密儲層及深井高溫油氣藏，破裂壓力較高，施工過程中加砂困難，極易發生砂堵，導致施工失敗。例如，J40井深3700～3850m，屬于異常高地應力儲層，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，未完成設計加砂，第二層無明顯破裂壓力，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）碳酸鹽巖儲層，楊氏模量、抗張強度、斷裂韌性等比沉積巖高，裂縫的破裂、延伸壓力均較高。此外，井筒附近儲層堵塞嚴重，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裂縫，容易導致壓裂液大量濾失、降低壓裂液造縫效率，形成裂縫寬度窄，加砂過程中易出現砂堵或早期脫砂。T43井儲層為碳酸鹽巖礫巖體，屬于裂縫性儲層，酸壓時采用支撐劑段塞和大排量降濾，由于存在大量天然裂縫，施工中酸液濾失嚴重，砂子進入地層后產生脫砂現象，導致砂堵，影響作用效果（圖2）。

圖2 T43井酸壓施工曲線

另外，復雜裂縫油藏在壓裂施工中易形成多裂縫，裂縫形態復雜，扭曲程度增加，儲層裂縫彎曲摩阻和孔眼摩阻相對較高，二者共同作用造成施工異常高壓。

（4）基質低孔、特低滲，物性極差的儲層，需大規模改造，使砂堵風險增大。

（5）巖性復雜儲層，易形成多裂縫。凝灰巖儲層黏土礦物含量高，遇水后有崩解性、分散性、流變性等特點。水基壓裂液進入巖石后，水壓力降低了巖石的內聚力和巖石的抗壓強度，巖石結構遭到破壞，導致裂縫坍塌。并且由于凝灰巖吸水性強，降低縫內凈壓力，影響人工裂縫的延伸，導致早期砂堵。T1井儲層巖性復雜，儲層以泥灰巖為主，天然裂縫發育。由于改造層段井深4500～4700m，裂縫的破裂壓力、延伸壓力均較高，同時天然裂縫發育，導致在施工初期段塞打磨階段即產生砂堵，導致施工失敗（圖3）。

圖3 T1井壓裂施工曲線

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

2.2 工具設備因素

（1）壓裂車故障。混砂車出現故障，不能及時給泵車提供充足的液量，使泵車抽空，導致壓力異常波動。西5井在加前置液時停車，導致造縫不充分，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，造成支撐劑在縫內堆積，特別是高砂比階段，易導致砂堵（圖4）。

圖4 西5井壓力施工曲線

（2）壓裂時封隔器失封，喪失保護其以上套管的作用。封隔器失封，壓裂時易發生竄層，同時有砂埋封隔器的危險Y63井采用頂封壓裂，前置液階段封隔器失封，套壓持續上升，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，達不到設計加砂量。B18井采用五級滑套封隔器分壓，施工中第三級滑套打開不明顯，起出管柱發現第三級滑套未打開（圖6）。J38井送球入座過程中壓力異常升高（上升約40MPa），導致未達到設計加砂量，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，施工時可能出現噴槍掉噴嘴或者噴嘴刺豁現象，使井口壓力陡降，導致施工中止，未完成設計加砂量。

2.3 設計因素

（1）設計前置液比例低，動態裂縫形成不充分。對于塑性地層裂縫起裂復雜或發育有多裂縫的情況，砂堵幾率增加。

（2）設計砂比過高或砂比提升過快，對于裂縫擴展延伸困難的地層，易出現砂堵。對于低孔滲致密氣藏來說，設計砂比過高，出現砂堵和泵壓異常偏高的幾率增加，導致加砂壓裂施工失敗。

（3）設計的壓裂液基液粘度偏低，不能滿足高濾失和多裂縫復雜情況的需要。

（4）對地層壓力認識不足，造成使用承壓能力較低的井口，施工時套壓超過限定值。

3 采取措施

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

（1）對異常高地應力和施工壓力高儲層，查采取深穿透補孔、高能氣體壓裂、酸化處理等措施降低破裂壓力。

（2）對于裂縫性油藏，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適當增加排量，有利于減少裂縫條數，減少濾失；⑥適當增加前置液比例，減少地層濾失對壓裂液效率的影響。

（3）對不同性質的地層采取不同的優化壓裂液體系：對施工壓力高地層，優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；對深井高溫儲層，采用低摩阻、耐高溫、耐剪切和攜砂性能好壓裂液；對黏土含量高、水敏嚴重儲層，壓裂液體系應具有良好的防膨性能；對天然裂縫發育的儲層，壓裂液體系應具備良好的降濾失性能。

（4）優化壓裂規模和參數。壓裂改造的關鍵是要達到裂縫導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以造長縫為主，裂縫導流能力次之。針對儲層物性條件，優選合適的施工參數，如前置液比例、段塞砂比和砂量、加砂程序、加砂量和砂比等，降低施工砂堵的風險。

（5）余東合等人研究的水力壓裂實時預警系統，在實時監測壓裂施工關鍵參數的基礎上，通過油壓—時間、套壓—時間雙對數曲線的斜率進行壓裂實時預警，判斷可能出現的風險，有效預防砂堵。

4 結論及建議

（1）準確獲取地層參數是壓裂成功的重要保障，可根據鄰井地層壓力數據、測井曲線進行地應力分析，重點井可以進行小型壓裂測試，以準確掌握施工井的地層參數、井眼附近摩阻、濾失情況等資料，實時優化施工設計，提高設計和施工成功率。

（2）壓裂加砂不足導致的裂縫導流能力降低，嚴重影響壓裂效果和壓后產能。所以施工人員應重視地層、工具設備、設計等影響加砂不足的因素，提前做好預案，并根據加砂不足的具體原因采取相應措施。

（3）合理設計是壓裂成功的重要保障，在詳細了解地層的基礎上，應優化施工設計，選擇適宜的壓裂液體系、支撐劑體系、泵注程序、壓裂設備等，確保設計準確無誤。

（4）進一步研究預測砂堵的方法，及時發現砂堵征兆以避免砂堵的發生。

（5）加強對巖性復雜區塊壓裂加砂不足原因的分析，對產生加砂不足的多種因素開展相應的對策研究，為同區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].內蒙古石油化工，2011，14：152-154.

[2]吳浩兵.海拉爾油田南屯儲層壓裂施工分析及處理措施[J].石油地質與工程，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策[J].復雜油氣藏， 2013，6(1)：76-78.

[4]曾凡輝，劉林，林立世等.碳酸鹽巖儲層加砂壓裂改造的難點及對策[J].天然氣工業，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研究與應用[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時預警系統[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異常破裂壓力儲層壓裂改造技術[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[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[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.關于壓裂作業中的幾個常見問題[J].中國石油和化工標準與質量，2012（5）：289.

[12]何智慧，馬新仿，熊延松等.預測水力壓裂井砂堵的新方法[J].科學技術與工程， 2014，14（8）：156-159.

?中石油重大專項“華北油田上產穩產800萬噸關鍵技術研究與應用”(2014E-35)，子課題“強水敏非均質低滲透油藏有效開發技術”（ 2014E-35-08-05）