長慶地區水平井壓裂風險控制探討

王金喜，郭 鵬，廖 強，趙 民，張江偉

（中國石油渤海鉆探工程有限公司，天津 300283）

1 水平井壓裂設計不當之處

（1）水平井壓裂的地層選擇不當。改造目標層位不同，壓裂施工難易程度不同，地層深度、儲層性能直接影響壓裂設備、液體、支撐劑及人員操作技術的選擇。但在現場施工過程中，往往會出現各種各樣的異常情況，如果盲目地對水層進行壓裂施工，會污染水層，嚴重時甚至造成地下水污染，油氣也無法從地層里開采出來。

（2）水平井壓裂施工設計不當。模擬實驗研究發現，裂縫和井筒之間會形成一個夾角，裂縫長度直接影響壓裂施工難易程度和開發效果，裂縫太短改造效果不好，裂縫太長對設備的要求高，同時影響鄰井效果。當裂縫和井筒之間的夾角增大時，壓裂水平井后產量提高，原因是隨著夾角增大，裂縫之間的垂直間距增大，裂縫的橫截面積增大。當井筒內壓降在10%上下時，水平井的產量會下降大約30%。

2 水平井設計不合理引發的風險控制方法

首先，要研究水平段地層，根據鄰井資料、該區域壓裂施工過程中出現的異常情況，綜合考慮該區域地層各種施工參數，對地質進行評價，制定地質依據，使用模型對油氣藏進行詳細分析，掌握施工規模。

其次，在壓裂施工前要對設計進行多次模擬演練，選擇比較合適的壓裂施工參數，優化施工參數，井筒壓降應在可控范圍內，避免因井筒壓降過大而造成工程事故。

優化設計理論包括井筒長度、測試流動時間、裂縫設計優化模型、材料優化模式、施工參數優化模式[1]。

3 水平井支撐劑和壓裂液引發的風險控制方法

（1）壓裂支撐劑目前是壓裂施工的一種主要材料，主要通過混砂車攪拌、壓裂泵車高壓將壓裂液攜帶支撐劑一起注入地層裂縫中。當人工裂縫達到設計要求時，地面的壓裂泵車就陸續停泵，地面和井筒內的壓裂液將停止往地層流動。停泵后，裂縫端部的砂濃度最高、井底砂濃度最低。地層裂縫會在地層力的作用下閉合，此時進入地層裂縫的支撐劑將支撐地層裂縫閉合。壓開的裂縫面積得到完全支撐，在井底附近的裂縫使大顆粒支撐劑沉積，充分利用動態裂縫的寬度得到更高的裂縫導流能力，支撐劑粒徑大小對裂縫的導流能力有直接影響[2]。

（2）壓裂液是由多種添加劑按一定配比制成的非均質不穩定的化學體系，是對油氣層進行壓裂改造時使用的工作液，主要作用是將地面設備形成的高壓傳遞到地層中，使地層破裂形成裂縫并沿裂縫輸送支撐劑，壓裂液的懸砂能力主要取決于其黏度。只要壓裂液有較大的黏度，砂子就可以懸浮于其中，這對砂子在縫中的分布非常有利。壓裂液的熱穩定性和抗剪切能力較差，不利于產生寬而長的裂縫，導致壓裂液的攜砂能力降低，導致壓裂施工不連續或終止。

（3）根據不同的設計工藝要求及壓裂液的選擇，一定要保證壓裂液的攜砂能力強、摩阻低、穩定性好、易返排，應選擇耐溫性能和抗剪切性能強、對地層污染少的清潔壓裂液。往往有些井壓裂后無效果就是由于配伍性不好。應具備一定的造縫力并使壓裂后的裂縫壁面及填砂裂縫有足夠的導流能力[3]。

4 砂堵引發的風險控制方法

控制砂堵引發的風險的關鍵是避免砂堵超壓。如果是地層原因造成的超壓，一般曲線呈緩慢上升狀態，且后期斜率開始加速上升。如果是井筒內或近井地帶超壓，施工曲線呈突然陡峭上升態勢。一旦出現地層內超壓前兆，應迅速采取相關措施，降低砂比，適當提高排量，排量提速不要太快，以0.2 m3以內為階段進行上提，并觀察壓力變化，適時調節交聯比。如果壓力突然上升，可立即停泵，建議快速開井口放噴，放出10.0 m3液體，再采用變排量試擠等方法，砂堵超壓后繼續試擠。因為造成砂堵超壓的原因是地層端部脫砂導致后期支撐劑無法向前運移，結合本人近幾年的現場經歷，對造成砂堵的原因進行分析。

5 壓裂液大量流失和人工造縫不足造成的砂堵

5.1 壓裂液攜砂能力差造成的砂堵

壓裂液攜砂能力差導致地層縫寬不夠，造成高砂比階段支撐劑無法全部進入地層，交聯效果差，提前水化無法運移支撐劑，交聯后黏度太高，無法剪切，在管柱內部形成砂橋。這是砂堵超壓的簡單成因，如果是這方面的原因再進行試擠，成功率很低，因此，建議在水平井超壓后迅速進行放噴，使進入地層而無法運移的支撐劑回吐，盡量減少管柱內的沉砂，避免因試擠進一步損壞套管。如果壓裂液的交聯劑性能調節不達標，在壓裂施工過程中攜砂液會提前脫砂，造成砂堵。

5.2 壓裂泵車故障導致的砂堵

當壓裂施工正處于高砂比加砂過程中，壓裂泵車突然發生故障不能正常使用，且現場無法及時整改時，施工停止，管柱內支撐劑下沉，還沒有及時進入地層的支撐劑在管柱內堆積，造成管柱砂堵。

6 水平井預防及處理砂堵的方法

沒加砂前增加前置液量，前置液加大攜砂液量、提高排量、增加裂縫長度，加大加段塞期間的液量，利用加入段塞的支撐劑摩擦地層改善地層裂縫，減少支撐劑在地層里形成砂堵的機會。對于濾失嚴重的地層，可以在前置液階段適當加入段塞，一旦出現壓力異常，要立即停止加段塞，等頂替液量頂夠、壓力平穩后再加段塞。一旦加段塞期間超壓，立即打開油管閘門進行放噴，依靠井筒內地層壓力放出井筒內的攜砂液，待出口流速變大、出口液體中沒有砂子時，井放通后，關閉井口閘門，倒成壓裂施工井口，立即啟動地面設備從油管注入基液，頂替夠一個井筒容積后看施工壓力情況，壓力平穩后方可進行下一步工序。

7 高壓件刺漏失效風險因素及防控措施

7.1 風險因素

7.1.1 砂子

（1）過砂量較多的高壓三通和高壓活動彎頭是高壓件刺漏的高風險部位，大多數因密封件失效和流體不斷沖刷有角度彎頭活接、所有力量疊加，高壓彎頭緩沖活動節薄弱點打磨，導致高壓彎頭緩沖活接失效。（2）高壓件本身的設計存在缺陷，同類進口高壓件的使用壽命遠超國產產品，沒有發生嚴重的高壓件爆裂事故，國產高壓件的材質質量有待提高。

7.1.2 連接

（1）由于井場布局或高壓件施工現場連接方式的局限性，在施工過程中，壓裂高壓管線抖動、減震效果不佳、緩沖效果不好，壓裂液在地面設備高壓的壓力作用下，對高壓件活動彎頭流體區域內的彎頭處沖刷不均衡，形成集中應力點，造成高壓彎頭處刺漏。（2）壓裂酸化施工對高壓件具有腐蝕作用，形成腐蝕薄弱點。（3）加砂過程中的砂堵導致管線瞬間壓裂過高。（4）壓裂施工時的施工壓力過高，高壓件長時間承受高壓壓力、大排量液體沖刷，造成高壓件過度疲勞，使用周期縮短。

7.1.3 人員

員工對水平井壓裂施工高壓件失效風險的識別能力不足，高壓件日常使用維護保養、連接點安全綁帶固定和安全防護措施不到位。

7.1.4 管理

（1）對高壓件的管理制度不完善，日常監管不到位，不能及時掌握高壓件的使用情況和安全極限。（2）高壓件長時間露天存放，沒有定期進行維護保養，導致腐蝕生銹。 （3）地面管線連接不規范，管線連接完不是一條直線，存在高壓管線高低不平等問題[4]。

7.2 安全風險防控措施

（1）從源頭上管控風險，從采購到現場，對高壓件材質、抗疲勞強度、抗拉強度、硬度等不同標準建立壓裂高壓件采購安全技術性能標準，優選高質量的高壓件。

（2）建立高壓件使用記錄，記錄過砂量、過液量、過酸量累計量和已用時間，針對高壓件三通、彎頭和易刺漏關鍵部位，選擇質量好、使用壽命較長的材質。

（3）對高壓件執行第三方安全質量檢測制度，對高壓三通、彎頭等易損壞部位進行定期監測，防止不合格的高壓件投入現場使用，降低現場施工風險。

8 安全措施

在井場高壓施工作業區域四周設立隔離防護擋墻，一方面可阻止無關人員進入高壓施工區域，另一方面可防止高壓件刺漏產生的高壓流體對高壓刺漏部位周邊人員造成傷害，高壓件連接部位全部使用一體鋼絲綁帶環繞固定。壓裂施工現場應用鋼板隔離防護時，引入互聯網技術，建立高壓件電子碼數據庫，對高壓件建立電子標簽。通過施工現場儀表車采集錄入的施工數據，分析高壓件的使用壽命，實時監控高壓件的使用情況，防止繼續使用有問題的高壓件，設置安全使用極限提前報警功能，加強高壓件日常管控、及時更換高壓件，有效預防高壓件在施工現場發生刺漏事件，降低現場安全風險。

9 結語

水平井壓裂施工風險大、危害大、成本高，根據現場經驗，分析了水平井風險影響因素，并給出了防控措施和建議，可為企業水平井壓裂風險識別和防控措施的制定提供參考。壓力高、排量大、長時間施工已成為目前水平井壓裂施工作業的常態化方式，容易導致高壓件超過疲勞極限，例如當工作壓力為100 MPa時，刺漏流體最大速度可達460 m/s，影響范圍達100 m，距刺漏點1 m處的流速為260 m/s，打擊壓力可達3 500 MPa，遠超鋼材抗剪切強度。因此，在水平井壓裂施工作業過程中，嚴禁人員進入高壓區。