石英砂替代技術研究及質量監管

尹輝，韓先柱，李平，陳晶

中國石油新疆油田分公司 開發公司（新疆 克拉瑪依 834000）

1 支撐劑是非常規油氣開發的關鍵因素

準噶爾、鄂爾多斯和四川三大盆地是非常規油氣的重點開發區域，其中準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油、瑪湖凹陷致密砂礫巖油藏已成為新疆油田產量穩定的“砝碼”，預計2025年產量將占原油總產量的50%。但非常規油藏開發難度大，決定因素是單井最終可采儲量(EUR)和單井工程投資。尤其是在持續低油價趨勢下，高效低成本的開發尤顯重要，“低成本戰略”將成為新疆油田發展的生命線。

目前新疆油田非常規油氣采用水平井優快鉆完井、體積壓裂改造技術與“工廠化”作業模式進行大規模開發[1]。提高單井產量和降低建井成本是主要目標，經過近幾年的控本增效，大幅降低了水平井費用，目前鉆完井成本為2 300萬元～5 900萬元，平均3 500萬元，壓裂成本占比達51%。而在壓裂成本中材料構成是關鍵，壓裂液成本和支撐劑成本平均分別占到壓裂成本的22%和29%，特別是支撐劑因素，成為降低成本的最大挖潛對象[2]。

2 石英砂替代技術

根據儲層特征，通過支撐劑受力公式推導與數值模擬，明確了非常規水平井多段改造模式下支撐劑受力狀態，即支撐劑承受井底施工壓力（最小主應力）與儲層孔隙壓力的差值。而在生產過程中，隨孔隙壓力的逐漸降低，作用在支撐劑上的閉合應力隨之增加，閉合應力的變化速率與原基質滲透率和排液速度關系密切。與常規儲層相比，非常規儲層基質滲透率較低，且采用的大型水平井體積壓裂施工工藝增大了壓裂液用量及波及范圍，極大地增加了基質孔隙和水力裂縫的壓力，延緩了排液速度，降低了閉合應力的增加速率，即呈現出“液與砂共同支撐”導流通道的現象（圖1）。此種條件下可有效地降低支撐劑所承受的閉合壓力，減少破碎率，有利于維持裂縫導流能力[4]。這為使用更低強度的支撐劑提供了依據，突破了按傳統儲層閉合應力選取支撐劑的原則。

圖1 非常規儲層“液與砂共同支撐”模型

2.1 石英砂淺層、低壓井替代技術

通過支撐劑導流能力測試實驗，明確地層條件下不同鋪設濃度、粒徑規格的石英砂導流能力大小（圖2），建立了以設計產能為目標的裂縫導流能力臨界值計算方法，最終確定了石英砂鋪置濃度提高至5 kg/m2以上，可滿足新疆油田井深小于3 500 m、閉合應力低于60 MPa的儲層人工裂縫導流能力需求，保證開發效果。

圖2 不同鋪置濃度、粒徑的石英砂導流能力測試結果

2017—2020年在淺層、低閉合壓力的風南4、瑪131等區塊規模推廣石英砂支撐劑，共實施159井，替代陶粒28.2×104m3（表1），節約成本上億元。對投產時間最早的試驗井與鄰井生產效果對比，生產超過300 d無明顯差異，這表明石英砂替代陶粒的水平井仍具備較強高產和穩產能力，很好地實現了石英砂替代陶粒的目的。

表1 瑪湖凹陷石英砂替代陶粒應用情況統計

2.2 石英砂深層、高壓井替代技術

基于國內外研究成果，在準噶爾盆地埋深大于3 500 m、閉合壓力大于60 MPa的油藏，新疆油田開展了數值模擬及支撐劑導流能力評價實驗。經研究發現，水平井人工裂縫密度（簇/縫間距）對改造效果有重要影響（圖3）。一定長度的水平井，產量隨著裂縫條數的增多而增加，但隨著裂縫條數的增多，受應力陰影的影響，縫間的相互干擾加劇，從而影響每條裂縫的產量[5]。因此，對于一定物性條件的儲層存在一個最優的裂縫條數與之適應。應用數值模擬，對比不同油藏不同簇間距條件下裂縫形態，得出最優簇間距在15 m左右時，縫控體積較大且能夠避免較大應力干擾產生的裂縫遠端轉向重合現象。這也表明在一定的設計產能下，達到最優簇間距時，可以通過增加人工裂縫的數量來減少對單縫導流能力的需求，即可使用破碎率更高的石英砂作為壓裂改造的支撐劑，同時增加石英砂的用量以保證單縫的長期導流能力。

圖3 不同裂縫導流能力對應累產模擬

支撐劑導流能力評價實驗表明，導流能力取決于支撐劑顆粒的破碎和壓實程度。隨閉合應力增加，不同粒徑石英砂導流能力差異減弱（圖4），支撐劑破碎率與導流能力不是完全對應的關系，鋪置濃度、鋪置方式的影響較大。小粒徑石英砂抗破碎能力更強、鋪置更均勻、更易被攜至裂縫遠端，實現支撐劑遠端鋪置和分支縫的有效支撐，從而增加縫控儲量，提高油井穩產時間。

圖4 不同粒徑石英砂導流能力測試結果

經反復論證，在深層、高閉合壓力的非常規儲層，采用水平井高密度人工裂縫完井與高強度壓裂改造可獲得經濟與產量的雙突破。基于此，壓裂設計采用“密集切割、以量換質”的策略進行石英砂替代。通過改變石英砂類型及用量、密集切割降低油藏對單縫導流能力需求來彌補因使用抗壓強度差的天然石英砂所帶來的損失。值得注意的是，由于陶粒和石英砂破碎后的形態有很大的不同，在閉合壓力大于70 MPa的儲層，壓實作用影響更大，石英砂替代應進行更深入的理論研究及現場試驗。

3 支撐劑質量標準探索

目前新疆油田采用SY/T 5108—2014《水力壓裂和礫石充填作業用支撐劑性能測試方法》作為石英砂檢測的標準。性能評價主要包括粒徑、圓球度、酸溶解度、濁度、密度、破碎率和灼燒損耗等七大方面，破碎率和粒徑是影響導流能力的主要因素。

SY/T 5108—2014主要參照國際標準ISO13503-2—2006《水力壓裂和礫石充填作業用支撐劑性能測試推薦方法》而制定的，技術內容與源標準基本保持一致，但亦存在差別。關鍵指標破碎率國際標準取值10%，以6.9 MPa(1 000 psi)壓力遞增，共分15個破碎率等級；國內支撐劑破碎率取值9%，簡化破碎率7個等級。然而2019年修訂的中石油企業標準Q/SY 17125—2019《壓裂支撐劑性能指標及評價測試方法》將破碎率指標提高到10%，略低于國家行業標準。這是因為完善了破碎率重要評價指標的測試方法，與國際標準相統一，提高了石英砂支撐劑產品的適用性。

研究發現不同檢測機構對同種支撐劑破碎率的檢測結果有所差異，許多因素會影響測試的結果。例如檢測儀器、環境溫度與濕度、人員誤差等，因而不應僅以支撐劑破碎率作為主要選材依據。油氣產能的提高主要取決于支撐劑導流能力，應以實驗室導流能力測試，再結合具體區塊的地質、工程和經濟因素合理優選支撐劑。基于“經濟夠用”理念，加之新疆油田在油藏埋深小于3 500 m、閉合應力低于60 MPa的區塊成功運用了石英砂替代，使用更為寬泛的標準具有可行性，應靈活運用行業新標準。

新疆油田運用數值模擬的方法尋找石英砂破碎率的經濟下限。以瑪湖砂礫巖為例，建立機理模型，模擬300～600 μm石英砂在不同破碎率、不同閉合壓力以及不同加砂強度條件下的單井產能，評價不同破碎率的石英砂生產情況[6]。基于“以量換質”的做法，模擬不同加砂量條件下的產量增加情況（圖5），隨砂量增大，產量增加，當高破碎石英砂加砂強度到達1.4倍條件，產量基本和低破碎石英砂（5 kg/m2）產量相當。

從圖5可以看到，增大加砂強度，使用較大破碎率的石英砂替代陶粒可以彌補產量的差異。值得注意的是，砂量的增加帶來壓裂液、車組費等關聯成本的增加，需要統籌兼顧，明確盈虧平衡點。同時應針對不同閉合壓力、采油速度制定區塊替代方案，將破碎率的變化與導流能力、以量換質比例等關鍵因素進行匹配，做到技術可行、經濟亦可行[7]。

圖5 不同破碎率石英砂產能對比曲線

4 砂源本地化策略

新疆油田近幾年逐步推行石英砂替代陶粒技術，石英砂用量逐年增大。2018—2020年用量分別為39.6×104、45.1×104、51.4×104m3，每年用量均超過支撐劑總量的70%以上，在降低改造成本方面起到了重要作用。但石英砂運輸費用占到一半以上，如能實現砂源本地化，將極大降低支撐劑成本，同時本地砂廠也有利于支撐劑質量源頭的把控。

決定石英砂產品質量有兩大因素：一是砂源質量；二是生產工藝。前者是根本，必須找到合適的礦源，為后期加工奠定基礎；后者是關鍵，通過水洗、烘干、篩分等選礦工藝提高石英純度，降低破碎率而滿足水力壓裂支撐劑性能的要求[8]。

4.1 砂源

新疆石英砂品位較好的礦源位于準噶爾盆地古爾班通古特沙漠內，于石西油田一帶的沙漠中，行政區隸屬于新疆和布克賽爾蒙古自治縣管轄。該區域石英砂是經過沖積、風成和化學溶蝕多種地質作用疊加所致。礦物組合以石英、巖屑為主，石英呈單晶和集合體態，SiO2含量范圍為99.62%～99.99%。巖屑成分復雜，多為中基性、酸性火山熔巖屑、凝灰巖屑、沉積巖屑。

新疆油田實驗檢測研究院依照SY/T 5108—2014標準對石西石英砂原砂進行評價（表2），通過對外觀、圓度、球度、粒徑、支撐劑破碎率、酸溶解度、濁度等12個指標的試驗檢測發現：①圓度、球度均符合標準；②粒級、濁度達不到要求；③支撐劑破碎率實測數值多數超過標準（≤9.0%）。

表2 新疆油田石英砂主要性能檢測指標

室內評價實驗分析表明響石英砂支撐劑破碎率的主要原因是石英砂中有較高含量的巖屑[9]；粒級、濁度不合格經分析認為是樣品沒有經水洗去除表面細小雜質、灰塵及石英顆粒周圍泥土等影響因素。因而，通過清洗、篩分、擦洗等工藝處理后是可以達到支撐劑工業要求，這在后期本地建廠生產的成品石英砂檢驗中得到了很好的驗證。

石西油田一帶高品質石英砂原礦的破碎率檢測結果在10%附近（應力28 MPa），若采用中石油企業標準Q/SY 17125—2019，將大幅度降低本地砂的生產成本，減少儲層改造投入。

4.2 生產工藝

石英砂生產過程中清除其原礦中含有的雜質，獲得高純度的石英砂，從而達到工業使用要求。常用的主要設備有振動篩、脫水機、烘干爐、壓泥機等，根據不同的工藝略有不同。

根據準噶爾盆地石西油田一帶的石英砂原礦成分分析結果，使用水洗、分級脫泥法與擦洗法相結合的工藝即可清除原礦中的巖屑雜質成分。因而適合本地的生產工藝流程為：采砂→粗篩→調質擦洗→脫水→烘干→篩分→包裝。

石英砂的礦物成分及晶體結構為砂源地固有屬性，提高天然石英砂支撐劑質量的關鍵是控制成品砂的粒徑分布及砂表層處理工藝。同一規格石英砂粒徑分布為正態分布時，其抗壓強度基本相同；接近其粒徑下限且分布較為分散時，測得的破碎率值較大。石英砂粒徑分布不僅影響破碎率，對人工裂縫充填支撐后的導流能力影響更大，由于壓實作用，同一規格不同粒徑分布的石英砂導流能力變化較大。因而石英砂生產工藝中應更注重篩分工序，可采用多級、多次篩分處理，直至符合要求。

5 石英砂替代過程中的監督管理

石英砂替代陶粒的研究、試驗評價、應用分析是質量監督管理的依據，是制定監管方案的有力保障。同時，石英砂大規模現場應用對監督管理帶來了挑戰。基于此，新疆油田制定了提質增效的配套監督管理方案，主要包含以下幾個方面。

5.1 壓裂設計合理性監管

壓裂設計是管控的根本所在，是施工方案、壓后效果、降本增效的統一體。但由于其專業性很強，在監督管理中往往照本宣科，沒有從源頭入手。

引入“設計管理”理念，確定設計監管的核心是提高單井EUR和降低單井工程費用，目標是最大化的投入產出比，明確要解決非常規開發中的成本收益問題，同時對改造規模與產量、材料（人員）投入與效果、技術研發（試驗）與收益等限制因素進行權衡，使設計更好地為油田的戰略目標服務。新疆油田對設計的管控體現在3個方面。

1）設計方：根據油藏特征，制定最優的儲層改造方案，評價其可行性及實施效果，同時監督技術方案落實情況，根據現場實施問題調整參數。

2）建設方：根據投資管控要點，控制單井投入成本，協同設計方合理調整單井、區塊設計，控制投資，同時對設計實施進行全程監督。

3）施工方：保證設計落到實處，推進施工進度，避免復雜事故，減少非正常施工時間，嚴格控制預算。

多方參與設計管控，制定相應的制度規定，分工明確，崗位責權清晰。管控的源頭及重點在方案制定階段，但設計實施階段的監管最為繁瑣，涉及人員多、設備復雜、問題多樣，充分發揮專業監督的作用最為重要。

專業監督應參與設計方案制定、實施、變更的全過程，對壓裂改造思路、成本控制方法、現場施工管理有整體的認識。這樣才能對材料性能、復雜事故有整體的把握，從而對癥下藥，合理監管。

5.2 砂源本地化監管

前期研究表明，使用石西一帶的本地砂源能夠滿足新疆油田非常規開發的需求，且大幅度降低了改造費用。通過加大監管力度保證入井石英砂的質量，能夠提升壓裂效果。新疆油田對砂源本地化管控體現在4個方面。

1）實行準入制度：對石英砂本地生產廠進行質量認可和準入審查，對產品質量資質和質量保證能力進行監督。在評審時專家組對礦源、生產設備、技術資源、質量管理體系、產品過程控制等多方面進行考核打分，優先推薦具有先進工藝、成品質量穩定、保障能力強的生產廠商。

2）實行專項監督制度：對石英砂產品質量要求、到貨物資驗收和檢驗、不合格的處理、合同履行情況等進行不定期專項檢查。專項檢查的重點在倉儲物流、標準執行、不合格品清退、問題整改、用量核實等多方面，強調石英砂使用過程中的細節把控。

3）實行質量檢驗制度：對石英砂產品質量進行定期抽樣，委托有資質或公司認可的檢驗機構進行產品質量檢驗。質量檢驗包括石英砂廠商的成品質量檢驗、出廠后每批次入庫檢驗、現場使用中的抽樣檢驗，保證石英砂性能穩定，各項指標達到設計要求。

4）實行供應商評價制度：對不符合質量管理的行為列入誠信黑名單，年度進行評審，不合格供應商進行清退，建立競爭機制，培育本地石英砂產業。

5.3 現場施工監管

非常規儲層改造采用的水平井體積壓裂，規模大、施工時間長、情況復雜多變[10]，且24 h施工，要求現場專業監督盡職盡責。新疆油田對施工現場的管控體現在以下4個方面。

1）現場抽檢：在既有入庫檢、委托檢的基礎上，對拉運至現場的石英砂按比例進行抽檢，檢驗比例不低于20%，檢驗不合格產品實行整批次清退并罰款。

2）24 h監督：專業監督實行24 h兩班倒，現場緊盯設計落實，協調施工運行，完整記錄石英砂入場量、入井量及質量檢驗情況，保證實施效果。

3）視頻監控（EISC系統）：施工現場安裝攝像頭，建立網絡傳輸，將壓裂施工指揮、現場施工情況遠傳至指揮中心，實時記錄、跟蹤、處理現場問題，石英砂的使用、儲存情況一目了然。

4）現場質量實時檢測：為提高石英砂性能的穩定，采用移動現場實時檢測技術。該技術以壓裂現場快速檢測與互聯網信息實時發布為基礎，對每批次入井石英砂的關鍵指標——濁度、平均粒徑、粒徑組合、抗破碎能力進行檢驗，有效地避免了不合格石英砂入井。

現場石英砂檢測不合格立即進行處置，對不合格產品進行退換，通報質量問題，按合同考核處罰，形成有效的威懾力，杜絕僥幸心理，倒逼供應商提高產品質量。

6 結論

通過使用石英砂替代陶粒、實施砂源本地化、創新監督管理等措施，新疆油田非常規開發獲得了突破：

1）在垂深3 600～3 700 m的瑪湖1井區烏爾禾組油藏壓后單井產量較前期井提升56.6%。

2）在頁巖油已實現石英砂全區替代，最大埋深接近4 100 m。共實施63口井，3 300 m以淺49口井，以深14口井，加砂強度以3.0 t/m為主。每100 t產液壓降與3 300 m以深的陶粒井相當。其中試驗的6口井累計節約費用2 901萬元，降本增效顯著。

3）對砂源的科學評估及管理的提升，促進了本地砂廠的建設，本地石英砂大規模應用。目前在新疆油田附近已建成6家石英砂本地生產廠，現代化石英砂生產能力達50×104t/年，且產量有進一步加大的趨勢。技術提升、砂源本地化加大了新疆油田石英砂的使用范圍及用量，本地石英砂用量占比已超過60%，促使其價格也從2019年1 100元/t降到目前不足600元/t，經濟效益顯著。

4）通過推行創新管理方案，嚴監管、重落實，很好地杜絕了不合格產品的使用，保持入井材料的高合格率。