降低水力壓裂施工過程中砂堵風險的措施

江鵬川 孫曉鋒 崔國亮 張云飛 安恒序

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津 300452

1 砂堵形成的原因和危害

在水力壓裂施工過程中，風險主要分為四大類：地質風險、工藝風險、管柱風險和設備風險。所有風險造成的較為嚴重的后果之一就是砂堵。砂堵在工程上的定義為，在向裂縫持續輸砂的過程中，因裂縫空間或輸送動能的原因無法將支撐劑順利輸送至裂縫，造成支撐劑在井筒堵塞的一種突發狀況。

砂堵一定伴隨著地面施工壓力持續升高，甚至超過地面限壓而被迫停止施工，因此高壓風險是砂堵最直接和不可避免的。在砂堵造成壓裂施工被迫中斷后，需依靠地層儲能自行防噴、清空井筒，該過程具有相當的不確定性，極易造成井筒內大量沉砂堵塞井筒，進而導致壓裂工具遇卡和回收困難。需要額外增加連續油管沖砂、切割管柱、打撈等諸多工作程序，大大增加了壓裂施工時長和作業成本。因此，避免壓裂過程中砂堵狀況的出現是一項極其重要工作。

2 壓裂施工泵壓曲線模擬及意義

砂堵初期，往往是表現為地層進砂困難，最直接的表征為地面壓裂泵泵壓（以下簡稱：泵壓）升高。泵壓是一個多因素復合作用后的一個綜合結果參數，因此泵壓的升高不一定是地層進砂困難或砂堵造成的，對壓裂施工曲線的預測即是考慮了多種因素綜合影響后輸出的一條施工地面壓力曲線。在實際施工過程中，將現場泵壓與地面施工壓力預測曲線進行時時對比，對預判砂堵的早期跡象具有參考意義，為避免進一步的砂堵風險提供了寶貴的壓力區間和時間空間。

影響泵壓的因素有儲層最小水平主應力（以下簡稱：總應力）、靜液柱壓力、管柱摩阻、射孔摩阻、近井摩阻、凈壓力等。

總應力是唯一一個不受施工參數和壓裂介質影響的參數，而是受儲層各項物性參數（楊氏模量、泊松比、比奧常數等）、地殼運動和結構應變參數的影響。建立儲層應力剖面，對模擬施工壓力十分重要。目前可以依靠常規的五大測井曲線（伽馬測井曲線、聲波測井曲線、總密度測井曲線、中子孔隙度測井曲線、電阻率測井曲線）計算出儲層各物性參數，再依靠小型壓裂測試的分析補充結果，得到精確度較高的儲層物性剖面。

如計算模型可得，測井資料無論多么豐富，也不可能全部提供模型計算所需的所有參量；也就是所小型壓裂測試在很大程度上時必要的。從另一方面來講，并不一定需要所謂的完整的測井資料才能建立應力剖面，當然測井資料越豐富越方便處理和分析，當缺失某些參量時，壓裂軟件可以根據內置的相關性和數學方法加以補充。

管柱摩阻受液體性能影響較大，市面上成熟的壓裂液都有比較準確的摩阻數據庫，一般在壓裂軟件數據庫里就可以直接調用。新型的壓裂液體系摩阻除前期實驗檢測和理論公式計算摩阻外，還可以利用井下壓力計與地面壓力計監測的參數求的（如圖1）。此外，射孔摩阻、近井摩阻和凈壓力通過小型壓裂測試可以精確求取；靜液柱壓力只與液體比重和垂深有關，易于求取。

圖1 利用井下壓力計進行新型壓裂液摩阻校核

當所有相關變量參數通過上述方法求得后，將參數錄入到壓裂模擬軟件（如GoHFER、Meyer等），將泵注程序按設計錄入，運行軟件，就能得到相對可靠的壓裂施工泵壓預測曲線（如圖2）。該曲線對后續施工具有預判和指導意義。當實際施工時的泵壓曲線背離該泵壓預測曲線時，就應該警惕可能出現的砂堵狀況，進而采取相應的應對措施。

圖2 施工泵壓預測曲線

3 砂堵跡象的現場處理措施

壓裂施工現場當出現實際泵壓曲線與模擬曲線出現偏離時，尤其是實際泵壓曲線值大于模擬曲線值且趨勢逐漸變大沒有緩解的跡象時，應立即啟動相關應急處理措施，進最大可能避免砂堵的發生進而造成更嚴重的后果。常規現場處理措施一般分為早、中、晚期三個階段，相應的應對處理措施也分為三級：

一級措施：當支撐劑進入地層后的某一階段，實際泵壓曲線走向向上背離模擬曲線時，應啟動一級措施操作。保持當前的泵注程序不變，不再繼續提高砂比的同時，排除一切可能引起泵壓上升的非儲層因素（如排量、壓裂液交聯狀況、數采設備誤差等）。當所有非儲層因素排除后，就需要將此壓力異常升高預判為儲層因素。繼續保持觀察，當壓力升高的同時，由于對地層的作用力增大，可能壓開新縫或增加原有裂縫寬度，該壓力抬升趨勢有可能自行緩解，見圖3。

圖3 砂堵一級措施示例圖

二級措施：當實際壓力抬升趨勢明顯，且超過泵壓預測曲線值的15%～20%時，應采取二級措施，降低砂比或提高施工排量，這兩個措施各有利弊，可單獨使用也可結合使用。降低砂比對緩解砂堵具有滯后性，而提高排量措施在立即增加縫寬緩解進砂困難的同時，也會進一步抬升施工泵壓，使其更接近限壓值，見圖4。

圖4 砂堵二級措施示例

三級措施：當實際壓力繼續抬升，且超過泵壓預測曲線值的30%時（具體還應結合限壓值決定），應采取三級措施，停砂頂替，當壓力接近限壓時，可適當降低排量，留出操作空間，將井筒中的陶粒盡可能多的頂替進地層。后續壓力穩定后，可再次嘗試低砂比泵注，見圖5。

圖5 砂堵三級措施示例

4 結束語

（1）對壓裂施工泵壓曲線模擬對壓裂施工具有前瞻性、預判性和指導性。提高泵壓曲線模擬的準確性，應努力在對儲層應力剖面精確建立、小型壓裂測試的準確分析和壓裂液性質的穩定性等方面進行研究。

（2）針對測井數據質量不高或小型壓裂測試結果不明確的情況，在對泵壓曲線模擬圖進行分析時，不必過多在意泵壓數值，而應該把重點放在泵壓曲線變化的趨勢上，以此來判斷砂堵的早期跡象。

（3）水力壓裂施工過程中，砂堵往往不是突然發生的，在早期往往有所表征。及時捕捉砂堵的早期跡象，在不同階段采取相應的措施，盡可能避免砂堵狀況的最終形成。

（4）砂堵的早期特征表現為地層進砂困難，該階段的處理措施是在排除非地層因素的干擾后，在適當的時候采取降低砂比、提高排量、停砂頂替等措施。