頁(yè)巖氣井滑溜水連續(xù)加砂技術(shù)研究與應(yīng)用

張群雙，劉曉宇，盧家孝

1捷貝通石油技術(shù)集團(tuán)股份有限公司，四川 成都

2中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司，天津

1. 前言

隨著頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣藏開發(fā)的興起，滑溜水壓裂液因其具有低黏度、低摩阻、低傷害、低成本、易進(jìn)入微細(xì)孔縫、波及體積大，以及獲得了比凝膠壓裂液更好的增產(chǎn)效果等特性，應(yīng)用越來越廣泛，用量越來越巨大，相關(guān)研究也越來越深入。R. S. Schols [1]利用透明平行玻璃板對(duì)不同影響因素下支撐劑的鋪置規(guī)律進(jìn)行了研究，并將砂堤的形成過程分為3 個(gè)階段。Palisch [2]認(rèn)為滑溜水壓裂形成的裂縫較窄，支撐劑輸送困難，裂縫中支撐劑沉降規(guī)律不確定，滑溜水壓裂需要超低密度高強(qiáng)度支撐劑。2015年溫慶志[3]，自主設(shè)計(jì)了大型可視平板裂縫模擬系統(tǒng)，研究了不同支撐劑密度下滑溜水的攜砂性能及支撐劑在裂縫中的沉降運(yùn)移規(guī)律。2018 年張爭(zhēng)[4]設(shè)計(jì)研發(fā)了“水力壓裂裂縫與射孔模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”裝置研究了不同攜砂液進(jìn)口位置對(duì)壓裂裂縫內(nèi)滑溜水?dāng)y砂輸送的影響規(guī)律，以及從數(shù)值模擬角度研究了裂縫內(nèi)滑溜水?dāng)y砂固-液兩相輸送規(guī)律。目前，這些研究多在室內(nèi)試驗(yàn)和理論方面開展，沒有把理論與現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工實(shí)踐相結(jié)合，就全程低粘滑溜水連續(xù)加砂技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方面提供了一定的指導(dǎo)意義。

2. 滑溜水?dāng)y砂規(guī)律研究

2.1. 滑溜水加砂模式

滑溜水加砂模式主要有段塞式加砂和連續(xù)式加砂，段塞式加砂包括短段塞式加砂和長(zhǎng)短組合段塞加砂，連續(xù)式加砂包括一段式連續(xù)加砂和多段式連續(xù)加砂，如圖1。連續(xù)式加砂的優(yōu)勢(shì)有四個(gè)方面：1) 提高了液體效率。幾乎不用液塞或液塞很少，減少了液體浪費(fèi)。2) 大幅提高加砂量。由于是連續(xù)加砂，單段加砂量得到大幅增加。3) 提高現(xiàn)場(chǎng)決策安全。消除了混砂液柱和凈液柱交替變化所引起的壓力上下波動(dòng)變化，地層反應(yīng)更加直觀，有利于現(xiàn)場(chǎng)判斷和決策。4) 提高壓裂效果。據(jù)油氣田統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，壓裂效果與加砂規(guī)模存在一定的正相關(guān)關(guān)系，提高單段和單井的加砂量，更大概率上能獲得高產(chǎn)。

Figure 1. Different sanding patterns with slick-water圖1. 滑溜水不同加砂模式圖

2.2. 滑溜水?dāng)y砂規(guī)律

滑溜水黏度小，攜砂能力差，施工中多使用大排量進(jìn)行攜砂[5]，該特征決定了支撐劑在壓裂液中的沉降及運(yùn)移規(guī)律勢(shì)必不同于傳統(tǒng)的高黏度胍膠壓裂液，湍流強(qiáng)度、流固耦合等可能成為此時(shí)主要的影響因素。

滑溜水?dāng)y砂規(guī)律與交聯(lián)液攜砂規(guī)律有很大不同。傳統(tǒng)交聯(lián)液加砂，液體黏度高，懸浮性好，沉降較慢，先泵入的支撐劑向裂縫端部運(yùn)移，后泵入的支撐劑逐步向縫口沉降堆積；如果采取段塞式加砂，將可能出現(xiàn)支撐劑鋪置不連續(xù)的情況。而滑溜水加砂，液體黏度低，沉降較快，先泵入的支撐劑在縫口附近首先堆積，裂縫截面減小，流速變大，攜帶后泵入的支撐劑向縫端滾動(dòng)運(yùn)移和沉降，使得后泵入的支撐劑覆蓋前面形成的砂堤，逐步向縫端堆積；如果采取段塞式加砂，支撐劑鋪置仍然是一個(gè)連續(xù)剖面，如圖2?？梢?，滑溜水加砂無論是段塞式還是連續(xù)加砂，支撐劑鋪置都是層疊的連續(xù)剖面。

Figure 2. Profile of proppant placement with different fracturing fluids圖2. 不同壓裂液攜砂支撐劑鋪置剖面圖

通過大型可視化平板裂縫系統(tǒng)進(jìn)行滑溜水?dāng)y砂規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，平板裂縫內(nèi)砂堤的形成有三個(gè)階段[6][7]：第一階段(圖4 中t1～t5)，在離注入口一定水平距離的位置，出現(xiàn)砂堤高峰，且高度逐漸升高，直到達(dá)到平衡高度; 第二階段(圖4 中t6～t8)，砂堤在水平長(zhǎng)度上增長(zhǎng)緩慢，主要是填補(bǔ)砂堤與平衡高度間的高度差；第三階段(圖4 中t9～t12)，砂堤主要是在長(zhǎng)度上增加，持續(xù)注入的支撐劑被攜帶到裂縫端部。如圖3、圖4。圖3 是試驗(yàn)室實(shí)拍圖，圖4 為模擬圖。

Figure 3. Visualization of sand dike shape at different time in flat slab fracture system圖3. 可視化平板裂縫系統(tǒng)中不同時(shí)間的砂堤形態(tài)

Figure 4. Sand dyke formed by slick-water carrying sand at different times圖4. 在不同時(shí)間滑溜水?dāng)y砂形成的砂堤剖面

3. 滑溜水連續(xù)加砂工藝研究

可視化平板裂縫系統(tǒng)展現(xiàn)的是理想裂縫中滑溜水?dāng)y砂規(guī)律，對(duì)于實(shí)際地層中，裂縫是不規(guī)則的、不光滑的、動(dòng)態(tài)變化的，砂堤剖面形態(tài)會(huì)更復(fù)雜，加砂過程中存在著壓力持續(xù)上升，壓力安全窗口變窄，甚至砂堵的情況，因此有必要從儲(chǔ)層性質(zhì)和工藝參數(shù)兩方面因素進(jìn)行滑溜水連續(xù)加砂成功率的分析。

3.1. 連續(xù)加砂成功率影響因素分析

3.1.1. 儲(chǔ)層性質(zhì)影響因素

1) 脆性指數(shù)

高脆性是評(píng)價(jià)非常規(guī)油氣儲(chǔ)層可壓性非常重要的一個(gè)參數(shù)[8]。壓裂高脆性儲(chǔ)層時(shí)，地層易于破裂，很容易建立設(shè)計(jì)排量，破裂后壓力降明顯，裂縫延伸也較順利，壓力曲線呈平穩(wěn)或下降趨勢(shì)，連續(xù)加砂成功率高。

目前脆性指數(shù)計(jì)算方法常用的有礦物脆性指數(shù)BI′和力學(xué)脆性指數(shù)BI″兩種。

式中，BI′——礦物脆性指數(shù)，%；1W——石英含量，%；2W——方解石含量，%；3W——泥巖含量，BI′——力學(xué)脆性指數(shù)，%；%；E——楊氏模量，MPa；μ——泊松比，無因次。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不完全統(tǒng)計(jì)(圖5)，通常礦物脆性指數(shù)不小于50%，力學(xué)脆性指數(shù)不小60%，滑溜水連續(xù)加砂成功率高。

2) 地應(yīng)力

最小主應(yīng)力越小，施工壓力越低，安全壓力窗口越大，連續(xù)加砂可調(diào)控的空間越大，成功率也越高。主應(yīng)力差異系數(shù)越小，越有利于形成復(fù)雜裂縫，同時(shí)壓裂液造縫過程中阻力變化幅度也越小，越有利于安全實(shí)施滑溜水連續(xù)加砂。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)(圖5)，通常主應(yīng)力差異系數(shù)不大于0.3 的儲(chǔ)層，滑溜水連續(xù)加砂成功率高。

3) 斷裂韌性

斷裂韌性是一項(xiàng)表征裂縫延伸難易程度的重要因素，儲(chǔ)層的斷裂韌性值越小，水力裂縫對(duì)巖石的穿透能力越強(qiáng)，地層的可壓性程度越高。斷裂韌性依據(jù)線彈性力學(xué)分為三種類型，分別為張開型(I 型)、錯(cuò)開型(II 型)和撕開型(III 型)，在頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂改造過程中主要以I 型和II 型為主[9]，通常I 型斷裂韌性不大于0.80，II 型斷裂韌性不大于0.9，滑溜水連續(xù)加砂成功率高(圖5)。

4) 天然裂縫

天然裂縫對(duì)連續(xù)加砂成功率的影響比較復(fù)雜。天然裂縫處于不同的特性，如滿充填、半充填和無充填；微縫、細(xì)縫、中縫、大縫、洞縫；單縫、散縫、裂縫帶；與人工裂縫斜交、疊交、不相交等，都會(huì)有不同程度的影響。充填越滿，縫級(jí)別越小，縫規(guī)模越小，與人工裂縫相交越少，對(duì)于施工壓力的波動(dòng)影響越小，但同時(shí)對(duì)于形成復(fù)雜縫支撐也最不利。據(jù)西南某區(qū)塊統(tǒng)計(jì)，36 口頁(yè)巖氣共計(jì)805 段壓裂施工砂堵11 次，其中由于天然裂縫發(fā)育影響為6 次，占比54.6%。

Figure 5. Continuous carrying sand construction and related parameter statistics圖5. 連續(xù)加砂施工及相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.1.2. 工藝參數(shù)影響因素

1) 施工排量可視化平板裂縫系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果表明，施工排量越高，平衡高度越小，砂堤前緣距離越大，砂堤前緣高度越小，平衡時(shí)間越短[6]，如圖6。即在人工裂縫參數(shù)相同的情況下，施工排量越高，裂縫過砂截面積越大，砂堤前緣空間越大，越有利于滑溜水連續(xù)加砂。

Figure 6. Sand dike parameters under different construction discharge圖6. 不同施工排量下的砂堤參數(shù)

2) 支撐劑規(guī)格

支撐劑粒徑越大、密度越大，顆粒重力也越大，沉降速度也越快，砂堤前緣距離越小，砂堤前緣高度越大，砂堤平衡高度也越大，平衡時(shí)間越短[10]，越不利于支撐劑向遠(yuǎn)處鋪置，如圖7、圖8。即在人工裂縫參數(shù)相同的情況下，支撐劑粒徑越小、密度越小，裂縫過砂截面積越大，砂堤前緣空間越大，砂堤高度越晚達(dá)到平衡，越有利于滑溜水連續(xù)加砂。

Figure 7. Sand dike parameters under different proppant particle size圖7. 不同支撐劑粒徑下的砂堤參數(shù)

Figure 8. Sand dike parameters under different proppant density圖8. 不同支撐劑密度下的砂堤參數(shù)

3) 施工砂比

多顆粒支撐劑在壓裂液中沉降時(shí)，顆粒間存在相互干擾作用，每個(gè)支撐劑沉降時(shí)均會(huì)促使周圍的液體向上運(yùn)動(dòng)，阻礙了附近支撐劑顆粒的沉降，且砂比越高這種阻礙作用越強(qiáng)，使得支撐劑顆粒受到清水的浮力及黏滯阻力增大，沉降速度減少，水平方向有更多的運(yùn)移時(shí)間。因此，隨砂比的增加，砂堤整體向裂縫前端推移，砂堤前緣距離增大，砂堤前緣高度增大，砂堤平衡高度增大，平衡時(shí)間減短，如圖9。壓裂施工時(shí)，砂比應(yīng)階梯式逐級(jí)提砂比，防止出現(xiàn)砂比太大，裂縫內(nèi)的過流截面不能滿足高砂比的順利輸送，就會(huì)打破砂堤高度上的平衡，從而出現(xiàn)過堆積的現(xiàn)象，進(jìn)一步減小過流面積，增加堆積，從而導(dǎo)致砂堵的發(fā)生。

Figure 9. Sand dike parameters under different sand ratio圖9. 不同砂比下的砂堤參數(shù)

3.2. 滑溜水連續(xù)加砂工藝實(shí)施

滑溜水連續(xù)加砂工藝按以下步驟實(shí)施：

1) 井層分析。對(duì)具體井層的特點(diǎn)及改造目標(biāo)進(jìn)行分析。

2) 成功率預(yù)判。進(jìn)行連續(xù)加砂成功率預(yù)判。

3) 連續(xù)加砂方案優(yōu)化?；锼B續(xù)加砂方案優(yōu)化。

4) 現(xiàn)場(chǎng)決策。

3.2.1. 井層分析

對(duì)具體井層，按滑溜水連續(xù)加砂成功率影響因素分項(xiàng)進(jìn)行分析，獲取相關(guān)的參數(shù)數(shù)據(jù)。

3.2.2. 成功率預(yù)判

根據(jù)滑溜水連續(xù)加砂成功率影響因素分析，可以制成一個(gè)圖版，以便進(jìn)行成功率預(yù)判。

從左下角到右上角，隨著施工排量(9～17 m3/min)逐漸增大、支撐劑粒徑(100 目～20/40 目)逐漸變小、粉砂占比(20%～100%)逐漸提高、支撐劑密度(1.35～1.75 kg/m3)逐漸減小，連續(xù)加砂的儲(chǔ)層適用范圍也逐漸增大(礦物/力學(xué)脆性指數(shù)和主應(yīng)力這兩個(gè)參數(shù)值的適應(yīng)下限可以逐漸提高，斷裂韌性參數(shù)值的適應(yīng)上限可以逐漸提高，天然裂縫不利影響可以逐漸放寬)，成功率增大，加砂量增加，如圖10。

3.2.3. 連續(xù)加砂方案優(yōu)化

根據(jù)滑溜水連續(xù)加砂圖版(圖9)，合理優(yōu)化連續(xù)加砂施工參數(shù)。在保證合適的安全壓力窗口的情況下，盡可能地提高施工排量，前中期多采用小粒徑、低密度的支撐劑，且砂比應(yīng)階梯式逐級(jí)緩慢提高，便能夠成功地實(shí)施全程低粘滑溜水連續(xù)加砂。

3.2.4. 現(xiàn)場(chǎng)決策

現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工時(shí)，是否能順利采用滑溜水連續(xù)加砂，可以從地面泵壓波動(dòng)情況來進(jìn)行預(yù)判，預(yù)判的關(guān)鍵點(diǎn)有下面三個(gè)，如圖11：

1) 建立排量較易。正常施工后1～2 min 內(nèi)便能快速提高到設(shè)計(jì)排量，且地層破裂壓力平穩(wěn)后有5 MPa以上的壓力安全窗口。

2) 地層破裂明顯。達(dá)到設(shè)計(jì)排量后，地層破裂明顯，壓力降幅度較大，達(dá)到3 MPa 以上。

3) 提砂比順利。在正常階梯式逐級(jí)緩慢提砂比過程中，壓力無較大波動(dòng)，整體呈平緩、向下或緩慢上升越勢(shì)。如出現(xiàn)壓力上漲，應(yīng)及時(shí)做降砂比措施處理，待壓力平穩(wěn)后再試探小幅提高砂比。

Figure 10. Chart of slick-water continuous carrying sand圖10. 滑溜水連續(xù)加砂圖版

Figure 11. Prediction of continuous carrying sand on site圖11. 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施連續(xù)加砂措施預(yù)判

4. 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

西南某頁(yè)巖氣區(qū)塊，目前現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)開始推廣應(yīng)用全程低粘滑溜水連續(xù)加砂技術(shù)，通過工藝參數(shù)上的不斷優(yōu)化，加砂量大幅提升，適用的井層也越來越多，現(xiàn)在單段加砂量最高已經(jīng)達(dá)到了312 m3。在A 平臺(tái)選擇1 井、2 井進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，A1 井以段塞式加砂為主(如圖12)，在A2 井以連續(xù)加砂為主(如圖13)，都以第8 段壓裂曲線舉例。

Figure 12. Construction curve of slug sanding in A1 well圖12. A1 井段塞式加砂施工曲線

Figure 13. Construction curve of continuous carryings and in well A2圖13. A2 井連續(xù)加砂施工曲線

通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)可以看出，連續(xù)加砂模式使得平均單段加砂量提高了67.4%，加砂強(qiáng)度提高了60%，測(cè)試產(chǎn)量高出58.7%，很好的實(shí)現(xiàn)了控液提砂提效目標(biāo)。見表1。

Table 1. Parameter table of different sand adding modes applied in different wells on the same platform表1. 同平臺(tái)不同井應(yīng)用不同加砂模式參數(shù)表

5. 結(jié)論

1) 滑溜水加砂模式主要有段塞式加砂和連續(xù)式加砂，后者在提高液體效率、提高加砂量、提高現(xiàn)場(chǎng)決策安全和提高壓裂效果上存在較大的優(yōu)勢(shì)。

2) 滑溜水加砂無論是段塞式還是連續(xù)加砂，支撐劑鋪置都是層疊的連續(xù)剖面，但連續(xù)加砂可以大幅提高單段和單井加砂量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看對(duì)于提高頁(yè)巖氣井單井產(chǎn)量有幫助作用。

3) 儲(chǔ)層性質(zhì)和工藝參數(shù)間存在最優(yōu)匹配，優(yōu)化工藝參數(shù)可以提高連續(xù)加砂適應(yīng)儲(chǔ)層的范圍；伴隨壓裂工藝的優(yōu)化升級(jí)，頁(yè)巖氣開發(fā)的核心理念已經(jīng)轉(zhuǎn)變成“細(xì)分切割、長(zhǎng)段多簇、暫堵勻擴(kuò)、控液提砂”：簇間距從原來的20～25 m 逐漸縮短到4～9 m，簇?cái)?shù)從常規(guī)的單段3 簇逐漸到單段6～8 簇，粉砂占比從30%逐漸提高到70%～100%，用液強(qiáng)度從原來的36 m3/m 逐漸減小到25 m3/m，加砂強(qiáng)度從1.5 m3/m 逐漸提高到4.3 m3/m，單段加砂量從70～90 m3逐漸提高到最高312 m3，相應(yīng)的單井產(chǎn)量過百萬方的井次也在逐漸增多，這在一定程度上要得益于全程低粘滑溜水連續(xù)加砂技術(shù)的應(yīng)用。