降低水力壓裂施工過程中砂堵風(fēng)險(xiǎn)的措施

江鵬川 孫曉鋒 崔國(guó)亮 張?jiān)骑w 安恒序

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)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(fēng)險(xiǎn)主要分為四大類：地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、工藝風(fēng)險(xiǎn)、管柱風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。所有風(fēng)險(xiǎn)造成的較為嚴(yán)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(xù)輸砂的過程中，因裂縫空間或輸送動(dòng)能的原因無(wú)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(fā)狀況。

砂堵一定伴隨著地面施工壓力持續(xù)升高，甚至超過地面限壓而被迫停止施工，因此高壓風(fēng)險(xiǎn)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(chǔ)能自行防噴、清空井筒，該過程具有相當(dāng)?shù)牟淮_定性，極易造成井筒內(nèi)大量沉砂堵塞井筒，進(jìn)而導(dǎo)致壓裂工具遇卡和回收困難。需要額外增加連續(xù)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(shí)長(zhǎng)和作業(yè)成本。因此，避免壓裂過程中砂堵狀況的出現(xiàn)是一項(xiàng)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(xiàn)為地層進(jìn)砂困難，最直接的表征為地面壓裂泵泵壓（以下簡(jiǎn)稱：泵壓）升高。泵壓是一個(gè)多因素復(fù)合作用后的一個(gè)綜合結(jié)果參數(shù)，因此泵壓的升高不一定是地層進(jìn)砂困難或砂堵造成的，對(duì)壓裂施工曲線的預(yù)測(cè)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(shí)際施工過程中，將現(xiàn)場(chǎng)泵壓與地面施工壓力預(yù)測(cè)曲線進(jìn)行時(shí)時(shí)對(duì)比，對(duì)預(yù)判砂堵的早期跡象具有參考意義，為避免進(jìn)一步的砂堵風(fēng)險(xiǎn)提供了寶貴的壓力區(qū)間和時(shí)間空間。

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

總應(yīng)力是唯一一個(gè)不受施工參數(shù)和壓裂介質(zhì)影響的參數(shù)，而是受儲(chǔ)層各項(xiàng)物性參數(shù)（楊氏模量、泊松比、比奧常數(shù)等）、地殼運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)應(yīng)變參數(shù)的影響。建立儲(chǔ)層應(yīng)力剖面，對(duì)模擬施工壓力十分重要。目前可以依靠常規(guī)的五大測(cè)井曲線（伽馬測(cè)井曲線、聲波測(cè)井曲線、總密度測(cè)井曲線、中子孔隙度測(cè)井曲線、電阻率測(cè)井曲線）計(jì)算出儲(chǔ)層各物性參數(shù)，再依靠小型壓裂測(cè)試的分析補(bǔ)充結(jié)果，得到精確度較高的儲(chǔ)層物性剖面。

如計(jì)算模型可得，測(cè)井資料無(wú)論多么豐富，也不可能全部提供模型計(jì)算所需的所有參量；也就是所小型壓裂測(cè)試在很大程度上時(shí)必要的。從另一方面來講，并不一定需要所謂的完整的測(cè)井資料才能建立應(yīng)力剖面，當(dāng)然測(cè)井資料越豐富越方便處理和分析，當(dāng)缺失某些參量時(shí)，壓裂軟件可以根據(jù)內(nèi)置的相關(guān)性和數(shù)學(xué)方法加以補(bǔ)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(zhǔn)確的摩阻數(shù)據(jù)庫(kù)，一般在壓裂軟件數(shù)據(jù)庫(kù)里就可以直接調(diào)用。新型的壓裂液體系摩阻除前期實(shí)驗(yàn)檢測(cè)和理論公式計(jì)算摩阻外，還可以利用井下壓力計(jì)與地面壓力計(jì)監(jiān)測(cè)的參數(shù)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(cè)試可以精確求?。混o液柱壓力只與液體比重和垂深有關(guān)，易于求取。

圖1 利用井下壓力計(jì)進(jìn)行新型壓裂液摩阻校核

當(dāng)所有相關(guān)變量參數(shù)通過上述方法求得后，將參數(shù)錄入到壓裂模擬軟件（如GoHFER、Meyer等），將泵注程序按設(shè)計(jì)錄入，運(yùn)行軟件，就能得到相對(duì)可靠的壓裂施工泵壓預(yù)測(cè)曲線（如圖2）。該曲線對(duì)后續(xù)施工具有預(yù)判和指導(dǎo)意義。當(dāng)實(shí)際施工時(shí)的泵壓曲線背離該泵壓預(yù)測(cè)曲線時(shí)，就應(yīng)該警惕可能出現(xiàn)的砂堵狀況，進(jìn)而采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

圖2 施工泵壓預(yù)測(cè)曲線

3 砂堵跡象的現(xiàn)場(chǎng)處理措施

壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)出現(xiàn)實(shí)際泵壓曲線與模擬曲線出現(xiàn)偏離時(shí)，尤其是實(shí)際泵壓曲線值大于模擬曲線值且趨勢(shì)逐漸變大沒有緩解的跡象時(shí)，應(yīng)立即啟動(dòng)相關(guān)應(yīng)急處理措施，進(jìn)最大可能避免砂堵的發(fā)生進(jìn)而造成更嚴(yán)重的后果。常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)處理措施一般分為早、中、晚期三個(gè)階段，相應(yīng)的應(yīng)對(duì)處理措施也分為三級(jí)：

一級(jí)措施：當(dāng)支撐劑進(jìn)入地層后的某一階段，實(shí)際泵壓曲線走向向上背離模擬曲線時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)一級(jí)措施操作。保持當(dāng)前的泵注程序不變，不再繼續(xù)提高砂比的同時(shí)，排除一切可能引起泵壓上升的非儲(chǔ)層因素（如排量、壓裂液交聯(lián)狀況、數(shù)采設(shè)備誤差等）。當(dāng)所有非儲(chǔ)層因素排除后，就需要將此壓力異常升高預(yù)判為儲(chǔ)層因素。繼續(xù)保持觀察，當(dāng)壓力升高的同時(shí)，由于對(duì)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(shì)有可能自行緩解，見圖3。

圖3 砂堵一級(jí)措施示例圖

二級(jí)措施：當(dāng)實(shí)際壓力抬升趨勢(shì)明顯，且超過泵壓預(yù)測(cè)曲線值的15%～20%時(shí)，應(yīng)采取二級(jí)措施，降低砂比或提高施工排量，這兩個(gè)措施各有利弊，可單獨(dú)使用也可結(jié)合使用。降低砂比對(duì)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(jìn)砂困難的同時(shí)，也會(huì)進(jìn)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(jí)措施示例

三級(jí)措施：當(dāng)實(shí)際壓力繼續(xù)抬升，且超過泵壓預(yù)測(cè)曲線值的30%時(shí)（具體還應(yīng)結(jié)合限壓值決定），應(yīng)采取三級(jí)措施，停砂頂替，當(dāng)壓力接近限壓時(shí)，可適當(dāng)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(jìn)地層。后續(xù)壓力穩(wěn)定后，可再次嘗試低砂比泵注，見圖5。

圖5 砂堵三級(jí)措施示例

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）對(duì)壓裂施工泵壓曲線模擬對(duì)壓裂施工具有前瞻性、預(yù)判性和指導(dǎo)性。提高泵壓曲線模擬的準(zhǔn)確性，應(yīng)努力在對(duì)儲(chǔ)層應(yīng)力剖面精確建立、小型壓裂測(cè)試的準(zhǔn)確分析和壓裂液性質(zhì)的穩(wěn)定性等方面進(jìn)行研究。

（2）針對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量不高或小型壓裂測(cè)試結(jié)果不明確的情況，在對(duì)泵壓曲線模擬圖進(jìn)行分析時(shí)，不必過多在意泵壓數(shù)值，而應(yīng)該把重點(diǎn)放在泵壓曲線變化的趨勢(shì)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(fā)生的，在早期往往有所表征。及時(shí)捕捉砂堵的早期跡象，在不同階段采取相應(yīng)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(xiàn)為地層進(jìn)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(dāng)?shù)臅r(shí)候采取降低砂比、提高排量、停砂頂替等措施。