长庆地区水平井压裂风险控制探讨

王金喜，郭 鹏，廖 强，赵 民，张江伟

（中国石油渤海钻探工程有限公司，天津 300283）

1 水平井压裂设计不当之处

（1）水平井压裂的地层选择不当。改造目标层位不同，压裂施工难易程度不同，地层深度、储层性能直接影响压裂设备、液体、支撑剂及人员操作技术的选择。但在现场施工过程中，往往会出现各种各样的异常情况，如果盲目地对水层进行压裂施工，会污染水层，严重时甚至造成地下水污染，油气也无法从地层里开采出来。

（2）水平井压裂施工设计不当。模拟实验研究发现，裂缝和井筒之间会形成一个夹角，裂缝长度直接影响压裂施工难易程度和开发效果，裂缝太短改造效果不好，裂缝太长对设备的要求高，同时影响邻井效果。当裂缝和井筒之间的夹角增大时，压裂水平井后产量提高，原因是随着夹角增大，裂缝之间的垂直间距增大，裂缝的横截面积增大。当井筒内压降在10%上下时，水平井的产量会下降大约30%。

2 水平井设计不合理引发的风险控制方法

首先，要研究水平段地层，根据邻井资料、该区域压裂施工过程中出现的异常情况，综合考虑该区域地层各种施工参数，对地质进行评价，制定地质依据，使用模型对油气藏进行详细分析，掌握施工规模。

其次，在压裂施工前要对设计进行多次模拟演练，选择比较合适的压裂施工参数，优化施工参数，井筒压降应在可控范围内，避免因井筒压降过大而造成工程事故。

优化设计理论包括井筒长度、测试流动时间、裂缝设计优化模型、材料优化模式、施工参数优化模式[1]。

3 水平井支撑剂和压裂液引发的风险控制方法

（1）压裂支撑剂目前是压裂施工的一种主要材料，主要通过混砂车搅拌、压裂泵车高压将压裂液携带支撑剂一起注入地层裂缝中。当人工裂缝达到设计要求时，地面的压裂泵车就陆续停泵，地面和井筒内的压裂液将停止往地层流动。停泵后，裂缝端部的砂浓度最高、井底砂浓度最低。地层裂缝会在地层力的作用下闭合，此时进入地层裂缝的支撑剂将支撑地层裂缝闭合。压开的裂缝面积得到完全支撑，在井底附近的裂缝使大颗粒支撑剂沉积，充分利用动态裂缝的宽度得到更高的裂缝导流能力，支撑剂粒径大小对裂缝的导流能力有直接影响[2]。

（2）压裂液是由多种添加剂按一定配比制成的非均质不稳定的化学体系，是对油气层进行压裂改造时使用的工作液，主要作用是将地面设备形成的高压传递到地层中，使地层破裂形成裂缝并沿裂缝输送支撑剂，压裂液的悬砂能力主要取决于其黏度。只要压裂液有较大的黏度，砂子就可以悬浮于其中，这对砂子在缝中的分布非常有利。压裂液的热稳定性和抗剪切能力较差，不利于产生宽而长的裂缝，导致压裂液的携砂能力降低，导致压裂施工不连续或终止。

（3）根据不同的设计工艺要求及压裂液的选择，一定要保证压裂液的携砂能力强、摩阻低、稳定性好、易返排，应选择耐温性能和抗剪切性能强、对地层污染少的清洁压裂液。往往有些井压裂后无效果就是由于配伍性不好。应具备一定的造缝力并使压裂后的裂缝壁面及填砂裂缝有足够的导流能力[3]。

4 砂堵引发的风险控制方法

控制砂堵引发的风险的关键是避免砂堵超压。如果是地层原因造成的超压，一般曲线呈缓慢上升状态，且后期斜率开始加速上升。如果是井筒内或近井地带超压，施工曲线呈突然陡峭上升态势。一旦出现地层内超压前兆，应迅速采取相关措施，降低砂比，适当提高排量，排量提速不要太快，以0.2 m3以内为阶段进行上提，并观察压力变化，适时调节交联比。如果压力突然上升，可立即停泵，建议快速开井口放喷，放出10.0 m3液体，再采用变排量试挤等方法，砂堵超压后继续试挤。因为造成砂堵超压的原因是地层端部脱砂导致后期支撑剂无法向前运移，结合本人近几年的现场经历，对造成砂堵的原因进行分析。

5 压裂液大量流失和人工造缝不足造成的砂堵

5.1 压裂液携砂能力差造成的砂堵

压裂液携砂能力差导致地层缝宽不够，造成高砂比阶段支撑剂无法全部进入地层，交联效果差，提前水化无法运移支撑剂，交联后黏度太高，无法剪切，在管柱内部形成砂桥。这是砂堵超压的简单成因，如果是这方面的原因再进行试挤，成功率很低，因此，建议在水平井超压后迅速进行放喷，使进入地层而无法运移的支撑剂回吐，尽量减少管柱内的沉砂，避免因试挤进一步损坏套管。如果压裂液的交联剂性能调节不达标，在压裂施工过程中携砂液会提前脱砂，造成砂堵。

5.2 压裂泵车故障导致的砂堵

当压裂施工正处于高砂比加砂过程中，压裂泵车突然发生故障不能正常使用，且现场无法及时整改时，施工停止，管柱内支撑剂下沉，还没有及时进入地层的支撑剂在管柱内堆积，造成管柱砂堵。

6 水平井预防及处理砂堵的方法

没加砂前增加前置液量，前置液加大携砂液量、提高排量、增加裂缝长度，加大加段塞期间的液量，利用加入段塞的支撑剂摩擦地层改善地层裂缝，减少支撑剂在地层里形成砂堵的机会。对于滤失严重的地层，可以在前置液阶段适当加入段塞，一旦出现压力异常，要立即停止加段塞，等顶替液量顶够、压力平稳后再加段塞。一旦加段塞期间超压，立即打开油管闸门进行放喷，依靠井筒内地层压力放出井筒内的携砂液，待出口流速变大、出口液体中没有砂子时，井放通后，关闭井口闸门，倒成压裂施工井口，立即启动地面设备从油管注入基液，顶替够一个井筒容积后看施工压力情况，压力平稳后方可进行下一步工序。

7 高压件刺漏失效风险因素及防控措施

7.1 风险因素

7.1.1 砂子

（1）过砂量较多的高压三通和高压活动弯头是高压件刺漏的高风险部位，大多数因密封件失效和流体不断冲刷有角度弯头活接、所有力量叠加，高压弯头缓冲活动节薄弱点打磨，导致高压弯头缓冲活接失效。（2）高压件本身的设计存在缺陷，同类进口高压件的使用寿命远超国产产品，没有发生严重的高压件爆裂事故，国产高压件的材质质量有待提高。

7.1.2 连接

（1）由于井场布局或高压件施工现场连接方式的局限性，在施工过程中，压裂高压管线抖动、减震效果不佳、缓冲效果不好，压裂液在地面设备高压的压力作用下，对高压件活动弯头流体区域内的弯头处冲刷不均衡，形成集中应力点，造成高压弯头处刺漏。（2）压裂酸化施工对高压件具有腐蚀作用，形成腐蚀薄弱点。（3）加砂过程中的砂堵导致管线瞬间压裂过高。（4）压裂施工时的施工压力过高，高压件长时间承受高压压力、大排量液体冲刷，造成高压件过度疲劳，使用周期缩短。

7.1.3 人员

员工对水平井压裂施工高压件失效风险的识别能力不足，高压件日常使用维护保养、连接点安全绑带固定和安全防护措施不到位。

7.1.4 管理

（1）对高压件的管理制度不完善，日常监管不到位，不能及时掌握高压件的使用情况和安全极限。（2）高压件长时间露天存放，没有定期进行维护保养，导致腐蚀生锈。 （3）地面管线连接不规范，管线连接完不是一条直线，存在高压管线高低不平等问题[4]。

7.2 安全风险防控措施

（1）从源头上管控风险，从采购到现场，对高压件材质、抗疲劳强度、抗拉强度、硬度等不同标准建立压裂高压件采购安全技术性能标准，优选高质量的高压件。

（2）建立高压件使用记录，记录过砂量、过液量、过酸量累计量和已用时间，针对高压件三通、弯头和易刺漏关键部位，选择质量好、使用寿命较长的材质。

（3）对高压件执行第三方安全质量检测制度，对高压三通、弯头等易损坏部位进行定期监测，防止不合格的高压件投入现场使用，降低现场施工风险。

8 安全措施

在井场高压施工作业区域四周设立隔离防护挡墙，一方面可阻止无关人员进入高压施工区域，另一方面可防止高压件刺漏产生的高压流体对高压刺漏部位周边人员造成伤害，高压件连接部位全部使用一体钢丝绑带环绕固定。压裂施工现场应用钢板隔离防护时，引入互联网技术，建立高压件电子码数据库，对高压件建立电子标签。通过施工现场仪表车采集录入的施工数据，分析高压件的使用寿命，实时监控高压件的使用情况，防止继续使用有问题的高压件，设置安全使用极限提前报警功能，加强高压件日常管控、及时更换高压件，有效预防高压件在施工现场发生刺漏事件，降低现场安全风险。

9 结语

水平井压裂施工风险大、危害大、成本高，根据现场经验，分析了水平井风险影响因素，并给出了防控措施和建议，可为企业水平井压裂风险识别和防控措施的制定提供参考。压力高、排量大、长时间施工已成为目前水平井压裂施工作业的常态化方式，容易导致高压件超过疲劳极限，例如当工作压力为100 MPa时，刺漏流体最大速度可达460 m/s，影响范围达100 m，距刺漏点1 m处的流速为260 m/s，打击压力可达3 500 MPa，远超钢材抗剪切强度。因此，在水平井压裂施工作业过程中，严禁人员进入高压区。