降低水力压裂施工过程中砂堵风险的措施

江鹏川 孙晓锋 崔国亮 张云飞 安恒序

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452

1 砂堵形成的原因和危害

在水力压裂施工过程中，风险主要分为四大类：地质风险、工艺风险、管柱风险和设备风险。所有风险造成的较为严重的后果之一就是砂堵。砂堵在工程上的定义为，在向裂缝持续输砂的过程中，因裂缝空间或输送动能的原因无法将支撑剂顺利输送至裂缝，造成支撑剂在井筒堵塞的一种突发状况。

砂堵一定伴随着地面施工压力持续升高，甚至超过地面限压而被迫停止施工，因此高压风险是砂堵最直接和不可避免的。在砂堵造成压裂施工被迫中断后，需依靠地层储能自行防喷、清空井筒，该过程具有相当的不确定性，极易造成井筒内大量沉砂堵塞井筒，进而导致压裂工具遇卡和回收困难。需要额外增加连续油管冲砂、切割管柱、打捞等诸多工作程序，大大增加了压裂施工时长和作业成本。因此，避免压裂过程中砂堵状况的出现是一项极其重要工作。

2 压裂施工泵压曲线模拟及意义

砂堵初期，往往是表现为地层进砂困难，最直接的表征为地面压裂泵泵压（以下简称：泵压）升高。泵压是一个多因素复合作用后的一个综合结果参数，因此泵压的升高不一定是地层进砂困难或砂堵造成的，对压裂施工曲线的预测即是考虑了多种因素综合影响后输出的一条施工地面压力曲线。在实际施工过程中，将现场泵压与地面施工压力预测曲线进行时时对比，对预判砂堵的早期迹象具有参考意义，为避免进一步的砂堵风险提供了宝贵的压力区间和时间空间。

影响泵压的因素有储层最小水平主应力（以下简称：总应力）、静液柱压力、管柱摩阻、射孔摩阻、近井摩阻、净压力等。

总应力是唯一一个不受施工参数和压裂介质影响的参数，而是受储层各项物性参数（杨氏模量、泊松比、比奥常数等）、地壳运动和结构应变参数的影响。建立储层应力剖面，对模拟施工压力十分重要。目前可以依靠常规的五大测井曲线（伽马测井曲线、声波测井曲线、总密度测井曲线、中子孔隙度测井曲线、电阻率测井曲线）计算出储层各物性参数，再依靠小型压裂测试的分析补充结果，得到精确度较高的储层物性剖面。

如计算模型可得，测井资料无论多么丰富，也不可能全部提供模型计算所需的所有参量；也就是所小型压裂测试在很大程度上时必要的。从另一方面来讲，并不一定需要所谓的完整的测井资料才能建立应力剖面，当然测井资料越丰富越方便处理和分析，当缺失某些参量时，压裂软件可以根据内置的相关性和数学方法加以补充。

管柱摩阻受液体性能影响较大，市面上成熟的压裂液都有比较准确的摩阻数据库，一般在压裂软件数据库里就可以直接调用。新型的压裂液体系摩阻除前期实验检测和理论公式计算摩阻外，还可以利用井下压力计与地面压力计监测的参数求的（如图1）。此外，射孔摩阻、近井摩阻和净压力通过小型压裂测试可以精确求取；静液柱压力只与液体比重和垂深有关，易于求取。

图1 利用井下压力计进行新型压裂液摩阻校核

当所有相关变量参数通过上述方法求得后，将参数录入到压裂模拟软件（如GoHFER、Meyer等），将泵注程序按设计录入，运行软件，就能得到相对可靠的压裂施工泵压预测曲线（如图2）。该曲线对后续施工具有预判和指导意义。当实际施工时的泵压曲线背离该泵压预测曲线时，就应该警惕可能出现的砂堵状况，进而采取相应的应对措施。

图2 施工泵压预测曲线

3 砂堵迹象的现场处理措施

压裂施工现场当出现实际泵压曲线与模拟曲线出现偏离时，尤其是实际泵压曲线值大于模拟曲线值且趋势逐渐变大没有缓解的迹象时，应立即启动相关应急处理措施，进最大可能避免砂堵的发生进而造成更严重的后果。常规现场处理措施一般分为早、中、晚期三个阶段，相应的应对处理措施也分为三级：

一级措施：当支撑剂进入地层后的某一阶段，实际泵压曲线走向向上背离模拟曲线时，应启动一级措施操作。保持当前的泵注程序不变，不再继续提高砂比的同时，排除一切可能引起泵压上升的非储层因素（如排量、压裂液交联状况、数采设备误差等）。当所有非储层因素排除后，就需要将此压力异常升高预判为储层因素。继续保持观察，当压力升高的同时，由于对地层的作用力增大，可能压开新缝或增加原有裂缝宽度，该压力抬升趋势有可能自行缓解，见图3。

图3 砂堵一级措施示例图

二级措施：当实际压力抬升趋势明显，且超过泵压预测曲线值的15%～20%时，应采取二级措施，降低砂比或提高施工排量，这两个措施各有利弊，可单独使用也可结合使用。降低砂比对缓解砂堵具有滞后性，而提高排量措施在立即增加缝宽缓解进砂困难的同时，也会进一步抬升施工泵压，使其更接近限压值，见图4。

图4 砂堵二级措施示例

三级措施：当实际压力继续抬升，且超过泵压预测曲线值的30%时（具体还应结合限压值决定），应采取三级措施，停砂顶替，当压力接近限压时，可适当降低排量，留出操作空间，将井筒中的陶粒尽可能多的顶替进地层。后续压力稳定后，可再次尝试低砂比泵注，见图5。

图5 砂堵三级措施示例

4 结束语

（1）对压裂施工泵压曲线模拟对压裂施工具有前瞻性、预判性和指导性。提高泵压曲线模拟的准确性，应努力在对储层应力剖面精确建立、小型压裂测试的准确分析和压裂液性质的稳定性等方面进行研究。

（2）针对测井数据质量不高或小型压裂测试结果不明确的情况，在对泵压曲线模拟图进行分析时，不必过多在意泵压数值，而应该把重点放在泵压曲线变化的趋势上，以此来判断砂堵的早期迹象。

（3）水力压裂施工过程中，砂堵往往不是突然发生的，在早期往往有所表征。及时捕捉砂堵的早期迹象，在不同阶段采取相应的措施，尽可能避免砂堵状况的最终形成。

（4）砂堵的早期特征表现为地层进砂困难，该阶段的处理措施是在排除非地层因素的干扰后，在适当的时候采取降低砂比、提高排量、停砂顶替等措施。