長(zhǎng)慶地區(qū)水平井壓裂風(fēng)險(xiǎn)控制探討

王金喜，郭 鵬，廖 強(qiáng)，趙 民，張江偉

（中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司，天津 300283）

1 水平井壓裂設(shè)計(jì)不當(dāng)之處

（1）水平井壓裂的地層選擇不當(dāng)。改造目標(biāo)層位不同，壓裂施工難易程度不同，地層深度、儲(chǔ)層性能直接影響壓裂設(shè)備、液體、支撐劑及人員操作技術(shù)的選擇。但在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)各種各樣的異常情況，如果盲目地對(duì)水層進(jìn)行壓裂施工，會(huì)污染水層，嚴(yán)重時(shí)甚至造成地下水污染，油氣也無(wú)法從地層里開(kāi)采出來(lái)。

（2）水平井壓裂施工設(shè)計(jì)不當(dāng)。模擬實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，裂縫和井筒之間會(huì)形成一個(gè)夾角，裂縫長(zhǎng)度直接影響壓裂施工難易程度和開(kāi)發(fā)效果，裂縫太短改造效果不好，裂縫太長(zhǎng)對(duì)設(shè)備的要求高，同時(shí)影響鄰井效果。當(dāng)裂縫和井筒之間的夾角增大時(shí)，壓裂水平井后產(chǎn)量提高，原因是隨著夾角增大，裂縫之間的垂直間距增大，裂縫的橫截面積增大。當(dāng)井筒內(nèi)壓降在10%上下時(shí)，水平井的產(chǎn)量會(huì)下降大約30%。

2 水平井設(shè)計(jì)不合理引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)控制方法

首先，要研究水平段地層，根據(jù)鄰井資料、該區(qū)域壓裂施工過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況，綜合考慮該區(qū)域地層各種施工參數(shù)，對(duì)地質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，制定地質(zhì)依據(jù)，使用模型對(duì)油氣藏進(jìn)行詳細(xì)分析，掌握施工規(guī)模。

其次，在壓裂施工前要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行多次模擬演練，選擇比較合適的壓裂施工參數(shù)，優(yōu)化施工參數(shù)，井筒壓降應(yīng)在可控范圍內(nèi)，避免因井筒壓降過(guò)大而造成工程事故。

優(yōu)化設(shè)計(jì)理論包括井筒長(zhǎng)度、測(cè)試流動(dòng)時(shí)間、裂縫設(shè)計(jì)優(yōu)化模型、材料優(yōu)化模式、施工參數(shù)優(yōu)化模式[1]。

3 水平井支撐劑和壓裂液引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)控制方法

（1）壓裂支撐劑目前是壓裂施工的一種主要材料，主要通過(guò)混砂車(chē)攪拌、壓裂泵車(chē)高壓將壓裂液攜帶支撐劑一起注入地層裂縫中。當(dāng)人工裂縫達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，地面的壓裂泵車(chē)就陸續(xù)停泵，地面和井筒內(nèi)的壓裂液將停止往地層流動(dòng)。停泵后，裂縫端部的砂濃度最高、井底砂濃度最低。地層裂縫會(huì)在地層力的作用下閉合，此時(shí)進(jìn)入地層裂縫的支撐劑將支撐地層裂縫閉合。壓開(kāi)的裂縫面積得到完全支撐，在井底附近的裂縫使大顆粒支撐劑沉積，充分利用動(dòng)態(tài)裂縫的寬度得到更高的裂縫導(dǎo)流能力，支撐劑粒徑大小對(duì)裂縫的導(dǎo)流能力有直接影響[2]。

（2）壓裂液是由多種添加劑按一定配比制成的非均質(zhì)不穩(wěn)定的化學(xué)體系，是對(duì)油氣層進(jìn)行壓裂改造時(shí)使用的工作液，主要作用是將地面設(shè)備形成的高壓傳遞到地層中，使地層破裂形成裂縫并沿裂縫輸送支撐劑，壓裂液的懸砂能力主要取決于其黏度。只要壓裂液有較大的黏度，砂子就可以懸浮于其中，這對(duì)砂子在縫中的分布非常有利。壓裂液的熱穩(wěn)定性和抗剪切能力較差，不利于產(chǎn)生寬而長(zhǎng)的裂縫，導(dǎo)致壓裂液的攜砂能力降低，導(dǎo)致壓裂施工不連續(xù)或終止。

（3）根據(jù)不同的設(shè)計(jì)工藝要求及壓裂液的選擇，一定要保證壓裂液的攜砂能力強(qiáng)、摩阻低、穩(wěn)定性好、易返排，應(yīng)選擇耐溫性能和抗剪切性能強(qiáng)、對(duì)地層污染少的清潔壓裂液。往往有些井壓裂后無(wú)效果就是由于配伍性不好。應(yīng)具備一定的造縫力并使壓裂后的裂縫壁面及填砂裂縫有足夠的導(dǎo)流能力[3]。

4 砂堵引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)控制方法

控制砂堵引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵是避免砂堵超壓。如果是地層原因造成的超壓，一般曲線(xiàn)呈緩慢上升狀態(tài)，且后期斜率開(kāi)始加速上升。如果是井筒內(nèi)或近井地帶超壓，施工曲線(xiàn)呈突然陡峭上升態(tài)勢(shì)。一旦出現(xiàn)地層內(nèi)超壓前兆，應(yīng)迅速采取相關(guān)措施，降低砂比，適當(dāng)提高排量，排量提速不要太快，以0.2 m3以?xún)?nèi)為階段進(jìn)行上提，并觀察壓力變化，適時(shí)調(diào)節(jié)交聯(lián)比。如果壓力突然上升，可立即停泵，建議快速開(kāi)井口放噴，放出10.0 m3液體，再采用變排量試擠等方法，砂堵超壓后繼續(xù)試擠。因?yàn)樵斐缮岸鲁瑝旱脑蚴堑貙佣瞬棵撋皩?dǎo)致后期支撐劑無(wú)法向前運(yùn)移，結(jié)合本人近幾年的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)歷，對(duì)造成砂堵的原因進(jìn)行分析。

5 壓裂液大量流失和人工造縫不足造成的砂堵

5.1 壓裂液攜砂能力差造成的砂堵

壓裂液攜砂能力差導(dǎo)致地層縫寬不夠，造成高砂比階段支撐劑無(wú)法全部進(jìn)入地層，交聯(lián)效果差，提前水化無(wú)法運(yùn)移支撐劑，交聯(lián)后黏度太高，無(wú)法剪切，在管柱內(nèi)部形成砂橋。這是砂堵超壓的簡(jiǎn)單成因，如果是這方面的原因再進(jìn)行試擠，成功率很低，因此，建議在水平井超壓后迅速進(jìn)行放噴，使進(jìn)入地層而無(wú)法運(yùn)移的支撐劑回吐，盡量減少管柱內(nèi)的沉砂，避免因試擠進(jìn)一步損壞套管。如果壓裂液的交聯(lián)劑性能調(diào)節(jié)不達(dá)標(biāo)，在壓裂施工過(guò)程中攜砂液會(huì)提前脫砂，造成砂堵。

5.2 壓裂泵車(chē)故障導(dǎo)致的砂堵

當(dāng)壓裂施工正處于高砂比加砂過(guò)程中，壓裂泵車(chē)突然發(fā)生故障不能正常使用，且現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法及時(shí)整改時(shí)，施工停止，管柱內(nèi)支撐劑下沉，還沒(méi)有及時(shí)進(jìn)入地層的支撐劑在管柱內(nèi)堆積，造成管柱砂堵。

6 水平井預(yù)防及處理砂堵的方法

沒(méi)加砂前增加前置液量，前置液加大攜砂液量、提高排量、增加裂縫長(zhǎng)度，加大加段塞期間的液量，利用加入段塞的支撐劑摩擦地層改善地層裂縫，減少支撐劑在地層里形成砂堵的機(jī)會(huì)。對(duì)于濾失嚴(yán)重的地層，可以在前置液階段適當(dāng)加入段塞，一旦出現(xiàn)壓力異常，要立即停止加段塞，等頂替液量頂夠、壓力平穩(wěn)后再加段塞。一旦加段塞期間超壓，立即打開(kāi)油管閘門(mén)進(jìn)行放噴，依靠井筒內(nèi)地層壓力放出井筒內(nèi)的攜砂液，待出口流速變大、出口液體中沒(méi)有砂子時(shí)，井放通后，關(guān)閉井口閘門(mén)，倒成壓裂施工井口，立即啟動(dòng)地面設(shè)備從油管注入基液，頂替夠一個(gè)井筒容積后看施工壓力情況，壓力平穩(wěn)后方可進(jìn)行下一步工序。

7 高壓件刺漏失效風(fēng)險(xiǎn)因素及防控措施

7.1 風(fēng)險(xiǎn)因素

7.1.1 砂子

（1）過(guò)砂量較多的高壓三通和高壓活動(dòng)彎頭是高壓件刺漏的高風(fēng)險(xiǎn)部位，大多數(shù)因密封件失效和流體不斷沖刷有角度彎頭活接、所有力量疊加，高壓彎頭緩沖活動(dòng)節(jié)薄弱點(diǎn)打磨，導(dǎo)致高壓彎頭緩沖活接失效。（2）高壓件本身的設(shè)計(jì)存在缺陷，同類(lèi)進(jìn)口高壓件的使用壽命遠(yuǎn)超國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重的高壓件爆裂事故，國(guó)產(chǎn)高壓件的材質(zhì)質(zhì)量有待提高。

7.1.2 連接

（1）由于井場(chǎng)布局或高壓件施工現(xiàn)場(chǎng)連接方式的局限性，在施工過(guò)程中，壓裂高壓管線(xiàn)抖動(dòng)、減震效果不佳、緩沖效果不好，壓裂液在地面設(shè)備高壓的壓力作用下，對(duì)高壓件活動(dòng)彎頭流體區(qū)域內(nèi)的彎頭處沖刷不均衡，形成集中應(yīng)力點(diǎn)，造成高壓彎頭處刺漏。（2）壓裂酸化施工對(duì)高壓件具有腐蝕作用，形成腐蝕薄弱點(diǎn)。（3）加砂過(guò)程中的砂堵導(dǎo)致管線(xiàn)瞬間壓裂過(guò)高。（4）壓裂施工時(shí)的施工壓力過(guò)高，高壓件長(zhǎng)時(shí)間承受高壓壓力、大排量液體沖刷，造成高壓件過(guò)度疲勞，使用周期縮短。

7.1.3 人員

員工對(duì)水平井壓裂施工高壓件失效風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別能力不足，高壓件日常使用維護(hù)保養(yǎng)、連接點(diǎn)安全綁帶固定和安全防護(hù)措施不到位。

7.1.4 管理

（1）對(duì)高壓件的管理制度不完善，日常監(jiān)管不到位，不能及時(shí)掌握高壓件的使用情況和安全極限。（2）高壓件長(zhǎng)時(shí)間露天存放，沒(méi)有定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，導(dǎo)致腐蝕生銹。 （3）地面管線(xiàn)連接不規(guī)范，管線(xiàn)連接完不是一條直線(xiàn)，存在高壓管線(xiàn)高低不平等問(wèn)題[4]。

7.2 安全風(fēng)險(xiǎn)防控措施

（1）從源頭上管控風(fēng)險(xiǎn)，從采購(gòu)到現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)高壓件材質(zhì)、抗疲勞強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、硬度等不同標(biāo)準(zhǔn)建立壓裂高壓件采購(gòu)安全技術(shù)性能標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)選高質(zhì)量的高壓件。

（2）建立高壓件使用記錄，記錄過(guò)砂量、過(guò)液量、過(guò)酸量累計(jì)量和已用時(shí)間，針對(duì)高壓件三通、彎頭和易刺漏關(guān)鍵部位，選擇質(zhì)量好、使用壽命較長(zhǎng)的材質(zhì)。

（3）對(duì)高壓件執(zhí)行第三方安全質(zhì)量檢測(cè)制度，對(duì)高壓三通、彎頭等易損壞部位進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，防止不合格的高壓件投入現(xiàn)場(chǎng)使用，降低現(xiàn)場(chǎng)施工風(fēng)險(xiǎn)。

8 安全措施

在井場(chǎng)高壓施工作業(yè)區(qū)域四周設(shè)立隔離防護(hù)擋墻，一方面可阻止無(wú)關(guān)人員進(jìn)入高壓施工區(qū)域，另一方面可防止高壓件刺漏產(chǎn)生的高壓流體對(duì)高壓刺漏部位周邊人員造成傷害，高壓件連接部位全部使用一體鋼絲綁帶環(huán)繞固定。壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用鋼板隔離防護(hù)時(shí)，引入互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立高壓件電子碼數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)高壓件建立電子標(biāo)簽。通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)儀表車(chē)采集錄入的施工數(shù)據(jù)，分析高壓件的使用壽命，實(shí)時(shí)監(jiān)控高壓件的使用情況，防止繼續(xù)使用有問(wèn)題的高壓件，設(shè)置安全使用極限提前報(bào)警功能，加強(qiáng)高壓件日常管控、及時(shí)更換高壓件，有效預(yù)防高壓件在施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生刺漏事件，降低現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)。

9 結(jié)語(yǔ)

水平井壓裂施工風(fēng)險(xiǎn)大、危害大、成本高，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，分析了水平井風(fēng)險(xiǎn)影響因素，并給出了防控措施和建議，可為企業(yè)水平井壓裂風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和防控措施的制定提供參考。壓力高、排量大、長(zhǎng)時(shí)間施工已成為目前水平井壓裂施工作業(yè)的常態(tài)化方式，容易導(dǎo)致高壓件超過(guò)疲勞極限，例如當(dāng)工作壓力為100 MPa時(shí)，刺漏流體最大速度可達(dá)460 m/s，影響范圍達(dá)100 m，距刺漏點(diǎn)1 m處的流速為260 m/s，打擊壓力可達(dá)3 500 MPa，遠(yuǎn)超鋼材抗剪切強(qiáng)度。因此，在水平井壓裂施工作業(yè)過(guò)程中，嚴(yán)禁人員進(jìn)入高壓區(qū)。