疏松砂巖水力噴砂壓裂技術研究

段威，張明，楊生文，王曉鵬，陳麗孔(.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 30045；

2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

0 引言

為了滿足海上疏松砂巖增產增效的開發需要[1]，以南海某井高泥質含量的低滲疏松砂巖油藏[2]為例，通過對其水平段進行水力噴砂射孔和壓裂設計，包括壓裂可行性分析、壓裂工藝優選、建立壓裂模型、壓裂液支撐劑優選和施工參數優化5個方面，實現壓裂造縫效果最佳，相比改造前產液12 m3/d增加至26 m3/d，同時新增產氣116 m3/d，因此，針對疏松砂巖油藏進行水力噴砂射孔壓裂可有效增大井筒泄油面積，提高油井采收率。

1 水力噴射壓裂技術原理

水力噴射壓裂將水力噴射射孔和水力壓裂結合。從井口泵入高壓的攜砂液通過井下固定位置且直徑較小的噴嘴射出，由于伯努利方程，流體孔道截面積越小流體速度越快，流體能量保持不變，因此噴嘴處射出的攜砂液具有較高的動量，從而對套管和地層進行沖蝕。射孔完畢后環空及管柱內同時泵入壓裂液，當壓裂液壓力大于地層破裂壓力時地層被壓出網狀裂紋，繼續壓裂使裂紋得以不斷延伸和擴展，最后泵入支撐劑將裂紋固定和支撐。根據調研，國內外在水力噴砂壓裂技術方面進行了許多研究，目前普通采用有連續油管拖動射孔壓裂、不動管柱射孔壓裂等技術。常規水力壓裂僅從單一渠道進行泵液，水力噴砂壓裂不僅需要油管泵液，同時還需要進行環空補液，油管泵液主要產生射孔孔眼并形成初步裂縫，環空補液產生高于地層破裂壓力的整體壓力使得裂縫得到擴展和延伸。

2 壓裂可行性分析

該井巖性為泥質粉砂巖，泥質含量為26%，平均孔隙度為21.3%，平均滲透率為13.4 mD，氣油比為40 m3/m3，原產液為12 m3/d。通過在室內采用清水、瓜膠等不同壓裂液模擬疏松砂巖裂縫起裂及延伸規律試驗，如圖1所示，經過仿真分析和同類經驗對比判斷，采用水力壓裂可解除近井地帶污染和達到較好的增產效果，在該低滲疏松砂巖油藏進行水力噴砂壓裂技術可以進行。

圖1 清水模擬試驗

3 壓裂工藝優選

采用水力噴槍和扶正器的水力噴砂射孔工具，如圖2所示，通過高速噴射攜帶磨料的液體射開套管和地層，并依靠噴嘴處的高速射流在工具與套管之間形成一個相對負壓區，卷吸著套管壓裂液進入目的層段，依靠形成的負壓區達到“自封隔”的效果，從而降低環空壓力，如圖3壓力分布示意圖所示。同時高速水力噴射增壓動態封隔作用，最大限度降低壓裂過程中壓裂層與其他層的竄通，精確控制裂縫起裂點并降低壓裂液濾失，進而控制壓裂縫高。

圖2 水力噴砂射孔工具

圖3 壓力分布示意圖

4 建立壓裂模型

首先選取鄰井的陣列聲波數據作為巖石力學參數計算的基礎數據，考慮鄰井油組解釋滲透率異常偏高，沿用油藏處理結果，目的層滲透率取7.8 mD，為了獲取較低的孔眼摩阻和方便控制縫高，預先設定水平段第一級壓裂射孔位置為8孔，孔徑大小為20 mm，以此條件建立地層模型，得到目的層應力為16.3 MPa，上下隔層應力差為1.1 MPa，目的層靜態楊氏模量為14.5 GPa，破裂壓力梯度及應力方向如圖4所示。

圖4 破裂壓力梯度及應力方向

5 壓裂液和支撐劑優選

參考行業標準，取鄰井巖心、巖屑及地層水后進行壓裂液評價實驗，優選壓裂液參數的主要參數有基液黏度為≥15 mPa·s，耐溫耐剪切性能≥80 mPa·s，濾失系數為1.0×10-3m/min?，同時與地層水配伍性好。

在水力噴砂壓裂的工藝參數設計中，選擇合適的支撐劑至關重要。由于水力噴砂壓裂與常規壓裂以及礫石充填作業均不相同，不僅要滿足高強度的端部脫砂壓裂，還要滿足高導流能力的需求，而且需要考慮礫石充填的情況。選用支撐劑時需要根據實際地層的硬度、孔隙度、是否出砂等情況，同時，選擇更為合適的支撐劑粒徑才能確保裂縫支撐完好且能夠實現防砂和導流的效果。根據油組地層砂粒度中值D50的8～12倍，計算優選40/70目陶粒為支撐劑，視密度為2.8 g/cm3，破碎率為5.81%。

6 施工參數優化

6.1 射孔參數優化

水力噴射壓裂作業首先采用大排量攜帶磨料的液體經由硬質合金噴嘴噴向套管壁，油管施工排量受到噴嘴個數和噴嘴直徑的共同影響，在確保井口壓力安全的基礎上應盡可能提高油管排量。為了實現穩定的噴射液速度不小于170 m/s，應盡量保持排量穩定。優選噴嘴和施工參數如表1所示。

表1 水力射孔相關參數計算

6.2 壓裂參數優化

經模擬加砂過程計算并對計算結果分析表明，排量越低，造縫、攜砂效果越差，當排量不低于3.5 m3/min時不會形成砂堵且壓裂穩定，如圖5所示。

圖5 模擬加砂過程的壓力變化

但隨著排量越高，縫高越難控制，當排量達到最高4.5 m3/min時裂縫形態可控，但趨于失控臨界，如圖6所示。考慮一定安全系數，故優化施工壓裂排量設計值為3.5～4.5 m3/min。

圖6 模擬加砂過程的裂縫形態

7 結語

低滲疏松砂巖采用水力噴砂射孔壓裂可實現裂縫長度118 m，裂縫高度24 m，平均裂縫寬度0.4 cm，為后續生產提供足夠的安全泄油通道，能夠提高油氣采收率2倍以上，推廣意義重大。