海上過篩管壓裂工藝研究及應用

王緒性，郭布民，徐延濤，袁文奎，李灣灣

1中海油田服務股份有限公司 2天津市海洋石油難動用儲量開采企業重點實驗室

0 引言

海上油氣田中高滲儲層所占比例比較大[1]，大部分油田由于儲層疏松，采取篩管完井。隨著油田不斷開發，由于儲層非均質性、儲層膠結強度弱、生產壓差過大造成的微粒運移以及老化油污染等原因使得油井產量沒有達到配產需求或產量逐漸下降，低產低效井越來越多[2-5]。受限于篩管完井方式、海上油田環境和平臺空間的限制，目前增產解堵措施主要為化學解堵方法，如酸化、復合解堵劑等，初期有一定效果，但有效期短且多次作業后效果越來越差。目前針對海上中高滲疏松砂巖儲層已陸續嘗試新的壓裂工藝技術[6-8]，而過篩管壓裂工藝是針對篩管完井的目的層進行射孔，建立壓裂支撐劑進入地層通道，壓裂形成的人工裂縫穿透污染帶，打通油流通道，壓裂后期泵注固結支撐劑，固結支撐劑在地層溫度和壓力下固結，可封堵篩管射孔孔眼，修復原篩管，防止地層砂進入井筒，從而達到解堵、增產和防砂的三重目的[9-11]，可有效解決海上篩管完井的低產低效難題，是未來高效開發海上低產低效井的主要技術之一。

1 海上過篩管壓裂工藝

過篩管壓裂工藝是針對儲層采用篩管完井的一種壓裂工藝，其解堵、增產和防砂機理如下：首先，對篩管進行射孔，在篩管上形成攜砂液流通通道，通過地面高壓泵注，形成人工裂縫穿透污染帶，打通油流通道，實現傷害層深部解堵和儲層改造；其次，縱向上人工裂縫穿透薄夾層，壓開潛力層，提高縱向動用，增加泄油半徑，有效提高單井產量；再次，人工裂縫降低了地層流體對地層砂沖刷和攜帶作用，降低了線性壓降，增加防砂作用半徑，實現了深部防砂；最后，用固結支撐劑封堵篩管射孔孔眼，修復原篩管，防止地層砂隨流體進入井筒。

1.1 射孔方式

目前海上射孔方式分為常規油管傳輸射孔和水力噴射射孔。常規射孔工藝參數為孔徑10 mm，相位60°，孔密16孔/m。水力噴射射孔依靠泵注流體通過水力噴射工具，產生高速射流并攜帶磨料對套管/篩管進行沖擊、切割，穿透套管/篩管，形成孔道。水力噴砂射孔參數：噴嘴6～8個，噴嘴直徑6.5 mm，相位90°，磨料濃度5%～7%，過噴嘴噴速220～240 m/s，噴射時間10～12 min，在篩管上可形成直徑20～30 mm的孔眼。相比油管傳輸射孔，水力噴砂射孔可實現射孔、壓裂一趟管柱，減小起下鉆時間，節約作業時間和成本。

1.2 壓裂工藝

1.2.1 裂縫參數優化

以渤海油田疏松砂巖儲層為例，運用ECLIPSE軟件模擬了不同支撐裂縫半長、不同導流能力條件下的壓后日產油量，對比日產油量的變化趨勢，優化支撐裂縫半長與導流能力。裂縫參數主要取決于儲層的物性條件，針對海上疏松砂巖不同物性儲層參數，建立滲透率從50 mD變化到1 000 mD的機理模型，計算得到不同滲透率條件下的最優支撐裂縫半長及支撐縫導流能力，回歸得到支撐裂縫半長、支撐縫導流能力的優化圖版(圖1、圖2)，推導出支撐裂縫半長、支撐縫導流能力與儲層滲透率的關系式。

圖1 支撐裂縫半長與滲透率關系圖版

圖2 支撐縫導流能力與滲透率關系圖版

支撐裂縫半長與儲層滲透率關系式：

Lf=-43.96ln(k)+173.08

50≤k<200

(1)

Lf=4×10-5k2-0.037 5k+54.59

200≤k≤1 000

(2)

式中：Lf—支撐裂縫半長，m；k—儲層滲透率，mD。

支撐縫導流能力與儲層滲透率關系式：

kfc=151.81ln(k)-343.11(50≤k≤1 000)

(3)

式中：kfc—支撐縫導流能力，mD·m。

1.2.2 海水基壓裂液優化

壓裂液的優選需結合地層溫度、與地層液體的配伍性、產能影響及液體成本等因素綜合考慮，理想的壓裂液至少滿足以下條件：①穩定的流變性；②高剪切流速下的耐剪切性能；③較好的潤滑性；④良好的地層滲透率恢復；⑤對裂縫導流能力傷害的最小化。結合海上施工淡水資源匱乏、海水取之不盡的特點，用海水配制壓裂液具有擴大壓裂液規模、提高作業時效等優點。用海水配制壓裂液難點在于高礦化度引起稠化劑溶脹困難，高鈣鎂離子在強堿性條件下沉淀易造成壓裂交聯性能降低、耐溫性差。通過耐溫耐剪切、破膠、殘渣含量測定、巖心傷害等實驗，研發一套可用高礦化度海水配制的壓裂液體系，該體系性能指標均滿足行業要求，其攜砂性能見圖3。

圖3 海水基壓裂液攜砂性能現場效果圖

1.2.3 支撐劑粒徑優化

支撐劑用于支撐水力壓裂所形成的人工裂縫，當人工裂縫閉合后在儲層中形成具有高導流能力的流體流動通道。因此，支撐劑粒徑優選時首先要考慮支撐劑在不同閉合應力下的導流能力，針對海上疏松砂巖還要考慮支撐劑在疏松砂巖中的嵌入、支撐劑對應最大的臨界流速等情況。

通過室內實驗測定單一粒徑在不同閉合應力條件下支撐劑導流能力(見圖4)，從圖4中可以看出隨著地層閉合應力增加，支撐劑導流能力逐漸減小；不同粒徑支撐劑在地應力條件下，導流能力相差數倍，但隨著閉合應力的增加，這種差異逐漸減小。因此，要根據地層的閉合應力選擇滿足導流能力的支撐劑粒徑。

圖4 單一粒徑在不同閉合應力下的導流能力

針對中高滲疏松砂巖油藏壓裂支撐劑優選時，需要考慮支撐劑的嵌入影響，鋪砂濃度越大，嵌入對導流能力的傷害程度越小，推薦使用的支撐劑鋪砂濃度為15 kg/m2以上。

考慮地層流體和原油由產層流入支撐裂縫的速度需小于支撐裂縫防砂的臨界流速，這樣地層砂不會在支撐裂縫內發生橋堵效應，否則地層砂會封堵支撐劑喉道，使產液量下降。采用蘇程[12]提出的優化臨界流速的計算公式。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：vpc—支撐劑的臨界流速，m/s；ds—支撐劑平均粒徑，mm；ρ0—原油的密度，kg/m3；φs—地層砂的球度，無量綱；Φ—地層流體流動的孔隙度，%；μo—原油黏度，Pa·s；ρs—地層砂的密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2。

將式(5)、式(6)、式(7)代入式(4)，求得支撐劑的臨界流速vpc，再由式(8)求出油井產液量。

Q=345.6vpcHfLf

(8)

式中：Q—油井的產液量，t/d；Hf—裂縫高度，m；Lf—支撐裂縫半長，m。

圖5表示支撐裂縫半長50 m條件下，不同裂縫高度下的臨界產液量。圖6表示縫高30 m條件下，不同支撐裂縫半長下的臨界產液量。

圖5 支撐裂縫半長50 m條件下不同縫高的臨界產液量

圖6 縫高30 m條件下不同支撐裂縫半長的臨界產液量

1.3 防砂工藝

壓裂后期泵注固結支撐劑，當裂縫閉合后，在地層溫度和壓力作用下，固結支撐劑發生固化，形成具有一定強度且可滲濾的人工井壁，起到提高導流能力和防止地層砂向井筒運移的效果。

固結支撐劑原理是采用低密高強型的高分子材料覆膜，在一定溫度和壓力條件下固結在一起，具有以下特點：①較高的強度，較快的固結速度。在60 ℃水浴24 h后測試抗壓強度≥5 MPa，不同溫度下固結后抗壓強度見圖7所示;②穩定的化學性能。顆粒表面具有較強的化學惰性，固化后耐酸、堿、鹽等;③較廣的使用范圍。固結溫度可低至50 ℃，能滿足絕大多數油井的要求，溫度越高固結越快，即使在特別低溫環境的地層，加入特殊低溫固化劑也可以保證固結質量;④較好的滲透性。對地層滲透率損害小，固結后形成的擋砂墻擁有較高的滲透性，水驅達到10 D以上，空氣驅達到30 D以上。同時固結防砂支撐劑由于表面的覆膜還可以降低支撐劑嵌入對導流能力的影響。

圖7 不同溫度下固結支撐劑固結后的抗壓強度

2 海上過篩管壓裂應用及效果評價

2.1 海上過篩管壓裂應用

目前渤海油田已實施的過篩管壓裂分為水力噴射壓裂工藝、常規射孔+逐層壓裂工藝及常規射孔+一趟管柱多層壓裂工藝三大類，其每類工藝的技術特點和應用情況見表1。

表1 海上過篩管壓裂工藝對比

壓裂液采用海水基壓裂液體系，配方為過濾海水+稠化劑+其他添加劑。支撐劑粒徑采用20/40目低密度高強度支撐劑和固結支撐劑。加砂規模20～50 m3。施工載體采用壓裂船聯合平臺作業。

2.2 海上過篩管壓裂效果評價

渤海油田陸續實施過篩管壓裂施工，主要分布在遼東區塊、曹妃甸油田、渤中油田等。根據標準Q/HS 2089—2015《海上油井增產措施效果評價方法》，選取措施前30 d和措施后30 d正常生產情況下的平均日產油量，效果對比如表2所示。在已過篩管壓裂11口井中，有9口井增產、增液效果顯著，采液指數增加8倍以上，采油指數增加3倍以上。其中2口井沒有達到預期效果，分析原因認為5號井為水平井,在過篩管壓裂之前進行了其他工藝，造成整個水平段儲層損害，而過篩管壓裂形成與井筒垂直的裂縫，無法改造裂縫位置以外的水平段；8號井出砂嚴重，通過控制生產壓差使產液量低，沒有達到預期效果。通過現場應用，認為過篩管壓裂是治理海上中高滲疏松砂巖儲層低產、低效井的有效措施，如何長期、有效防砂是過篩管壓裂施工的關鍵。

表2 過篩管壓裂措施前后效果對比

3 結論及建議

(1)海上過篩管壓裂工藝對篩管完井儲層進行射孔加砂壓裂，利用固結支撐劑進行防砂，具有解堵、增產和防砂三種效果，實踐證明該工藝可有效解決海上油井低產、低效的難題。

(2)長期有效防砂是過篩管壓裂工藝關鍵，針對過篩管壓裂后地層出砂問題，建議如下：①通過室內實驗優選適宜的化學固砂劑，在壓裂前置液階段注入化學固砂劑，降低地層細粉砂產出及運移；②支撐劑粒徑優選時要考慮裂縫閉合后的導流能力、支撐劑嵌入和支撐劑對應的臨界流速，在滿足上述要求的前提下采用組合粒徑。小粒徑的支撐劑處于縫端位置，起支撐微裂縫的作用，并且有防細粉砂的作用。中等和大粒徑的支撐劑建立高導流能力的流體流通通道；③在攜砂液階段的末期，采用降低壓裂液黏度和欠頂替工藝，以便誘導在近井筒地帶脫砂，充實篩管—環空和篩管射孔孔眼，并且井筒留塞，鉆塞后可有效修復篩管射孔孔眼并在裂縫縫口形成擋砂屏障，進一步提高防砂效果，延長防砂有效期。