苏里格区块压裂施工高压力原因分析及预防措施

苏里格区块压裂施工高压力原因分析及预防措施

费节高 牛俊峰 黄智勇 徐迎新

（长庆石油勘探局井下技术作业处 陕西西安 710021）

摘要：本文从影响压裂施工压力因素着手，结合苏里格合作区块压裂改造实际情况，分别从高破裂压力、液氮伴注工艺以及施工摩阻对施工压力的影响来分析产生压裂施工高压力的原因。从降低施工排量和液氮排量以及采用更为先进的压裂工具等方面来降低压裂施工压力。从应用情况来看，这些措施均起到了较好的效果。

关键词：苏里格气田 压裂 施工压力 摩阻

前 言

苏里格气田苏6、苏36-11井区是长庆石油勘探局在苏里格气田的招标区块，在苏里格气田“低成本、高效开发”的总体方针指导下，以降低储层伤害，提高单井产量和整体开发水平为目标，开发取得了良好的效果。但是，综合分析该区块的压裂施工情况，可以发现该区块具有明显高施工压力的特点，高压裂施工压力不仅影响着压裂改造措施的实施，同时也影响着压裂施工的安全性。本文详细探讨了苏里格合作区块高压裂施工压力产生的原因，并对采取的一些相应的措施所取得的效果进行分析。

1 高压裂施工压力原因分析

1.1 高破裂压力对施工压力的影响

压裂施工时产生如此高的破裂压力，不仅与苏里格气田具有较高的地应力有关，还与苏里格气田储层非均质性较强，具有多个夹层有关。苏里格合作区块山2破裂压力为52.9~57.3 MPa，山1破裂压力为51.3～62.7MPa，盒8破裂压力为51.9～63.2 MPa。

（1）地应力的影响

苏里格气田储层深度为3200～3500m，储层压力系数为0.71～0.94MPa/100m，砂岩的平均地应力值为50.43Mpa，可以看出，苏里格气田储层虽然具有较低的储层压力，但是地应力还是比较高。

常用的几种破裂压力方程(如Matthews—Ke]ly法、Eaton法、Amderson法、Stephen法及黄荣樽兰)在不考虑岩石抗张强度的基础上均可归结为:

)(p ob p t P P K P P ?+= (1-1)

式中：P t —地层破裂压力，MPa；P p —地层孔隙压力，MPa；P ob —上覆岩层压力，MPa；

K—与区块有关的待定值，无因次

K值实际是最小有效水平应力和有效上覆岩层压力(即垂直基岩应力)的比值。它是井深的一个函数，明显的规律是随井深的增加，K值亦增加。

由上式可以看出，破裂压力与储层压力以及储层地应力密切相关。储层地应力越高，有效上覆岩层压力亦相应增大，最终产生高的破裂压力。

（2）夹层的影响

苏里格合作区块气层统计结果表明，气层段一般是由多段组成，各气层段厚度不等，分布形态各异。在压裂过程中，随着裂缝的不断延伸，裂缝突破不同的岩性，在裂缝延伸的过程中遇到泥岩时，由于破裂压力、渗透率、泊松比、断裂韧性等参数的变化以及复合层效应的影响，使裂缝延伸受阻，同时在裂缝形态上也发生了变化，在施工过程中表现为施工压力的增高。

在压裂工艺上，对隔层较薄，机械工具无法分层或无法进行投球改造时，采用合压的方式进行改造。在施工过程中，夹层对施工压力影响较为明显，施工压力明显高于邻井相同的储层。

苏36-5-17与其邻井苏36-4-21是2007年开发的两口开发井。两口井均采用投球分压，施工压力见表1。

表1 苏36-4-21与苏36-5-17施工压力

项 目

井 号 施工压力(MPa) 投尼龙球前

苏36-5-17 36.8-44.5 苏36-4-21 45.5-53.8 投尼龙球后 苏36-5-17

30.7-40.2 苏36-4-21 49.4-53.9

从表1可以看出投尼龙球前苏36-4-21井的施工压力较苏36-5-17井高出8.7-9.3 MPa，投尼龙球后苏36-4-21井的施工压力较苏36-5-17井高出13.7-18.7 MPa。两口井采用相同的压裂工艺，施工参数也基本相同，但施工压力却有较大的区别，主要原因在于苏36-4-21盒8下气层发育两段砂体，中间间隔为9.7m 的泥岩，而苏36-5-17盒8两气层段位于一段发育较好的大砂体上，没有夹层。由此，可以看出夹层对施工压力的影响是比较明显的。

1.2 液氮伴注工艺对施工压力的影响

苏里格气田地层压力系数较低，平均0.87MPa/100m，为了提高压裂液的返排率，降低压裂液对地层的伤害，提高压后排液效果，水力压裂井均采用液氮伴注。

停液氮前后的压降可以认为是液氮产生的摩阻，2007年施工的5口井停液氮前后压力及压降统计结果显示液氮的摩阻为 2.8-4.09Mpa，液氮的摩阻与液氮的排量有关，液氮排量升高，摩阻随着变大。

1.3 施工摩阻对施工压力的影响

施工摩阻主要包括管路摩阻、射孔孔眼摩阻以及近井地带弯曲摩阻等。若假定停泵之后裂缝不再延伸，则施工摩阻可以认为是施工压力与瞬时停泵压力的差值。 根据苏里格气田合作区块部分井

的施工摩阻统计归纳结果，在3.0 m 3/min 的施工排量下，以27/8”油管注入3294.0-3468.5m 深的气

井时，所产生的施工摩阻为23.90-27.51MPa。由于近井地带弯曲摩阻不易分析评价，本文仅就管路摩阻和射孔孔眼摩阻分析施工摩阻对施工压力的影响。

（1）管路摩阻

为计算压裂施工时的管路摩阻，Lord 等人提出了一个降阻比（δ）的概念：

()()f

p

f o p

p δΔ=Δ (1-2)

式中：δ—降阻比； ()f p p Δ—压裂液摩阻，MPa； ()f o p Δ—清水摩阻，MPa。

清水的摩阻损失可以用经典的水力学雷诺数与摩阻系数关系进行计算，或者同样采用Lord 等人提出的回归公式：

6 4.8 1.8() 1.38510f o p D Q H ?Δ=×××× (1-3)

式中：D—压裂油管柱内径，mm； Q—施工排量，m3/min； H—油管长度，m。 由此可见，压裂液摩阻随着施工排量和油管长度的增加而增大，而压裂油管柱内径的增加将导致压裂液摩阻迅速减小。

Lord 等人在实验数据处理中认为，降阻比δ是压裂液平均流速v 、稠化剂浓度HPG c 、支撑剂浓度P c 的函数，通常表示为(H H )HPG p f v δ=、、。通过对1049个实验数据的线性回归，提出了实

用的HPG 压裂液降阻比计算经验关系式：

)

11983.0/ln(1639.0)/(1028194.0)/(101525.12049951)1ln(2424HPG HPG C Q D C Q D ×?×???????????×?××?=??δ

(1-4) 式中：CHPG—稠化剂HPG 的浓度，单位kg/m 3。

根据苏里格施工情况，对于27/8油管注入D=62mm，Q=3.0m 3/min，H=3300m，C HPG =16.53/kg m 代入

上述计算公式计算得出压裂液的摩阻高达49.956MPa。虽然此计算结果并不能够真实的反映压裂施工时产生的管路摩阻，但至少可以说明一个问题，即对于苏里格气田的压裂施工而言，以大排量通

过27/8油管进行压裂施工时，将产生较高的管路摩阻，从而增大地面施工压力。

（2）射孔孔眼摩阻

射孔炮眼摩阻计算方法如下： 342210

1034.2αρD n Q P p ?×=Δ (1-5) 式中：Q为施工排量，m 3/min；ρ为流体密度；3/kg m ；D为射孔炮眼直径；m；n为压力层段内射

孔炮眼数；α为孔眼流量系数。

上式表明，射孔炮眼摩阻与为施工排量的二次方成正比，即随着为施工排量的增加，射孔炮眼摩阻将会快速增大。

苏里格气田压裂施工通常采用3.0m3/min 的大排量进行施工，导致射孔炮眼摩阻较大，这也是苏里格气田高压裂施工压力的原因之一。

2 压裂液粘度对施工压力的影响

流体的粘度是影响摩擦阻力的重要因素，根据流变学规律，流体的粘度增加必然使其流动摩擦阻力增大，进而增大了施工压力。在水力压裂施工期间，从井口到地层，压裂液要经历大范围的剪切和温度变化，压裂液具有不同的表观粘度。

由于27/8油管是苏里格合作区块使用较为普遍的压裂管柱，井深在3300m 左右，通常采用3m 3/min

的排量，采用此参数来分析交联剂在井筒中的交联情况。交联剂在2/3井筒初交联既能保证施工的安全性又能减少因过早交联造成的摩阻高的问题,，因此，最佳交联时间为132.9秒。苏里格合作区块现场交联小样试验来表明，交联剂在60秒左右就交联，过早的交联使井筒中压裂液粘度升高，造成较高的施工摩阻。

延迟交联时间可以降低压裂液在井筒中的粘度，进而降低压裂液的摩阻，达到降低施工压力的目的。

3 降低施工压力的措施及其效果

在对影响压裂施工压力的原因进行综合分析的基础上，结合现场生产实际情况，采取以下措施来降低压裂施工压力。

3.1 适当降低施工排量

研究结果表明，降低施工排量可以降低摩阻，进而达到降低施工压力的目的。从2007年上半年降低排量改造储层的施工情况来看，降低排量后施工压力明显地降低，在保证施工安全的情况下，施工排量越低，摩阻越小，施工压力越低。

2007年上半年采用降低排量压裂改造了4口井， 现场施工数据表明，在排量为2.2-2.8 m3/min 时，盒8平均施工压力为40.1MPa，山1平均施工压力为46.0MPa。表明降低施工排量对施工压力的影响比较明显，可有效地降低施工压力。

3.2 适当降低液氮伴注排量

在相同的施工排量下降低液氮的排量可以降低压裂液中的泡沫含量来降低压裂液的粘度，从而达到降低施工摩阻，进而达到降低施工压力的目的。在相同的施工排量下，施工压力随着液氮排量

的降低而降低；在施工排量为3.0 m 3/min，液氮排量为160 L/min的施工压力为51.3MPa，液氮排量

为180-210 L/min的平均施工压力为55.9MPa；在施工排量为2.8 m 3/min，液氮排量为150 L/min的施

工压力为50.1MPa，液氮排量为180L/min的平均施工压力为57.4MPa。施工压力随着液氮排量的增加而增大。

3.3 采用更为先进的分层压裂工具

管路突变、断面及管柱在不可压缩流体稳定流的情况下，通过连续方程、动量方程及能量方程，可解出局部水头损失。 由连续性方程和动能方程 1122A v A v Q ρρρ==，局部水头损失hj 与控制面A1和A2的面积之比密切相关。A1/A2越小，局部水头损失就越大。

从上述分析可以看出，在采用分层压裂工具进行压裂施工时，对压裂施工压力产生的影响主要体现在球座、滑套等部件局部缩径而产生的节流作用上。球座、滑套等部件出口的截面积越大，其节流作用上越小，局部水头损失也相应减小，最终减低施工摩阻。

中原提供的Y241分层压裂钻具的喷砂滑套具有三个内径37mm、长为330 mm 开孔槽，而长庆井下提供的Y344分层压裂钻具的喷砂滑套仅有两个对称的六边形喷砂孔，中原提供的Y241钻具的喷砂滑套出口截面积明显大于长庆井下提供的Y344钻具的喷砂滑套出口截面积。下面就以分别应用这两种钻具的苏36-4-4井（应用Y241钻具）及其邻井苏36-4-7井（应用Y344钻具）2007年实施压裂改造，苏36-4-4采用Y241工具进行分层压裂，盒8上是由滑套喷砂器沟通井筒与地层；根据前面的理论得出苏36-4-7的施工摩阻为27.61MPa，苏36-4-4的施工摩阻为24.16MPa；苏36-4-4的施工摩阻较苏36-4-7的施工摩阻降低了3.45MPa，说明增大滑套喷砂器出口的截面积对降低施工摩阻是有效的。

4 结论及建议

通过对苏里格合作区块的施工和单井产量分析，笔者认为造成区块施工压力过高的因素主要有以下几个方面：

1、气层段较深的埋藏深度以及苏里格合作区块储层呈多薄层的特征是造成压裂施工高压力的主要地质因素；

2、如今井下现有工具与压裂工艺要求上还有一定差距，滑套喷砂器较小的横截面积与较高的施工排量不相应，从而增大了施工压力；

3、地层压力过高，虽然前置液已经按照设计打够，但按照设计必须加砂造成加入设计量一半以上砂量时压力很快升高，使后续施工无法进行；

4、压裂液的过早交联使压裂液粘度增大，增加了施工摩阻，从而产生高的施工压力；

建议现场优化施工参数； 研制特殊工具，缩短工具配套与压裂工艺要求的差距；通过增加前置液量，防止液体滤失造成早期加砂压力升高；进一步改善压裂液的性能，解决高压力施工问题。

参考文献

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[4] 崔明月,陈彦东,杨振周.制备延迟交联耐高温硼压裂液的途径[J].油田化学.1994年03期

作者简介：费节高，男，34岁，毕业于大庆石油学院机械系，研究生学历，工程师，现任长庆石油勘探局井下技术作业处压裂大队副大队长。多年从事现场压裂施工技术管理工作。