海上过筛管压裂工艺研究及应用

王绪性，郭布民，徐延涛，袁文奎，李湾湾

1中海油田服务股份有限公司 2天津市海洋石油难动用储量开采企业重点实验室

0 引言

海上油气田中高渗储层所占比例比较大[1]，大部分油田由于储层疏松，采取筛管完井。随着油田不断开发，由于储层非均质性、储层胶结强度弱、生产压差过大造成的微粒运移以及老化油污染等原因使得油井产量没有达到配产需求或产量逐渐下降，低产低效井越来越多[2-5]。受限于筛管完井方式、海上油田环境和平台空间的限制，目前增产解堵措施主要为化学解堵方法，如酸化、复合解堵剂等，初期有一定效果，但有效期短且多次作业后效果越来越差。目前针对海上中高渗疏松砂岩储层已陆续尝试新的压裂工艺技术[6-8]，而过筛管压裂工艺是针对筛管完井的目的层进行射孔，建立压裂支撑剂进入地层通道，压裂形成的人工裂缝穿透污染带，打通油流通道，压裂后期泵注固结支撑剂，固结支撑剂在地层温度和压力下固结，可封堵筛管射孔孔眼，修复原筛管，防止地层砂进入井筒，从而达到解堵、增产和防砂的三重目的[9-11]，可有效解决海上筛管完井的低产低效难题，是未来高效开发海上低产低效井的主要技术之一。

1 海上过筛管压裂工艺

过筛管压裂工艺是针对储层采用筛管完井的一种压裂工艺，其解堵、增产和防砂机理如下：首先，对筛管进行射孔，在筛管上形成携砂液流通通道，通过地面高压泵注，形成人工裂缝穿透污染带，打通油流通道，实现伤害层深部解堵和储层改造；其次，纵向上人工裂缝穿透薄夹层，压开潜力层，提高纵向动用，增加泄油半径，有效提高单井产量；再次，人工裂缝降低了地层流体对地层砂冲刷和携带作用，降低了线性压降，增加防砂作用半径，实现了深部防砂；最后，用固结支撑剂封堵筛管射孔孔眼，修复原筛管，防止地层砂随流体进入井筒。

1.1 射孔方式

目前海上射孔方式分为常规油管传输射孔和水力喷射射孔。常规射孔工艺参数为孔径10 mm，相位60°，孔密16孔/m。水力喷射射孔依靠泵注流体通过水力喷射工具，产生高速射流并携带磨料对套管/筛管进行冲击、切割，穿透套管/筛管，形成孔道。水力喷砂射孔参数：喷嘴6～8个，喷嘴直径6.5 mm，相位90°，磨料浓度5%～7%，过喷嘴喷速220～240 m/s，喷射时间10～12 min，在筛管上可形成直径20～30 mm的孔眼。相比油管传输射孔，水力喷砂射孔可实现射孔、压裂一趟管柱，减小起下钻时间，节约作业时间和成本。

1.2 压裂工艺

1.2.1 裂缝参数优化

以渤海油田疏松砂岩储层为例，运用ECLIPSE软件模拟了不同支撑裂缝半长、不同导流能力条件下的压后日产油量，对比日产油量的变化趋势，优化支撑裂缝半长与导流能力。裂缝参数主要取决于储层的物性条件，针对海上疏松砂岩不同物性储层参数，建立渗透率从50 mD变化到1 000 mD的机理模型，计算得到不同渗透率条件下的最优支撑裂缝半长及支撑缝导流能力，回归得到支撑裂缝半长、支撑缝导流能力的优化图版(图1、图2)，推导出支撑裂缝半长、支撑缝导流能力与储层渗透率的关系式。

图1 支撑裂缝半长与渗透率关系图版

图2 支撑缝导流能力与渗透率关系图版

支撑裂缝半长与储层渗透率关系式：

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—支撑裂缝半长，m；k—储层渗透率，mD。

支撑缝导流能力与储层渗透率关系式：

kfc=151.81ln(k)-343.11(50≤k≤1 000)

(3)

式中：kfc—支撑缝导流能力，mD·m。

1.2.2 海水基压裂液优化

压裂液的优选需结合地层温度、与地层液体的配伍性、产能影响及液体成本等因素综合考虑，理想的压裂液至少满足以下条件：①稳定的流变性；②高剪切流速下的耐剪切性能；③较好的润滑性；④良好的地层渗透率恢复；⑤对裂缝导流能力伤害的最小化。结合海上施工淡水资源匮乏、海水取之不尽的特点，用海水配制压裂液具有扩大压裂液规模、提高作业时效等优点。用海水配制压裂液难点在于高矿化度引起稠化剂溶胀困难，高钙镁离子在强碱性条件下沉淀易造成压裂交联性能降低、耐温性差。通过耐温耐剪切、破胶、残渣含量测定、岩心伤害等实验，研发一套可用高矿化度海水配制的压裂液体系，该体系性能指标均满足行业要求，其携砂性能见图3。

图3 海水基压裂液携砂性能现场效果图

1.2.3 支撑剂粒径优化

支撑剂用于支撑水力压裂所形成的人工裂缝，当人工裂缝闭合后在储层中形成具有高导流能力的流体流动通道。因此，支撑剂粒径优选时首先要考虑支撑剂在不同闭合应力下的导流能力，针对海上疏松砂岩还要考虑支撑剂在疏松砂岩中的嵌入、支撑剂对应最大的临界流速等情况。

通过室内实验测定单一粒径在不同闭合应力条件下支撑剂导流能力(见图4)，从图4中可以看出随着地层闭合应力增加，支撑剂导流能力逐渐减小；不同粒径支撑剂在地应力条件下，导流能力相差数倍，但随着闭合应力的增加，这种差异逐渐减小。因此，要根据地层的闭合应力选择满足导流能力的支撑剂粒径。

图4 单一粒径在不同闭合应力下的导流能力

针对中高渗疏松砂岩油藏压裂支撑剂优选时，需要考虑支撑剂的嵌入影响，铺砂浓度越大，嵌入对导流能力的伤害程度越小，推荐使用的支撑剂铺砂浓度为15 kg/m2以上。

考虑地层流体和原油由产层流入支撑裂缝的速度需小于支撑裂缝防砂的临界流速，这样地层砂不会在支撑裂缝内发生桥堵效应，否则地层砂会封堵支撑剂喉道，使产液量下降。采用苏程[12]提出的优化临界流速的计算公式。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：vpc—支撑剂的临界流速，m/s；ds—支撑剂平均粒径，mm；ρ0—原油的密度，kg/m3；φs—地层砂的球度，无量纲；Φ—地层流体流动的孔隙度，%；μo—原油黏度，Pa·s；ρs—地层砂的密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2。

将式(5)、式(6)、式(7)代入式(4)，求得支撑剂的临界流速vpc，再由式(8)求出油井产液量。

Q=345.6vpcHfLf

(8)

式中：Q—油井的产液量，t/d；Hf—裂缝高度，m；Lf—支撑裂缝半长，m。

图5表示支撑裂缝半长50 m条件下，不同裂缝高度下的临界产液量。图6表示缝高30 m条件下，不同支撑裂缝半长下的临界产液量。

图5 支撑裂缝半长50 m条件下不同缝高的临界产液量

图6 缝高30 m条件下不同支撑裂缝半长的临界产液量

1.3 防砂工艺

压裂后期泵注固结支撑剂，当裂缝闭合后，在地层温度和压力作用下，固结支撑剂发生固化，形成具有一定强度且可渗滤的人工井壁，起到提高导流能力和防止地层砂向井筒运移的效果。

固结支撑剂原理是采用低密高强型的高分子材料覆膜，在一定温度和压力条件下固结在一起，具有以下特点：①较高的强度，较快的固结速度。在60 ℃水浴24 h后测试抗压强度≥5 MPa，不同温度下固结后抗压强度见图7所示;②稳定的化学性能。颗粒表面具有较强的化学惰性，固化后耐酸、碱、盐等;③较广的使用范围。固结温度可低至50 ℃，能满足绝大多数油井的要求，温度越高固结越快，即使在特别低温环境的地层，加入特殊低温固化剂也可以保证固结质量;④较好的渗透性。对地层渗透率损害小，固结后形成的挡砂墙拥有较高的渗透性，水驱达到10 D以上，空气驱达到30 D以上。同时固结防砂支撑剂由于表面的覆膜还可以降低支撑剂嵌入对导流能力的影响。

图7 不同温度下固结支撑剂固结后的抗压强度

2 海上过筛管压裂应用及效果评价

2.1 海上过筛管压裂应用

目前渤海油田已实施的过筛管压裂分为水力喷射压裂工艺、常规射孔+逐层压裂工艺及常规射孔+一趟管柱多层压裂工艺三大类，其每类工艺的技术特点和应用情况见表1。

表1 海上过筛管压裂工艺对比

压裂液采用海水基压裂液体系，配方为过滤海水+稠化剂+其他添加剂。支撑剂粒径采用20/40目低密度高强度支撑剂和固结支撑剂。加砂规模20～50 m3。施工载体采用压裂船联合平台作业。

2.2 海上过筛管压裂效果评价

渤海油田陆续实施过筛管压裂施工，主要分布在辽东区块、曹妃甸油田、渤中油田等。根据标准Q/HS 2089—2015《海上油井增产措施效果评价方法》，选取措施前30 d和措施后30 d正常生产情况下的平均日产油量，效果对比如表2所示。在已过筛管压裂11口井中，有9口井增产、增液效果显著，采液指数增加8倍以上，采油指数增加3倍以上。其中2口井没有达到预期效果，分析原因认为5号井为水平井,在过筛管压裂之前进行了其他工艺，造成整个水平段储层损害，而过筛管压裂形成与井筒垂直的裂缝，无法改造裂缝位置以外的水平段；8号井出砂严重，通过控制生产压差使产液量低，没有达到预期效果。通过现场应用，认为过筛管压裂是治理海上中高渗疏松砂岩储层低产、低效井的有效措施，如何长期、有效防砂是过筛管压裂施工的关键。

表2 过筛管压裂措施前后效果对比

3 结论及建议

(1)海上过筛管压裂工艺对筛管完井储层进行射孔加砂压裂，利用固结支撑剂进行防砂，具有解堵、增产和防砂三种效果，实践证明该工艺可有效解决海上油井低产、低效的难题。

(2)长期有效防砂是过筛管压裂工艺关键，针对过筛管压裂后地层出砂问题，建议如下：①通过室内实验优选适宜的化学固砂剂，在压裂前置液阶段注入化学固砂剂，降低地层细粉砂产出及运移；②支撑剂粒径优选时要考虑裂缝闭合后的导流能力、支撑剂嵌入和支撑剂对应的临界流速，在满足上述要求的前提下采用组合粒径。小粒径的支撑剂处于缝端位置，起支撑微裂缝的作用，并且有防细粉砂的作用。中等和大粒径的支撑剂建立高导流能力的流体流通通道；③在携砂液阶段的末期，采用降低压裂液黏度和欠顶替工艺，以便诱导在近井筒地带脱砂，充实筛管—环空和筛管射孔孔眼，并且井筒留塞，钻塞后可有效修复筛管射孔孔眼并在裂缝缝口形成挡砂屏障，进一步提高防砂效果，延长防砂有效期。