水力压裂加砂过程曲线分析

韩佳希

摘要：压裂是油气井增产的一项重要技术措施。本文依据多口井压裂资料，分析了其“加砂”工序中泵压、排量、混砂比曲线随时间的变化形态，总结出“加砂”曲线的五种类型：下降型、下降稳定型、波动型、上升型、稳定型。实践认为下降或下降稳定型曲线形态主要是因被压开地层裂缝缝高的增加；波动型曲线形态主要受地层物性严重非均质性影响；上升型曲线形态是受地层渗透性差、层薄影响，造成缝高延伸受阻，水平延伸缓慢或是携砂液在地层缝内严重堵塞，产生砂卡，泵压突然上升；稳定型曲线形态可能是地层滤失量的增加， 使施工泵压长时间维持常量。现场施工可根据加砂曲线形态，合理调整“ 加砂” 施工参数， 保证油井施工顺利进行。

关键词：压裂加砂曲线； 形态； 特征剖析； 参数； 施工

前言：

水力压裂是油气井增产的一项重要技术措施，当地面高压泵组将高粘度液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中， 在井底蹩起超过井壁附近地应力及岩石抗张强度压力后， 即在地层中形成裂缝，随着带支撑剂的液体注入缝中，裂缝逐渐向前延伸形成一定长度、宽度、高度的填砂裂缝。这些裂缝具有很高的渗流能力。改变了油气渗流的流态。由原来的径向流改变为从地层基本上单向流入裂缝，再由裂缝单向流入井筒，油气井产量大幅度提高。

1、加砂施工曲线类型及特征

通过数据收集近两年来多口油井压裂施工曲线，归纳出压裂“加砂”施工曲线有5种类型。

（1）下降型：其特点是当注入排量稳定，随压开裂缝的延伸和扩展，泵压连续下降，此类曲线属于较理想状态，在现场比较少见。

（2）下降稳定型：其特点为注入排量相对稳定时，随着裂缝延伸和扩展，混砂比逐步增加，泵压下降至一定程度后相对稳定，在压裂施工正常情况下现场此类曲线占大多数。

（3）波动型：特点为注入液体排量稳定，混砂比基本稳定， 随着裂缝的延伸和扩展， 泵压波动起伏。现场此类曲线约占20% 左右。

（4）上升型：注入排量稳定，混砂比稳定或提高，泵压连续上升，出现此类曲线往往停泵分析其原因后，再调整排量和砂比重新施工。

（5）稳定型：注入排量稳定，混砂比稳定或提高，泵压基本不变，此类曲线占5%。

2、原因分析

压裂地层裂缝中液体流动的连续方程为：

Q0=λ+dv+dt··································（1）

裂缝的体积方程式为：

V=LWH······································（2）

由于裂缝在延伸过程中缝宽的变化与缝内压力的变化是基本一致的， 即：

C=W/P·······································（3）

将（3） 式代入（2） 式， 得：

V=LPCH·······································（4）

式中各参数均是沿缝长的平均值。

将（4） 式代入（1） 式并将其赋为Δt中的增量得到：

Q0=λ+LPCH（ΔL/L+ΔP/P+ΔC/C+ΔH/H）/Δt··········（5）

式中 Q0——注入地层裂缝的体积流量；

λ——注入液体的体积漏失速度；

L、ΔL——缝长、 缝长增量；

P、ΔP——缝内压力、 压力增量；

C、ΔC——缝宽与压力两参数的比例系数、比例系数增量；

H、ΔH——缝高、 缝高增量。

（1）下降、下降稳定型：在lgP—lgt 曲线为上线段，曲线斜率为负值，表示裂缝穿过低应力层，缝高发生不稳定增长，或是沟通了天然裂缝。从方程（5）分析，当压力增量ΔP有明显降低时，ΔL、ΔC、ΔH、λ必有明显提高，其中液体滤失量“λ”的增加可能由于压开裂缝穿过了地层微隙， 但它不能使ΔP有明显降低； 缝长有较长的延伸与ΔP较大降低不相容；在压力下降情况下，比例系数C增加没有物理意义；分析认为造成此类曲线特点

的主要原因是缝高ΔH的增加（图1）。

1000                                      Ⅲ

lgP               Ⅰ              Ⅱ                  Ⅴ

100                                     Ⅳ

10

         0                   10                   100

                                 lgt

图1  P-t双对数曲线图

（2）波动型：即(图1)中的曲线Ⅴ，压力曲线上下波动，表明裂缝也不断在延伸。经研究分析认为是受地层物性特征的影响，同一地层物性的严重非均质性是造成此类曲线特点的主要原因。

（3）上升型：一般有两种形态。第一种是(图1)中的线段Ⅰ，曲线斜率0.125~0.200之间， 表示裂缝在高度方向延伸受阻，沿水平方向缓慢延伸，可能是地层渗透性差、层薄等因素造成。第二种是斜率近似为

1的线段：即(图1)中的线段Ⅲ，压力正比例于时间，也就是压力的增量比例于注入液体体积的增量，说明裂缝端部受阻，缝内压力急剧上升。斜率大于1，则表示裂缝内发生堵塞。从方程（5）分析，当压力ΔP变化很大时，参数H、C、ΔL都不可能很大；当缝内堵塞注入量Q0不得不降低时，这些参数的变化量就更小。分析认为可能是油藏面积很小，不渗透边界的过早出现或携砂液进入地层后在缝内严重堵塞，缝中砂卡。

（4）稳定型：即(图1)中的线段Ⅱ，曲线斜率为0，对应压力为地层压力容量，表示缝高稳定增长到应力遮挡层，或是地层内天然微裂隙张开，使滤失量与注入量持平。式（5）分析： 当压力ΔP的上升率很小时，若认为曲线形态是缝长ΔL有较大增加造成，则与井底压力应随缝长增大而增加的原则相违背；在多数情况下，缝高ΔH增加将出现压力降低；比例系数ΔC的增加，将使缝宽增加，较长压力不变的时间内出现缝宽的增加，是不可能的；只有可能是滤失量“λ”增加造成，新缝压开或天然微缝隙张开增加了滤失量，注入液体与滤失平衡，压力维持常数。

3、实际应用分析

3.1近似求取裂缝几何参数

压裂施工曲线反映了地下裂缝的延伸方式和几何特征。目前常采用井底净压力（井底压力与闭合压力之差）方程，在井底压力已知时，能近似求出任一时刻裂缝长度和宽度。

3.2应用“ 加砂”曲线形态特征指导现场施工

目前现场用仪器车自动监测整个加砂过程，便于指挥人员利用各类曲线特征随时修改必要的参数，针对各类曲线形态，应采取的措施及注意事项是：

（1）下降、下降稳定型：该情况是现场施工比较理想的类型，施工成功率、有效率较高，但应注意井浅、断裂破碎带、薄夹层或邻层为高渗透层时，液体是否往地面、断层或邻层窜流。施工结束关井观察压力扩散情况，作好防喷准备。

（2）波动型：当注入排量、混砂比保持基本稳定后，压力曲线呈周波跳跃，说明裂缝在向前延伸，属正常施工曲线。但应时刻控制好注排量、砂比等参数，注意压力曲线是否有突然变化。不能随意调高参数。出现异常，应停止加砂，小排量替入后置液，防止井筒沉砂。

（3）上升型：斜率很小的第一种上升型曲线属正常的施工曲线，现场施工时应采取小排量、低砂比慢速施工，扩大施工规模。斜率近为1的第二种上升型曲线是最令人担心曲线类型，现场应合理调小砂比、排量，以便达到设计加砂量要求。对于缝端脱砂施工，则应使支撑剂， 在一定缝长时形成砂堵，然后控制排量、砂比使裂缝填满支撑剂。若曲线斜率大于1时，应立即停止加砂，替入后置液防止井筒发生砂卡，然后分析原因调整施工参数试压或对地层进行挤酸加入粉陶处理后再进行压裂施工；若发现压裂液质量问题应停止施工，返工重压。

（4）稳定型：斜率为0的压力曲线出现也是令人担扰的，其说明裂缝延伸速度将下降， 很可能发生砂堵，称此压力为“临界压力”。此时应降低井底压力，采用降低注入排量，减小压裂液粘度、暂停加砂、打缓冲液等方法可使井底压力降低。尽量不影响填砂缝长。

其中上升型，稳定型在采取措施或调整施工参数后，压裂曲线往往表现为下降稳定型或波动型，说明地层填砂和压力回归正常。

3.3预测压裂效果

在同样的压裂液和同样排量下，加砂时压力下降幅度大，表明地层裂缝形成好，携砂液在裂缝中运动阻力小，地层改造后增产幅度大。替挤时地下压差越大越好，表明压裂后地层渗透能力大为改善，增产效果明显。

4、结 论

“加砂”施工曲线有5种类型。目前压裂施工大多数压裂“加砂”曲线为下降或下降稳定型。造成下降、下降稳定型曲线形态原因分析是压开地层裂缝缝高ΔH的增加；波动型曲线特征主要是受地层物性严重非均质性影响；上升型曲线形态主要是受地层渗透性差、层薄，使裂缝在高度方向延伸受阻，而沿水平方向延伸又缓慢；或是裂缝内存在堵塞，砂卡；稳定型曲线其造成原因可能是地层滤失量“λ”的增加。现场监测“加砂”曲线形态变化，可适时调整施工参数，采取相应措施，预测措施效果。

参考文献

[1]王鸿勋．水力压裂原理［Ｍ］．北京：石油工业出版社，1987

[2]谢朝阳，张士诚．试油试采与增产技术［Ｍ］．北京：石油大学出版社，1955

[3]王鸿勋，张士诚．水力压裂设计数值方法［Ｍ］．北京：石油工业出版社，1998

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