压裂施工中压力异常波动的原因浅析及处理措施

压裂施工中压力异常波动的原因浅析及处理措施

编写：韩庆

单位：长庆石油勘探局井下技术作业处

二 0 0七年十二月

压裂施工中压力异常波动的原因浅析及处理措施

韩庆

（长庆石油勘探局技术作业处甘肃庆阳745113）

摘要：油水井压裂已经成为各大油田一项重要的增产增注措施，在压裂施工过程中，由于地质因素或人为因素等多种原因，导致了不成功工序的发生，影响了正常的生产和经济效益。随着压裂工艺的不断完善，对工程技术人员的整体素质要求越来越高，不但要有较高的专业技术理论水平，还要有较丰富的现场实践经验。本文着重论述了在压裂施工过程中，压力异常波动的原因及处理措施，从人为因素、非人为因素等方面进行了阐述，同时列举了一些实例及图表，针对原因进行分析，提出处理及预防措施，旨在对以后的施工过程中遇到此类问题时能够提供参考与指导，尽可能地降低损失，进一步提高压裂施工的一次成功率，为油田的可持续发展做出贡献。

关键词：压力异常波动处理

一、问题的提出

随着长庆油田的不断开发，压裂已经成为油井增产，水井增注的重要手段，压裂井的数量也在不断增加。在现场施工过程出现的问题中，技术人员最怕遇到的就是压力的异常波动，因为它有可能会导致工程事故，通常是造成砂堵，进而造成砂卡管柱，导致管柱活动不开，这样处理起来极为麻烦，不仅耗费时间，而且还会造成极大的经济损失。再有，压力异常上升，极易造成憋爆管柱，因为在极短时间内，压力的迅速上升，即使是仪器设有超压复位装置，也不可能将所有泵车停下，如果在井下憋断管柱，则会造成卡管柱，如果在地面憋爆管线，则可能会造成设备及人员的伤害。所以分析压力的异常波动以及提出解决的办法，对于在今后的施工中避免损失具有重要的意义。

二、引起压力异常波动的原因分析及处理措施

压裂施工是一个系统工程，其间任何一个环节出现异常，都可能导致整个施工的失败，导致压力异常波动的原因大致可以分为两种情况：人为因素和

非人为因素。下面就这两种因素进行详细的论述。

1．人为因素

在整个施工过程中，因人为因素引发的压力异常波动占有一定的比例，通常有以下几种原因。

(1)前置液量是否符合压裂施工设计要求。

每口井压裂成功与否，与前置液量有极大的关系。只有前置液量符合设计要求，才能破开地层，并在地层中形成一条具有足够长度的填砂裂缝，为以后支撑剂的进入做好铺垫。反之，如果前置液量不足，则会为以后的施工埋下隐患：由于前置液量的不足，导致造缝长度不足，随着施工时间的延长，当砂量达到一定程度时，裂缝无法继续向前延伸，地层就会出现“饱和”现象，如果在加砂过程中出现压力升高，并且判断其原因是由于前置液量不足引起的，应采取的措施是立即停砂，进行替挤，以避免更大的损失。

(2)是否为交联前置液。

如果前置液量充足，但是没有混合交联，在施工过程中，随着时间的推移，愿者上钩液会慢慢地滤失，同样不能形成足够长度的填砂裂缝。最终会导致缝端脱砂。正确的做法应是：在地层压开，排量达到设计要求后，就应该进行交联混合，使前置液保持应有的造缝机能。如果前置液没有混合交联，那么出现压力上升时，也应该立即停砂，进行替挤。如果强行加砂，则极有可能导致砂堵事故的发生。

(3)加砂过程中是否供液或供砂间断。

在压裂施工中，尤其是在加砂过程中，最禁忌的就是供液间断，也就是俗称的“抽空”。引起抽空的人为因素就是罐车看液人员的疏忽，造成液罐内

空气进入混砂车水泵内，从而引起混砂车上水困难，或是由于混砂车操作人员的误操作，使混砂斗内液面过低，不能向泵车提供充足的液量，继而泵车向地层间断性供液，则推动支撑剂进入地层的动力不足，易造成支撑剂在地层内发生堆积，尤其是在高砂比阶段时，极易造成压力异常上升，导致砂堵。所以在施工中，看罐人员及混砂车操作人员应增强责任心，避免发生抽空现象。一但因抽空引发压力上升，则应降低砂比，视压力变化加砂。其次，供砂不连续，有可能是砂罐不到位或是混砂车加砂间断，在施工过程中都会引起压力地异常变化，如果施工员不及时采取措施，将会导致施工失败。

如图1：本次施工过程中有两次供液不足现象，瞬时间导致主压车走空泵，其压力排量都有所较大变化（压力排量同时波动），供液正常后其压力排量基本平稳。

图1：施工中供液不足的施工曲线

如下图2：在施工过程中，由于混砂车供砂不连续引起压力变化两次，压力平均每次上升2－3MPa，在加砂正常后压力慢慢恢复到正常情况。

图2：供砂不连续的施工曲线

(4)交联比是否合理。

在加砂过程中，交联比的控制是否合理，对整个施工的成败同样也有着举足轻重的作用。控制好交联的大小，需要一定的施工经验，如果交联过小，则冻胶压裂液的携砂能力变差，随着施工时间的推移，进入地层内的支撑剂会慢慢沉积，形成砂桥，阻止后续支撑剂的进入，从而会形成砂堵，尤其是在外围探井施工中，多使用延时交联，如果控制不好基胶比，携砂液在进入地层后仍不成胶，则极易发生砂堵。这一过程是缓慢的，压力通常会呈缓慢上升趋势，这种情况发生后应立即停砂，随着压力上升，应逐渐减小排量，以防压力突然上升，难以控制。如果压力平稳，则应及时调整交联，视情况

加砂。如果交联过大，则会增加摩阻，在冻胶过炮眼时，压力也会有异常波动。控制好基胶比，要求混砂车上的技术人员应对混合液勤检查，仪表车内技术员也应注意观察排量线的变化，一旦排量有异常，则应及时调整交联。判断是否因交联浓度过大导致压力波动，可通过泵注排量及时间推算出来，由此引起的压力波动一般不会导致砂堵。

如图3所示:在施工过程中,由于交联比控制的不是很好,交联比一阵大一阵小，所以在加砂过程中压力变化波动很大,使得后期砂比不可能提得更高。

图3：交联控制不好的施工曲线

图4：交联控制不好的施工曲线

(5)排量是否符合设计要求。

全三维水力裂缝模拟结果表明，当上下岩层与压裂目的层的地应力差小于5MPa时，泵注排量的大小将对裂缝高度的延伸产生较大影响。在现场施工中，有时因为某种情况，施工泵注排量达不到设计要求，这就使得裂缝高度达不到预期值，当泵入较高浓度的砂比时，高浓度的支撑剂就会堆积在裂缝口，造成压力的迅速上升。所以在现场施工中，应严格遵守作业指导书的要求，以足够的排量进行施工。

(6)泵入错误的砂比或设计砂量、砂比不合理。

在施工中，如果施工人员错误的泵入了较高浓度的砂比，或者设计人员在做设计时，由于对欲压目的层的地层参数分析有误，设计了过高的砂比或砂量，或前置液量相对不足、基胶比不合理、裂缝高度限制等因素，均可导致压力异常上升。现场施工时如果压力上升，应进行判断分析，及时采取相应的措施(降砂比或提高施工排量)。

2．非人为因素

(1)地质因素。

①断层遮挡。

在影响压裂施工的地质因素中，断层遮挡是一个不可忽视的因素。施工中，如果在裂缝延伸过程中遭遇断层遮挡，则裂缝的延伸受到限制，地层的吸入量会达到饱和，致使压力上升，无法继续施工。在断层区域附近施工，如果各项指标均符合设计要求，而压力迅速上升，则有可能为断层所致。为避免此类问题的发生，一方面要求设计部门应该详细了解欲压目的层的地质

情况，对断层发育的地区或施工井应给予标注；另一方面要求现场施工人员应尽量多积累经验，对特殊区块的油藏资料有所了解，避免压力突然上升而造成不必要的损失。

②地层渗透率和微裂缝发育的影响。

由于地层渗透率过大导致缝端脱砂而引起压力异常上升，在施工中也比较常见。有些微裂缝发育区块，在施工中也容易导致压裂液滤失量过大或者形成不了有效主裂缝，而导致脱砂现象的发生。对于本身渗透性较好的水井，由于长期注水，导致微裂缝被水中杂质所充填或堵塞，随着注水压力的提高，新的裂缝产生，随着时间的推移，新裂缝又被杂质充填，这样周而复始，使得这一区块的施工破压较高，并且随着施工的进行，微裂缝相继被压开，施工压力极不稳定，并且伴随着滤失量增大，容易造成砂堵。所以在施工此区块的水井时，应该适当增加前置液用量，同时增大交联比例，当压力有上升趋势时，可适当提高排量，增加缝宽以减缓压力的上升。

④限流法施工。

限流法施工，就是通过严格限制炮眼的数量和直径，按设计注入排量进行施工，利用压裂液流经孔眼时产生的炮眼摩阻，大幅度提高井底压力，并迫使压裂液分流，使破裂压力接近的地层相继被压开，达到一次加砂能够同时处理几个层的目的。由于其工艺特点，在施工过程中相继压开几个小层，同时会出现压力波动的现象，所以在施工限流法井时，出现压力的波动属于正常现象。

(2)设备因素。

在施工过程中，由于设备的突发故障，导致泵注排量不足，或者供液系

统的故障，均可导致原有施工状态改变，井底流质状态发生变化，进而导致压力波动。

①泵车故障原因。

泵车是压裂施工中泵注下井原材料的动力源，如果其发生故障，也将会引起相应的施工故障。如某台车的变速箱系统或柴油机发生故障，可导致该车大泵运转偷停或者挡位混乱，造成排量不准确。或者由于大泵阀系统工作故障，间断性供液，均可导致压力异常。在施工中，要求泵工对台上设备勤检查，发现异常及时调整车辆，保证排量的稳定。

②混砂车故障原因。

混砂车由于使用率较高，易磨损部位也容易发生故障。例如水泵或砂泵，由于长期使用，均可导致叶轮的磨损。水泵发生故障，则上水困难。砂泵发生故障，则供液量不足。在施工排量增大的情况下，使得混砂车不能及时供给泵车充足的液量，使泵车抽空，最终导致压力的异常波动。所以当混砂车的易损部件工作到一定的年限时应进行检查、更换。

③仪表车采集系统或传感器部分失灵。

仪表车是一个精密的采集系统，强磁场、强电磁波或者高压电场等外界干扰也可导致压力异常的波动，但这个波动只是一个假象，现场指挥人员应该对此做出准确判断。另外，在雨雪季施工时，压力传感器、流量传感器有可能进水或冻结，导致压力及排量反映失真，通常情况是，在排量稳定时，压力呈极缓慢的上升趋势，而且没有波动，这时可参照泵车控制台的压力表进行核对，来判断是否属于这一故障。所以仪表操作人员应增强责任心，及时地对压力传感器等做好保温及防水、防冻工作，防止因此故障导致现场施

工员带来错误判断。

(3)井下管柱因素。

射孔孔眼是流体进入地层的通道，压裂施工时，压裂流体需经孔眼进入地层，孔眼的数量及尺寸都会对压裂施工产生一定的影响。孔数过多将增加压裂液的滤失，孔数过少又会产生很大的孔眼摩阻，使泵注排量受到限制。孔眼尺寸应与支撑剂粒径的大小和施工时泵入支撑剂的浓度相匹配，否则会出现砂堵孔眼的现象。孔眼的尺寸还影响到压裂液的黏度，如孔眼太小，孔眼通道处的高剪切速率将破坏冻胶结构，使高黏度的压裂液迅速降解，导致脱砂。

对于使用普通喷砂器的施工井，如果在施工过程中出现压力上升，发生砂堵，不应该再进行连续的憋放，因为连续高压憋放，会导致卡具段油套环空内的支撑剂紧密堆积，而是应该在采取一些辅助措施(如油套平衡压力等)的配合下立刻活动管柱，尽可能将损失降至最低。

三、结论与建议

(1)压裂施工过程中，施工人员应增强责任心，同时加强设备的保养及维护，这样就可以避免很多人为原因及设备原因造成的异常情况。

(2)在施工中逐步总结经验，对各区块的地质特点，尤其是一些断层及油水过渡带地区要有所了解及掌握。

通过充分的施工准备及风险预想，施工时才能有所防范，在遇到压力异常波动时及时地采取相应的措施，这样就可以减少砂堵井事故的发生，提高压裂施工的一次成功率。