尹輝，韓先柱，李平，陳晶

中國石油新疆油田分公司 開發(fā)公司（新疆 克拉瑪依 834000）

1 支撐劑是非常規(guī)油氣開發(fā)的關(guān)鍵因素

準(zhǔn)噶爾、鄂爾多斯和四川三大盆地是非常規(guī)油氣的重點開發(fā)區(qū)域，其中準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油、瑪湖凹陷致密砂礫巖油藏已成為新疆油田產(chǎn)量穩(wěn)定的“砝碼”，預(yù)計2025年產(chǎn)量將占原油總產(chǎn)量的50%。但非常規(guī)油藏開發(fā)難度大，決定因素是單井最終可采儲量(EUR)和單井工程投資。尤其是在持續(xù)低油價趨勢下，高效低成本的開發(fā)尤顯重要，“低成本戰(zhàn)略”將成為新疆油田發(fā)展的生命線。

目前新疆油田非常規(guī)油氣采用水平井優(yōu)快鉆完井、體積壓裂改造技術(shù)與“工廠化”作業(yè)模式進行大規(guī)模開發(fā)[1]。提高單井產(chǎn)量和降低建井成本是主要目標(biāo)，經(jīng)過近幾年的控本增效，大幅降低了水平井費用，目前鉆完井成本為2 300萬元～5 900萬元，平均3 500萬元，壓裂成本占比達51%。而在壓裂成本中材料構(gòu)成是關(guān)鍵，壓裂液成本和支撐劑成本平均分別占到壓裂成本的22%和29%，特別是支撐劑因素，成為降低成本的最大挖潛對象[2]。

2 石英砂替代技術(shù)

根據(jù)儲層特征，通過支撐劑受力公式推導(dǎo)與數(shù)值模擬，明確了非常規(guī)水平井多段改造模式下支撐劑受力狀態(tài)，即支撐劑承受井底施工壓力（最小主應(yīng)力）與儲層孔隙壓力的差值。而在生產(chǎn)過程中，隨孔隙壓力的逐漸降低，作用在支撐劑上的閉合應(yīng)力隨之增加，閉合應(yīng)力的變化速率與原基質(zhì)滲透率和排液速度關(guān)系密切。與常規(guī)儲層相比，非常規(guī)儲層基質(zhì)滲透率較低，且采用的大型水平井體積壓裂施工工藝增大了壓裂液用量及波及范圍，極大地增加了基質(zhì)孔隙和水力裂縫的壓力，延緩了排液速度，降低了閉合應(yīng)力的增加速率，即呈現(xiàn)出“液與砂共同支撐”導(dǎo)流通道的現(xiàn)象（圖1）。此種條件下可有效地降低支撐劑所承受的閉合壓力，減少破碎率，有利于維持裂縫導(dǎo)流能力[4]。這為使用更低強度的支撐劑提供了依據(jù)，突破了按傳統(tǒng)儲層閉合應(yīng)力選取支撐劑的原則。

圖1 非常規(guī)儲層“液與砂共同支撐”模型

2.1 石英砂淺層、低壓井替代技術(shù)

通過支撐劑導(dǎo)流能力測試實驗，明確地層條件下不同鋪設(shè)濃度、粒徑規(guī)格的石英砂導(dǎo)流能力大?。▓D2），建立了以設(shè)計產(chǎn)能為目標(biāo)的裂縫導(dǎo)流能力臨界值計算方法，最終確定了石英砂鋪置濃度提高至5 kg/m2以上，可滿足新疆油田井深小于3 500 m、閉合應(yīng)力低于60 MPa的儲層人工裂縫導(dǎo)流能力需求，保證開發(fā)效果。

圖2 不同鋪置濃度、粒徑的石英砂導(dǎo)流能力測試結(jié)果

2017—2020年在淺層、低閉合壓力的風(fēng)南4、瑪131等區(qū)塊規(guī)模推廣石英砂支撐劑，共實施159井，替代陶粒28.2×104m3（表1），節(jié)約成本上億元。對投產(chǎn)時間最早的試驗井與鄰井生產(chǎn)效果對比，生產(chǎn)超過300 d無明顯差異，這表明石英砂替代陶粒的水平井仍具備較強高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)能力，很好地實現(xiàn)了石英砂替代陶粒的目的。

表1 瑪湖凹陷石英砂替代陶粒應(yīng)用情況統(tǒng)計

2.2 石英砂深層、高壓井替代技術(shù)

基于國內(nèi)外研究成果，在準(zhǔn)噶爾盆地埋深大于3 500 m、閉合壓力大于60 MPa的油藏，新疆油田開展了數(shù)值模擬及支撐劑導(dǎo)流能力評價實驗。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，水平井人工裂縫密度（簇/縫間距）對改造效果有重要影響（圖3）。一定長度的水平井，產(chǎn)量隨著裂縫條數(shù)的增多而增加，但隨著裂縫條數(shù)的增多，受應(yīng)力陰影的影響，縫間的相互干擾加劇，從而影響每條裂縫的產(chǎn)量[5]。因此，對于一定物性條件的儲層存在一個最優(yōu)的裂縫條數(shù)與之適應(yīng)。應(yīng)用數(shù)值模擬，對比不同油藏不同簇間距條件下裂縫形態(tài)，得出最優(yōu)簇間距在15 m左右時，縫控體積較大且能夠避免較大應(yīng)力干擾產(chǎn)生的裂縫遠端轉(zhuǎn)向重合現(xiàn)象。這也表明在一定的設(shè)計產(chǎn)能下，達到最優(yōu)簇間距時，可以通過增加人工裂縫的數(shù)量來減少對單縫導(dǎo)流能力的需求，即可使用破碎率更高的石英砂作為壓裂改造的支撐劑，同時增加石英砂的用量以保證單縫的長期導(dǎo)流能力。

圖3 不同裂縫導(dǎo)流能力對應(yīng)累產(chǎn)模擬

支撐劑導(dǎo)流能力評價實驗表明，導(dǎo)流能力取決于支撐劑顆粒的破碎和壓實程度。隨閉合應(yīng)力增加，不同粒徑石英砂導(dǎo)流能力差異減弱（圖4），支撐劑破碎率與導(dǎo)流能力不是完全對應(yīng)的關(guān)系，鋪置濃度、鋪置方式的影響較大。小粒徑石英砂抗破碎能力更強、鋪置更均勻、更易被攜至裂縫遠端，實現(xiàn)支撐劑遠端鋪置和分支縫的有效支撐，從而增加縫控儲量，提高油井穩(wěn)產(chǎn)時間。

圖4 不同粒徑石英砂導(dǎo)流能力測試結(jié)果

經(jīng)反復(fù)論證，在深層、高閉合壓力的非常規(guī)儲層，采用水平井高密度人工裂縫完井與高強度壓裂改造可獲得經(jīng)濟與產(chǎn)量的雙突破?；诖?，壓裂設(shè)計采用“密集切割、以量換質(zhì)”的策略進行石英砂替代。通過改變石英砂類型及用量、密集切割降低油藏對單縫導(dǎo)流能力需求來彌補因使用抗壓強度差的天然石英砂所帶來的損失。值得注意的是，由于陶粒和石英砂破碎后的形態(tài)有很大的不同，在閉合壓力大于70 MPa的儲層，壓實作用影響更大，石英砂替代應(yīng)進行更深入的理論研究及現(xiàn)場試驗。

3 支撐劑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)探索

目前新疆油田采用SY/T 5108—2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測試方法》作為石英砂檢測的標(biāo)準(zhǔn)。性能評價主要包括粒徑、圓球度、酸溶解度、濁度、密度、破碎率和灼燒損耗等七大方面，破碎率和粒徑是影響導(dǎo)流能力的主要因素。

SY/T 5108—2014主要參照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO13503-2—2006《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測試推薦方法》而制定的，技術(shù)內(nèi)容與源標(biāo)準(zhǔn)基本保持一致，但亦存在差別。關(guān)鍵指標(biāo)破碎率國際標(biāo)準(zhǔn)取值10%，以6.9 MPa(1 000 psi)壓力遞增，共分15個破碎率等級；國內(nèi)支撐劑破碎率取值9%，簡化破碎率7個等級。然而2019年修訂的中石油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 17125—2019《壓裂支撐劑性能指標(biāo)及評價測試方法》將破碎率指標(biāo)提高到10%，略低于國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這是因為完善了破碎率重要評價指標(biāo)的測試方法，與國際標(biāo)準(zhǔn)相統(tǒng)一，提高了石英砂支撐劑產(chǎn)品的適用性。

研究發(fā)現(xiàn)不同檢測機構(gòu)對同種支撐劑破碎率的檢測結(jié)果有所差異，許多因素會影響測試的結(jié)果。例如檢測儀器、環(huán)境溫度與濕度、人員誤差等，因而不應(yīng)僅以支撐劑破碎率作為主要選材依據(jù)。油氣產(chǎn)能的提高主要取決于支撐劑導(dǎo)流能力，應(yīng)以實驗室導(dǎo)流能力測試，再結(jié)合具體區(qū)塊的地質(zhì)、工程和經(jīng)濟因素合理優(yōu)選支撐劑?；凇敖?jīng)濟夠用”理念，加之新疆油田在油藏埋深小于3 500 m、閉合應(yīng)力低于60 MPa的區(qū)塊成功運用了石英砂替代，使用更為寬泛的標(biāo)準(zhǔn)具有可行性，應(yīng)靈活運用行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)。

新疆油田運用數(shù)值模擬的方法尋找石英砂破碎率的經(jīng)濟下限。以瑪湖砂礫巖為例，建立機理模型，模擬300～600 μm石英砂在不同破碎率、不同閉合壓力以及不同加砂強度條件下的單井產(chǎn)能，評價不同破碎率的石英砂生產(chǎn)情況[6]?；凇耙粤繐Q質(zhì)”的做法，模擬不同加砂量條件下的產(chǎn)量增加情況（圖5），隨砂量增大，產(chǎn)量增加，當(dāng)高破碎石英砂加砂強度到達1.4倍條件，產(chǎn)量基本和低破碎石英砂（5 kg/m2）產(chǎn)量相當(dāng)。

從圖5可以看到，增大加砂強度，使用較大破碎率的石英砂替代陶?？梢詮浹a產(chǎn)量的差異。值得注意的是，砂量的增加帶來壓裂液、車組費等關(guān)聯(lián)成本的增加，需要統(tǒng)籌兼顧，明確盈虧平衡點。同時應(yīng)針對不同閉合壓力、采油速度制定區(qū)塊替代方案，將破碎率的變化與導(dǎo)流能力、以量換質(zhì)比例等關(guān)鍵因素進行匹配，做到技術(shù)可行、經(jīng)濟亦可行[7]。

圖5 不同破碎率石英砂產(chǎn)能對比曲線

4 砂源本地化策略

新疆油田近幾年逐步推行石英砂替代陶粒技術(shù)，石英砂用量逐年增大。2018—2020年用量分別為39.6×104、45.1×104、51.4×104m3，每年用量均超過支撐劑總量的70%以上，在降低改造成本方面起到了重要作用。但石英砂運輸費用占到一半以上，如能實現(xiàn)砂源本地化，將極大降低支撐劑成本，同時本地砂廠也有利于支撐劑質(zhì)量源頭的把控。

決定石英砂產(chǎn)品質(zhì)量有兩大因素：一是砂源質(zhì)量；二是生產(chǎn)工藝。前者是根本，必須找到合適的礦源，為后期加工奠定基礎(chǔ)；后者是關(guān)鍵，通過水洗、烘干、篩分等選礦工藝提高石英純度，降低破碎率而滿足水力壓裂支撐劑性能的要求[8]。

4.1 砂源

新疆石英砂品位較好的礦源位于準(zhǔn)噶爾盆地古爾班通古特沙漠內(nèi)，于石西油田一帶的沙漠中，行政區(qū)隸屬于新疆和布克賽爾蒙古自治縣管轄。該區(qū)域石英砂是經(jīng)過沖積、風(fēng)成和化學(xué)溶蝕多種地質(zhì)作用疊加所致。礦物組合以石英、巖屑為主，石英呈單晶和集合體態(tài)，SiO2含量范圍為99.62%～99.99%。巖屑成分復(fù)雜，多為中基性、酸性火山熔巖屑、凝灰?guī)r屑、沉積巖屑。

新疆油田實驗檢測研究院依照SY/T 5108—2014標(biāo)準(zhǔn)對石西石英砂原砂進行評價（表2），通過對外觀、圓度、球度、粒徑、支撐劑破碎率、酸溶解度、濁度等12個指標(biāo)的試驗檢測發(fā)現(xiàn)：①圓度、球度均符合標(biāo)準(zhǔn)；②粒級、濁度達不到要求；③支撐劑破碎率實測數(shù)值多數(shù)超過標(biāo)準(zhǔn)（≤9.0%）。

表2 新疆油田石英砂主要性能檢測指標(biāo)

室內(nèi)評價實驗分析表明響石英砂支撐劑破碎率的主要原因是石英砂中有較高含量的巖屑[9]；粒級、濁度不合格經(jīng)分析認為是樣品沒有經(jīng)水洗去除表面細小雜質(zhì)、灰塵及石英顆粒周圍泥土等影響因素。因而，通過清洗、篩分、擦洗等工藝處理后是可以達到支撐劑工業(yè)要求，這在后期本地建廠生產(chǎn)的成品石英砂檢驗中得到了很好的驗證。

石西油田一帶高品質(zhì)石英砂原礦的破碎率檢測結(jié)果在10%附近（應(yīng)力28 MPa），若采用中石油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 17125—2019，將大幅度降低本地砂的生產(chǎn)成本，減少儲層改造投入。

4.2 生產(chǎn)工藝

石英砂生產(chǎn)過程中清除其原礦中含有的雜質(zhì)，獲得高純度的石英砂，從而達到工業(yè)使用要求。常用的主要設(shè)備有振動篩、脫水機、烘干爐、壓泥機等，根據(jù)不同的工藝略有不同。

根據(jù)準(zhǔn)噶爾盆地石西油田一帶的石英砂原礦成分分析結(jié)果，使用水洗、分級脫泥法與擦洗法相結(jié)合的工藝即可清除原礦中的巖屑雜質(zhì)成分。因而適合本地的生產(chǎn)工藝流程為：采砂→粗篩→調(diào)質(zhì)擦洗→脫水→烘干→篩分→包裝。

石英砂的礦物成分及晶體結(jié)構(gòu)為砂源地固有屬性，提高天然石英砂支撐劑質(zhì)量的關(guān)鍵是控制成品砂的粒徑分布及砂表層處理工藝。同一規(guī)格石英砂粒徑分布為正態(tài)分布時，其抗壓強度基本相同；接近其粒徑下限且分布較為分散時，測得的破碎率值較大。石英砂粒徑分布不僅影響破碎率，對人工裂縫充填支撐后的導(dǎo)流能力影響更大，由于壓實作用，同一規(guī)格不同粒徑分布的石英砂導(dǎo)流能力變化較大。因而石英砂生產(chǎn)工藝中應(yīng)更注重篩分工序，可采用多級、多次篩分處理，直至符合要求。

5 石英砂替代過程中的監(jiān)督管理

石英砂替代陶粒的研究、試驗評價、應(yīng)用分析是質(zhì)量監(jiān)督管理的依據(jù)，是制定監(jiān)管方案的有力保障。同時，石英砂大規(guī)?，F(xiàn)場應(yīng)用對監(jiān)督管理帶來了挑戰(zhàn)?；诖耍陆吞镏贫颂豳|(zhì)增效的配套監(jiān)督管理方案，主要包含以下幾個方面。

5.1 壓裂設(shè)計合理性監(jiān)管

壓裂設(shè)計是管控的根本所在，是施工方案、壓后效果、降本增效的統(tǒng)一體。但由于其專業(yè)性很強，在監(jiān)督管理中往往照本宣科，沒有從源頭入手。

引入“設(shè)計管理”理念，確定設(shè)計監(jiān)管的核心是提高單井EUR和降低單井工程費用，目標(biāo)是最大化的投入產(chǎn)出比，明確要解決非常規(guī)開發(fā)中的成本收益問題，同時對改造規(guī)模與產(chǎn)量、材料（人員）投入與效果、技術(shù)研發(fā)（試驗）與收益等限制因素進行權(quán)衡，使設(shè)計更好地為油田的戰(zhàn)略目標(biāo)服務(wù)。新疆油田對設(shè)計的管控體現(xiàn)在3個方面。

1）設(shè)計方：根據(jù)油藏特征，制定最優(yōu)的儲層改造方案，評價其可行性及實施效果，同時監(jiān)督技術(shù)方案落實情況，根據(jù)現(xiàn)場實施問題調(diào)整參數(shù)。

2）建設(shè)方：根據(jù)投資管控要點，控制單井投入成本，協(xié)同設(shè)計方合理調(diào)整單井、區(qū)塊設(shè)計，控制投資，同時對設(shè)計實施進行全程監(jiān)督。

3）施工方：保證設(shè)計落到實處，推進施工進度，避免復(fù)雜事故，減少非正常施工時間，嚴(yán)格控制預(yù)算。

多方參與設(shè)計管控，制定相應(yīng)的制度規(guī)定，分工明確，崗位責(zé)權(quán)清晰。管控的源頭及重點在方案制定階段，但設(shè)計實施階段的監(jiān)管最為繁瑣，涉及人員多、設(shè)備復(fù)雜、問題多樣，充分發(fā)揮專業(yè)監(jiān)督的作用最為重要。

專業(yè)監(jiān)督應(yīng)參與設(shè)計方案制定、實施、變更的全過程，對壓裂改造思路、成本控制方法、現(xiàn)場施工管理有整體的認識。這樣才能對材料性能、復(fù)雜事故有整體的把握，從而對癥下藥，合理監(jiān)管。

5.2 砂源本地化監(jiān)管

前期研究表明，使用石西一帶的本地砂源能夠滿足新疆油田非常規(guī)開發(fā)的需求，且大幅度降低了改造費用。通過加大監(jiān)管力度保證入井石英砂的質(zhì)量，能夠提升壓裂效果。新疆油田對砂源本地化管控體現(xiàn)在4個方面。

1）實行準(zhǔn)入制度：對石英砂本地生產(chǎn)廠進行質(zhì)量認可和準(zhǔn)入審查，對產(chǎn)品質(zhì)量資質(zhì)和質(zhì)量保證能力進行監(jiān)督。在評審時專家組對礦源、生產(chǎn)設(shè)備、技術(shù)資源、質(zhì)量管理體系、產(chǎn)品過程控制等多方面進行考核打分，優(yōu)先推薦具有先進工藝、成品質(zhì)量穩(wěn)定、保障能力強的生產(chǎn)廠商。

2）實行專項監(jiān)督制度：對石英砂產(chǎn)品質(zhì)量要求、到貨物資驗收和檢驗、不合格的處理、合同履行情況等進行不定期專項檢查。專項檢查的重點在倉儲物流、標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行、不合格品清退、問題整改、用量核實等多方面，強調(diào)石英砂使用過程中的細節(jié)把控。

3）實行質(zhì)量檢驗制度：對石英砂產(chǎn)品質(zhì)量進行定期抽樣，委托有資質(zhì)或公司認可的檢驗機構(gòu)進行產(chǎn)品質(zhì)量檢驗。質(zhì)量檢驗包括石英砂廠商的成品質(zhì)量檢驗、出廠后每批次入庫檢驗、現(xiàn)場使用中的抽樣檢驗，保證石英砂性能穩(wěn)定，各項指標(biāo)達到設(shè)計要求。

4）實行供應(yīng)商評價制度：對不符合質(zhì)量管理的行為列入誠信黑名單，年度進行評審，不合格供應(yīng)商進行清退，建立競爭機制，培育本地石英砂產(chǎn)業(yè)。

5.3 現(xiàn)場施工監(jiān)管

非常規(guī)儲層改造采用的水平井體積壓裂，規(guī)模大、施工時間長、情況復(fù)雜多變[10]，且24 h施工，要求現(xiàn)場專業(yè)監(jiān)督盡職盡責(zé)。新疆油田對施工現(xiàn)場的管控體現(xiàn)在以下4個方面。

1）現(xiàn)場抽檢：在既有入庫檢、委托檢的基礎(chǔ)上，對拉運至現(xiàn)場的石英砂按比例進行抽檢，檢驗比例不低于20%，檢驗不合格產(chǎn)品實行整批次清退并罰款。

2）24 h監(jiān)督：專業(yè)監(jiān)督實行24 h兩班倒，現(xiàn)場緊盯設(shè)計落實，協(xié)調(diào)施工運行，完整記錄石英砂入場量、入井量及質(zhì)量檢驗情況，保證實施效果。

3）視頻監(jiān)控（EISC系統(tǒng)）：施工現(xiàn)場安裝攝像頭，建立網(wǎng)絡(luò)傳輸，將壓裂施工指揮、現(xiàn)場施工情況遠傳至指揮中心，實時記錄、跟蹤、處理現(xiàn)場問題，石英砂的使用、儲存情況一目了然。

4）現(xiàn)場質(zhì)量實時檢測：為提高石英砂性能的穩(wěn)定，采用移動現(xiàn)場實時檢測技術(shù)。該技術(shù)以壓裂現(xiàn)場快速檢測與互聯(lián)網(wǎng)信息實時發(fā)布為基礎(chǔ)，對每批次入井石英砂的關(guān)鍵指標(biāo)——濁度、平均粒徑、粒徑組合、抗破碎能力進行檢驗，有效地避免了不合格石英砂入井。

現(xiàn)場石英砂檢測不合格立即進行處置，對不合格產(chǎn)品進行退換，通報質(zhì)量問題，按合同考核處罰，形成有效的威懾力，杜絕僥幸心理，倒逼供應(yīng)商提高產(chǎn)品質(zhì)量。

6 結(jié)論

通過使用石英砂替代陶粒、實施砂源本地化、創(chuàng)新監(jiān)督管理等措施，新疆油田非常規(guī)開發(fā)獲得了突破：

1）在垂深3 600～3 700 m的瑪湖1井區(qū)烏爾禾組油藏壓后單井產(chǎn)量較前期井提升56.6%。

2）在頁巖油已實現(xiàn)石英砂全區(qū)替代，最大埋深接近4 100 m。共實施63口井，3 300 m以淺49口井，以深14口井，加砂強度以3.0 t/m為主。每100 t產(chǎn)液壓降與3 300 m以深的陶粒井相當(dāng)。其中試驗的6口井累計節(jié)約費用2 901萬元，降本增效顯著。

3）對砂源的科學(xué)評估及管理的提升，促進了本地砂廠的建設(shè)，本地石英砂大規(guī)模應(yīng)用。目前在新疆油田附近已建成6家石英砂本地生產(chǎn)廠，現(xiàn)代化石英砂生產(chǎn)能力達50×104t/年，且產(chǎn)量有進一步加大的趨勢。技術(shù)提升、砂源本地化加大了新疆油田石英砂的使用范圍及用量，本地石英砂用量占比已超過60%，促使其價格也從2019年1 100元/t降到目前不足600元/t，經(jīng)濟效益顯著。

4）通過推行創(chuàng)新管理方案，嚴(yán)監(jiān)管、重落實，很好地杜絕了不合格產(chǎn)品的使用，保持入井材料的高合格率。