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基于深度学习的页岩气压裂砂堵事故预警方法

发表时间：2021/5/17 来源：《基层建设》2021年第2期作者：王瑞徐昆

[导读] 摘要：为预警页岩气压裂施工过程中砂堵事故，降低压裂施工成本，提出一种基于深度学习的压裂砂堵事故早期预警方法。

        中国石化华东油气分公司采油气工程服务中心江苏泰州 225300
        摘要：为预警页岩气压裂施工过程中砂堵事故，降低压裂施工成本，提出一种基于深度学习的压裂砂堵事故早期预警方法。首先，在分析压裂施工参数特征工程和数据基础上，采用长短时记忆神经网络（LSTM）算法，并引入编码-解码器结构，建立多变量时间序列预测模型；然后，利用该模型的综合压力参数及其他与压力参数相关性强的施工参数，挖掘、分析时间序列数据中隐含的信息；最后，以某段页岩气压裂数据为实际算例，比较LSTM和自回归移动平均（ARIMA）模型的预测结果。研究结果表明：与传统预测模型相比，LSTM网络模型能更准确地预测压裂施工曲线的变化趋势，预测精度提高21.75%；相比于人工判别传统预测模型，LSTM网络模型预测时间得到大幅提前。
        关键词：深度学习；页岩气压裂；砂堵事故；分析；对策
        引言
        在压裂施工作业中，由于受地质状况复杂或者其他不确定性因素的影响，砂堵已经成为一种多发的施工质量问题。砂堵的后果不仅直接导致压裂液等物质材料的严重浪费，成本代价极高。砂堵形成高压会损坏设备及管线，扰乱正常施工流程，破坏地层渗流状况，造成压裂施工失败。本文对于砂堵的形成诱因进行归纳分析，并结合问题原因，拟定出了解决策略，为避免砂堵质量问题的发生，提高施工效率和作业质量提供了帮助。
        1砂堵的机理及原因分析
        在压裂施工过程中，砂堵现象指的是因为裂缝的产生造成的脱砂或者支撑剂等引起的压裂施工压力上升，造成压裂被迫停止的现象。压裂施工过程中出现的砂堵现象主要分为两种，分别为脱砂和桥堵。脱砂现象发生的原因是因为支撑剂提前形成沉淀，造成堵塞，这种情况出现的砂堵过程十分的缓慢，一般受到沉降速度的影响；桥堵发生的原因是因为支撑剂在比较窄的裂缝中通过的时候，很容易在裂缝的内表面形成架桥，造成堵塞，桥堵形成的速度比较快。
        1.1地层条件容易出现断层的地层比较容易造成砂堵；在一些过渡带和油藏的边缘位置，因为油层的砂体非均质性产生的裂缝，也会造成砂堵情况的出现；岩石的弹性摸比较高，但是人工产生的裂缝比较窄；施工地层裂缝的发育和施工过程中造成的微裂缝比较多，因此容易出现砂堵；裂缝形状比较复杂；地层储层水敏性；
        1.2压裂设计
        压裂施工设计时没有相应的针对性，不能很好的反映出地层的特点；前期液量比较少，裂缝产生的数量不够，后期就可能导致加砂困难；施工中选择的压裂液稳定性不强，滤失性强；施工中选择的支撑剂颗粒比较大，在进入到裂缝中后容易出现砂堵；砂比的提升速度不能太快，否则也容易出现砂堵。
        1.3压裂液质量
        裂缝的几何尺寸会因为压裂液的滤失性强达不到设计的要求，造成前置液大幅度的下降，造缝的效果不理想；压裂液的稳定性和抗剪切力直接影响了压裂车大泵剪切和高温情况下的携砂能力，很容易造成井筒附近的支撑剂在裂缝内形成桥堵；压裂液在井筒内流动时候具有很好的摩擦阻力，我们要保障压裂设备的安全，因此就要有效的控制施工排量，这种情况就容易造成裂缝比较窄，在高砂比进入后容易出现砂堵的现象。
        2问题解决对策
        2.1优化施工设计，超前谋划布局
        在射孔井段尽量避免出现多条裂缝，不要同时的进行射开砂、泥岩互层段，压裂施工过程中一个重要的因素就是保持压力的稳定，合理的进行调整和布局，避免进入大压力的临界点，有效的采取提高排量的方式进行控制。在容易出现多裂缝的地层中，适当的在前置液工艺中进行完善和创新，通过技术创新和改进，将压裂液的粘度进行提高，有效的降低施工的时间，提高施工的效率，才能有效的避免出现砂堵的现象发生。

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        2.2改善射孔工艺、控制多裂缝产生
        射孔相位、孔眼深度和孔密都会影响压裂缝的启裂，当射孔方位与地应力决定裂缝方位不一致时，不同方向的孔眼都有可能形成一定长度的裂缝，产生多支裂缝，影响主裂缝的发育。另外射孔密度大、孔眼穿透深也会增加多裂缝的产生。为此，我们对需要压裂投产的气井，改进射孔完井工艺，将常规90°相位螺旋布孔改装为180°定位平行布孔，孔密由过去的16孔/m改装为8-10孔/m，在射孔枪弹的选择上，使用地面混凝土靶穿深为500mm的89射孔枪弹，不再使用深穿透的102弹、127弹、1m弹及超正压复合射孔工艺。
        2.3加强技术攻关、创新技术引领
        对地层漏失严重、井下复杂情况多、钻井周期长等突出问题，成立多专业联合攻关小组，统计分析资料，经行现场堵漏试验，提升对地层漏失机理的认识，研发“可控膨胀堵漏剂”，不断完善堵漏工艺技术，定点堵漏效果持续完善堵漏工艺流程。
        2.4严格质量管控，健全管理机制
        对施工现场的质量管理体系进行完善，在质量上进行严格的控制，相关的监督管理人员要从多方面、多角度、多专业的进行质量的考核，保证压裂施工过程不能留下死角。加强各级的岗位责任制，有效的保障监管的力度，严格的执行安全问责制、有效的提高操作人员的作业能力和操作水平。
        2.5应用同粒径支撑剂段塞压裂技术
        支撑剂段塞技术预防压裂砂堵已经成功的应用于处理弯曲摩阻、多裂缝压裂施工井中，主要分为两种段塞：一是施工不停泵注入小粒径支撑剂段塞技术；二是停泵的同粒径支撑剂段塞技术。
        小粒径（φ0.09～φ0.225mm粉陶砂）段塞的理论依据是小裂缝被段塞堵塞，强迫更多的排量进入未被堵塞的裂缝，并迅速增大裂缝宽度。
        某油田的户部寨气田，属于低孔低渗裂缝性砂岩气藏。2002下半年至2004上半年，为防止大斜度井压裂产生多裂缝，及微裂缝发育滤失压裂液，在11口井15井次压裂中大量使用（体积百分比为12%～40%）粉陶砂降滤失，虽有效的避免了压裂砂堵，使压裂施工成功率达90%，但这些井压裂投产后，生产稳定期很短，均在2个月内停止生产。经模拟及研究证实，粉陶砂由于粒径过小，支撑剂排列非常紧密，流体能够流动的孔隙空间很小，所以造成了导流能力极大的降低。因此在选择的时候，尽量不要采用粉陶砂作支撑剂，作压裂设计的时候，最好不要选用粉陶组合。
        同粒径段塞是用与主压裂相同粒径（φ0.45～φ0.9mm）的支撑剂，其理论依据是当裂缝延伸方向接近于垂直最小主应力方向时，裂缝开启需要克服的岩石应力较小，因此更容易被支撑剂填充，停泵等裂缝闭合后重新启泵注入液体，支撑剂填充多的裂缝由于导流能力高于其它裂缝，在重新开启时容易张开，而其它裂缝不会再张开或张开更困难。通过这种方式促进主裂缝的延伸，保证足够的缝宽。由于该技术目的是保证主裂缝的导流能力，因此必须采用较大粒径的支撑剂作为段塞。
        结语
        在压裂施工中，斜井发生砂堵的现象往往比直井大很多，太原组层是最容易出现砂堵。在加砂压裂施工过程中，常见砂堵原因为近井地带脱砂造成。压裂作业主要是造长缝为主，因此前置液量的多少尤为重要，压裂施工中造成砂堵的原因往往是由于前置液量较少造成。由于地层中存在大量的煤层，因此为避免压裂液的大量滤失，提高压裂液粘度，在压裂后期往往采用增加排量或者降低砂比是避免砂堵的重要手段。
        参考文献：
        [1]翟恒立.页岩气压裂施工砂堵原因分析及对策[J].非常规油气，2015，2（01）：66-70.
        [2]李关访，张浩，于洋，等.非常规压裂技术在川东页岩气开发中的应用[J].钻采工艺，2014，37（01）：57-60+13.
        [3]王雷，张士诚.复合压裂不同粒径支撑剂组合长期导流能力实验研究.天然气工业，2005，25（9）：64～66.