蘇　超，吳　亮，張　卓，陳洪地.

(中油測(cè)井技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司庫(kù)爾勒分公司，四川威遠(yuǎn)　642450)

頁(yè)巖氣[1]是一種以游離或吸附態(tài)藏身于頁(yè)巖層或泥巖層中的非常規(guī)天然氣，成分以甲烷為主，與“煤層氣”“致密氣”同屬一類(lèi)。作為一種新型的清潔能源，在發(fā)布的“十三五”規(guī)劃中，我國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量力爭(zhēng)在2020年達(dá)到300×108m3。未來(lái)幾年，頁(yè)巖氣將得到大力開(kāi)采，返排測(cè)試任務(wù)十分艱巨。頁(yè)巖氣井通常采用大位移水平井的鉆井方式，以達(dá)到穿越較多優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層的目的；通過(guò)多級(jí)加砂水力壓裂[2]改造地層，最大限度地增加地層裂縫，以便于頁(yè)巖氣采集。通常，單口頁(yè)巖氣井的改造層段在15～20段左右，每一層段的注液量約2000 m3，注砂量約80 m3。大量的壓裂砂(支撐劑)進(jìn)入地層，由于不能被完全壓實(shí)，在返排測(cè)試過(guò)程中將有部分壓裂砂進(jìn)入井筒甚至返到地面。因此，相對(duì)于常規(guī)油氣井，頁(yè)巖氣井不僅要克服高溫高壓的影響，更重要的是要解決好防砂控砂的難題。

防砂控砂[3]一直是科研工作者以及現(xiàn)場(chǎng)施工人員研究的重點(diǎn)。何世云、陳琛(2002)[4]在非頁(yè)巖氣井中就已經(jīng)考慮到加砂壓裂后排液的控砂技術(shù)，提到4點(diǎn)措施：①在裂縫閉合前應(yīng)控制液體的返排速度，限制裂縫中的滲流速度；②新井壓裂時(shí)應(yīng)注意合理的井間距離，防止新井壓裂對(duì)老井造成影響；③加砂壓裂施工必須向壓裂液中添加破膠劑及交聯(lián)劑，以確保施工的凍膠性能良好，返排液體破膠徹底；④在液體返排過(guò)程中，開(kāi)、關(guān)井操作要平穩(wěn)，一般在無(wú)緊急情況下不允許關(guān)井，嚴(yán)防井底產(chǎn)生激動(dòng)。李洪波(2004)[5]在其博士論文中從理論上分析了攜砂舉升問(wèn)題，對(duì)井筒中的固體顆粒進(jìn)行受力分析，認(rèn)為氣體能否攜帶固體顆粒上升的根本原因是顆粒所受向上的力是否大于向下的力。其中考慮的單個(gè)顆粒上的作用力包括慣性力、重力、浮力、壓力梯度引起的壓差力和表面力，并分別對(duì)以上各力尤其是層流、過(guò)度流和紊流三種不同流態(tài)下的表面力進(jìn)行了推導(dǎo)，同時(shí)考慮了顆粒的形狀系數(shù)與阻力修正系數(shù)，建立了固體顆粒在三種流態(tài)下所受合力公式。王婧、王修武(2011)[6]等人綜述了目前國(guó)內(nèi)外在氣井?dāng)y砂、氣井?dāng)y液、液體攜砂研究方面的現(xiàn)狀以及取得的成果，從而對(duì)氣井?dāng)y砂研究有一個(gè)更好的認(rèn)識(shí)，有利于進(jìn)一步開(kāi)闊視野，對(duì)油氣井防砂、控砂、攜砂生產(chǎn)具有實(shí)際借鑒意義。楊堃、王茜(2016)[7]等人針對(duì)現(xiàn)在頁(yè)巖氣的發(fā)展總結(jié)出了高產(chǎn)頁(yè)巖氣藏需要具備以下4個(gè)基本條件：具有持續(xù)生氣能力的頁(yè)巖，網(wǎng)狀微裂縫發(fā)育，氣藏發(fā)育在構(gòu)造封閉的寬緩背斜中頂?shù)装鍘r層致密，形成巖性圈閉。盆地內(nèi)由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較小、成藏諸要素具備，是國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣重點(diǎn)勘探區(qū)域，其中以四川威遠(yuǎn)區(qū)塊為代表。王廣濤、徐創(chuàng)朝(2016)[8]等人根據(jù)鄂爾多斯盆地儲(chǔ)層致密且特征復(fù)雜的情況，常規(guī)體積壓裂難以形成復(fù)雜裂縫，單井產(chǎn)量低，為此引進(jìn)了井下控砂壓裂技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制井底砂濃度、形成縫內(nèi)支撐劑架橋、提高裂縫復(fù)雜程度的目的，并成功應(yīng)用在鄂爾多斯盆地的30口井的壓裂作業(yè)中；與應(yīng)用混合水壓裂的油井相比，平均產(chǎn)油量顯著提高，并且節(jié)省了1/3左右的水功率和用液量，大幅降低了壓裂成本。

本文主要從合理制定工作制度[9]和優(yōu)化工藝流程兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)防砂控砂的同時(shí)又最大化地節(jié)省設(shè)備投入量。

1　工作制度的選擇

如果在壓裂完成返排測(cè)試初期沒(méi)有采取有效的防砂控砂措施，那么就會(huì)給后期的采氣工藝造成極大的難度。后期的采氣工藝主要有：連續(xù)油管排水采氣、泡沫排水采氣[10]、柱塞氣舉[11]等。經(jīng)過(guò)這些采氣工藝，雖然在一定程度上能改善井口工況，但是相應(yīng)的會(huì)增加人力物力成本。

一旦壓裂完成后，就沒(méi)有辦法再通過(guò)井下的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)控砂，此時(shí)井口工作制度的選擇將直接影響后續(xù)的開(kāi)采計(jì)劃。壓裂的主要目的就是為了讓壓裂液向更遠(yuǎn)的地層濾失，增加裂縫長(zhǎng)度，同時(shí)伴隨壓力降低，部分裂縫閉合將支撐劑壓實(shí)，從而在地層之間為頁(yè)巖氣形成一條通道。因此，單井壓裂結(jié)束后不宜立即開(kāi)井返排，應(yīng)燜井3～5 d，待井底壓力基本穩(wěn)定后再開(kāi)井，燜井時(shí)間太短不利于裂縫閉合，燜井時(shí)間太長(zhǎng)意義不大。

氣井控產(chǎn)主要通過(guò)調(diào)節(jié)油嘴來(lái)實(shí)現(xiàn)：

(1)小油嘴放噴：流量小，井底壓差小，壓裂砂不易進(jìn)入井筒；井筒內(nèi)返排液流速慢，攜砂能力弱，大通徑橋塞容易積砂；返排速度慢。

(2)大油嘴放噴：流量大，井底壓差大，地層內(nèi)未起到支撐作用的壓裂砂將大量進(jìn)入井筒；井筒內(nèi)流體流速快，攜砂能力強(qiáng)，能將井底積砂帶到地面；返排速度快。

工作制度的制定原則應(yīng)遵循：盡量減少地層中的壓裂砂進(jìn)入井筒，讓更多的壓裂砂留在地層中支撐裂縫；同時(shí)又能把井筒中沉積的壓裂砂帶到地面，避免井下砂堵。

因此，工作制度應(yīng)由小開(kāi)始，逐漸增大。開(kāi)井前期使用小油嘴放噴，減少地層中未壓實(shí)的壓裂砂進(jìn)入井筒，不僅減少了井筒內(nèi)積砂，而且提高了壓裂砂的有效使用率。如此返排一段時(shí)間，隨著井底壓力降低、壓裂液減少，地層裂縫逐漸閉合，壓裂砂被壓實(shí)起到支撐作用；同時(shí)小油嘴放噴能控制返排率增長(zhǎng)過(guò)快，避免氣液比過(guò)大，降低排砂風(fēng)險(xiǎn)。小油嘴放噴一段時(shí)間后逐漸增大油嘴，井筒內(nèi)流體流速增大，當(dāng)流速達(dá)到一定值時(shí)，大量進(jìn)入井筒以及原本沉積在井筒內(nèi)的壓裂砂將被帶到地面，此時(shí)應(yīng)直接增大油嘴盡快排出井筒內(nèi)積砂，待地面排液口無(wú)砂且井口壓力穩(wěn)定后，再排1～2個(gè)井筒容積，方可調(diào)整回之前的油嘴繼續(xù)返排測(cè)試。這樣的工作制度選擇既避免了地層中壓裂砂被大量帶出，又有效地沖洗了井筒內(nèi)積砂，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中也得到了很好的效果；但排砂過(guò)程中壓裂砂對(duì)地面設(shè)備沖蝕厲害，因此地面流程的優(yōu)化很重要。

2　優(yōu)化工藝流程

相對(duì)于常規(guī)氣田的地面測(cè)試，頁(yè)巖氣的返排測(cè)試流程既要滿足正常返排的需要，又要應(yīng)對(duì)井口出砂。同時(shí)，頁(yè)巖氣井多以平臺(tái)為單位。以某區(qū)塊為例，一個(gè)平臺(tái)包含6口單井，先進(jìn)行單邊3口井壓裂，再進(jìn)行另一邊3口井壓裂，通常后3口井壓裂結(jié)束后，前3口井返排測(cè)試也結(jié)束了。因此，為了避免設(shè)備資源浪費(fèi)以及排砂的需要，對(duì)流程進(jìn)行了一系列的優(yōu)化改進(jìn)，具體優(yōu)化后的工藝流程如圖1所示。

圖1　工藝流程優(yōu)化Fig.1　Technological process optimization

2.1　六套單流程優(yōu)化成三套主流程加一套副流程

主流程用于返排測(cè)試及排砂作業(yè)，副流程用于備用流程以及后期臨時(shí)合采生產(chǎn)流程。例如，4井、5井、6井壓裂結(jié)束后，4井、5井、6井正常使用主流程進(jìn)行返排測(cè)試，同時(shí)1井、2井、3井進(jìn)行壓裂作業(yè)，如果1井、2井、3井壓裂過(guò)程中某井發(fā)生壓裂砂堵，4井、5井、6井中對(duì)應(yīng)的井可以臨時(shí)倒入副流程返排測(cè)試，主流程用于壓裂砂堵解堵[12]作業(yè)。1井、2井、3井壓裂時(shí)間大約1個(gè)月，此時(shí)4井、5井、6井返排測(cè)試任務(wù)已經(jīng)結(jié)束，4井、5井、6井可以倒入副流程合采生產(chǎn)，主流程用于1井、2井、3井返排測(cè)試。這樣的流程設(shè)計(jì)不僅節(jié)省了設(shè)備，而且減少了井場(chǎng)的占地面積。

2.2　高、低壓區(qū)分別并聯(lián)生產(chǎn)

高壓區(qū)并聯(lián)生產(chǎn)：一是因?yàn)槌捌魇褂寐什桓?，且使用時(shí)間短，所以通過(guò)并聯(lián)將三臺(tái)除砂器減少為兩臺(tái)或者是一臺(tái)；二是通過(guò)并聯(lián)，在排砂期間當(dāng)一條流程砂堵，可以切換到另一流程，保障排砂作業(yè)連續(xù)進(jìn)行，將井筒積砂排完，避免因排砂中斷而促使積砂回落造成井下砂堵。

低壓區(qū)并聯(lián)生產(chǎn)：當(dāng)某分離器或相應(yīng)下游管線出現(xiàn)緊急情況時(shí)，可將該井下游合并到另一臺(tái)分離器，避免返排測(cè)試過(guò)程中數(shù)據(jù)中斷。

2.3　分離器液位控制系統(tǒng)外置

出砂對(duì)分離器控液閥沖蝕厲害，且分離器自身控液閥被沖蝕以后拆裝困難，不便于維修；因此，通過(guò)把分離器液位控制系統(tǒng)外置，利用可調(diào)式節(jié)流閥(針閥)來(lái)控制分離器液位，閥內(nèi)結(jié)構(gòu)采用硬質(zhì)合金材料不易損壞，這樣不僅節(jié)約了配件的采購(gòu)成本，而且能節(jié)省維修控液閥的時(shí)間。缺點(diǎn)是需要人為地調(diào)節(jié)針閥的開(kāi)度，需要作業(yè)人員24 h在崗。

2.4　副流程下游串聯(lián)并與主流程下游串聯(lián)

該串聯(lián)方式既可以滿足單邊三口井返排測(cè)試結(jié)束后的合采產(chǎn)量計(jì)量，又能滿足如果需要進(jìn)行單井計(jì)量，可以將其中兩口井并聯(lián)到主流程，副流程用于該單井臨時(shí)計(jì)量。

3　除砂方式選擇與探討

3.1　濾筒式除砂

流體經(jīng)過(guò)除砂器濾筒，壓裂液經(jīng)砂筒濾縫或?yàn)V孔流出，壓裂砂被留在砂筒內(nèi)。若除砂效果好，對(duì)于砂礫尺寸最小為100 μm的壓裂砂，如果選用100 μm的砂筒，則除砂器下游基本沒(méi)有壓裂砂。但是，壓裂砂和其他一些雜物極其容易堵塞砂筒孔隙和裂縫，造成除砂器上、下游壓差增長(zhǎng)過(guò)快，砂筒中2 L左右的壓裂砂就會(huì)造成幾兆帕的壓差。為了避免堵塞，每隔一段時(shí)間就需要倒換砂筒，出砂期間開(kāi)關(guān)閘板閥，壓裂砂對(duì)閘板和閥座沖蝕嚴(yán)重，且頻繁打開(kāi)和清理砂筒增加作業(yè)人員的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2　除砂器在線排砂

去掉濾筒下蓋，讓濾筒內(nèi)部和排砂管線聯(lián)通，當(dāng)濾筒內(nèi)有大量積砂后，打開(kāi)排砂管線，通過(guò)動(dòng)力油嘴控制排量大小，利用井口壓力將砂筒內(nèi)積砂沖洗出砂筒。這樣除砂效果好、除砂效率較高，同時(shí)也減少了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，但如果遇到大量出砂，容易將流程堵死。

3.3　直排

流體不經(jīng)過(guò)除砂器，直接過(guò)油嘴。這種方法方便快捷，不會(huì)造成砂堵；但對(duì)油嘴和下游管線、設(shè)備沖蝕厲害，需要定期對(duì)沖蝕關(guān)鍵點(diǎn)測(cè)壁厚，且需要對(duì)彎頭等關(guān)鍵部位做防護(hù)措施。頁(yè)巖氣井出砂最大的特點(diǎn)是出砂量大，出砂時(shí)間短暫。出砂期間最大含砂量高達(dá)90%，但持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，從排液口見(jiàn)砂到排砂結(jié)束只持續(xù)幾個(gè)小時(shí)，排砂結(jié)束后基本不會(huì)再出現(xiàn)大量出砂的情況。

4　結(jié)論

返排測(cè)試作為承上啟下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如果不能有效地解決防砂控砂難題，那么可能導(dǎo)致錄取數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，影響產(chǎn)層評(píng)價(jià)及開(kāi)采方案編制；也可能導(dǎo)致井下砂堵，需要沖砂作業(yè)，不僅增加了開(kāi)采成本，而且增加了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)工作制度的合理安排，減少裂縫閉合前未起到支撐作用的壓裂砂流失，以及裂縫閉合后及時(shí)清理井筒內(nèi)的積砂；通過(guò)對(duì)流程的優(yōu)化和排砂方式的合理選擇，使到達(dá)地面的壓裂砂安全、高效地排出，以保障返排測(cè)試作業(yè)順利完成。

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