胡陽明 ，趙振峰 ，李憲文 ，陳寶春 ，李喆

（1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018；2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西 西安 710018）

1 纖維網(wǎng)絡(luò)控砂應(yīng)用現(xiàn)狀

我國從20世紀(jì)90年代開始地下儲氣庫建設(shè)，先后在大港、華北、金壇、劉莊、任丘、王場、上法、安寧、新疆、遼河、川渝氣區(qū)等地區(qū)開展了儲氣庫建庫技術(shù)研究與實(shí)踐[1-4]。目前國內(nèi)外儲氣庫目的層主要為碳酸鹽巖、鹽巖和中高滲砂巖儲層，而我國長慶油田氣藏豐富，氣藏開采枯竭后具有天然儲氣庫的優(yōu)良先決條件，但長慶油田多數(shù)為低滲、超低滲儲層，要想滿足“儲氣庫調(diào)峰快進(jìn)快出原則”的建設(shè)要求[4]，必須對儲氣庫井進(jìn)行壓裂改造，而壓裂后注采井的高注采氣量對裂縫支撐劑產(chǎn)生的高速沖刷作用容易引起氣井出砂，支撐劑砂粒的高速運(yùn)移直接損傷注采管柱，最終影響儲氣庫井的使用壽命。

對于地層出砂，現(xiàn)有技術(shù)主要采用機(jī)械和化學(xué)防砂[5]。在通過加砂壓裂提高注采能力的低滲氣藏儲氣庫注采井中，為防止采氣過程中裂縫內(nèi)支撐劑返出，防砂劑應(yīng)確保對儲層不產(chǎn)生傷害，防砂后應(yīng)保證較高的裂縫導(dǎo)流能力，防砂效果應(yīng)滿足高氣量下支撐劑在裂縫中的穩(wěn)定性，應(yīng)具備長效穩(wěn)定性（地層溫度90℃）且壓裂液易攜帶?？梢?，對于低滲氣藏儲氣庫注采井的防砂等級應(yīng)提升至固砂層面，即地層條件下注采井不出砂，而常規(guī)化學(xué)、機(jī)械類固砂技術(shù)的適應(yīng)性已大大降低。

考慮到低滲氣藏儲氣庫注采井固砂技術(shù)要求，根據(jù)纖維網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理，利用束狀單絲聚丙烯纖維具有變形性能好、握裹力強(qiáng)、親水性好、強(qiáng)度高、彈性模量大、分散性佳、不抱團(tuán)[5]，尤其在非氧化環(huán)境中穩(wěn)定性良好的特征，開展了榆林低滲氣藏儲氣庫高氣量下的固砂效果研究。對于纖維網(wǎng)絡(luò)固砂技術(shù)，學(xué)者們已經(jīng)開展了大量研究工作。朱洪波等[6-7]認(rèn)為，聚丙烯纖維的摻入可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度及韌性，有效抑制混凝土裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展；沈文峰等[8]認(rèn)為，纖維體積分?jǐn)?shù)在1.25%時(shí)，混凝土的動態(tài)抗壓強(qiáng)度和極限韌性最高，具有較好的抗沖擊性能。目前，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于公路、混凝土、橋梁、機(jī)場等工程建設(shè)中，并取得了良好效果[6-13]。

纖維網(wǎng)絡(luò)固砂技術(shù)在油氣田開采工藝領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在往壓裂液中添加一定量的纖維，依靠纖維材料與支撐劑互繞形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來固定支撐劑砂粒，實(shí)現(xiàn)注采井防砂、抗支撐劑回流的目的[14-23]。趙海峰等[14-15]針對纖維的降解能力開展了纖維壓裂液性能研究，在溫度超過90℃時(shí)，采用KTL2型纖維可以滿足工程設(shè)計(jì)要求。蓋玉葉等[16-17]針對纖維壓裂液開展了攜砂性能研究，纖維的加入大大增加了支撐劑沉降時(shí)間（增加約11 min），有利于提升壓裂液的攜砂性能。郭建春等[18-19]研究了纖維在壓裂液中的分散性，纖維能夠在胍膠基液中均勻分散，并且添加0.4%的纖維可大幅提高胍膠基液的黏度。周福建等[20]認(rèn)為，利用防砂纖維的彎曲、卷曲和螺旋交叉互相勾繞形成的穩(wěn)定三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以在不用篩管的條件下起到防砂的目的。梁寧慧[21]的研究表明，聚丙烯細(xì)纖維的橋接應(yīng)力峰值為0.20～0.22 MPa，聚丙烯粗纖維的橋接應(yīng)力峰值為0.56 MPa，粗纖維與混凝土基體界面之間連接緊密，其化學(xué)鍵合力與機(jī)械咬合力比細(xì)纖維強(qiáng)。龍學(xué)等[22]研究表明，排液過程中的纖維體積分?jǐn)?shù)越高，纖維越長，支撐劑顆粒越小，則纖維與支撐劑顆粒間摩擦因數(shù)越大，纖維對支撐劑的控砂效果越好，壓裂液返排時(shí)支撐劑越不容易返出。

綜合來看，目前在常規(guī)油氣井壓裂設(shè)計(jì)中，針對纖維網(wǎng)絡(luò)有一定的研究及現(xiàn)場應(yīng)用，但現(xiàn)場更多局限于壓裂液返排效果評價(jià)方面[22-23]，對低滲氣藏儲氣庫注采井壓裂后高氣量下的抗支撐劑回流研究相對較少。因此，本文針對低滲氣藏儲氣庫壓裂，通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)開展了高氣量下聚丙烯纖維網(wǎng)絡(luò)抗支撐劑回流能力研究，為低滲氣藏儲氣庫注采井壓裂改造防砂、控砂提供了理論依據(jù)。

2 纖維網(wǎng)絡(luò)控砂機(jī)理分析

將聚丙烯纖維分散到陶粒壓裂支撐劑中，注采過程中，氣體的流動對支撐劑產(chǎn)生沖刷作用，支撐劑顆粒發(fā)生剪切形變形成砂拱，砂拱剪切變形引起纖維變形。此時(shí)，纖維與支撐劑之間主要有3種作用力[18]，即纖維表面摩擦力τ、纖維與陶粒間的接觸壓力σn和拉應(yīng)力σl，表達(dá)式分別為

式中：f為摩擦因數(shù)；k為Hertz系數(shù)；α為接觸系數(shù)；s為纖維長度，mm；σ為與顆粒泊松比、彈性模量有關(guān)的參數(shù)；R為顆粒半徑，mm；ν為泊松比；E為彈性模量，105MPa；下標(biāo)i，j表示任意相鄰2個(gè)顆粒。

σl和σn也分別可以看作纖維軸向力的切向分量和法向分量：1）切向分量（拉應(yīng)力）可抵抗砂拱的剪切變形。從聚丙烯和陶粒性質(zhì)可以看出，受聚丙烯纖維可彎曲性和彈性變形特征的影響，纖維與陶粒接觸面的摩擦因數(shù)、接觸長度、Hertz系數(shù)均比陶粒與陶粒直接接觸的時(shí)候大得多。纖維拉應(yīng)力的增大加大了氣流對陶粒運(yùn)移的阻力，從力學(xué)上降低了出砂的可能。2）聚丙烯纖維與陶粒接觸形成的Hertz系數(shù)和接觸長度同樣比陶粒與陶粒直接接觸的時(shí)候大。法向分量（接觸壓力）的增大進(jìn)一步增加了支撐劑間的摩擦力，間接抵抗了砂拱的剪切變形，提高了砂拱的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)了有效防砂、固砂。

利用蔡司Smartzoom顯微鏡在放大100倍條件下觀察陶粒+纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（見圖1），可以看出，單纖維與陶粒形成錯(cuò)綜復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。單纖維在沿長度方向上可以攔截綁定6～8個(gè)20/40目陶粒，有效提升了支撐劑顆粒的整體抗壓強(qiáng)度。

圖1 陶粒+纖維三維網(wǎng)絡(luò)顯微結(jié)構(gòu)

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

北京恒聚聚合物，相對分子質(zhì)量1 200×104～1 600×104，固含量90.62%，使用去離子水配制成1 500 mg/L的溶液；長慶油田現(xiàn)場應(yīng)用的壓裂陶粒20/40目，龍澤陶粒 20/40，30/50，40/70 目，密度 1.8 g/cm3，視密度3.351 8 g/cm3，抗壓強(qiáng)度大于52 MPa；聚丙烯纖維長度選擇6，9，12 mm。聚丙烯纖維相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 聚丙烯纖維性能參數(shù)

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用海安石油科研儀器有限公司生產(chǎn)的裂縫導(dǎo)流儀，配備氮?dú)馄?、干燥器、氣體流量計(jì)（量程為0～100 mL/min）、單向閥、壓力變送器、壓力管線等。裂縫導(dǎo)流儀中的核心部件——裂縫導(dǎo)流腔長17.8 cm，寬3.8 cm（見圖2a）。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了出砂和不出砂2種方案，每個(gè)方案中包括添加和不添加纖維2種情況。不出砂實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)裂縫導(dǎo)流測試方式，主要用于研究纖維的存在對裂縫導(dǎo)流能力的影響（見圖2b）。出砂實(shí)驗(yàn)主要研究纖維捆綁效應(yīng)引起的裂縫導(dǎo)流能力變化規(guī)律，在現(xiàn)有導(dǎo)流腔基礎(chǔ)上增加了沉砂口袋橡膠墊設(shè)計(jì)，整體形狀和尺寸與導(dǎo)流腔相同，厚度設(shè)計(jì)為10cm（見圖2c）。

圖2 裂縫導(dǎo)流儀結(jié)構(gòu)示意

出砂實(shí)驗(yàn)導(dǎo)流儀組裝步驟：1）安裝下活塞底座；2）鋪設(shè)給定鋪砂濃度的支撐劑層；3）安裝橡膠墊，沉砂口袋與出口端相鄰；4）安裝上活塞底座；5）將裂縫導(dǎo)流儀倒置，支撐劑層靠近出口端的支撐劑將掉入沉砂口袋中，方便支撐劑層沉砂。

3.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

長慶油田榆林氣田榆37地下儲氣庫原始地層壓力為27 MPa，壓裂定向直井設(shè)計(jì)日采氣量達(dá)到30×104～60×104m3，壓裂縫縫高為10～15 m，半縫長大于50 m。按照壓裂井周圍裂縫寬度5 cm、實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)流腔寬度3.8 cm的情況，將導(dǎo)流能力測試過程氣體流量設(shè)計(jì)為50 mL/min，高氣量下氣體吹掃速度為10 L/min。

3.4 裂縫導(dǎo)流能力計(jì)算方法

裂縫導(dǎo)流儀中的裂縫導(dǎo)流能力Kwf計(jì)算公式為

式中：K 為裂縫滲透率，μm2；wf為裂縫寬度，cm；Q 為氣體流量，cm3/s；μ 為氣體黏度，mPa·s；L 為導(dǎo)流腔長度，cm；p0為大氣壓力，取值為0.1 MPa；h為導(dǎo)流腔寬度，cm；p1，p2分別為進(jìn)、出口端壓力，MPa。

3.5 實(shí)驗(yàn)流程及操作步驟

實(shí)驗(yàn)流程有2條路線，分別為低速測試路1—5和高速吹掃路6—10（見圖3）。具體操作步驟：1）將導(dǎo)流腔上下加壓15 MPa，穩(wěn)定15 min；2）關(guān)閉閥門B和D；3）調(diào)節(jié)氮?dú)馄炕貕洪y壓力至0.6 MPa，打開氮?dú)獬隹陂y門A，設(shè)定氣體流量為50 mL/min；4）打開空氣泵，開啟閥門C；5）打開測試路閥門B，當(dāng)出口端出現(xiàn)氣泡時(shí)，開始記錄U形壓力計(jì)液柱高度；6）關(guān)閉測試路閥門B，慢慢打開吹掃路閥門D，調(diào)節(jié)出口端氣體流量（即吹掃速度）為 10 L/min，吹掃時(shí)間 10 min；7）關(guān)閉吹掃路閥門D；8）重復(fù)步驟5）—7），直至U形壓力計(jì)的液柱高度不再發(fā)生變化。

圖3 裂縫纖維網(wǎng)絡(luò)抗支撐劑回流實(shí)驗(yàn)流程

4 結(jié)果與分析

4.1 不出砂實(shí)驗(yàn)

為了測試不出砂實(shí)驗(yàn)中4種常用支撐劑在不添加纖維與添加纖維條件下的裂縫導(dǎo)流能力，設(shè)計(jì)鋪砂濃度為12.6 kg/m2，支撐劑質(zhì)量為81 g，纖維長度為6 mm，纖維與支撐劑質(zhì)量比為0.010；1 500 mg/L的聚合物溶液用于潤濕支撐劑及纖維，聚合物溶液的質(zhì)量為支撐劑質(zhì)量的10%，即8.1 g。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不出砂實(shí)驗(yàn)裂縫導(dǎo)流能力

由圖4可以看出：1）添加纖維和不添加纖維的裂縫導(dǎo)流能力幾乎沒有差別，說明纖維的添加對裂縫導(dǎo)流能力的影響幾乎可以忽略，原因在于聚丙烯纖維直徑在18～48 μm，纖維較少，不足以堵塞支撐劑顆粒之間的空隙。2）隨著支撐劑顆粒篩目的增大，裂縫導(dǎo)流能力有逐步降低的趨勢，這是因?yàn)殡S著支撐劑粒徑的減小，支撐劑顆粒之間的空隙也減小，流體通過性降低，所以導(dǎo)流能力降低。

4.2 出砂實(shí)驗(yàn)

4.2.1 支撐劑顆粒篩目的影響

為了測試出砂實(shí)驗(yàn)中在添加或不添加纖維情況下，支撐劑顆粒篩目對裂縫導(dǎo)流能力的影響，選取4種規(guī)格的常用支撐劑，鋪砂濃度為12.6 kg/m2，支撐劑質(zhì)量為81 g，纖維長度為6 mm，纖維與支撐劑質(zhì)量比為0.010，每隔10 min記錄一次入口壓力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、表2所示。

圖5 支撐劑篩目對入口壓力的影響

表2 出砂實(shí)驗(yàn)中裂縫導(dǎo)流能力的變化

由圖5、表2可看出：1）隨著時(shí)間的增長，入口壓力逐步降低并保持平穩(wěn)，說明出砂使裂縫導(dǎo)流能力整體呈增大的趨勢；2）相同篩目支撐劑下，纖維的存在使裂縫導(dǎo)流能力的增幅降低，而沒有添加纖維時(shí)，高速氣流沖刷造成微粒運(yùn)移，初期入口壓力比添加纖維的大，而后期逐步與添加纖維的趨于一致；3）不添加纖維時(shí)，氣流的高速沖刷使裂縫導(dǎo)流能力增幅明顯（超過10%），但隨著陶粒篩目的增大，導(dǎo)流能力增幅減??；4）添加纖維的裂縫導(dǎo)流能力增幅急劇減小，僅為3.23%～6.24%，明顯小于不添加纖維的情況；5）支撐劑粒徑越大，纖維固砂效果越好，其中長慶油田現(xiàn)場用的20/40目陶粒與測試的龍澤20/40目陶粒導(dǎo)流能力變化最小。考慮到后期在長慶油田儲氣庫進(jìn)行應(yīng)用效果評價(jià)，因此選用長慶油田20/40目陶粒進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

4.2.2 鋪砂濃度的影響

為測試出砂實(shí)驗(yàn)中鋪砂濃度對裂縫導(dǎo)流能力的影響，設(shè)計(jì)5種鋪砂濃度，纖維長度為6 mm，纖維與支撐劑質(zhì)量比為0.010，每隔10 min記錄一次入口壓力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、表3所示。

圖6 鋪砂濃度對入口壓力的影響

表3 鋪砂濃度對裂縫導(dǎo)流能力的影響

由圖6、表3可以看出：1）隨著鋪砂濃度的降低，入口壓力逐漸升高，可能因?yàn)殇伾皾舛仍降?，裂縫寬度越小，因此支撐劑嵌入比例越高，入口壓力也就越高；2）當(dāng)鋪砂濃度小于12.6 kg/m2時(shí)，隨著鋪砂濃度的增大，裂縫導(dǎo)流能力增幅逐漸加大，在鋪砂濃度為12.6 kg/m2時(shí)，裂縫導(dǎo)流能力增幅最大，接近5%。

4.2.3 纖維與支撐劑質(zhì)量比的影響

為測試出砂實(shí)驗(yàn)中纖維與支撐劑質(zhì)量比對裂縫導(dǎo)流能力的影響，設(shè)計(jì)6個(gè)質(zhì)量比，鋪砂濃度為12.6 kg/m2，支撐劑質(zhì)量為81 g，纖維長度為6 mm，每隔10 min記錄一次入口壓力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7、表4所示。

圖7 纖維與支撐劑質(zhì)量比對入口壓力的影響

表4 纖維與支撐劑質(zhì)量比對裂縫導(dǎo)流能力的影響

由圖7和表4可以看出：1）相同質(zhì)量比下，隨著吹掃時(shí)間的增加，入口壓力降低，說明高速吹掃引起陶粒支撐劑內(nèi)部微粒運(yùn)移，導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力增大；2）當(dāng)質(zhì)量比小于0.010時(shí)，隨著質(zhì)量比的增大，導(dǎo)流能力增幅基本穩(wěn)定在4%左右；3）當(dāng)質(zhì)量比大于0.010時(shí)，隨著質(zhì)量比的增大，導(dǎo)流能力增幅迅速減小，穩(wěn)定在2%左右。這說明質(zhì)量比存在一個(gè)臨界值，超過這個(gè)臨界值時(shí)，纖維控砂效果明顯提升，因此認(rèn)為纖維與支撐劑質(zhì)量比的臨界值為0.010，實(shí)際應(yīng)用建議0.012。

4.2.4 纖維長度的影響

為測試出砂實(shí)驗(yàn)中纖維長度對裂縫導(dǎo)流能力的影響，設(shè)計(jì)3個(gè)纖維長度，鋪砂濃度為12.6 kg/m2，支撐劑質(zhì)量為81 g，纖維與支撐劑質(zhì)量比為0.010，每隔10 min記錄一次入口壓力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、表5所示。

圖8 纖維長度對入口壓力的影響

表5 纖維長度對裂縫導(dǎo)流能力影響

由圖8、表5可以看出：1）纖維長度的增大不會影響吹掃后裂縫導(dǎo)流能力的大??；2）隨著纖維長度的增大，裂縫導(dǎo)流能力增幅逐漸減小，從4.94%降低到3.14%，降幅接近40%，可見纖維長度越大，控砂效果越好，建議不小于10 mm。

5 結(jié)論

1）不出砂實(shí)驗(yàn)中，聚丙烯纖維的添加對于陶粒支撐劑裂縫導(dǎo)流能力的影響可以忽略不計(jì)。

2）出砂實(shí)驗(yàn)中，支撐劑粒徑越大，纖維固砂效果越好，聚丙烯纖維對20/40目陶粒支撐劑控砂效果最好；鋪砂濃度為12.6 kg/m2時(shí)，裂縫導(dǎo)流能力增幅最大；纖維與支撐劑質(zhì)量比對裂縫導(dǎo)流能力影響的臨界值為0.010，建議0.012最佳；隨著纖維長度的增大，裂縫導(dǎo)流能力增幅降低，纖維長度越大，控砂效果越好，建議纖維長度不小于10 mm。