宋軍備 ，張馳 ，李鳳霞 ，陳志強 ，韋琦

（1.中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司，重慶 408014；2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

壓裂井支撐劑回流一直是國內(nèi)外油氣田所面臨的難題［1-3］，它不僅會降低水力裂縫的導(dǎo)流能力，而且會引發(fā)管線沖蝕、穿孔等現(xiàn)象，影響安全生產(chǎn)。涪陵氣田產(chǎn)層為五峰組—龍馬溪組頁巖，屬于典型的自生自儲式連續(xù)型頁巖氣藏。氣藏中部埋深為2 885 m，地層壓力系數(shù)為1.55，氣體成分以甲烷為主，最小水平主應(yīng)力梯度為0.017MPa/m，最大水平主應(yīng)力梯度為0.021MPa/m。近年來，隨著涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊進(jìn)入開發(fā)調(diào)整期，老井的采出程度逐漸增加，同時調(diào)整井的壓裂改造工藝逐漸向“多簇密切割＋高強度加砂+低黏滑溜水”轉(zhuǎn)變，壓裂后的調(diào)整井生產(chǎn)過程中支撐劑回流現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重。截至2021年8月，焦石壩區(qū)塊共有73井次出現(xiàn)支撐劑回流現(xiàn)象，嚴(yán)重影響氣井產(chǎn)能釋放。

現(xiàn)階段各油氣田主要通過調(diào)整生產(chǎn)制度［4-5］以及安裝井下、地面防砂除砂工具的方式［6-8］處理支撐劑回流問題。李天才等［4］建立了壓裂液返排過程中單個顆粒發(fā)生回流的臨界流速模型，提出了控制支撐劑回流的放噴油嘴選擇原則，推導(dǎo)了壓裂氣井臨界產(chǎn)量計算公式。李耀等［3］針對榆林氣田氣井出砂機理進(jìn)行分析，推導(dǎo)出簡單且現(xiàn)場可行的氣井臨界攜砂氣量公式，為氣井合理配產(chǎn)提供建議。涂敖等［5］對長寧地區(qū)頁巖氣井出砂原因進(jìn)行分析初探，完善了測試、試采流程精細(xì)除砂技術(shù)及配套設(shè)備，確保了采輸作業(yè)安全、高效進(jìn)行。張鋒等［6］基于物質(zhì)平衡原理建立了支撐劑回流及裂縫閉合時間計算模型，得到了不同時刻井口壓力與最佳油嘴匹配關(guān)系圖，并以新疆低滲透儲層為例，制定了返排優(yōu)化方案，取得了較好的返排效果。李波等［7］對蘇里格氣田上古氣井防砂措施進(jìn)行研究，通過優(yōu)化氣井配產(chǎn)、控制開井速度、井口加熱排砂和井下防砂，有效緩解了出砂帶來的危害。

生產(chǎn)制度控砂與地面設(shè)備除砂雖然在一定程度上能夠緩解支撐劑回流帶來的危害，但都無法從根本上對支撐劑回流問題進(jìn)行治理［8-14］。調(diào)整生產(chǎn)制度會嚴(yán)重影響氣井產(chǎn)能的釋放；而安裝地面除砂器不僅無法解決裂縫導(dǎo)流能力降低所帶來的氣井產(chǎn)能降低的問題，而且會增加高額的設(shè)備費用［15-20］。因此，如何通過控制壓裂施工參數(shù)，優(yōu)化支撐劑在裂縫中的鋪置情況，進(jìn)而從源頭上避免支撐劑回流，成為亟需攻關(guān)的難題。

然而，目前基于防止支撐劑回流的壓裂工藝優(yōu)化研究甚少，油田現(xiàn)場實踐更是鮮有報道。為此，本文通過對主控因素的分析，旨在明確影響涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊支撐劑回流的主要原因，進(jìn)而開展壓裂工藝優(yōu)化，并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用效果檢驗，以期為同類型區(qū)塊壓裂氣井防砂治砂提供參考依據(jù)。

1 支撐劑回流主控因素分析

壓裂氣井支撐劑失穩(wěn)回流過程分為2個階段（見圖 1［12］）：1）支撐劑充填層在流體作用下整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；2）結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后松散的支撐劑顆粒被放噴流體攜帶運移到井筒。

圖1 支撐劑失穩(wěn)回流示意

支撐劑失穩(wěn)回流對應(yīng)的最小流速稱為臨界出砂速率（簡稱臨界速率），臨界速率越大，支撐劑結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，越不容易發(fā)生回流。Semi-Mechanistic模型（簡稱SM模型，式（1））由 J.M.Canon 等［12］提出，給出了臨界速率與支撐縫寬比（支撐劑支撐的縫寬與支撐劑粒徑之比）、閉合應(yīng)力、回流液體黏度之間的關(guān)系。相較其他經(jīng)驗?zāi)Ｐ停ㄈ鏢timlab模型、PFW模型），SM模型與室內(nèi)實驗及現(xiàn)場數(shù)據(jù)吻合更好，同時能夠考慮閉合壓力對于支撐劑破碎的影響，因此，本文主要基于SM模型進(jìn)行主控因素分析。

式中：Fsta為支撐劑充填層能夠保持穩(wěn)定的臨界壓力梯度，MPa/m；WT為支撐縫寬比；ST為支撐劑名義屈服強度，MPa；Ffv為失穩(wěn)后松散的支撐劑顆粒發(fā)生流化對應(yīng)的壓力降，MPa/m；p 為閉合壓力，MPa；a為常數(shù)（取7.717 2）。

1.1 閉合壓力的影響

經(jīng)典SM模型顯示，影響支撐劑失穩(wěn)回流的主控因素為閉合壓力與支撐縫寬比（見圖2）。隨著閉合壓力的增加，顆粒間最大靜摩擦力增加，臨界速率逐漸增大，但是當(dāng)閉合壓力超過支撐劑的抗壓強度時，支撐劑發(fā)生破碎，臨界速率降低；因此，臨界速率隨著閉合壓力的增加，整體上呈先增加、后減少的趨勢。同時，支撐縫寬比對于臨界速率也具有較大影響——支撐縫寬比越大，則支撐劑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差，臨界速率越??；當(dāng)支撐縫寬比等于或大于5∶1時，支撐劑充填層結(jié)構(gòu)抵御流體拖曳作用的能力大幅降低，很小的流速即可導(dǎo)致其失穩(wěn)，從而使支撐劑回流。

圖2 不同支撐縫寬比下臨界速率與閉合壓力的關(guān)系

1.2 壓裂液黏度的影響

式中：h為縫高，m；Q 為壓裂液排量，m3/s；w 為縫寬，m；vDC為平衡速率，m/s。

由支撐劑質(zhì)量守恒定律可以得到閉合壓力下支撐劑的有效支撐縫寬wDC：從而改善支撐劑的鋪置形態(tài)，減小出砂風(fēng)險。經(jīng)典SM模型給出了特定支撐縫寬比下，支撐劑充填結(jié)構(gòu)對應(yīng)的臨界速率，但未能建立壓裂施工參數(shù)與臨界速率的關(guān)系；因此，無法根據(jù)臨界速率對壓裂參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。筆者基于經(jīng)典SM模型，建立了考慮施工參數(shù)的臨界速率預(yù)測方法，將防砂治砂前移到壓裂設(shè)計階段，從而從源頭上防止支撐劑回流。

壓裂過程中支撐劑以平衡高度在裂縫中進(jìn)行鋪置，砂堤的平衡高度取決于壓裂施工參數(shù)。根據(jù)平衡速率（砂堤平衡高度對應(yīng)的速率），結(jié)合模擬得到的人工裂縫縫寬縫高，可推導(dǎo)出平衡條件下的砂堤高度HDC：

將該縫寬代入SM模型，即可得到壓裂參數(shù)對臨界速率的影響。模型的詳細(xì)介紹可參見參考文獻(xiàn)［13］，本文不再贅述。

壓裂液黏度對于臨界速率的影響如圖3所示。閉合壓力分別為20，30，40，50 MPa時，隨著壓裂液黏度的增大，臨界速率逐漸提高，此時越不容易發(fā)生支撐劑回流，主要原因是高黏壓裂液可使支撐劑運移距離更遠(yuǎn)。壓裂液黏度越大，支撐劑鋪置長度越長；相同砂量、縫高條件下，支撐劑鋪置高度越低，支撐的縫寬越窄，則對應(yīng)的臨界速率越大，越不容易導(dǎo)致支撐劑回流。

圖3 不同閉合壓力下臨界速率與壓裂液黏度的關(guān)系

根據(jù)以上分析并結(jié)合焦石壩區(qū)塊頁巖氣田開發(fā)實際，認(rèn)為該區(qū)塊壓裂氣井支撐劑失穩(wěn)回流原因主要有2個方面：1）隨著區(qū)塊老井的持續(xù)生產(chǎn)，地層壓力大幅降低，導(dǎo)致儲層閉合壓力下降，支撐劑不能有效支撐，進(jìn)而引起支撐劑回流；2）近期涪陵頁巖氣田推廣應(yīng)用“多簇密切割＋高強度加砂+低黏滑溜水”的壓裂工藝，此舉雖能有效提高裂縫復(fù)雜程度，擴大水力裂縫縫網(wǎng)面積，但單簇裂縫縫長較短，同時由于支撐劑用量大、滑溜水黏度低（僅3～5 mPa·s），因而使得支撐劑主要堆積在裂縫縫口，向裂縫深處運移的難度加大，導(dǎo)致支撐劑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，從而增大了氣井壓后支撐劑回流的風(fēng)險。

2 壓裂工藝優(yōu)化思路

綜合考慮井網(wǎng)井距及裂縫導(dǎo)流能力的需求，明確了以下壓裂工藝優(yōu)化調(diào)整思路：1）在保證壓裂改造面積的前提下，通過參數(shù)優(yōu)化增加水力裂縫縫長，為支撐劑向裂縫遠(yuǎn)端運移提供條件；2）通過液體黏度的調(diào)整，優(yōu)化支撐劑鋪置剖面，降低砂堤高度，增加支撐劑鋪置長度；3）通過支撐劑粒徑優(yōu)化，進(jìn)一步降低支撐劑回流風(fēng)險。

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2.1 射孔簇數(shù)優(yōu)化

采用平面三維“井筒-多裂縫擴展”全耦合計算模型，模擬14 m3/min的施工排量及1 600 m3單段壓裂規(guī)模條件下各簇裂縫的擴展情況。如圖4（圖中x，y，z分別為縫長、縫寬、縫高）所示，隨單段射孔簇數(shù)的減少，雖然水力裂縫各簇的縫長呈現(xiàn)增加趨勢，但是各簇裂縫累計裂縫面積逐漸減?。灰虼?，射孔簇數(shù)的選擇應(yīng)綜合考慮裂縫縫長和累計裂縫面積2項參數(shù)的變化。從圖5的模擬結(jié)果來看，在涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊，單段5～6簇射孔效果最優(yōu)，如此既能保證一定的人工裂縫面積，又能較好地擴展縫長。

圖4 不同射孔簇數(shù)對裂縫縫長擴展的影響

圖5 不同射孔簇數(shù)對平均裂縫半長和人工裂縫面積的影響

2.2 壓裂液黏度優(yōu)化

通過建立支撐劑液固兩相流模型，對不同壓裂液黏度條件下支撐劑的鋪置情況進(jìn)行模擬。圖6（圖中：左側(cè)為壓裂液與支撐劑入口，采用恒定速率邊界條件；右側(cè)為自由出口，壓力為定值）為不同壓裂液黏度（0.5，1.0，5.0，10.0 mPa·s）和不同時間（0.25，0.50，1.00，5.00 s）對應(yīng)的支撐劑鋪置形態(tài)。模擬結(jié)果顯示：支撐劑首先在重力作用下在縫口處發(fā)生沉降（見圖6a），隨著時間的推移，沉降高度逐漸增加，最終達(dá)到穩(wěn)定（見圖6d），且壓裂液黏度越大，支撐劑運移性越好，在縫口處大量堆積的可能性越低。當(dāng)液體黏度達(dá)到10.0mPa·s后，縫口砂堤高度大幅下降，壓裂液可以有效地將支撐劑攜帶到裂縫遠(yuǎn)端，進(jìn)而減小縫口處的支撐縫寬比，降低出砂風(fēng)險。

圖6 不同時間、不同黏度壓裂液下的支撐劑鋪置形態(tài)

2.3 支撐劑粒徑優(yōu)化

支撐劑粒徑對臨界速率的影響比較復(fù)雜，呈非單調(diào)變化。主要體現(xiàn)在2個方面：在支撐劑輸運階段，支撐劑粒徑越小，沉降速度越慢，被輸送的距離越遠(yuǎn)；有效支撐縫越長，最終對應(yīng)的支撐縫寬越窄，則充填結(jié)構(gòu)越不容易發(fā)生失穩(wěn)，越不易出砂。在支撐劑回流階段，支撐劑粒徑越小，則失穩(wěn)后松散的顆粒越容易被輸運，對應(yīng)的臨界速率越小，越容易出砂。

基于壓裂參數(shù)的SM模型，綜合考慮以上2個階段，得到支撐劑粒徑對于臨界速率的影響，結(jié)果如圖7所示。當(dāng)閉合壓力較小時（20 MPa），充填結(jié)構(gòu)松散，出砂主要是流體黏滯力大于支撐劑顆粒重力導(dǎo)致的疏散顆粒運移，因此，支撐劑粒徑越大，越不容易被液體攜帶，對應(yīng)的臨界速率也越大，支撐劑粒徑對臨界速率的影響呈單調(diào)變化；然而，當(dāng)閉合壓力增加后（50 MPa），支撐劑被壓實，支撐劑失穩(wěn)回流包括2個過程——首先是結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)，其次是失穩(wěn)后松散顆粒遷移，因此，支撐劑粒徑對臨界速率的影響呈非單調(diào)變化。即當(dāng)支撐劑粒徑比較小時（如粉陶支撐劑），由于被壓裂液攜帶得遠(yuǎn)，因此有效支撐縫寬較窄，充填結(jié)構(gòu)在高閉合應(yīng)力下穩(wěn)定性強，不容易發(fā)生失穩(wěn)；當(dāng)支撐劑顆粒尺寸比較大時（30～50目），雖然其被攜帶距離近，充填結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性弱，但失穩(wěn)后支撐劑因顆粒尺寸大而難以發(fā)生遷移，整體臨界速率也較高。因此，隨著支撐劑粒徑的減小，臨界速率呈先減小、后增大的趨勢。適當(dāng)減少70～140目支撐劑，增加40～70目支撐劑占比，可提高臨界速率，進(jìn)而減小出砂風(fēng)險（見圖7）。

圖7 不同閉合壓力下臨界速率與支撐劑篩目的關(guān)系

3 現(xiàn)場應(yīng)用與效果

焦頁A平臺4口開發(fā)調(diào)整井均位于焦石壩區(qū)塊，主力產(chǎn)層位于上奧陶統(tǒng)五峰組和下志留統(tǒng)龍馬溪組，水平井試氣段長為1 500～2 500 m，宏觀地應(yīng)力為中等強度的拉張應(yīng)變，井筒區(qū)域曲率呈斑點狀展布，整體地質(zhì)構(gòu)造條件有利于壓裂改造。但平臺相鄰老井累計產(chǎn)氣量達(dá)到0.93×108～3.23×108m3，通過模擬計算發(fā)現(xiàn)氣層中部壓力由老井投產(chǎn)前的33.24 MPa下降至目前的14.32 MPa，增加了平臺壓裂后支撐劑回流的風(fēng)險。

選擇平臺中焦頁A-1HF、焦頁A-2HF井為對比井，這2口井采用“多簇密切割＋高強度加砂+低黏滑溜水”壓裂工藝，單段以9簇射孔為主，簇間距為8～10 m，平均施工排量為14 m3/min，采用主體為70～140目+40～70目石英砂、尾追40～70目覆膜砂（占比為8%～10%）的支撐劑加入方式，壓裂液以3 mPa·s的滑溜水為主，水平段用液規(guī)模為21～23 m3/m，加砂強度為1.7～2.0 t/m。

焦頁A-3HF井、焦頁A-4HF井則根據(jù)研究結(jié)果對部分工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，單段射孔簇數(shù)減少至5～6簇，將平均施工排量提升至15 m3/min，壓裂液黏度提升至8～12 mPa·s，覆膜砂占比提升至14%～15%，其他參數(shù)與對比井基本一致。

從4口井壓裂后生產(chǎn)情況（見表1）來看，在各項條件相近的情況下，采用優(yōu)化后壓裂工藝的氣井不僅支撐劑回流得到明顯遏止，支撐劑返出量由平均單井81.7 m3減少至16.0 m3，而且氣井的測試產(chǎn)量也得到一定程度的提升。

表1 焦頁A平臺各井壓裂試氣參數(shù)及支撐劑返出量對比

4 討論與分析

焦頁A-3HF、焦頁A-4HF井地質(zhì)條件相似，均采用優(yōu)化后的壓裂工藝，雖然壓后出砂量與優(yōu)化前的壓裂工藝相比大幅降低，但這2口井在壓裂后1個月內(nèi)的支撐劑返出量仍有一定差異。為進(jìn)一步明確造成這種差異的主要原因，對2口井的壓裂后測試以及生產(chǎn)過程進(jìn)行深入分析。2口井放噴測試結(jié)束后，考慮到支撐劑回流問題，均按照較低的配產(chǎn)制度進(jìn)行生產(chǎn)（見圖8），但在前期測試放噴過程中，焦頁A-4HF井壓裂后為加快返排，采用φ10mm油嘴進(jìn)行放噴測試，而焦頁A-3HF井壓裂后采用φ8mm油嘴進(jìn)行控制放噴測試（見表2）。由此推測，測試制度的差異極有可能是造成2口氣井支撐劑返出量差別較大的主要原因：采用更大的油嘴放噴測試，增加了井底到地面測試端口的壓力差，從而造成支撐劑返出量增加。因此，為了最大程度減小支撐劑返出量，需要將壓裂工藝和生產(chǎn)放噴測試制度同步優(yōu)化。

圖8 焦頁A-3HF井、焦頁A-4HF井生產(chǎn)制度對比

表2 焦頁A-3HF井、焦頁A-4HF井放噴測試結(jié)果對比

5 結(jié)論

1）為解決涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊壓裂后支撐劑回流嚴(yán)重的問題，建立了基于壓裂施工參數(shù)的SM模型以及壓裂施工參數(shù)與臨界速率的聯(lián)系，將防治支撐劑回流問題前移到壓裂設(shè)計階段。

2）采用SM模型分析了地層閉合壓力、流體黏度、支撐縫寬比對支撐劑臨界速率的影響，明確了造成目前涪陵頁巖氣田支撐劑回流的2個主要原因：隨著區(qū)塊老井的持續(xù)生產(chǎn)，地層壓力大幅降低，導(dǎo)致儲層閉合壓力下降，不能對支撐劑進(jìn)行有效支撐；近期涪陵頁巖氣田推廣應(yīng)用“多簇密切割＋高強度加砂+低黏滑溜水”的壓裂工藝，雖能有效提高裂縫復(fù)雜程度，但支撐劑的有效輸運距離減小，壓裂裂縫縫口處支撐縫寬比較大，導(dǎo)致支撐劑堆積，支撐劑充填層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大幅降低。

3）現(xiàn)場實踐表明：采用增加水力裂縫縫長、提高攜砂液黏度、增加覆膜砂用量等壓裂工藝優(yōu)化思路，可有效減少支撐劑回流量；同時，還需重視壓裂后放噴測試制度的制定——加大放噴測試油嘴以加快排液等措施，極有可能加劇氣井的支撐劑回流。