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外油氣田所面臨的難題［1-3］，它不僅會降低水力裂縫的導流能力，而且會引發(fā)管線沖蝕、穿孔等現(xiàn)象，影響安全生產。涪陵氣田產層為五峰組—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，最小水平主應力梯度為0.017MPa/m，最大水平主應力梯度為0.021MPa/m。近年來，隨著涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊進入開發(fā)調整期，老井的采出程度逐漸增加，同時調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”轉變，壓裂后的調整井生產過程中支撐劑回流現(xiàn)象愈發(fā)嚴重。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，嚴重影響氣井產能釋放。

現(xiàn)階段各油氣田主要通過調整生產制度［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，推導了壓裂氣井臨界產量計算公式。李耀等［3］針對榆林氣田氣井出砂機理進行分析，推導出簡單且現(xiàn)場可行的氣井臨界攜砂氣量公式，為氣井合理配產提供建議。涂敖等［5］對長寧地區(qū)頁巖氣井出砂原因進行分析初探，完善了測試、試采流程精細除砂技術及配套設備，確保了采輸作業(yè)安全、高效進行。張鋒等［6］基于物質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行研究，通過優(yōu)化氣井配產、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。

生產制度控砂與地面設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行治理［8-14］。調整生產制度會嚴重影響氣井產能的釋放；而安裝地面除砂器不僅無法解決裂縫導流能力降低所帶來的氣井產能降低的問題，而且會增加高額的設備費用［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，進而從源頭上避免支撐劑回流，成為亟需攻關的難題。

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，進而開展壓裂工藝優(yōu)化，并進行現(xiàn)場應用效果檢驗，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構失穩(wěn)；2）結構失穩(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，支撐劑結構越穩(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）、閉合應力、回流液體黏度之間的關系。相較其他經驗模型（如Stimlab模型、PFW模型），SM模型與室內實驗及現(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，則支撐劑結構穩(wěn)定性越差，臨界速率越小；當支撐縫寬比等于或大于5∶1時，支撐劑充填層結構抵御流體拖曳作用的能力大幅降低，很小的流速即可導致其失穩(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)，減小出砂風險。經典SM模型給出了特定支撐縫寬比下，支撐劑充填結構對應的臨界速率，但未能建立壓裂施工參數(shù)與臨界速率的關系；因此，無法根據(jù)臨界速率對壓裂參數(shù)進行優(yōu)化。筆者基于經典SM模型，建立了考慮施工參數(shù)的臨界速率預測方法，將防砂治砂前移到壓裂設計階段，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（砂堤平衡高度對應的速率），結合模擬得到的人工裂縫縫寬縫高，可推導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。模型的詳細介紹可參見參考文獻［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。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，則對應的臨界速率越大，越不容易導致支撐劑回流。

圖3 不同閉合壓力下臨界速率與壓裂液黏度的關系

根據(jù)以上分析并結合焦石壩區(qū)塊頁巖氣田開發(fā)實際，認為該區(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，地層壓力大幅降低，導致儲層閉合壓力下降，支撐劑不能有效支撐，進而引起支撐劑回流；2）近期涪陵頁巖氣田推廣應用“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雜程度，擴大水力裂縫縫網面積，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，導致支撐劑結構穩(wěn)定性差，從而增大了氣井壓后支撐劑回流的風險。

2 壓裂工藝優(yōu)化思路

綜合考慮井網井距及裂縫導流能力的需求，明確了以下壓裂工藝優(yōu)化調整思路：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，為支撐劑向裂縫遠端運移提供條件；2）通過液體黏度的調整，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，進一步降低支撐劑回流風險。

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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小；因此，射孔簇數(shù)的選擇應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行模擬。圖6（圖中：左側為壓裂液與支撐劑入口，采用恒定速率邊界條件；右側為自由出口，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）對應的支撐劑鋪置形態(tài)。模擬結果顯示：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。當液體黏度達到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端，進而減小縫口處的支撐縫寬比，降低出砂風險。

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雜，呈非單調變化。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；有效支撐縫越長，最終對應的支撐縫寬越窄，則充填結構越不容易發(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，結果如圖7所示。當閉合壓力較小時（20 MPa），充填結構松散，出砂主要是流體黏滯力大于支撐劑顆粒重力導致的疏散顆粒運移，因此，支撐劑粒徑越大，越不容易被液體攜帶，對應的臨界速率也越大，支撐劑粒徑對臨界速率的影響呈單調變化；然而，當閉合壓力增加后（50 MPa），支撐劑被壓實，支撐劑失穩(wěn)回流包括2個過程——首先是結構整體失穩(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變化。即當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，因此有效支撐縫寬較窄，充填結構在高閉合應力下穩(wěn)定性強，不容易發(fā)生失穩(wěn)；當支撐劑顆粒尺寸比較大時（30～50目），雖然其被攜帶距離近，充填結構整體穩(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，進而減小出砂風險（見圖7）。

圖7 不同閉合壓力下臨界速率與支撐劑篩目的關系

3 現(xiàn)場應用與效果

焦頁A平臺4口開發(fā)調整井均位于焦石壩區(qū)塊，主力產層位于上奧陶統(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，宏觀地應力為中等強度的拉張應變，井筒區(qū)域曲率呈斑點狀展布，整體地質構造條件有利于壓裂改造。但平臺相鄰老井累計產氣量達到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)研究結果對部分工藝參數(shù)進行優(yōu)化設計，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個月內的支撐劑返出量仍有一定差異。為進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過程進行深入分析。2口井放噴測試結束后，考慮到支撐劑回流問題，均按照較低的配產制度進行生產（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油嘴進行放噴測試，而焦頁A-3HF井壓裂后采用φ8mm油嘴進行控制放噴測試（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井生產制度對比

表2 焦頁A-3HF井、焦頁A-4HF井放噴測試結果對比

5 結論

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，地層壓力大幅降低，導致儲層閉合壓力下降，不能對支撐劑進行有效支撐；近期涪陵頁巖氣田推廣應用“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，導致支撐劑堆積，支撐劑充填層結構穩(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。