2014, Vol. 36
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2. 中国石油大学(华东)石油工程学院, 山东 青岛 266580
2. School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao, Shandong 266580, China
苏里格气田为我国典型的低孔、低压、低渗气田，水力压裂是气田、开发的主要增产措施，然而，水力压裂施工后的快速排液和控制支撑剂回流返吐始终是一对矛盾[1]。常规压裂施工后排液时，往往存在支撑剂回流现象，不仅影响储层的改造效果，而且返排的支撑剂在高速返排液的携带下冲蚀井口阀门、地面管线等，导致井口阀门损坏而无法正常关闭，严重时有可能引发井喷事故[2]。因此，必须寻找新的突破口才能有效解决这个技术难题。
目前，国内外许多油田都进行了防控砂工艺技术研究，部分取得了良好效果，其中混注纤维压裂技术(纤维增强加砂压裂技术)是目前最新支撑剂回流控制技术之一[3]，可以大幅度提高填砂裂缝的临界出砂流速，也能大幅度提高压后排液的速度，从而有效预防支撑剂回流[4]。该技术比一般树脂涂层支撑剂等技术更灵活，适用温度、压力范围广，而且，与压裂液没有化学作用，性质稳定、成本低廉、应用简单。但目前针对支撑剂在压裂液返排和油气生产两个过程中的回流机理研究并不清晰，所研制的防支撑剂回流纤维性能针对性不强，且其对裂缝内导流能力也有一定影响，有待进一步研究。
1 苏里格气田排液出砂和设备损毁情况 1.1 苏里格气田压裂井出砂情况苏里格气田主力产层为山西组的山1段和石盒子组的盒8段。山西组和石盒子组均为石英砂岩储层，胶结良好。经过组合模量经验计算：Ec≥2.0×104 MPa，正常生产时气井不出砂；1.5×104 MPa < Ec < 2.0×104 MPa，正常生产时气井轻微出砂；Ec < 1.5×104 MPa，正常生产时气井严重出砂[5-6]。苏里格气田岩石弹性组合模量为5.69×104 MPa，因此不会产出地层砂。通过声波在地层中的传播时差(∆ tc)进行出砂预测，研究表明，当∆ tc295 µs/m时，地层才可能出砂[7]，而苏里格气田声波时差为190~240 μs/m，不可能产出地层砂。同时，苏里格气井压裂后出砂具有明显的特征：地面分离器取样全为气层压裂改造过程中所加的陶粒或其碎粒，确认气井出砂为支撑剂回流。
苏里格气田放喷排液中，主要在液氮返出阶段存在支撑剂回流现象。据统计，平均单井返排砂量约0.6 m3，支撑剂回流现象严重时，单井达到2.0 m3左右。
1.2 苏里格气田排液出砂设备损毁情况 1.2.1 针阀、闸阀损毁情况排液过程中，气水混合物携带支撑剂冲蚀井口针、闸阀、地面管线等(图 1)，往往造成针、闸阀损坏或关闭不严，存在天然气泄漏等风险。近年针阀、闸阀损毁情况统计如表 1所示。
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| 图1 苏×井井口针、闸阀损坏情况 Fig. 1 The damage of wellhead needle valve and gate valve on Sulige Gas Field |
| 表1 2007-2010年苏里格气田损毁闸阀、针阀统计表 Table 1 Statistics of needle valve and gate valve damage on Sulige Gas Field in years 2007-2010 |
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由表 1可知，返排液携带支撑剂对井口针、闸阀冲蚀、损坏现象严重。
1.2.2 节流放喷管汇丝堵和250闸门损毁情况2007年长庆井下技术作业公司研制配套了节流放喷管汇(图 2)，可全开井口的控制阀门，利用节流放喷管汇中油嘴的节流作用控制放喷，以此来达到保护井口针、闸阀的目的。
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| 图2 节流放喷管汇地面连接示意图 Fig. 2 The picture of throttle discharge manifold on the ground |
近几年使用节流放喷管汇进行压后放喷排液，有效地控制了地层吐砂以及返排液对井口闸门的冲刺损害，减少了单井井口针阀的使用数量(图 3)。虽经过不断改进，但也由于250闸门或丝堵的刺漏而导致放喷管汇损毁的情况时有发生。
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| 图3 应用节流放喷管汇2007-2010年损坏情况 Fig. 3 The damage of throttle discharge manifold in years 2007-2010 |
裂缝中的纤维通过多种机理来稳固砂拱。每根纤维与若干支撑剂颗粒相互接触，通过接触压力和摩擦力相互作用，形成空间网状结构而提供支撑剂与裂缝之间额外的黏结力，从而将支撑剂稳定在原始位置，而流体可以自由通过，从而提高砂拱的稳定性和临界返排速度[8-9]。
在支撑裂缝中取出一个砂拱单位进行受力分析。作为外力，纤维承受支撑剂颗粒的接触压力和摩擦力；作为内力，它主要承受轴向拉应力，可得[8]
| $ \tau = \mu {\sigma _{\rm{I}}} $ | (1) |
| $ {\sigma _{\rm{n}}} = k\alpha^{3/2} $ | (2) |
| $ {\sigma _I} = 2\mu kL\alpha^{3/2}/D $ | (3) |
式中：$\tau$-纤维表面摩擦力，N；$\sigma _{\rm{n}}$-纤维与砂粒间的接触压力，N；$\mu$-摩擦系数，无因次；$\sigma _{\rm{I}}$-纤维拉应力，N；$k$- Hertz系数，N$\cdot$m$^{-3/2}$；$\alpha$-接触压痕深度，m；$L$-纤维长度，m；$D$-纤维直径，m。
在砂团的剪切变形面内，取一微面元，压后排液时，微面元产生剪切变形，纤维起到增强作用。
从图 4可知[8]，纤维对剪切变形的抵抗力可分为切向力${\tau _{\rm{\tau }}}$和因纤维对砂团施加压力而产生的颗粒间的附加摩擦力${\tau _{\rm{n}}}$，它们均对砂拱变形产生阻力作用。用因纤维而产生的额外砂拱变形阻力$\Delta {s_{\rm{\tau }}}$来表征砂拱强度的增加值，由数学推导可得
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| 图4 纤维增强作用示意图 Fig. 4 Schematic diagram of fiber reinforced function |
| $ \Delta {s_{\rm{\tau }}} = {f_{\rm{w}}}L\mu (\kappa \mathop \alpha \nolimits^{{3 /2}} ){\rm{ }}({\rm{sin}}\omega+{\rm{cos}}\omega {\rm{tg}}\varphi )/D $ | (4) |
式中：$\varphi$-颗粒间的内部摩擦角，(°)；$\Delta {s_{\rm{\tau }}}$-变形阻力，N；$f_{\rm{w}}$-纤维体积含量，%；$\omega$-剪切角，(°)。
从式(4)可见，纤维体积含量越高，纤维越长，支撑剂越细，纤维与支撑剂颗粒间的摩擦系数越大，则纤维对支撑剂的增强效果就越好。
3 防支撑剂回流用纤维制备与评价 3.1 防支撑剂回流纤维制备及性能 3.1.1 防支撑剂回流用特质纤维制备将形成纤维的网络形成体(原料A)、网络体外氧化物(原料B)以及助溶剂(原料C)粉体均化，并与增强剂(原料D)按一定比例混合均匀，将混合料熔化后，通过拉丝、吹丝、离心等技术制成直径为5~40 µm的细丝，再用处理剂(原料E、原料F)对细丝进行表面处理，最后切短，制成特制纤维成品。我们将研制的特制纤维称为SC纤维，它属于G纤维范畴。
3.1.2 研制纤维的性能稳定性评价研制出的特制SC纤维(如图 5、图 6所示)，由于其特殊的用途，要求其具有良好的化学稳定性，既能抵抗酸、碱及地层水等介质的侵蚀，又应具有良好的抗温性。
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| 图5 特制纤维的宏观照片 Fig. 5 The macro picture of special fiber |
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| 图6 特制纤维的微观照片 Fig. 6 The microscopic picture of special fiber |
通过抗酸、碱、盐，以及抗温性能的室内测试，特制纤维在5%或20%的酸液、pH值为9的碱液和矿化度为2×104 mg/L的盐水中，性能基本保持稳定，其抗温性能良好，且在模拟地层水中(90 ℃下2 h)的失重率为5.58%，可适用于较为恶劣的油气藏条件，能够满足防支撑剂回流要求。
3.2 纤维加入浓度的确定纤维浓度对砂体的稳定性影响较大(图 7)，坍塌压力和坍塌流量在浓度为1.5%时分别是浓度为1.0%时的2.0倍和1.5倍左右，而当纤维浓度 < 1.0%时，坍塌压力(流量)与浓度呈线性关系，纤维浓度0.5%与1.0%比较接近。但由于纤维浓度大于1.0%时，纤维会出现较多的纠缠与抱团现象而分散不均匀，影响纤维作用效果。此外，浓度过大还会增大通过射孔孔眼的阻力，因此合理添加浓度初步确定为0.5%左右。
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| 图7 纤维浓度对砂体稳定性的影响 Fig. 7 Effect of fiber concentration on the stability of sand body |
主要通过支撑砂体的坍塌实验来研究确定纤维的长度、直径等特性参数。
实验结果(图 8)表明，纤维可使相同粒径砂体的稳定性增加几十倍，含纤维的砂体坍塌流量是不含纤维的15倍，坍塌压力是不含纤维的60倍；不同直径(15，23，33 µm)的纤维其砂体的坍塌流量相近，但加入细纤维的砂体坍塌压力大，稳定性较好。因此，确定较细纤维(15 µm)为防支撑剂回流用纤维；加入长纤维对砂体的稳定性优于短纤维，但考虑到纤维太长与支撑剂不易混合均匀，并且油田射孔孔径最大一般不超过15 mm，因此确定防回流用的纤维长度为10 mm左右。
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| 图8 纤维及其物理特性对砂体的稳定性影响 Fig. 8 The effect of fiber and its physical properties on the stability of sand body |
实验采用20/40目陶粒掺合SC纤维，支撑剂铺置浓度均为8.0 kg/m2。不同纤维加量浓度下支撑剂的导流能力实验结果表明(图 9)，0.50%~0.60%浓度的SC纤维加入20/40目陶粒对导流能力的影响较小，高于0.90%后导流能力下降幅度较大，说明浓度较高可能堵塞裂缝中渗流通道。
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| 图9 不同纤维浓度对导流的影响结果 Fig. 9 Effect of different concentration fiber on the diversion |
采用20/40目陶粒与SC纤维组合，在不同闭合压力下进行导流能力实验，结果如图 10所示。闭合压力分界值为42 MPa，闭合压力对加入纤维的支撑剂导流能力的影响程度较小。
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| 图10 不同闭合压力下纤维对导流能力的影响 Fig. 10 Effect of fiber under different close pressures on conductivity |
采用20/40目陶粒与0.5%浓度的SC纤维混合，进行了在5，8，10 kg/m2支撑剂铺置浓度下导流能力随闭合压力变化的实验，结果表明(图 11)，加入纤维后支撑剂不同铺置浓度对导流能力影响较小[11]。
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| 图11 不同铺砂浓度下纤维对导流能力影响 Fig. 11 Effects of fiber on the conductivity in different sand concentrations |
采用20/40目陶粒，铺置浓度10 kg/m2时，出口端取走一定支撑剂来模拟回流情况(回流量0(未取走支撑剂)，0.5%，1.5%，3.0%，6.0%，10.0%，20.0%)；采用20/40目陶粒与浓度0.5%的SC纤维混合模拟加纤维情况。实验结果(图 12)表明，随着支撑剂回流量的增加，裂缝导流能力逐渐下降，但不同回流量下降幅度不同。
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| 图12 支撑剂回流效应对裂缝导流能力影响 Fig. 12 Effects of proppant backflow on fracture conductivity |
在苏里格气田探井和产建井进行了加纤维压裂试验，依据试验井地质情况及压裂设计方案，利用纤维防支撑剂回流设计软件进行纤维加入和返排优化方案设计，对放喷过程进行了监测。
4.1 苏里格气田探井试验加纤维压裂共在苏里格探井试验18口井，在放喷排液时，共损毁闸阀、针阀1套；试验井平均压后返排砂量为0.108 m3，而不加纤维的压裂施工井，返排砂量平均在0.500 m3以上。下面以苏里格两口气探井(Su330井、Su366井)为例，介绍加纤维压裂和放喷返排的试验情况。
4.1.1 试验井纤维泵注程序优化对两口试验井的S1层均进行了加纤维压裂，Su366井H8层未进行加纤维压裂，以便对比。经优化的纤维添加情况如表 2，现场压裂施工顺利。
| 表2 泵注加砂阶段纤维加入量优化设计结果表 Table 2 Optimization results table of amount of fiber in pumping sand stage |
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由图 13可知，如果井口放喷时油管压力为33 MPa，采用8 mm油嘴进行控制放喷，裂缝将于7 min左右强制闭合。根据软件模拟结果，优化的两口井的放喷程序如表 3所示。
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| 图13 不同尺寸油嘴井口压力变化曲线 Fig. 13 The wellhead pressure curve of different sizes of nozzle |
| 表3 Su366井及Su330井S1层压后返排制度 Table 3 The flowback system of Well Su366 and S1 reservoir of Well Su330 after fracturing |
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由图 14及表 4可以看出，加纤维压裂施工的Su330井S1层、Su366井S1层压后放喷排液时出砂量较少，明显少于压裂施工时未加纤维的Su366井H8层；且Su330井S1层、Su366井S1层放喷排液时，放喷排量分别为760，530 L/min，而Su366井H8层的平均放喷排量为380 L/min，表明加纤维压裂施工后，在有效防止支撑剂回流的前提下，放喷速度可明显提高，减小了施工液体对地层的污染。
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| 图14 依次为Su330井S1、Su366井S1和Su366井H8压裂后放喷时收集的出砂情况 Fig. 14 The blowout of sand S1 reservoir Well Su330, S1 reservoir Well Su366 and H8 reservoir Well Su366 after fracturing |
| 表4 两口气探试验井求产及出砂情况对比表 Table 4 The comparison table of production and breaking down in two test wells |
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在苏里格的一口气井产建井，即SD44-42C3井上进行了现场加纤维和放喷返排试验。在此丛式井组选择了另两口SD45-32C4井和SD45-33井进行了返排及出砂情况对比试验。对试验井SD44-42C3 S12层和S21层均进行了加纤维压裂作业，经优化的纤维添加情况如表 5所示。
| 表5 SD44-42C3井S12层、S21层泵注加砂阶段纤维加入量优化设计结果表 Table 5 Optimization design results table of adding fiber of S12 reservoir Well SD44-42C3 and S21 reservoir on pumping sand stage |
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现场加纤维压裂施工时，均遵照上述优化后的纤维加入泵注程序执行，压裂施工顺利。
通过表 6对比结果可以看出，SD44-42C3井压裂过程中伴加了纤维，其总加砂量与另外两口井基本相当，但在放喷返排过程中，返排砂量明显小于做对比的两口井。而返排排量也明显大于对比的两口井。该现场试验结果表明，加纤维压裂施工后，放喷出砂明显减少，与邻井或常规压裂气井平均出砂量相比，下降幅度达到80%左右，起到了很好的防支撑剂回流作用；同时也提高了压裂返排速度，平均提高50%以上。
| 表6 三口产建试验井出砂情况对比表 Table 6 Comparison table of sand production in three export production test well |
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(1) 根据压裂气井支撑剂回流特点，制备了性能稳定的防支撑剂回流用SC纤维，并优选出纤维直径为15 µm、长度为10 mm左右，纤维的最优添加浓度为0.5%左右。
(2) 应用研制的纤维防支撑剂回流-压裂液返排工艺优化设计软件，结合室内与现场数据对苏里格18口井进行了纤维控制支撑剂回流工艺优化设计，并开展了相应的加纤维压裂施工现场试验。加纤维压裂施工后，放喷出砂明显减少，同时提高了压裂返排速度，减小了压裂液对地层的污染。
(3) 加纤维压裂的18口气井在放喷排液过程中，井口针、闸阀等地面设备的损毁情况大大减少；加纤维压裂在防止支撑剂回流的同时，可大大降低对井口设备的损毁情况。
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