油氣田壓裂防砂技術的應用與發展

在油氣開采過程中，油井出砂具有很大的危害性，有必要研究一種防砂效果好，防砂有效期長，還不影響油井產能的防砂方法，壓裂與防砂相結合的復合技術，稱為壓裂防砂。

1油氣井出砂機理與危害

從巖石力學角度來說，油層出砂有兩個機理：即剪切破壞和拉伸破壞機理。除了上述兩個機理外，還包括微粒運移出砂機理。

剪切破壞機理。由于井筒及射孔孔眼附近巖石所受周向應力及徑向應力差過大，造成巖石剪切破壞，引起地層出砂。

拉伸破壞機理。開采時，在井筒周圍應力梯度及流體的摩擦攜帶作用下，巖石承受拉伸應力.當此應力超過巖石的抗拉強度時，巖石發生拉伸破壞。

微粒運移出砂機理。在生產時，生產壓差或產量過大，作用在地層顆粒上的拽曳力過大，地層微粒就會移動，進而導致井底周圍地層滲透率降低，從而增大流體的拽曳力，并可能誘發固相顆粒的產出。

出砂的危害主要表現在以下幾個方面：減產或停止作業、地面和井下設備磨蝕、套管損壞、油井報廢、生產時間的損失、油氣井的經濟和技術損失等。

2.壓裂防砂機理

壓裂防砂的實質就是采用端部脫砂技術使攜砂液在裂縫端部脫砂，然后膨脹與充填裂縫，形成短而寬的高導流能力滲流通道。該技術是在一定縫長的前端形成砂堵，阻止裂縫延伸，獲得較寬的裂縫和較高的砂濃度，達到提高導流能力的目的。具有改造油層與防砂的雙重作用，防砂有效期長、效果持久。

壓裂防砂機理：填充砂的粒徑通過地層砂的粒徑進行選擇，將流體攜帶的砂粒阻擋于填充砂層之外，通過自然選擇在填充砂層外形成一個由粗到細的砂拱，有良好的流通能力。

壓裂后地層流體的流動特征。油井壓裂后，流體沿著具有高導流能力的裂縫流動時，流動阻力非常小，因此地層流體流入井底不再遵循徑向流動模式，而是形成雙線性流動模式，先是地層內部向裂縫面流動時的線性流，再是流體沿裂縫向井筒流動時的線性流。

水力壓裂可以避免和緩解地層巖石的破壞。具有高導流能力的水力裂縫將地層流體的流態由原來的徑向流動變成雙線性流，在一定程度上降低了生產壓差并大幅度降低了流體壓力梯度。從而緩解或避免了巖石骨架的破壞，也就緩解了出砂趨勢和出砂程度。

裂縫可以降低流體沖涮攜帶砂粒的能力。因裂縫而產生的雙線性流動模式及巨大的裂縫面積可以發揮良好的分流作用，使壓后流速大幅度降低，從而降低了對地層微粒的沖刷和攜帶作用。

3.壓裂填充砂的選擇

填充砂尺寸的確定。在壓裂充填設計時，必須正確選擇填充砂尺寸。若填充砂尺寸過大，地層砂可以自由通過填充砂孔隙，雖然裂縫滲透率和充填層的滲透率保持不變，但沒有防砂效果。若填充砂尺寸過小，填充砂能完全阻止地層砂侵入填充層，雖然可完全防止地層砂隨液體產出，但是整個填充層的滲透率很低，使整個井的產能變小。

填充砂尺寸需根據地層砂的尺寸來確定。當填充砂直徑略小于地層砂直徑，地層砂在填充砂與地層砂接觸面上形成穩定的砂橋，阻止了地層砂在充填層中的運移。

填充砂種類的選擇。目前世界上控制支撐劑返排技術中最成熟、應用也最廣泛的樹脂涂敷砂封口技術。樹脂涂敷砂是在壓裂砂顆粒表面涂敷一層薄而有一定韌性的樹脂層，該涂層可以將原支撐劑改變為有一定面積的接觸。當該支撐劑進入裂縫后，由于溫度影響，樹脂層首先軟化，然后在固化劑的作用下發生聚合反應而固化。從而使砂粒之間由于樹脂的聚合而固結在一起，將原來砂粒之間點與點接觸變成小面積接觸，降低了作用在砂粒上的負荷，增加了砂粒的抗破碎能力。同時，固結在一起的砂粒形成帶有滲透率的網狀濾段，阻止壓裂砂外吐。

4.攜砂液的確定

防砂攜砂液配方的確定是地質特點、施工因素決定的。既要將樹脂順利攜入地層，同時也要考慮攜砂液進入地層后所引起的粘土膨脹，乳化堵塞和賈敏效應問題，根據這些要求，攜砂液配方應體現五大作用，即具有增粘作用、防膨作用、固化作用、助排作用和破乳作用。主要壓裂液有：常規線性凝膠液、硅硼酸交膠液、有機交膠液等。該文原載于中國社會科學院文獻信息中心主辦的《環球市場信息導報》雜志http：//www.ems86.com總第522期2013年第39期-----轉載須注名來源目前應用的主要體系是瓜爾膠、羥丙基瓜爾膠、羧甲基一羥丙基瓜爾豆膠或羧甲基羥乙基纖維素的鋯酸鹽和鈦酸鹽絡合物。這些體系在高溫時具有極強的穩定性，只有在井底溫度大于148℃時才能形成。有機交聯液的穩定性使其具有極強的支撐劑懸浮能力。

根據以上要求，我們選定攜砂液的主要配方為：選羥丙基瓜膠0.3%，硼砂濃度為0.3% ，按交聯比4：1交聯。破乳劑0.1%，粘土穩定劑0.1%，緩釋劑1.0%。

5.壓裂防砂施工工藝的優化

根據壓裂防砂的基本原理，結合水力壓裂的基本要求，確定壓裂防砂的基本原則為：設計目標為形成短寬裂縫；壓裂液泵注程序特點是前置液少，初期砂比低，最終砂比盡量高；壓裂液濾失能力較強；支撐劑的選擇原則是使導流能力盡量大。

在以上基本原則的前提下，結合現場施工的實際情況，對壓裂防砂施工中出現的特殊情況作出優化。

6.壓裂防砂的現場應用

低溫地層井的應用。當樹脂預包砂進入裂縫后，由于溫度影響，樹脂層首先軟化，然后在固化劑的作用下發生聚合反應而固化。從而使砂粒之間由于樹脂的聚合而固結在一起，起到防砂的作用。樹脂預包砂的固化溫度為40℃，因此當地層溫度低于40℃時，樹脂在地層中就不能固化，也就起不到防砂的效果。以前壓裂防砂在選井時往往都是避開低溫地層井。為使壓裂防砂能夠應用到低溫地層井，樹脂砂在低溫地層中也能起到防砂的的效果，就必須采用人工辦法，迫使樹脂砂在地層中固化。針對這一問題，我們采用的辦法是：正常的壓裂防砂施工結束以后，馬上進行熱洗，補充地層溫度，使地層溫度達到樹脂砂軟化固化的溫度。

套變井應用。對于某些套管變形的井，常規的防砂方法很難施工，后期的作業（大修）費用相當高，無形之中就增加了油井的開發成本。對于此類井，我們選取了能下壓裂填砂管柱的井采取以下措施：

填砂完成立即用填砂管柱沖砂至人工井底，并用熱水洗井直到膠結砂在近井地帶完全固化。這樣就避免了后期的沖鉆砂工藝，避開了影響整個施工過程的套變因素，確保了壓裂防砂的成功。

注水井的壓裂防砂施工。與油井的壓裂防砂不同的是，注水井的防砂不但要阻止地層砂由于反吐進入井筒內，而且還要防止由于長期流水的沖刷作用造成的地層砂向遠井地帶運移，使地層深部堵塞，地層孔隙度和滲透率都下降，最終影響注水效果。

油井在經過多次有效期很短的常規防砂之后，仍不斷因為井筒積砂而影響正常注水。通過對該井的整個情況進行了全面的分析，認為常規的防砂只能阻止地層砂進入井筒，且有效期短，并不能解決地層孔隙低、導流能力差的這一根本問題。我們決定對該注水井實施壓裂防砂工藝。利用前期的壓裂和端部的脫砂作用在地層中形成短而寬的直線流型裂縫。經過壓裂防砂施工之后，既阻止了地層出砂，又大大提高了地層的孔隙度、增加了對流體的導流能力，使日注水量得到大幅提升。

7.結論與建議

通過優化完善后壓裂防砂工藝，能夠很好的解決油水井出砂的問題，并能起到增產作用，作業的一次成功率提高。

采用樹脂涂敷砂作為壓裂防砂的支撐劑，由于支撐劑表面涂敷了樹脂，這在一定程度上有所降低裂縫的導流能力。并且，樹脂涂敷砂較其他常用的支撐劑成本略微偏高，樹脂涂敷砂防砂井受固化強度的限制。

若能將增油效果很好的液態二氧化碳作為攜砂液，防砂與增油效果將得到提高。有待于進一步研究。

（作者單位：中國石油遼河油田公司工程技術部）