長寧地區頁巖氣井出砂原因分析初探

周小金， 張 帥， 段希宇

(1中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院 2頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室 3中國石油西南油氣田公司工程技術研究院)

中國頁巖氣分布非常廣泛，開發潛力巨大[1]，四川盆地頁巖氣資源量豐富，龍馬溪組和筇竹寺組為最有利勘探開發層系，估算總資源量39.05×1012m3。頁巖儲層物性差，孔隙度低，滲透率極低，平臺水平井分段壓裂成為頁巖氣開發的關鍵技術。經過多輪技術攻關，國內定型了埋深3 500 m以淺的頁巖氣主體壓裂工藝：低黏滑溜水、100目石英砂+40/70目陶粒組合支撐劑、大排量、大液量、大砂量。

長寧地區目前采用悶井、分階段控制、逐級放大的排采制度，在已排采的部分井中，出現了不同程度的地面出砂，地面出砂縮短了地面流程的使用壽命，增加了除砂作業成本及井下作業風險，影響了氣井的正常生產。

防砂、治砂工作一直是常規氣田開發工作者面臨的難題。針對常規氣田出砂原因、防治措施，宋軍正[2]等根據巖石力學理論，采用三維壓裂模擬設計軟件分析了壓裂氣井出砂機理。鄒一鋒[3]，葉靜[4]等通過對支撐劑受力分析，推導出了新的裂縫出砂臨界產量公式，為防砂提供了依據。李天才[5]等建立了壓裂液返排過程中臨界返排流量、支撐劑返排速度和沉降速度計算模型，提出了控制支撐劑回流的放噴油嘴選擇原則。林琳[6]等結合氣井實際出砂現狀及規律，修正已有的攜砂臨界參數與出砂量模型，探討出砂氣井合理生產制度和沖砂周期的確定方法。田喜軍[7]，楊立平[8]等氣田氣井出砂問題，研制了井下防砂工具。頁巖氣方面，石豫[9]等通過對頁巖氣井水力壓裂支撐劑砂堤形成過程進行了全面描述，對比了物理實驗與Babcock砂堤形成理論的模擬結果，指出了影響砂堤形態各個參數的主要因素，為建立更合理的支撐劑顆粒輸送模型提供了依據。本文以長寧地區X1、X2平臺頁巖氣井出砂為例，初步分析了出砂的原因，提出了幾點頁巖氣井出砂防治措施。

一、長寧地區頁巖氣井出砂現狀

長寧地區主體采用大通徑橋塞作為頁巖氣分段壓裂工具，從2016年以來，在該地區已實施的6個平臺，27口井中，共使用橋塞573支，其中大通徑橋塞510支，可溶橋塞63支占比11%。

大通徑橋塞可實現壓后井筒較大的通徑，后期無需連續油管對橋塞進行鉆磨，可實現氣井快速投產，提高了生產時效，降低了鉆磨成本。但因為大通徑橋塞的無法鉆磨，無法實現井筒全通徑，限制了后期井筒作業。

可溶橋塞可實現98.5%以上總質量的可溶，但銷釘、卡瓦粒均為不溶物，在整口井使用可溶橋塞的情況下，不溶物可堆積于井筒某位置，在連續油管沖砂過程中，易發生連續油管卡鉆。可溶橋塞可溶部分因溶解后形成高黏稠液體，在地層支撐劑回流入井筒后，易被該種高黏液體裹覆從而形成大小不一的支撐劑膠結塊，造成井筒堵塞。在已完成壓裂施工的6個平臺、27井次中，壓后返排期間出現了4個平臺21井次不同程度的地面出砂，其中以X1、X2平臺下半支井出砂尤為嚴重(見表1)。

表1 X1、X2平臺壓后返排出砂統計表

井號X2-1井X2-2井X2-3井X2-4井X2-5井X2-6井出砂量/m31.91.20.542.023.262.51

針對目前長寧地區頁巖氣井出砂情況，現場廣泛采用連續油管沖砂的方式來解除井筒堵塞。而目前該地區采用的大通徑橋塞及可溶橋塞分段壓裂工具，均可能導致連續油管沖砂過程中發生卡鉆，增加了井下作業風險及作業成本。從而做好長寧地區地層出砂的防控顯得尤為重要。

二、頁巖氣井支撐劑回流原因分析

1.頁巖滲透率極低，人工裂縫閉合時間長

頁巖儲層相比常規天然氣儲層滲透率極低，地層綜合濾失系數小。相比常規天然氣儲層壓裂，頁巖儲層人工裂縫的閉合時間更長。目前長寧地區采用壓后“悶井”數天才開井排液的排采制度，開井排液期間，頁巖儲層裂縫可能尚未完全閉合，使得裂縫壁對支撐劑的夾持力比較微弱，在壓裂液及天然氣的高速沖刷下，支撐劑被拖拽入井筒。

2.大規模壓裂施工降低了裂縫壁對支撐劑的夾持力

頁巖質地脆、膠結差、天然層理、裂縫發育，相比常規天然氣井壓裂，頁巖氣井采用的“大液量、大排量、大砂比”大規模壓裂模式，大量壓裂液對地層的擠壓及高速流體對近井頁巖的剪切，易造成近井地帶小巖塊發生剪切破壞而崩落，降低了裂縫壁對支撐劑的夾持力，為支撐劑回流創造了條件。

3.滑溜水攜砂性能差

現有頁巖氣井壓裂主體采用滑溜水，滑溜水具有黏度低、攜砂性能差等特點。為順利泵送橋塞，長寧地區頁巖氣井通常在一段壓裂施工結束前注入一定量的膠液進行清掃井筒，減少井筒沉砂。若膠液在井下破膠不徹底，在返排期間，近井筒膠液具有較高的黏度，對支撐劑具有較大的拖拽力，從而發生支撐劑回流。

通過對X1、X2平臺各井出砂情況與膠液使用量的統計分析發現，各井出砂量與膠液使用量具有一定的正相關關系(圖1)。

圖1 寧201井區X1、X2平臺膠液使用量與出砂量關系圖

4.不合理的返排制度加速了支撐劑的回流

在地層尚未閉合的情況下，采用大油嘴排液，井底生產壓差大，高速流動的返排液會攜帶支撐劑回流至井筒。

通過對X1平臺出砂期間井筒壓力分析，在該平臺下半支井出砂期間，井底壓力均高于裂縫閉合壓力，說明開井排液初期，儲層人工裂縫尚未完全閉合(見表2)。

表2 長寧地區X1平臺下半支井地層

三、頁巖氣井防砂治理建議

1.開展纖維防砂工藝試驗減小支撐劑回流

纖維防砂即采用纖維和支撐劑充分混合后隨壓裂液一起泵入地層，纖維的纏繞固砂能力能夠有效防止地層出砂，可提高支撐劑在人工裂縫中的固定強度，提高臨界出砂流速，減少了支撐劑的失穩和回流，有效減少或避免井筒出砂。

2.優化排液制度延長小直徑油嘴排液時間

井口壓力接近或高于折算地面閉合壓力時，地層裂縫尚未完全閉合，不宜增大油嘴排液，大尺寸油嘴排液會導致井底生產壓差過大，返排液流速過高，從而導致井底出砂。

通過對X1、X2兩平臺下半支井出砂情況分析、總結，對平臺上半支井開展了延長小直徑油嘴排液時間的排采制度優化措施，對比發現，延長小直徑油嘴排液時間的上半支井出砂量明顯低于相應平臺下半支井，取得了一定的防砂、控砂效果。

3.確保膠液在儲層中徹底破膠

根據長寧X1、X2平臺出砂情況分析，單井出砂量與膠液使用量具有一定的正相關關系，故在壓裂施工過程中，泵注膠液期間，應確保破膠劑的質量與數量。同時做好破膠劑的性能評價及現場實時監測，確保在儲層條件下，膠液破膠徹底。避免返排期間高黏液體攜砂入井筒。

四、結語

頁巖氣井出砂防治是頁巖氣井生產管理的重要內容，多種因素綜合影響導致頁巖氣井出砂。通過對長寧地區頁巖氣井地層出砂原因的分析，可為后期頁巖氣井防砂工藝的制定提供技術支撐。長寧地區X1、X2平臺上半支井排采制度優化結果顯示，延長小直徑油嘴排液時間取得了一定的控砂效果。