蘇里格氣田中部三低氣藏水力壓裂氣井支撐劑回流的危害、原因及基本控制對策

楊永春，謝 奎，李建珍

（中國石油川慶鉆探工程有限公司，四川 成都 610000）

蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地長慶氣田西北蘇里格廟地區，構造位置屬鄂爾多斯盆地伊陜斜坡，氣田面積約為2×104km2，主力產層古生界二疊系山西組、石盒子組，為大型巖性圈閉氣藏，埋藏深度為3 200～3 500 m，具有低壓、低滲、低豐度[1]的“三低”氣藏特征。儲層巖性以河道砂體為主，儲層物性普遍低孔、低滲、細吼道且非均質性強。目前，在完鉆井中，有自然產能者甚少，需要采取儲層改造措施，方能獲得工業產能。水力壓裂是提高氣井產量并實現經濟開發的主要改造儲層手段[2]，通過高壓流體使地層裂開，生成自井眼向地層延伸的流體通道（裂縫），支撐劑被充填到裂縫里，確保施工壓力釋放后能繼續支撐流體通道，維持導流能力。支撐劑主要采用陶粒、石英砂等。生產情況表明，水力壓裂氣井壓后排液及生產過程中存在支撐劑（壓裂砂）回流現象。本研究通過蘇里格氣田中部三低氣藏水力壓裂氣井的壓裂控砂、排液控制、生產控產3個階段的探索與實踐，闡述了支撐劑回流造成的危害，分析了支撐劑回流的基本原因，提出了防治支撐劑回流的基本對策，以期為該區域三低氣藏水力壓裂氣井控制支撐劑回流提供參考。

1 支撐劑回流造成的危害

支撐劑回流在氣田生產中主要有以下危害：

（1）掩埋產層，導致氣井產量降低甚至無產量[3]；

（2）降低人工裂縫導流能力，影響氣井產量[4]；

（3）破壞地面采輸氣流程，造成經濟損失，埋下安全環保隱患。

2 支撐劑回流的原因

根據顆粒動力學理論，設定密度ρg、直徑d的理想固體圓顆粒處于密度ρL、黏度μ的流體介質中，該體系參照氣井井眼環境，在重力作用下，流體帶動固體顆粒運動速度為Vg，則有：

式中：Vg為固體顆粒運動速度；g為重力加速度；d為固體顆粒直徑；ρg為固體顆粒密度；ρL為流體介質密度；CD為阻力系數。其中，阻力系數CD是雷諾數（Reynolds number，Re）的函數，而Re是一種可用來表征流體流動情況的無量綱數[5]。

式中：VL為流體的流速；ρL為流體密度；μ為流體黏性系數；D為一特征長度。例如流體流過圓形管道，則D為管道的當量直徑。

根據斯托克斯（Stokes）、艾侖（Allen）、牛頓（Newton）的研究成果，得出阻力系數CD與顆粒Re有以下關系：

當10-4＜Re＜1時，為層流區（Stokes區），，大致固體顆粒粒徑滿足1 μm＜d＜100 μm。層流區流體帶動固體顆粒的運動速度：

當1＜Re＜103時，為過渡區（Allen區），，大致固體顆粒粒徑滿足100 μm＜d＜1 000 μm。過渡區流體帶動固體顆粒的運動速度：

當103＜Re＜105時，為湍流區（Newton區），CD=0.44，大致固體顆粒粒徑滿足d＞1 000 μm。湍流區流體帶動固體顆粒的運動速度：

當Re＞2×105時，為高度湍流區，CD=0.1。這一狀態在工業中較少遇到。高湍流區流體帶動固體顆粒的運動速度：

蘇里格氣田水力壓裂所用支撐劑主要為陶粒、石英砂，粒徑在20～100目（850～150 μm），陶粒密度在2.25～2.45 g/cm3，石英砂密度為2.65 g/cm3。生產管柱主要采用60.32 mm（內徑為47.40、50.70、51.80 mm）、73.02 mm（內徑為57.40、62.00 mm）、88.90 mm（內徑為69.90、74.20、76.00、77.90 mm）3種規格，排液階段井眼流動符合過渡區（Allen區）規律。根據公式（4），一口井壓裂結束后，g、d、μ、（ρg－ρL）、D、ρL皆可視為常量C，。根據李天才等[4]的研究，支撐劑回流的流體介質臨界流速為2.918VL。由此可見，控制流體速度即可控制固體顆粒運動速度，達到控制支撐劑回流的目的。在現場操作中，驗證如下：

實例1：某1井內徑為47.40 mm的油管（外徑為60.30 mm），在加砂壓裂后排液過程中，排液速度和返排液含砂量的關系曲線如圖1所示。

圖1 某1井排液速度與含砂量的關系曲線

在某1井排液過程中，前期返排液中的支撐劑含量快速提高，中期返排液中的支撐劑含量快速降低，直至無支撐劑回流，之后排液速度加快，返排液中并無支撐劑（壓裂砂）返出（見圖1）。原因分析：開井排液時，井眼附近壓裂支撐縫未完全閉合，存在游離支撐劑，在排液過程中，游離支撐劑隨返排液回流，當支撐縫閉合至夾持住支撐劑后，加快排液速度不會造成明顯的支撐劑回流，常見于壓裂過程中出現砂堵的情況。

實例2：某2井內徑為76.00 mm、外徑為88.90 mm的油管，排液速度和返排液含砂量的關系曲線如圖2所示；某3井內徑為62.00 mm的油管（外徑為73.02 mm），排液速度和返排液含砂量的關系曲線如圖3所示。

圖2 某2井排液速度與含砂量的關系曲線

圖3 某3井排液速度與含砂量的關系曲線

某2井排液過程代表該區塊多數井情況，隨著排液速度梯級加快、頂替液即將排盡，開始出現少量支撐劑回流，持續數小時后，即使排液速度繼續加快，返排液中亦無支撐劑回流。原因分析：在水力壓裂工藝中，攜砂液注入結束后，注入頂替液，將井眼（油管內）的攜砂液擠注入地層，為保證井眼附近的裂縫（俗稱縫口）達到設計導流能力、裂縫寬度、裂縫高度，攜砂液不能全部注入地層（俗稱欠頂）。因此，井眼內及近井眼支撐縫中存在游離支撐劑回流，游離支撐劑返出后，在后續加快排液速度的過程中，無支撐劑回流屬正常現象（見圖2）；若出現支撐劑回流，對多層壓裂井而言可能屬于正常現象；對單層水力壓裂井而言，通常需要減緩排液速度，防止支撐劑回流（見圖3）。

3 支撐劑回流的基本控制對策

目前，針對蘇里格氣田中部三低氣藏水力壓裂氣井支撐劑回流，采用了以下防治支撐劑回流的基本對策。

3.1 支撐劑源頭控制

在該區域的水力壓裂中，探索了支撐劑鋪設方式：漸進式提高支撐劑濃度、階梯式提高支撐劑濃度、脈沖加砂；選擇支撐劑類型：石英砂、普通陶粒（見圖4）、高強度低密度陶粒、中強度中密度陶粒（見圖5）；試驗了纖維懸砂壓裂技術，各有利弊。其中，階梯式提高支撐劑濃度-石英砂壓裂、脈沖加砂-中強度中密度陶粒+纖維懸砂效果較好，但工藝相對復雜且成本偏高，更經濟有效的支撐劑回流壓裂防治工藝有待研究。

圖4 壓裂用石英砂及普通陶粒

圖5 壓裂用高強度低密度陶粒及中強度中密度陶粒

3.2 排液過程控制

水力壓裂氣井接入集輸管線生產前，需要排出井內及地層中的壓裂液，測試產量，部分井還需試井，取得流體性質、產層壓力、壓裂后儲層物性參數等。壓裂后排液是氣井建設的必要環節，排液過程控制應保證井眼內流體通道清潔通暢，有利于后期井下作業和天然氣產出。據前述理論，壓裂結束后，通過控制排液速度可有效控制支撐劑回流。在該區域的排液實踐中，采用了以下對策：

（1）開井時間控制：在水力壓裂氣井排液階段，需要快速建立天然氣進入井眼的通道，防止壓裂液在地層中濾失堵塞孔隙、吼道。壓裂結束后，待人工裂縫開始閉合即開井排液；儲層物性差的井裂縫閉合時間長，采用小排量開井（油嘴控制）降低井筒壓力、強制支撐縫閉合的方式，及時開井排液，防止壓裂液在儲層中濾失造成二次污染。本區域1 200多口井的壓裂后排液實踐表明：當強制裂縫閉合階段的排液速度小于4.0 m3/h時，支撐劑回流不明顯；當強制裂縫閉合階段的排液速度大于6.0 m3/h時，支撐劑回流明顯。

（2）游離支撐劑控制：該區域的水力壓裂工藝收尾階段采用“欠頂”方式，井內存在游離支撐劑，為保證井眼內流體及后期作業通道清潔通暢，采用階梯式加快排液速度的方式排液，排出游離支撐劑。

（3）富余支撐劑控制：支撐劑在人工裂縫中的堆疊方式以多層堆疊為主，受壓裂支撐縫閉合程度的影響，存在夾持不牢的支撐劑—富余支撐劑。氣井生產實踐表明，排出富余支撐劑可減少氣井生產過程中的支撐劑回流。

3.3 氣井產量控制

本區域主要采用井下節流方式生產，在生產過程中，井下節流器偶有失效情況發生。不同生產廠家、不同型號節流器的失效原因不一，主要影響因素有支撐劑回流、密封件損壞、通道堵塞等。對該區域井下節流器的失效原因進行排查，發現節流器失效井中44.9%是由支撐劑回流造成的，而支撐劑回流與“生產產量/測試產量”“生產產量/無阻流量”有相關性（見圖6～7）。統計分析結果表明：支撐劑回流造成節流器失效的氣井主要分布在“生產產量/測試產量＞0.5”或者“生產產量/無阻流量＞0.2”的區間段，即生產產量大于測試產量0.5倍或者生產產量大于無阻流量0.2倍時，出現支撐劑回流的可能性較大。

圖6 某區塊2015年支撐劑回流&生產產量/測試產量相關分析

圖7 某區塊2015年支撐劑回流&生產產量/無阻流量相關分析

4 驗證

本區域采用上述措施防止支撐劑回流后取得了較好的效果。近年來，再次對節流器失效原因進行排查發現，支撐劑回流造成的節流器失效現象明顯減少（見圖8～9）。在節流器失效井中，支撐劑回流原因占比降至6.7%，初步達到預期目的。

圖8 某區塊2021年支撐劑回流和“生產產量/測試產量”的相關性分析

圖9 某區塊2021年支撐劑回流和“生產產量/無阻流量”的相關性分析

5 結論與建議

（1）蘇里格氣田中部低壓、低滲、低豐度“三低”氣藏水力壓裂氣井支撐劑回流客觀存在，壓裂改造是提高該氣田單井產量并實現經濟開發的必要手段，在壓裂改造階段采用控砂壓裂技術可有效防止排液階段及氣井生產過程中的支撐劑回流。

（2）壓裂后排液是氣井投入生產前的關鍵環節，事關氣井后續井下作業及天然氣生產，具有“臨門一腳”的重要性。壓裂后及時開井排液可減少壓裂液在儲層中濾失造成的二次污染；在排液過程中排出游離支撐劑和富余支撐劑可有效降低天然氣生產過程中支撐劑回流的風險。

（3）氣井產量是氣田開發的重要生產參數，需要兼顧氣井產能、流體性質、采收率、安全性、經濟效益、設備設施生命周期等諸多因素。此外，三低氣藏水力壓裂氣井的產量還應考慮支撐劑回流的影響，建議確定氣井產量時，取氣井測試產量0.5倍與無阻流量0.2倍中的最小值。