稠油纖維防砂工藝技術的研究與應用

景 帥，李昌盛，付 宣，何 江，李 琪,邱 楓

1中國石化信息化管理部 2中國石化石油工程技術研究院 3西安石油大學石油工程學院 4中國石油玉門油田分公司老君廟采油廠

0 引言

地層出砂對壓裂井的影響是各大油氣田普遍關注的問題[1-3]。壓裂液返排或采油生產過程中，常出現支撐劑或地層砂返吐的現象。地層出砂會引起一系列的問題，比如侵蝕油嘴、閥門等設備，沉降至井筒掩埋射孔孔眼使油氣井無法正常生產等[4]。目前國內采用較多的纖維防砂技術，在各大油田取得了較為成功的應用[5]。但該技術目前主要應用于氣井和稀油井，在稠油方面的應用鮮有報道。

準東吉7區塊為典型疏松砂巖稠油儲層，巖石膠結強度弱，地層原油黏度較大(50～200 mPa·s)，在采油過程中極易將支撐劑和地層砂攜帶出地層，導致井筒砂埋[6-7]。纖維防砂的作用原理在于，高濃度的纖維與支撐劑通過接觸壓力和摩擦力相互作用形成結構較強的空間網狀結構，從而有效穩固支撐劑充填層[8-10]，防止地層出砂。

目前準東吉7井區大部分井生產過程中由于地層出砂，導致井筒砂埋，產量急劇降為0，且前期的樹脂砂防砂等工藝均告失敗，因此，有必要系統地分析纖維防砂工藝在稠油油藏的應用效果。本文以國內外學者普遍認同的臨界出砂流速作為防砂效果評價的技術指標[10-11]，基于實驗優化出最佳的工藝參數，并在吉7井區進行試驗，為該技術的有效推廣提供技術保障。

1 稠油纖維防砂工藝實驗研究

1.1 實驗試劑、儀器及方法

主要實驗試劑及儀器：二級羥丙基胍膠(水不溶物≤7.5%，0.4%黏度≥50 mPa·s)，有機硼交聯劑，助排劑，黏土穩定劑，羥丙基胍膠壓裂液(自制)，20～40目支撐劑(抗壓強度≥30 MPa)，BF-2防砂纖維，API支撐裂縫導流儀(FCES-100型)，電子天平(精度0.1 mg)。

實驗方法：把纖維和支撐劑均勻混合后，按實驗設計濃度10 kg/m2放入支撐劑測試儀導流室的平板間，形成3～4mm后的支撐劑充填層，然后加壓至15 MPa(吉7井區閉合壓力約為15 MPa左右)，測試纖維長度、纖維直徑、纖維濃度、流體黏度對臨界出砂速度的影響。臨界出砂速度按流出液中明顯含砂(0.1 g/50 mL)時的流體流速確定[11]。

1.2 纖維防砂效果實驗評價

1.2.1 纖維長度對臨界出砂流速的影響

采用長度為3 mm、6 mm、9 mm、12 mm，直徑為20 μm的短切纖維，纖維濃度為0.5%(纖維與支撐劑的質量比)，測試流體(胍膠壓裂液)黏度為50 mPa·s，研究纖維長度對臨界出砂流速的影響。由圖1可知，隨著纖維長度的增加，臨界出砂流速呈不斷增大的趨勢，表明纖維防砂效果逐漸增強。當纖維長度增加至6～12 mm時，臨界出砂流速增大的趨勢變緩。吉7井區一般采用?89 mm型射孔槍，射孔孔眼直徑為9～11 mm，壓裂過程中較長的纖維容易引起孔眼摩阻的增加，甚至存在堵塞炮眼的風險[12]。同時過長的纖維也更容易附著在管壁上，返排和生產時被攜帶出井口，容易造成油嘴堵塞。因此，優選最佳纖維長度為6～9 mm。

圖1 纖維長度對臨界出砂流速的影響

1.2.2 纖維直徑對臨界出砂流速的影響

采用長度為6 mm，直徑為10 μm、20 μm、30 μm、40 μm、50 μm的短切纖維，纖維濃度為0.5%，測試流體黏度為50 mPa·s，研究纖維直徑對臨界出砂流速的影響。由圖2可知，隨著纖維直徑的增加，臨界出砂流速呈逐漸下降的趨勢，當纖維直徑由30 μm增加至40 μm時，臨界出砂流速急劇下降。這主要是由于臨界出砂流速受纖維長徑比的影響較大，隨著纖維直徑的增加，纖維長徑比逐漸減小，纖維與支撐劑的纏繞作用變弱，從而引起臨界出砂流速下降[4]。因此，優選最佳纖維直徑為10～30 μm。

圖2 纖維直徑對臨界出砂流速的影響

1.2.3 纖維濃度對臨界出砂流速的影響

采用長度為6 mm，直徑為20 μm的短切纖維，纖維濃度為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%、1.1%，測試流體黏度為50 mPa·s，研究纖維濃度對臨界出砂流速的影響。由圖3可知，隨著纖維濃度的增加，臨界出砂流速呈不斷增大趨勢，當纖維濃度由0.3%增加至0.5%時，臨界出砂流速急劇增加。因此，當纖維濃度達到0.5%～1.1%時，防砂效果較好。但加入纖維會降低支撐劑充填層的導流能力[12]。如圖3所示，當纖維濃度大于0.7%時，纖維將顯著的影響支撐劑充填層的導流能力。這是由于纖維濃度較大時，高濃度的纖維對支撐劑充填層孔隙的堵塞效果越來越明顯，顯著降低支撐劑充填層的滲透率。因此，為了保證纖維防砂效果，為防止高濃度纖維對支撐劑充填層導流能力的影響，優化纖維的最佳濃度為0.5%～0.7%。

圖3 纖維濃度對臨界出砂流速及導流能力的影響

1.2.4 液體黏度對臨界出砂流速的影響

采用長度為6 mm，直徑為20 μm短切纖維，纖維濃度為0.5%、0.6%、0.7%，測試液體黏度為50 mPa·s、100 mPa·s、150 mPa·s、200 mPa·s，研究液體黏度對臨界出砂流速的影響。由圖4可知，隨著液體黏度的增加，臨界出砂流速呈不斷下降趨勢。液體黏度越大，臨界出砂流速越小。這是由于高黏度液體具有較大的黏滯性，對支撐劑充填層的剪切力及拖曳力非常大，導致剝蝕和運移砂粒的能力也越大[11]。當液體黏度為50～100 mPa·s時，0.5%～0.7%纖維的臨界出砂流速差別較小，從經濟效益考慮采用相對較低濃度的纖維(0.5%～0.6%)。當液體黏度大于100 mPa·s，0.5%纖維臨界出砂流速下降明顯，表明其防砂效果變差。因此，當液體黏度為100～200 mPa·s時，采用0.6%～0.7%濃度的纖維。

圖4 液體黏度對臨界出砂流速的影響

2 新疆油田現場應用

稠油纖維防砂工藝在新疆油田準東吉7井區獲得了成功。該區塊目的層溫度55～63℃，油層埋藏深度1 317～1 836 m，平均孔隙度19.53%，平均滲透率80.8 mD。該區塊由于儲層巖石膠結疏松，地層原油黏度較大，生產過程中，原油極易將地層砂攜帶至井筒，導致該區塊出砂十分嚴重，嚴重影響油井正常生產。X1～X6井生產一段時間后，井筒出砂0.92～1.81 m3，造成井筒砂堵，單井原油產量直接降為0。為了解決X1～X6井生產過程中出砂嚴重的問題，應用了稠油纖維防砂工藝。該工藝是指對砂堵井進行重復壓裂(先將井筒砂沖洗干凈)，在壓裂加砂階段將胍膠凍膠、支撐劑、纖維一起泵送至地層，在地層中支撐劑和纖維形成牢固的充填層，以抵抗生產過程中稠油的沖刷。目前，稠油纖維防砂工藝在該區塊進行了6口井施工(見表1)，由表1可知該類井地層原油黏度為87.5～173.1 mPa·s，采用0.5%～0.7%濃度(纖維與支撐劑的質量比)的纖維進行防砂壓裂施工，施工后所有井均未出砂，施工成功率達到100%，其中X1、X5井獲得高產，達到7.3 t/d以上。由此，稠油纖維防砂工藝在準東吉7區塊取得了良好的現場應用效果。

表1 稠油纖維防砂工藝應用效果對比

3 結論

纖維防砂工藝能有效解決稠油油藏出砂嚴重的問題，主要通過優化纖維長度、纖維直徑、纖維濃度、液體黏度實現最佳的防砂效果。

(1)增加纖維長度有助于提高防砂效果，但纖維過長容易堵塞炮眼和管線，因此優化纖維濃度為6～9 mm。

(2)隨著纖維直徑的增加，纖維長徑比不斷減小，導致纖維防砂效果逐漸變差，優化最佳纖維直徑為10～30 μm。

(3)增加纖維濃度有助于提高防砂效果，但纖維濃度過大會引起導流能力明顯下降，兼顧考慮纖維對防砂效果及導流能力的影響，優化最佳纖維濃度為0.5%～0.7%。

(4)纖維濃度的選擇應該與地層液體黏度匹配，當液體黏度為50～100 mPa·s時，采用0.5%～0.6%濃度的纖維，當液體黏度為100～200 mPa·s時，采用0.6%～0.7%濃度的纖維。