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(qū)，構(gòu)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(chǎn)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(zhì)性強。目前，在完鉆井中，有自然產(chǎn)能者甚少，需要采取儲層改造措施，方能獲得工業(yè)產(chǎn)能。水力壓裂是提高氣井產(chǎn)量并實現(xiàn)經(jīng)濟開發(fā)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(xù)支撐流體通道，維持導(dǎo)流能力。支撐劑主要采用陶粒、石英砂等。生產(chǎn)情況表明，水力壓裂氣井壓后排液及生產(chǎn)過程中存在支撐劑（壓裂砂）回流現(xiàn)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(chǎn)控產(chǎn)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(qū)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(chǎn)中主要有以下危害：

（1）掩埋產(chǎn)層，導(dǎo)致氣井產(chǎn)量降低甚至無產(chǎn)量[3]；

（2）降低人工裂縫導(dǎo)流能力，影響氣井產(chǎn)量[4]；

（3）破壞地面采輸氣流程，造成經(jīng)濟損失，埋下安全環(huán)保隱患。

2 支撐劑回流的原因

根據(jù)顆粒動力學(xué)理論，設(shè)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(zhì)中，該體系參照氣井井眼環(huán)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(zhì)密度；CD為阻力系數(shù)。其中，阻力系數(shù)CD是雷諾數(shù)（Reynolds number，Re）的函數(shù)，而Re是一種可用來表征流體流動情況的無量綱數(shù)[5]。

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

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

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

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

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

當(dāng)Re＞2×105時，為高度湍流區(qū)，CD=0.1。這一狀態(tài)在工業(yè)中較少遇到。高湍流區(qū)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(chǎn)管柱主要采用60.32 mm（內(nèi)徑為47.40、50.70、51.80 mm）、73.02 mm（內(nèi)徑為57.40、62.00 mm）、88.90 mm（內(nèi)徑為69.90、74.20、76.00、77.90 mm）3種規(guī)格，排液階段井眼流動符合過渡區(qū)（Allen區(qū)）規(guī)律。根據(jù)公式（4），一口井壓裂結(jié)束后，g、d、μ、（ρg－ρL）、D、ρL皆可視為常量C，。根據(jù)李天才等[4]的研究，支撐劑回流的流體介質(zhì)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(xiàn)場操作中，驗證如下：

實例1：某1井內(nèi)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(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 某1井排液速度與含砂量的關(guān)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(dāng)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(xiàn)砂堵的情況。

實例2：某2井內(nèi)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(guān)系曲線如圖2所示；某3井內(nèi)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(guān)系曲線如圖3所示。

圖2 某2井排液速度與含砂量的關(guān)系曲線

圖3 某3井排液速度與含砂量的關(guān)系曲線

某2井排液過程代表該區(qū)塊多數(shù)井情況，隨著排液速度梯級加快、頂替液即將排盡，開始出現(xiàn)少量支撐劑回流，持續(xù)數(shù)小時后，即使排液速度繼續(xù)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(jié)束后，注入頂替液，將井眼（油管內(nèi)）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(shè)計導(dǎo)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(nèi)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(xù)加快排液速度的過程中，無支撐劑回流屬正常現(xiàn)象（見圖2）；若出現(xiàn)支撐劑回流，對多層壓裂井而言可能屬于正?，F(xiàn)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(qū)域的水力壓裂中，探索了支撐劑鋪設(shè)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(shù)，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(fù)雜且成本偏高，更經(jīng)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(chǎn)前，需要排出井內(nèi)及地層中的壓裂液，測試產(chǎn)量，部分井還需試井，取得流體性質(zhì)、產(chǎn)層壓力、壓裂后儲層物性參數(shù)等。壓裂后排液是氣井建設(shè)的必要環(huán)節(jié)，排液過程控制應(yīng)保證井眼內(nèi)流體通道清潔通暢，有利于后期井下作業(yè)和天然氣產(chǎn)出。據(jù)前述理論，壓裂結(jié)束后，通過控制排液速度可有效控制支撐劑回流。在該區(qū)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(jié)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(qū)域1 200多口井的壓裂后排液實踐表明：當(dāng)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(dāng)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(qū)域的水力壓裂工藝收尾階段采用“欠頂”方式，井內(nèi)存在游離支撐劑，為保證井眼內(nèi)流體及后期作業(yè)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(chǎn)實踐表明，排出富余支撐劑可減少氣井生產(chǎn)過程中的支撐劑回流。

3.3 氣井產(chǎn)量控制

本區(qū)域主要采用井下節(jié)流方式生產(chǎn)，在生產(chǎn)過程中，井下節(jié)流器偶有失效情況發(fā)生。不同生產(chǎn)廠家、不同型號節(jié)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(qū)域井下節(jié)流器的失效原因進行排查，發(fā)現(xiàn)節(jié)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(chǎn)產(chǎn)量/測試產(chǎn)量”“生產(chǎn)產(chǎn)量/無阻流量”有相關(guān)性（見圖6～7）。統(tǒng)計分析結(jié)果表明：支撐劑回流造成節(jié)流器失效的氣井主要分布在“生產(chǎn)產(chǎn)量/測試產(chǎn)量＞0.5”或者“生產(chǎn)產(chǎn)量/無阻流量＞0.2”的區(qū)間段，即生產(chǎn)產(chǎn)量大于測試產(chǎn)量0.5倍或者生產(chǎn)產(chǎn)量大于無阻流量0.2倍時，出現(xiàn)支撐劑回流的可能性較大。

圖6 某區(qū)塊2015年支撐劑回流&生產(chǎn)產(chǎn)量/測試產(chǎn)量相關(guān)分析

圖7 某區(qū)塊2015年支撐劑回流&生產(chǎn)產(chǎn)量/無阻流量相關(guān)分析

4 驗證

本區(qū)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(jié)流器失效原因進行排查發(fā)現(xiàn)，支撐劑回流造成的節(jié)流器失效現(xiàn)象明顯減少（見圖8～9）。在節(jié)流器失效井中，支撐劑回流原因占比降至6.7%，初步達到預(yù)期目的。

圖8 某區(qū)塊2021年支撐劑回流和“生產(chǎn)產(chǎn)量/測試產(chǎn)量”的相關(guān)性分析

圖9 某區(qū)塊2021年支撐劑回流和“生產(chǎn)產(chǎn)量/無阻流量”的相關(guān)性分析

5 結(jié)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(chǎn)量并實現(xiàn)經(jīng)濟開發(fā)的必要手段，在壓裂改造階段采用控砂壓裂技術(shù)可有效防止排液階段及氣井生產(chǎn)過程中的支撐劑回流。

（2）壓裂后排液是氣井投入生產(chǎn)前的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，事關(guān)氣井后續(xù)井下作業(yè)及天然氣生產(chǎn)，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(chǎn)過程中支撐劑回流的風(fēng)險。

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