浅析压裂防砂工艺技术

摘 要：近年来，随着油气田多种工艺技术的综合运用和开采技术的发展，压裂技术已经广泛的应用于各类油藏，主要解决低渗透油藏的造新缝问题，中高渗透油层的污染、堵塞问题。但是在解决问题的同时伴随着油井压后出砂的问题，这样严重的制约油井的产能。

关键词：地层出砂 机械防砂 压裂施工 参数优化

随压裂规模的不断扩大，油井压后吐砂现象不断出现，设备腐蚀速度加快，甚至造成设备无法正常工作。当油井处于开采后期，地层亏空，油井见水时，油井吐砂将严重加剧，这时油井产能将会严重减少。特别是压裂油井，压裂出砂频繁出现，这就需要采取有效的防砂措施来控制出砂。

一、油层出砂原因分析

1.油层出砂机理

油层出砂机理较为复杂。从宏观上看油层出砂是射孔孔眼不稳定和井筒不稳定造成的；从微观上看其与岩石强度、所受外力、胶结状况、变形特征等因素有关。油井压裂后，具有高导流能力的裂缝就会在地层中形成，地层流体流入井底是由径向流动变化为沿裂缝直线流和垂直于裂缝的直线流入井底，称为双线性流动模式。流体沿着具有高导流能力裂缝的方向流动，其阻力非常小。压裂防砂目的是形成裂缝，穿透污染带并加砂，挡住砂的同时，增加泄油面积，减缓流速，减少出砂并提高油井产能。

2.油井出砂的危害

油气井出砂是石油开采遇到的重要问题。如果砂害治理，出砂会越来越重，甚至造成停产。出砂的危害主要表现在以下几个方面：（1）减产或停止作业。（2）地面和井下设备磨蚀。（3）套管损坏、油井报废（4）生产时间的损失。（5）油气井的经济和技术损失。

二、压裂防砂原理和防砂技术适用条件

1.压裂防砂原理

压裂防砂是由于裂缝的存在而形成了典型的双线性流动形式，压裂防砂是通过向油层高压泵入支撑剂，在油井近井地带造成微裂缝，将支撑剂挤入裂缝、地层亏空带，在油层中形成一定厚度的人工滤砂屏障――人工砂桥，从而依靠砂桥实现油井防砂的目的。压裂防砂由于在地层中形成微裂缝，人工砾石在裂缝中形成了高渗流通道，从而改变了油层内的渗流状态，使原来的原油向心径向流改变为流向裂缝的水平流，渗流条件得到改善，从而降低了油流的携砂能力。同时，由于高压挤入的支撑剂改变了地层砂的受力状况，使地层砂不易向井筒运移。另外，高压人工井壁能有效弥补地层亏空，在井筒一定范围内形成密实的高渗透带，可降低生产压差，减小井筒周围流体流速，缓解地层出砂。由于压裂防砂施工时携砂液排量高，流速大，还可解除近井地带堵塞，具有良好解堵增产效果。

2.压裂防砂技术主要适用条件

通过对地层出砂及压裂后出砂井的研究分析，可确定以下几个适用条件：

（1）检泵周期短，出砂特别严重的油井，其它防砂措施难以奏效的油井；

（2）层因出砂亏空严重的油井；

（3）携砂生产难以奏效的油井；

（4）地层骨架胶结疏松、地层坍塌，含砂大于 11%的油井；

（5）油井有高产史，因地层伤害导致产量大幅度下降并出砂的油井。

三、压裂防砂工艺技术的研究与应用

1.影响压裂防砂效果的因素

（1）压裂液

压裂防砂技术对压裂液提出了很高的要求，因此合理选择压裂液是保证压裂充填，提高防砂效果的关键。目前国外已开发研制出50多种压裂液，可大致分线性溶胶、硼交联压裂液、有机金属交联压裂液、磷酸脂铝交联的油基液、泡沫压裂液等多种体系。指出如果压裂液侵人量最小，那么损害的程度是次要的，甚至可以忽略。在压裂设计中优先考虑的应该是最大限度地增加裂缝导流能力，这就要求在高渗透压裂中使用具有降滤失剂和破胶剂的高浓度聚合物交联压裂液。另外，可用低粘度的水来代替压裂液，尽管高渗透软地层在施工中滤失量较大，但只要保持足够大的排量，仍能使地层造缝，突破原有近井地带堵塞并能实现端部脱砂。虽然水做携砂液降低了输砂性能，但是其大排量足以弥补悬砂性差的缺陷，当然携砂比会有所下降，使缝内的铺砂浓度及导流能力有所下降。但计算及现场对比表明，尽管大排量高压水充填比高粘液压裂稍低，但是水压裂充填裂缝内却不存在聚合物伤害，这就使较短的水充填裂缝和较长的压裂充填裂缝具有相近的产能。

（2）支撑剂

支撑剂在压裂防砂中作用重大，除了要满足常规压裂的强度要求和导流能力外，其粒度组合还要兼顾砾石充填防砂的要求。根据地层的软硬程度及出砂情况，支撑剂可以用树脂涂敷砂，也可以裂缝前用石英砂、尾追部分用涂料砂，或者全部用石英砂或强质更大的陶粒。1993年，Roodhart等，首次报道了采用树脂涂敷支撑剂实施压裂充填作业之后，在常规压裂充填技术的基础上，发展了无筛管压裂充填技术，采用树脂涂敷砂作为支撑剂，省去压裂充填时的井下筛管系统，减小了施工成本，降低了施工风险。对防砂作业，一般采用Saucier准则选择砾石/支撑剂，但基于提高产能的需要，通过室内防砂试验优选出20/40目的陶粒作为支撑剂。Fan在1999年提出支撑数的概念以及依据支撑数和无量纲裂缝导流能力的压裂充填优化设计方法，指出一般情况下最优无量纲裂缝导流能力为1.6、支撑数至少为0.0001。同时，Morales提出了一个在高渗透地层中进行压裂充填时的优化设计模型，可同时优化裂缝几何尺寸和平均支撑剂分布，优化目标为净现值。

四、压裂防砂技术存在的问题

目前采用的仍然是smite的压裂防砂技术理论分析和设计技术。在1987年提出的理论框架，存在着很多理论没有完善。总的来说，压裂充填技术目前存在的局限性和尚未解决的问题主要体现在以下4个方面：

1.虽然疏松砂岩油藏压裂防砂技术能够很好的被运用，但是对疏松砂岩油藏压裂造缝机理认识还相当模糊。并且，现场施工中的裂缝形态控制技术很大程度上影响了压裂防砂技术的应用。

2.目前压裂充填理论主要适合于裂缝局限在产层内二维扩展的特殊情况，针对裂缝在纵向上超出产层的三维扩展情况，脱砂带的分布及其物理指标尚无明确要求。如果只是在裂缝前端脱砂而不是在裂缝周边封闭性脱砂，就无法控制裂缝的正常扩展，达不到压裂充填的目的。

3.压裂充填时的裂缝扩展模型已有文献研究，但至今仍很难精确描述，其计算偏差很大。中外提出了许多硬岩层裂缝三维延伸的数学模型都能近似反映硬岩层裂缝延伸的实际，但对于软地层裂缝扩展物理过程没有尝试进行描述，压裂充填时的裂缝形态及参数仍沿用低渗透油藏的压裂理论模型，仅在其基础上作了一些修正。现场应用证明该理论与实际有较大差距。

4.压裂充填对压裂液和支撑剂的要求较高，但压裂液和支撑剂在理论上的定量和定性问题上尚是空白。压裂液在中高渗透层的滤失和伤害机理有别于低渗透层的压裂，但并没有采用不同的压裂液滤失模型描述其向地层的滤失行为，导致压裂充填优化设计参数不准确，影响了压裂充填防砂的效果。

四、结束语

压裂防砂是目前比较先进的防砂工艺技术，并已从陆上向海上油气井发展。但受其许多重要的理论问题还没有得到解决的局限，尤其是疏松砂岩油藏压裂造缝机理及裂缝形态等关键问题仍未得到圆满的解决，压裂液和支撑剂在理论上的定量和定性问题上尚是空白。这些工作的欠缺使压裂充填防砂技术的广泛应用受到了很大的限制。因此，压裂充填防砂相关理论研究工作尚待进一步拓展。

参考文献：

[1]张凤山.油气田井下作业技术发展探讨[J].中国石油石化，2003（7）

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