聚驅(qū)壓裂井出砂原因分析及防砂技術(shù)研究

1、聚驅(qū)壓裂井出砂原因分析及防砂技術(shù)研究何 利1 , 王董麗2（1.大慶油田有限責(zé)任公司 第三采油廠；2.大慶油田有限責(zé)任公司 第二采油廠）摘要：本文對聚驅(qū)注采井壓裂后的出砂和運(yùn)移原因進(jìn)行了分析研究，總結(jié)了注采井出砂和運(yùn)移的主要原因并用大量數(shù)據(jù)從理論、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場三方面，系統(tǒng)論述了目前大慶油田在出砂井的防治方面存在的不足，同時(shí)提出了根治地層出砂的主要方法。根據(jù)長期導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)，對不同比例支撐劑組合進(jìn)行了優(yōu)化，提出了尾追核桃殼和樹脂砂的最佳導(dǎo)流能力優(yōu)化組合比例，對現(xiàn)場施工具有重要指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：聚合物；壓裂；防砂；導(dǎo)流能力；樹脂砂近幾年，油田聚驅(qū)開發(fā)規(guī)模不斷擴(kuò)大。為了及時(shí)提液，保證聚合物的驅(qū)油效

2、率，注采井壓裂數(shù)量明顯增加。井壓裂后雖然采取了下防砂管、尾追核桃殼等工藝，但部分井仍出現(xiàn)了砂埋和砂卡現(xiàn)象。如何保證既防止地層裂縫出砂或運(yùn)移，又保持較高的導(dǎo)流能力，從而提高壓裂效果和措施有效期成為目前聚驅(qū)增產(chǎn)增注的主攻課題之一。本文所指的“防砂”包括防吐砂和防止支撐劑運(yùn)移兩方面。由于大慶油田的出砂井主要以壓后出砂為主，因此本文重點(diǎn)討論壓裂防砂的問題。1 注采井出砂的原因分析地層出砂沒有明顯的深度界限，一般來說，地層應(yīng)力超過地層強(qiáng)度就有可能出砂。地層應(yīng)力包括地層結(jié)構(gòu)應(yīng)力、上覆壓力、流體流動(dòng)時(shí)對地層顆粒施加的推拽力，還有地層孔隙壓力和生產(chǎn)壓差形成的作用力。地層強(qiáng)度決定于地層膠結(jié)物的膠結(jié)力、圈閉內(nèi)流體

3、的粘著力、地層顆粒之間的摩擦力以及地層顆粒本身的重力。因此油層出砂的原因主要有兩種，一是先天性原因、二是開發(fā)因素造成的。在油田開發(fā)過程中，諸多開發(fā)因素會(huì)造成油水井出砂。如不恰當(dāng)?shù)拈_采速度以及采油速度的突然變化，落后的開采技術(shù)（包括不合理的完井參數(shù)和工藝技術(shù)），低質(zhì)量和頻繁的修井作業(yè)，設(shè)計(jì)不良的酸化作業(yè)和不科學(xué)的生產(chǎn)管理等造成油井出砂，這些都應(yīng)盡可能避免。1.1 理論分析注聚初期，注入井壓裂未采用防砂工藝，壓裂有效期較短，說明裂縫可能在短時(shí)間內(nèi)閉合。根據(jù)布辛斯克方程可推導(dǎo)出地層中單一裂縫的體積流量：3baPQ=12uL式中：P裂縫兩端的壓差,MPa；Q通過裂縫的體積流量，m3；液體粘度，mPa

4、s；L裂縫延伸長度，m；a地層斷面上的裂縫長度，m；b地層斷面上的裂縫寬度，m。那么，注入相同體積的聚合物溶液和水時(shí)，裂縫兩端的壓差之比為：P聚P水=uu聚水作者簡介：何利（1974-）女，工程師，從事聚合物驅(qū)采油管理工作。水的粘度取1.14 mPas，1000ppm聚合物溶液最小粘度值是40mPas，可計(jì)算出：PP聚水=u聚u水=40=351.14以上計(jì)算說明：在相同注入量下，注聚過程中聚合物溶液對裂縫中石英砂的推力是注水過程中對裂縫中石英砂推力的35倍。所以，注聚井壓裂有效期短可以這樣理解：聚驅(qū)開發(fā)后，注入壓力逐漸上升，接近破裂壓力。由于聚合物溶液中團(tuán)塊的作用，將導(dǎo)致井下的注入壓力瞬間超破

5、裂壓力，此時(shí)壓裂的裂縫就會(huì)張開。同時(shí)具有高攜砂能力的聚合物溶液將把裂縫中的支撐劑向地層深處推動(dòng)，使井筒附近的裂縫閉合。壓裂時(shí)替擠液的粘度是3340 mPa s，而1000ppm聚合物溶液的粘度是4050mPa s，由于聚合物溶液的粘度比較大，相應(yīng)對裂縫內(nèi)石英砂產(chǎn)生比較大的推力，注聚過程相當(dāng)于替擠過程的繼續(xù)，裂縫口附近的石英砂被聚合物溶液替入裂縫內(nèi)部，裂縫口因缺少支撐劑而過早閉合，沒有支撐劑的裂縫與未壓裂的地層滲透率相近，造成注聚井壓裂有效期短。1.2 室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)第三采油廠與大慶石油學(xué)院合作，開展了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)的目的是研究水驅(qū)和聚驅(qū)條件下壓裂砂在人造楔形縫隙中運(yùn)移量的大小及影響因素，可

6、進(jìn)一步證明支撐劑在聚驅(qū)條件下發(fā)生運(yùn)移現(xiàn)象的存在。共設(shè)計(jì)了5個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，研究不同驅(qū)替條件下模型出口流出的砂量。（1）裂縫中填充石英砂，用清水驅(qū)替；（2）裂縫中填充石英砂，用聚合物溶液驅(qū)替；（3）裂縫中填充樹脂砂，用聚合物溶液驅(qū)替；（4）裂縫中填充石英砂和一定比例的碳纖維，用聚合物溶液驅(qū)替；（5）裂縫中填充核桃殼，用聚合物溶液驅(qū)替。1.3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別用(1、3、5、7、9)ml/min的排量各驅(qū)替30min，模型出口流出的砂量和模型兩端的壓降如表1、2所示。由表中數(shù)據(jù)分析看出：（1）石英砂在水驅(qū)條件下砂粒無運(yùn)移，而聚驅(qū)條件下發(fā)生砂粒運(yùn)移。分析認(rèn)為是由于聚合物溶液的粘度高，通過楔形縫時(shí)對砂粒產(chǎn)

7、生推力比水驅(qū)時(shí)大而導(dǎo)致。（2）以上5種壓裂砂中，只有用聚合物溶液驅(qū)替石英砂時(shí)模型出口端有砂粒流出。當(dāng)排量為1ml/min時(shí)，有微量的砂粒流出。此時(shí)模型兩端的壓降為0.042MPa。當(dāng)排量增加到3ml/min時(shí)，流出的砂量最多，為13.504g。各排量下累積流出的砂量分別為0.167 g、13.621 g、16.437 g、18.42 g、19.218g，隨排量的增加，累積流出的砂量逐漸增加。（3）核桃殼和石英砂中加入一定比例的碳纖維耐聚驅(qū)沖刷的能力大于石英砂。樹脂砂在聚驅(qū)過程中兩端的壓降最小。表1 不同介質(zhì)不同排量下模型出口流出的砂量（g）石英砂水驅(qū) 0 0 0 0 0石英砂聚驅(qū) 0.167

8、13.504 2.816 1.987 0.794樹脂砂聚驅(qū)石英砂+碳纖維聚驅(qū)核桃殼聚驅(qū) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0表2 不同介質(zhì)不同排量下模型兩端的壓力降(MPa )石英砂聚驅(qū) 0.042 0.024 0.027 0.038 0.0461樹脂砂聚驅(qū) 0.057 0.072 0.075 0.086 0.092石英砂+碳纖維聚驅(qū) 0.038 0.119 0.438 0.455 0.682核桃殼聚驅(qū) 0.040 0.073 0.161 0.254 0.3792 防砂技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究大慶油田出砂井主要以壓裂后出砂為主，以往壓裂井防砂工藝主要是根據(jù)壓后預(yù)測產(chǎn)能在泵下加不同數(shù)

9、量防砂管，如粉末冶金防砂管、陶瓷防砂管、不銹鋼濾網(wǎng)防砂管、割縫防砂管和板網(wǎng)防砂管等，或直接下入防砂泵。上述防砂技術(shù)，對于水驅(qū)壓后出砂不嚴(yán)重的井較適應(yīng)，但不能滿足聚驅(qū)井的防砂要求，綜前所述，在聚驅(qū)過程中支撐劑運(yùn)移、吐砂現(xiàn)象較嚴(yán)重，因此選擇支撐劑種類、優(yōu)化支撐劑與石英砂的組合方式就顯得十分必要。同時(shí)組合支撐劑的長期導(dǎo)流能力與壓裂措施的有效期也有著直接的關(guān)系。因此開展了薩北開發(fā)區(qū)北三西聚驅(qū)長期導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)包括兩個(gè)方面，單一支撐劑實(shí)驗(yàn)和兩種支撐劑組合實(shí)驗(yàn)。2.1 實(shí)驗(yàn)方案表3 單一支撐劑實(shí)驗(yàn)方案編號123 名稱 石英砂 樹脂砂 核桃殼 性質(zhì) 溫度/ 閉合壓力/MPa 長期 45 10 20 30

10、 40 長期 45 10 20 30 40 長期 45 10 20 30 40表4 兩種支撐劑組合實(shí)驗(yàn)方案編號456789 組 合 石英砂（90）樹脂砂（10） 石英砂（85）樹脂砂（15） 石英砂（80）樹脂砂（20） 石英砂（90）核桃殼（10） 石英砂（85）核桃殼（15） 石英砂（80）核桃殼（20） 性質(zhì) 溫度/ 閉合壓力/MPa 長期 45 10 20 30 40 長期 45 10 20 30 40 長期 45 10 20 30 40 長期 45 10 20 30 40 長期 45 10 20 30 40 長期 45 10 20 30 402.2 實(shí)驗(yàn)條件本實(shí)驗(yàn)結(jié)合大慶薩北開發(fā)區(qū)北

11、三西聚合物驅(qū)的油藏條件開展，為了充分模擬地層條件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)儀器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。聚合物性能：分子量?2001600萬；配制濃度：1000mg/L；粘度：40mPa s。實(shí)驗(yàn)要求：實(shí)驗(yàn)溫度45；實(shí)驗(yàn)流體蒸餾水或2KCl鹽水；流體速度25ml/min。支撐劑對裂縫起著支撐作用，聚合物均勻分布在支撐劑顆粒空隙中，由于聚合物的存在，支撐裂縫的導(dǎo)流能力必然受到影響。實(shí)驗(yàn)流體通過支撐劑時(shí)，導(dǎo)流儀將自動(dòng)計(jì)算出充填裂縫的導(dǎo)流能力。在實(shí)驗(yàn)過程中，既要考慮采出井壓裂，又要考慮注入井壓裂，因此，針對不同的壓裂井建立不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停▓D1）根據(jù)達(dá)西公式，某一時(shí)刻裂縫內(nèi)滲透率可以表示為：K=(K1×

12、L1+K2×L2)/(L1+L2)式中：K1支撐劑1的滲透率，m2；K2支撐劑2的滲透率，m2；L1支撐劑1在導(dǎo)流室中所占的長度，m；L2支撐劑2在導(dǎo)流室中所占的長度，m。導(dǎo)流能力是裂縫縫寬與充填裂縫滲透率的乘積，在實(shí)驗(yàn)過程中，某個(gè)時(shí)刻的導(dǎo)流能力為此時(shí)的縫寬與滲透率乘積。由于實(shí)驗(yàn)使用相同的實(shí)驗(yàn)流體，因此，在閉和壓力相同情況下，改變實(shí)驗(yàn)流體的流通方向，縫內(nèi)的滲透率是不變的，縫寬也是不變的，因而導(dǎo)流能力也是不變的。所以在下面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，將不把注采井分開來，而是按照采出井模型來介紹。2.3 單一支撐劑長期導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果由圖1可見，在閉合壓力較低情況下，石英砂導(dǎo)流能力最大，樹脂砂其次，核

13、桃殼最小。隨著閉合壓力加大，石英砂和核桃殼導(dǎo)流能力下降迅速，樹脂砂導(dǎo)流能力相對較大，能夠長時(shí)間維持較高導(dǎo)流能力。其中“核桃殼”為核桃殼與石英砂1：1的比例組合。石英砂具有較好的導(dǎo)流能力，但是不能使用在高閉合壓力下。樹脂砂就是在石英砂表面覆蓋一層樹脂薄膜，有利于膠結(jié)和防砂。支撐劑導(dǎo)流能力不斷下降主要是由于支撐劑逐步被壓實(shí)，顆粒趨于穩(wěn)定，運(yùn)移減少，同時(shí)部分顆粒破碎，都能導(dǎo)致導(dǎo)流能力下降。在45下，樹脂砂膠結(jié)在一起，比較堅(jiān)固，能夠承受較大的閉合壓力，同時(shí)，由于樹脂砂外層的薄膜將石英砂顆粒包裹住，破碎后的石英砂碎屑不會(huì)被運(yùn)移，減少了孔隙通道被堵塞的程度。因此，隨著閉合壓力的增大，樹脂砂能維持較高的導(dǎo)流

14、能力，要比石英砂導(dǎo)流能力大，維持的時(shí)間也要長。2.4 石英砂尾隨核桃殼組合實(shí)驗(yàn)結(jié)果在核桃殼所占比例低于15時(shí)，導(dǎo)流能力隨著核桃殼比例的增加而增加，但其比例超過15后，導(dǎo)流能力反而下降。這就說明，石英砂尾隨核桃殼組合中，核桃殼的比例不宜超15，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來分析，2#（石英砂：核桃殼85：15）組合為最佳組合，可以得到最大的導(dǎo)流能力。（1）核桃殼防砂機(jī)理：本組實(shí)驗(yàn)為不同比例的石英砂尾隨核桃殼組合，核桃殼處在縫口的位置，有利于提高縫口的導(dǎo)流能力。核桃殼提高導(dǎo)流能力的機(jī)理主要體現(xiàn)在兩方面：一是核桃殼在閉合壓力不高的情況下，能夠提供一個(gè)較高滲透率的油氣通道，其次是核桃殼可以嵌入到巖石中，將核桃殼尾隨在石

15、英砂后面，可以防止石英砂運(yùn)移到井筒中，從而保證了裂縫近井筒處于張開狀態(tài)，提高了縫口的導(dǎo)流能力。（2）適應(yīng)范圍：石英砂尾隨核桃殼只適合于不太高閉合壓力地層，如果閉合壓力過大，導(dǎo)流能力迅速下降，將影響壓裂后油井增產(chǎn)，導(dǎo)致壓裂效果不明顯。建議用在閉合壓力不超過30MPa的油水井壓裂中。（3）最佳比例：核桃殼的尾隨有一個(gè)最佳比例的問題，一方面，核桃殼占的比例過小，不利于防砂，縫寬減小，導(dǎo)致壓裂后裂縫導(dǎo)流能力不能長時(shí)間維持在高水平；另一方面，如果核桃殼所占比例過大，經(jīng)歷較長時(shí)間后，核桃殼的導(dǎo)流能力迅速下降，導(dǎo)致整個(gè)裂縫內(nèi)導(dǎo)流能力下降，不能維持在較高水平。通過實(shí)驗(yàn)表明，石英砂尾隨核桃殼的最佳比例組合為石英

16、砂占85左右，核桃殼占15左右，這樣可以獲得較高的導(dǎo)流能力。但經(jīng)濟(jì)上不允許。2.5 石英砂尾隨樹脂砂組合實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)由石英砂尾隨樹脂砂，分別按照三種體積比例進(jìn)行組合。樹脂砂占的比例越大，導(dǎo)流能力相對要大，而且下降的速度要慢，表明要獲得較高的導(dǎo)流能力，可以在經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)適當(dāng)增加樹脂砂的比例。由于樹脂砂處于縫口位置，可以保證井筒附近導(dǎo)流能力較大，這樣有利于油氣流入井筒中,從而改善注采狀況。石英砂尾隨樹脂砂只適合于不太高閉合壓力地層（不超過30MPa），如果閉合壓力過大，導(dǎo)流能力迅速下降，將影響壓裂后油井增產(chǎn)，導(dǎo)致壓裂效果不明顯。32.6 石英砂尾隨核桃殼與尾隨樹脂砂對比通過上述分析，我們對石英砂尾隨

17、核桃殼、石英砂尾隨樹脂砂的導(dǎo)流能力有了較為全面的了解，下面將對這兩種不同的尾隨進(jìn)行比較。取兩者的最優(yōu)組合進(jìn)行比較，石英砂尾隨核桃殼的比例為85%:15%，石英砂尾隨樹脂砂的比例為80%:20%。在30MPa的閉合壓力作用下，短時(shí)間內(nèi)石英砂尾隨樹脂砂的導(dǎo)流能力明顯要比石英砂尾隨核桃殼的導(dǎo)流能力要大，但隨著時(shí)間的推移，兩者很快變得比較接近?？梢詮慕?jīng)濟(jì)的角度來決定使用何種支撐劑組合。在40MPa閉合壓力下，石英砂尾隨樹脂砂（80：20%）組合導(dǎo)流能力要比石英砂尾隨核桃殼的導(dǎo)流能力大，并且能常時(shí)間維持較大的導(dǎo)流能力。因此在40MPa的閉合壓力下，應(yīng)該使用石英砂尾隨樹脂砂（80：20%），這樣將獲得較理

18、想的導(dǎo)流能力。 2.7 不同支撐劑組合比例吐砂比例對比根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中吐砂的數(shù)量，分析比較了不同支撐劑組合比例的吐砂情況，對考察不同組合的防砂功能具有一定的意義。表5 不同支撐劑組合吐砂比例對比編號 1 2 3 4 5 6 7組 合導(dǎo)流室總砂量/g吐砂/g吐砂百分比/石英砂 64.5 8.22 12.74石英砂（90）核桃殼（10） 64.5 3.59 5.57 石英砂（85）核桃殼（15） 64.5 2.55 3.95 石英砂（80）核桃殼（20） 64.5 2.41 3.74 石英砂（90）樹脂砂（10） 64.5 0.62 0.96 石英砂（85）樹脂砂（15） 64.5 0.07 0.1

19、1 石英砂（80）樹脂砂（20） 64.5 0 0.00從表5可以看出，隨著核桃殼或者樹脂砂所占比例的增加，防砂能力逐步增強(qiáng)，相同比例的支撐劑組合，尾隨樹脂砂的組合防砂能力要強(qiáng)些。3 現(xiàn)場試驗(yàn)效果現(xiàn)場進(jìn)行了9口井不同體積比的尾追樹脂砂壓裂試驗(yàn)。對比施工后注入壓力平均下降3.0MPa，平均有效期為9.9個(gè)月，其中已失效井平均有效期為9.8個(gè)月，仍有效井平均有效期10個(gè)月（表6），措施有效率為100%。對比尾追樹脂砂不同體積比可見，隨著體積比的增加，初期的壓降效果更加明顯，有效期進(jìn)一步延長。前3口井的初期壓降為2.33MPa，而4-9號井的初期壓降為3.4MPa，有效期也相對較長。說明在成本允許的

20、情況下增加尾追樹脂砂體積比，措施效果更加明顯，這與室內(nèi)模擬結(jié)果完全吻合。與常規(guī)聚驅(qū)注入井壓裂的有效期對比可見，2002年以前實(shí)施的常規(guī)壓裂井平均有效期為101d，其中2002年實(shí)施的5口井平均有效期為185d，與樹脂砂壓裂的300d相比效果明顯較差。表6 注聚井樹脂砂壓裂效果統(tǒng)計(jì)表序號井 號滲透率 /m2尾追 樹脂砂 體積比/%施工前 油壓 /MPa溶液/m3施工后初期 油壓 /MPa溶液 /m3初期對比 降壓 /MPa增注 /m3目前水平 油壓 /MPa 13.5 14.0日注 /m3累計(jì) 增注 /m3有效期/月1 3-5-P32 0.880 11.5 12.1 101 9.2 99 -2.

21、9 -2 2 3-J4-P47 0.898 9.1 14.7 124 12.4 99 -2.3 -25 3 2-J4-P24 0.421 11.5 14.0 215 12.2 219 -1.8 4 4 3-5-SP36 0.636 18.1 14.5 76 13.3 76 -1.2 0 5 3-4-P42 0.697 18.1 15.0 157 8.9 142 -6.1 -15 6 3-J3-P39 0.924 18.1 14.5 81 10.8 81 -3.7 09750 107500 106750 10 7612520 >1610800 9 100 70 42 7313100 >

22、;16 5110 >6 5750 >6 5380 >67 2-6-P73 0.258 22.8 13.8 53 11.7 70 -2.1 17 13.7 8 2-6-P71 0.421 22.8 14.5 0 10.7 36 -3.8 36 11.2 9 1-J1-P71 0.315 22.8 14.6 0 11.3 68 -3.3 68 14.2平 均 0.606 17.2 14.2 90 11.2 99 -3.0 98517 9.9現(xiàn)場開展了2口采出井壓后尾追樹脂砂試驗(yàn)，措施初期日增液103m3、日增油29t。有效期待觀察（表7）。4表7 采出井樹脂砂壓裂現(xiàn)場試驗(yàn)效果統(tǒng)計(jì)表序號井 號滲透率 /m2施工前樹脂砂體積比/%日產(chǎn)液 /m3日產(chǎn)油/t施工后初期 日產(chǎn)液 /m3日產(chǎn)油/t初期對比 日產(chǎn)液 /m3日產(chǎn)油 /t目前水平 日產(chǎn)液 /m3日產(chǎn)油/t有效期/月1 3-J4-P48 0.777 24.1 114 8 201 36 87