压裂封口防砂技术调研报告

1、压裂封口防砂技术调研压裂气井在返排过程中和生产过程中，有两种情况可能导致出砂：裂缝还未完全闭合或裂缝中只部分填充了支撑剂，还留有部分流动的余地。如果有部分支撑剂未能被裂缝壁夹住, 还自由地悬浮着。液体的回流可能将这些支撑剂带回井筒。如果液体还维持有足够的黏度，裂缝还未闭合时就开始返排，就可能出砂。从压裂角度出砂分析：（1）煤层的杨氏模量较常规砂岩小，易形成较宽的水力裂缝，而煤层的闭合压力一般较低，这些特性造成煤层压后支撑剂回流严重（2）关井时间过短，未破胶的高粘度液体，易携支撑剂返排。为了加速返排，通常采用液氮拌注增能压裂、泡沫压裂液作业，提高压后返排速度，但此类方法增加了流体动能，使得支撑剂

2、容易返吐，一定程度上限制了返排速度的进一步提高。同时破坏了压裂施工原有的人工裂缝的铺砂剖面。针对上述问题对大粒径、纤维、覆膜砂尾追技术进行了调研。1. 大粒径尾追压裂技术 1.1 定义在一次压裂施工中按一定次序添加多种尺度的支撑剂, 分别利用不同尺度支撑剂的各自特性, 在裂缝端部或空间狭窄的区域添加小粒径支撑剂, 在缝口或造缝质量良好的区域添加大粒径支撑剂, 保障施工成功、防止支撑剂返吐、提高裂缝质量, 使裂缝导流能力达到最佳。1.2 作用原理（借鉴压裂防砂原理）流体对颗粒的冲刷与携带能力主要取决于其流速，流速越大，对地层的冲刷作用越厉害，出砂就越严重。大粒径支撑剂的支撑孔隙要高于小粒径支撑剂

3、的支撑孔隙，使井筒附近流体流速降低，从而降低了对小颗粒的冲刷和携带作用，大大减轻出砂程度。1.3 支撑剂分类支撑剂类别主要作用粉砂既是降滤剂，又可阻挡部分煤粉回流细砂对煤粉起过滤作用中砂支撑裂缝，增加裂缝导流能力粗砂增大缝口导流能力，还可减少支撑剂回流1.4 施工难点由于一般采用低黏压裂液，沉砂剖面上的动态平衡高度较小，上边的流速快。因此，常规尾追大粒径支撑剂的方法很难在近井筒处实现(见下图)。此时应该采用变排量方法，降低沉砂高度，增大砂堤上的过流端呵高度，才能使后续加入的大粒径支撑剂按预期那样堆积在征井筒处。2. 尾追纤维压裂防砂技术2.1 纤维压裂工艺定义将拌有纤维的携砂液注入裂缝后，通过

4、纤维缠绕来包裹支撑剂颗粒，压裂施工结束而裂缝闭合时,裂缝中的支撑剂因承受侧限压力，颗粒间以接触的形式相互作用而达到力学平衡，从而达到防砂的工艺。纤维压裂可以分为：尾追纤维压裂和全程纤维网络压裂。2.2作用机理返排压裂液时,流体流动的冲刷使平衡受到破坏，支撑剂颗粒发生塑性剪切形变,形成一系列的砂拱结构,使一盘散砂包裹成了一个个整体。排液过程中砂拱剪切变形引起纤维的变形,纤维轴向力分解为切向、法向两部分,切向分量直接抵抗砂拱剪切变形,法向分量增加侧限压力，进而增大支撑剂间的摩擦力，间接抵抗砂拱剪切变形，从而提高砂拱的稳定性和压裂液的临界返排速度,有效防止支撑剂的返出。作用原理如图1所示： 图 纤维

5、防砂作用原理2.3 纤维压裂优点A 纤维的作用产生超强的悬浮携砂能力和支撑剂固定能力；B 受地层流体、地层温度、闭合压力和关井时间的影响较小；C 与压裂液的配伍性良好；D 可在压后直接开井返排，实现快速、高效排液，降低地层伤害。2.4 纤维的分类陶瓷纤维、金属纤维、碳纤维、石棉纤维、有机聚合纤维、无机玻璃纤维、热固树脂纤维等。2.5 尾追纤维控砂实验及应用调研根据纤维控砂返出机理, 在加砂后期阶段尾追纤维可以有效控制砂在排液过程中或输气初期返出。为此, 开展了纤维控砂实验研究, 实验结果下表：表 支撑剂在不同压裂液粘度和闭合压力下的临界流速（ml/min）表 纤维（PPT）+支撑剂的临界出砂流

6、速（ml/min）注意：基液粘度18Pa*s在不加纤维的情况下, 支撑剂流动的压裂液临界(最小)流速与压裂液的粘度和裂缝闭合压力有关: 压裂液粘度越大, 支撑剂流动需要的临界流速越小, 支撑剂越容易返出; 在压裂液粘度一定的情况下, 裂缝闭合压力越大, 支撑剂流动需要的临界流速越大, 支撑剂越不容易返出。当裂缝闭合压力为1MPa时, 压裂液粘度从50 MPa*s下降到5MPa*s时, 支撑剂流动需要的临界流速从(3 4) ml/m in增加到(380 400) ml/m in, 可见, 压裂液粘度降9倍, 支撑剂流动需要的临界流速则增加近40倍;当压裂液粘度为5MPa*s时, 裂缝闭合压力从(

7、0.1-0.2) MPa增加到1MPa时, 支撑剂流动需要的临界流速从(17 190) ml/m in增加到( 380 400 )ml/m in, 可见, 裂缝闭合压力只增加0.8MPa, 而支撑剂流动需要的临界速度增加了1倍以上。表明在压裂液未破胶或未完全破胶的情况下, 支撑剂最容易返出; 裂缝闭合压力增大, 有助于增强裂缝对支撑剂的夹持作用, 降低支撑剂返出几率。实际上川西侏罗系气藏垂直井深一般在2400m以内, 裂缝闭合压力远大于实验条件下的闭合压力, 因此, 实际上压后支撑剂返出量并不很大, 但因压裂液高速流动的磨蚀作用很强, 所以其危害性很大。根据在支撑剂中加入纤维后的实验结果(表3

8、) , 在裂缝闭合压力为1MPa 和压裂液粘度为18MPa*s的条件下, 未加纤维时, 陶粒流动需要的临界流速只有5m l/m in。当加入0.9% 的纤维后, 陶粒流动需要的临界流速大于200ml/min, 可见, 加入纤维后, 压裂液临界流速增加了40倍以上。表明在加砂后期阶段, 将纤维与陶粒混合后注入裂缝对支撑剂具有很强的固定作用, 能有效控制支撑剂的返出, 进而消除支撑剂返出带来的诸多危害。根据CX483 井上层和下层加砂压裂的现场对比试验, 该井上层在加砂后期尾追纤维70kg,入地压裂液量411.4方, 入地砂量50.5方, 压后获天然气产量7.6332*104方 /d; 下层压裂没

9、有加入纤维, 入地压裂液量304.4方, 入地砂量22方, 压后获天然气产量1.0292*104方 /d。压后上层以最高速度排液的时间为10h, 压裂液返排率达85.8%( 353方 ) 时的排液总时间为30h, 平均排液速度11.8方 /h, 返排过程中未出砂; 而未加入纤维的下层以最高速度排液的时间为18h, 压裂液返排率达80.6% ( 245方 )时的排液总时间约40h, 平均排液速度6.1方 /h, 返排中出砂0.3方。可见, CX483 井上层以最高速度排液的时间比未加纤维的下层提前了8h, 上层平均排液速度是下层的2倍左右, 总排液时间上层比下层缩短了10h, 且上层没有支撑剂返

10、出,而下层却有支撑剂返出现象。正是因为上层尾追纤维后提高了排液速度, 缩短了排液时间和压裂液与地层的接触时间, 降低了储层伤害, 所以尾追纤维的上层获得了7.6倍于下层的天然气产量。图 尾追纤维压裂与常规压裂的压后排液速率对比图在大量实验研究基础上, 先后对川西气田数口井(层)成功进行了尾追纤维加砂压裂施工, 取得了显著效果(表4)。采用尾追纤维技术后, 绝大多数井都没有支撑剂的返出现象, 并缩短了排液时间、降低了储层伤害, 显著提高了裂缝导流能力, 获得了压后显著的增产效果。在川西气田采用尾追纤维技术压裂了32个气层, 压后获天然气总无阻流量260.44 . 104方 /d, 平均单层获无阻

11、流量8.14 *104方 /d。经标准化递减方程估算, 其中的CX483井JS22 采用尾追纤维技术压裂后, 稳产期长达9年零5个月, 实际可累计产气6989 *104方, 按无阻流量的25% 配产, 理论上可累计产气20791*104方, 实际产气量占理论产气量的32.65%。同井场同层位的CX483- 1井采用常规加砂技术施工后, 获天然气无阻流量21.9*104方 /d,按相同方法估算的稳产期为6年零1个月, 可实际累计产气3980.5*104方, 比CX483 井同层少产气3008.5*104方。表明尾追纤维技术不仅能有效控制川西气井压后出砂和消除其危害, 还能降低储层伤害而显著提高油

12、气井增产稳产效果和采收率。表 尾追纤维技术在川西气井压裂中控砂返出及增产效果统计表综上可见, 采用尾追纤维技术后, 不仅能有效地控制支撑剂的返出, 还能显著地提高压裂液的返排速度, 缩短总排液时间, 减少压裂液与地层的接触时间, 进而降低压裂液对储层的伤害, 提高支撑裂缝的导流能力和压后天然气的增产效果。因此, 尾追纤维技术不仅能有效控制砂的返出以消除其危害, 还能有效降低储层伤害和提高油气增产效果。2.6 全程纤维网络压裂实验与应用调研川西高压高产气井约有50%的井（层）存在不同程度的出砂，出砂量一般在1方左右，个别井的出砂量达到了2-4方以上。据采输部门反应，部分压裂井在采气生产过程中也存

13、在支撑剂回流的现象，尤其在投产初期发生的频率最大。排液测试过程中支撑剂回流，刺坏地面流程，造成经济损失，同时带来安全生产隐患；若压裂井出砂量大，则支撑剂沉入井底，可能砂埋产层，降低压裂井的产量甚至堵死产层，造成压裂井的产能损失等等危害，鉴于此，西南油气分公司工程技术研究院开展了纤维加砂防支撑剂回流研究。从纤维加砂性能评价到现场施工参数设计，室内进行了针对性的实验。主要从以下几个方面着手1、纤维对压裂液成胶和破胶的影响 室内分别在温度为40和60情况下，在压裂液中加入纤维，观察对压裂液成胶和破胶性能的影响。表1纤维名称WLD-S玻璃纤维GX-2BX-260沙溪庙压裂液配方成胶无无无无破胶有有有有

14、40蓬莱镇压裂液配方成胶无/破胶有/实验结果为：配方都是川西气田沙溪庙组和蓬莱镇组最常用的压裂液配方。4种纤维对压裂液的成胶性能没有影响，但是在相同破胶剂浓度下对破胶时间有延后影响，需加大破胶剂加量来满足要求的破胶时间。 2、纤维在压裂液中的分散性评价 室内选取4种不同纤维在不同介质中，评价其分散性能，试验结果如表2所示：表2纤维名称WLD-S玻璃纤维BX-2GX-2颜色白色亮白色白色白色在清水中的分散性无法分散吸水性差、分散快且均匀、当纤维浓度1.2%时有少量纠结成团现象无法分散分散均匀,当纤维浓度1.2%时有少量纠结成团现象 在压裂液基液中的分散性分散均匀，但纤维浓度0.9%时，纤维在静止

15、状态下有上浮呈絮团状分散均匀、静止状态有下沉现象分散均匀，但纤维浓度0.9%时，纤维在静止状态下有上浮呈絮团状分散均匀，但纤维浓度1.5%时，纤维在静止状态下有上浮呈絮团状在压裂液冻胶中的分散性分散好,纤维浓度1.2%时冻胶脆性增大分散均匀、纤维浓度0.9%时冻胶脆性增大分散均匀分散均匀、纤维浓度1.2%时冻胶脆性增大 实验结果为：WLD-S和BX-2在水中完全无法分散，玻璃纤维和GX-2分散匀，但纤维浓度过高时有少量成团现象。四种纤维在压裂液中均能分散均匀，但会在一定浓度下影响冻胶脆性。 3、纤维与支撑剂的混合性评价 实验条件：纤维混合时的砂比为25% ；延迟交联压裂液的延迟交联时间1-2m

16、in。 试验结果如表3所示：表3纤维名称WLD-S玻璃纤维BX-2GX-2颜色白色亮白色白色白色纤维与干陶粒的混合性不混合混合性一般不混合不混合在压裂液中二者的混合性混合性好混合性好混合性好混合性好实验结果：除玻璃纤维其它三种纤维无法与干支撑剂混合,但在压裂液中均能混合均匀。4、不同纤维+砂在压裂液中的沉降性表4 WLD-S纤维+砂在压裂液中的沉降及分散性观察时间不同纤维加量（）的沉降速率%实验现象791215常温冻胶60分钟5045.940.4333.33分散均匀60水浴60分钟7063.8362.560.42破胶彻底，纤维和支撑剂混合均匀，小部分纤维有上浮分离现象。备注用圣科班2040目陶

17、粒，密度为1.83g/c方，使用砂比25%，压裂液为60配方。表5玻璃纤维+砂在压裂液中的沉降及分散性观察 不同纤维加量（）的沉降速率%实验现象时间05791215常温 60分钟31.425.635.143.643.061.37混合均匀冻胶60 60分钟77.0162.8256.5752.7847.444.21破胶彻底，纤维和支撑剂混合均匀，极少量纤维有分离现象。水浴备注用圣科班2040目陶粒，密度为1.83g/c方，使用砂比25%，压裂液为60配方。表6 BX-2纤维+砂在压裂液中的沉降及分散性观察 不同纤维加量（）的沉降速率%实验现象时间05791215常温 60分钟2.172.171.7

18、41.741.32混合均匀冻胶60 60分钟79.7476.0970.9366.6763.4453.33破胶彻底，纤维和支撑剂混合均匀，极少量纤维有分离现象。水浴备注用圣科班2040目陶粒，密度为1.53g/c方，使用砂比25%，压裂液为60配方。表7 GX-2纤维+砂在压裂液中的沉降及分散性观察 不同纤维加量（）的沉降速率%实验现象时间05791215常温 60分钟115.385.384.264.353.44混合均匀冻胶60 60分钟74.8671.4364.5761.1464.1460破胶彻底，纤维和支撑剂混合均匀，极少量纤维有分离现象。水浴备注用圣科班2040目陶粒，密度为1.83g/c

19、方，使用砂比25%，压裂液为60配方。实验结果：四种纤维在破胶液中与支撑剂有明显分离现象；玻璃纤维悬砂效果较其它三种纤维好。 5、纤维和支撑剂混合后对导流能力和渗透率的影响 表8(铺砂浓度10kg/m2)纤维GX-2对支撑剂导流能力和渗透率的影响评价表闭合压力(MPa)102030405060导流能力（m2.cm）0.7%GX-2116.51109.1199.6889.0478.5969.120123.45114.15105.4996.5687.6377.71导流能力的变化率（%）-5.6-4.4-5.5-7.8-10-11渗透率（m2）0.7%GX-2250.56236.07218.9819

20、8.31178.01158.750312.53288.48267.74246.45225.62201.69渗透率变化率（%）-19.8-18.2-18.2-19.5-21.1-21.2表9铺砂浓度8kg/m2)纤维GX-2对支撑剂导流能力和渗透率的影响评价表闭合压力(MPa)102030405060导流能力（m2.cm）0.7%GX-2139.13122.08104.6188.676.170.530130.37118.25106.1596.5984.4871.8导流能力的变化率（%）6.73.2-1.5-8.2-9.9-1.7渗透率（m2）0.7%GX-2327.36283.97245.852

21、10.25182.54170.860330.05304.14269.14250.1220.57189.5渗透率变化率（%）-0.8-6.6-8.6-16-17.2-9.8备注支撑剂是30-50目的圣戈班陶粒实验结果：纤维不会对支撑剂的导流能力造成损害，而闭合压力对导流能力的影响是很大的。 6、不同纤维浓度+支撑剂导流能力的对比评价图2 WLD-S纤维浓度导流能力评价结果 图3 玻璃纤维浓度导流能力评价结果 实验结果表明：WLD-S纤维浓度对支撑剂导流能力的影响变化较大；闭合压力越小，玻璃纤维浓度对支撑剂导流能力的影响变化越大。图4 BX-2纤维浓度导流能力评价结果 图5 Gx-2纤维浓度导流能

22、力评价结果 实验结果表明：闭合压力越小，BX-2纤维浓度对支撑剂导流能力的影响变化越大；GX-2纤维浓度对支撑剂导流能力的影响变化平缓。不同纤维材料在优化的浓度加量下，BX-2+支撑剂对导流能力影响最好，其次是GX-2纤维+支撑剂。推荐使用浓度为0.7%-0.9%。同时，压裂液的破胶液粘度和闭合压力对支撑剂的稳定性即临界出砂流速有着重要显著的影响。所以要求压裂液破胶粘度低于10 mPa.s时才能开井排液，且破胶液粘度越低越好；压后排液时一般要求小排量控制放喷（强制裂缝闭合），待裂缝闭合后才逐步加大返排速度。纤维+支撑剂能够明显改善支撑剂的稳定性，提高临界出砂流速，从而有利于预防压裂井出砂。 7

23、、 纤维加砂压裂优化设计根据纤维加入的不同目的其加砂压裂工艺技术有一定的区别。纤维加砂压裂工艺分为全程加纤维和尾追加纤维2种方式，其中尾追加入比例为 10-30 %，作用：成倍提高支撑剂充填层的临界出砂流速、控制支撑剂回吐返流、有利于保持近井地带更高的长期导流能力。冻胶全程加入，携砂液中加入，浓度（0.2- 0.6%）作用：提高压裂液在破胶降粘过程中的携砂性能、有利于在产层段饱填砂、有效预防因提前破胶而导致的砂堵、砂卡。纤维能够与携砂液均匀混合。关键是优化纤维的加入方式，需要达到纤维计量准确、分散均匀、自动加入等优点纤维泵；采用纤维加砂工艺时，可在常规压裂液的基础上降低稠化剂胍胶的浓度，降低压

24、裂液残渣伤害，在降低稠化剂浓度上，根据室内试验导流能力和现场情况总结。纤维加入浓度优化，纤维压裂设计时需要在纤维实验的基础上，根据纤维加入的不同目的、结合储层条件优化纤维的加量浓度。纤维加砂施工时，采用延迟交联压裂液，为防止纤维堵塞油管，顶替液的前2方加交联剂，采用冻胶顶替，然后微过量顶替0.5-1.0方的纯液，以保证纤维和支撑剂完全进入地层中，防止井筒沉砂和沉纤维。返排制度：采用双油嘴备份，施工结束10-20min立即快排，强制裂缝闭合。0.5h内采用5mm油嘴，0.5h-1h采用8mm油嘴，1h后采用10mm油嘴。推荐液氮拌注与纤维联作，返排速度可达常规井的3-5倍以上。8、现场施工效果L

25、S50D-1C气井，生产层位1381.6-1395.0m，采用超低稠化剂压裂液体系：0.25%超低稠化剂浓度压裂液，降低储层伤害，携砂阶段全程添加108kg纤维，形成更好的裂缝铺置剖面及防止压后支撑剂回流，全程伴注液氮13方，增加地层返排能量，提高返排率，减少储层伤害；压后7小时点火成功，34小时后排液85方，返排率达到65.7%，累计排液107方，返排率达到70.57%，未出现支撑剂回流现象。进行18方陶粒加砂压裂改造后，在稳定油压4.2MPa，套压4.8MPa下获天然气日产量3.8863×104方，无阻流量4.3177×104方/d，增产效果明显。如图6所示：对比同层位

26、的纤维压裂井井与不加纤维压裂井的增产效果，可以看出：同等条件下，全程纤维井产量是不加的1倍。图7添加纤维压后生产曲线 图8不加纤维压后生产曲线FP291井（水平井纤维支撑剂压裂）吉林油田FP291井（765-770m，832-836m，900-905m）为三段分层水平井压裂施工，于11月10日进行纤维压裂施工，加砂24 方 ，平均砂比21，在携砂液阶段开始泵注油田专用高效纤维BF-II，直至加砂阶段结束停止加入纤维。共加入纤维198kg。顶替阶段加入纤维降解剂100kg。压后关井2天开始放压，由于井口压力较高，直到11月25日开始起管柱，过程顺利；12月2日投产，初期日产液51.2方，日产油4

27、.0方，含水92.2%；目前（2012年1月）日产液19.8方，日产油5.7方，含水71.7%。LS50D-1C井（纤维支撑剂压裂）LS50D-1C井（1381.6-1395.0m）采用0.25%超低稠化剂浓度，降低裂缝残渣伤害；全程纤维网络辅助携砂携砂阶段全程泵注168kg纤维，累计加砂18方，形成更好的人工裂缝支撑剂沉降剖面及防止压后支撑剂回流返吐。伴注液氮13方，增加返排能量，提高返排率。压后7小时点火成功，排液85方，返排率达到65.7%，累计排液107方，返排率达到70.57%，未出现支撑剂回流现象。在稳定油压4.2MPa，套压4.8MPa下获天然气日产量3.8863×10

28、4方，无阻流量4.3177×104方/d，增产效果明显。对比井LS50D井（常规加砂压裂）：0.25%超低稠化剂浓度压裂液，两层全程伴注液氮共15方。压后9.5小时排液55方，返排率达37.2%，累计排液110方，返排率达到64.7%。该井经下层10方、上层12方陶粒分层加砂压裂改造后，在稳定油压1.2MPa，套压2.4MPa下获天然气日产量0.5472×104方/d，绝对无阻流量0.5611×104方/d。P34-41井(纤维支撑剂压裂)  长庆油田P34-41井（1849.0-1854.0m，1858.0-1862.0m，1864.0-1869.0m

29、）3月17日纤维压裂施工，施工前试压40MPa，加砂15 方 ，平均砂比35，在携砂液阶段开始泵注油田专用高效纤维BF-II，直至加砂阶段结束停止加入纤维。共加入纤维153kg。顶替阶段加入纤维降解剂100kg。压后半小时开井放喷，初期采用4mm油嘴控制放喷。该井压前日产液0.58方，日产油0.41t，含水率16%。4月28日压后初期日产液30.23方，日产油8.74t，含水率66。5月28日，该井日产油6.52t，增产效果显著。生产公司：博仁达公司/斯伦贝谢3 尾追覆膜砂压裂防砂技术2.1尾追覆膜砂压裂技术定义覆膜砂（precoatedsand）是指砂粒表面在造型前即覆有一层固体树脂膜的型砂

30、或芯砂。尾追树脂砂技术是在压裂石英砂颗粒表面涂敷一层薄而有一定韧性的树脂层，该涂层可以将支撑剂接触方式改变为具有一定面积的接触。当该支撑剂进入裂缝以后，受温度的影响，树脂层首先软化，然后在固化剂的作用下发生聚合反应而固化。从而使颗粒之间由于树脂的聚合而固结在一起，将原来颗粒之间的点与点接触变成小面积接触，降低了作用在砂砾上的负荷，增加了砂粒的抗破碎能力。而且，固结在一起的砂砾形成带有渗透率的网状滤段，阻止压裂砂的返-吐。2.2作用机理 在一定温度和压力下覆膜砂树脂层与固化剂交联反应，形成大分子的立体网状的结构，将石英砂和树脂交联在一起，使树脂砂间、树脂砂与井壁间的接触点形成胶结状态，把分散的砂粒变成一个有机的整体，阻止支撑剂随地层流体运移而导致的地层出砂。2.3 覆膜砂的分类名称特点酚醛树脂砂成本高，施工作业时间长酚醛溶液地下合成防砂适用于底层温度高于60摄氏度，粘土含量较低的中细砂岩油层脲醛树脂砂80-140摄氏度，含水量在6098.2%之间改性吠喃树脂砂环氧树脂砂在60摄氏度的条件下迅速固化，固化时间一般在348之间2.4 树脂砂固化影响因素决定树脂砂控制支撑剂回流能力的最终决定因素是其抗压强度，国外研究发现树脂砂抗压强度为1 MPa时即可满足大多数情