壓裂氣井支撐劑回流研究進(jìn)展

焦國盈 裴蘋汀 戚志林 李 彭 游建國王亞娟

（1.重慶科技學(xué)院，重慶 401331；2.西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶 400021；3.長慶油田公司油氣工藝研究院，西安 710018）

壓裂氣井支撐劑回流研究進(jìn)展

焦國盈1裴蘋汀1戚志林1李 彭2游建國2王亞娟3

（1.重慶科技學(xué)院，重慶 401331；2.西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶 400021；3.長慶油田公司油氣工藝研究院，西安 710018）

針對(duì)壓裂氣井支撐劑回流問題，從壓裂氣井支撐劑回流機(jī)理、回流預(yù)測(cè)方法和回流控制技術(shù)三個(gè)方面綜述壓裂氣井支撐劑回流研究的進(jìn)展。提出7種支撐劑回流控制技術(shù)，這些技術(shù)都是基于增強(qiáng)支撐劑充填層的穩(wěn)定性，其中表面增強(qiáng)技術(shù)和液體樹脂技術(shù)對(duì)支撐裂縫的導(dǎo)流能力無影響，應(yīng)用前景廣闊。

壓裂氣井；支撐劑回流；機(jī)理；預(yù)測(cè)方法；控制技術(shù)

壓裂氣井支撐劑回流會(huì)影響壓裂效果、降低井產(chǎn)能、損壞井下和地面設(shè)備與管線、增加安全風(fēng)險(xiǎn)和生產(chǎn)成本。針對(duì)壓裂氣井支撐劑回流問題，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)做了大量的研究工作，取得了很大的進(jìn)展。本文從壓裂氣井支撐劑回流機(jī)理、回流預(yù)測(cè)和回流控制技術(shù)三方面綜述了壓裂氣井支撐劑回流研究進(jìn)展。

1 壓裂氣井支撐劑回流機(jī)理

支撐劑回流機(jī)理的關(guān)鍵是支撐劑充填層在生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定和破壞機(jī)理。

一些學(xué)者用防砂技術(shù)的砂拱理論來解釋支撐劑回流，認(rèn)為近井眼裂縫中的砂拱的形成和破壞導(dǎo)致了支撐劑回流的發(fā)生和停止。但在氣體支撐劑回流實(shí)驗(yàn)中，只觀察到在導(dǎo)流室的出口端存在“缺口”和“溝槽”現(xiàn)象。部分學(xué)者通過模擬研究發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)大量支撐劑回流的裂縫在近井筒附近會(huì)形成瓶頸裂縫，也會(huì)導(dǎo)致支撐劑停止回流，但是沒有描述支撐劑回流的發(fā)生過程。同時(shí)，也有學(xué)者認(rèn)為由于各種原因在裂縫頂部形成無支撐劑的通道，當(dāng)裂縫中的氣體流速大于支撐劑回流臨界流速時(shí)，氣體會(huì)將支撐劑攜帶到井筒，發(fā)生了支撐劑回流；當(dāng)氣體流速低時(shí)支撐劑則停止回流。

研究支撐劑回流的主要目的是搞清楚壓裂井支撐劑回流的原因，識(shí)別影響支撐劑回流的關(guān)鍵因素，為支撐劑回流預(yù)測(cè)做準(zhǔn)備。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬均證實(shí)裂縫寬度與支撐劑平均直徑之比大于某一值時(shí)，支撐劑充填層是不穩(wěn)定的,但現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際也發(fā)現(xiàn)寬裂縫并沒有發(fā)生支撐劑回流。拖曳力在高壓差和低壓差下的作用不同，但也是影響支撐劑回流的重要因素。閉合應(yīng)力對(duì)支撐劑回流的影響具有不確定性，過大或過小都會(huì)導(dǎo)致支撐劑發(fā)生回流。同時(shí)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的支撐劑回流時(shí)，井筒周圍的閉合應(yīng)力發(fā)生了改變。除此之外，支撐劑重力、支撐劑類型、地層溫度對(duì)支撐劑回流也有較大的影響。

2 支撐劑回流預(yù)測(cè)方法

支撐劑回流預(yù)測(cè)的關(guān)鍵是確定裂縫中氣體的臨界流速。第一種方法是通過支撐劑回流實(shí)驗(yàn)確定，結(jié)果受到實(shí)驗(yàn)時(shí)的裂縫寬度、閉合應(yīng)力等的限制，通用性差；第二種方法是引入化學(xué)工程和機(jī)械工程中的“流化”理論，通過流化參數(shù)計(jì)算氣體臨界流速，前提條件與裂縫中的支撐劑充填層的實(shí)際條件有所不同；第三種方法是通過縫中支撐劑顆粒之間的機(jī)械接觸力來確定氣體臨界流速，計(jì)算量非常大；第四種方法是用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則確定臨界孔隙壓力梯度，通過臨界孔隙壓力梯度確定氣體臨界流速，僅考慮了支撐劑性質(zhì)、巖石性質(zhì)、原地應(yīng)力、裂縫寬度、流速對(duì)支撐劑回流的影響；第五種確定方法是假設(shè)支撐劑充填層的穩(wěn)定機(jī)理為砂拱理論，通過單個(gè)支撐劑的受力平衡來確定臨界氣體流速[1，7]，沒有將砂拱作為一個(gè)整體考慮，同時(shí)假設(shè)前提也有待進(jìn)一步證實(shí)；最后一種方法是依據(jù)通道理論，借助水利學(xué)中的水?dāng)y沙理論，考慮支撐劑充填層表層支撐劑顆粒的受力平衡來確定臨界氣體流速[8-9]，這種方法的理論基礎(chǔ)也有待進(jìn)一步證實(shí)。確定了裂縫中氣體的臨界流速，就可以確定裂縫中的氣體臨界流量，最終確定壓裂氣井的臨界產(chǎn)量。

3 支撐劑回流控制技術(shù)

新型控制技術(shù)主要通過增強(qiáng)支撐劑充填層的固結(jié)強(qiáng)度或者提高支撐劑顆粒之間的摩擦力來控制支撐劑回流，主要包括包覆支撐劑技術(shù)、纖維增強(qiáng)技術(shù)、熱塑薄帶技術(shù)、變形顆粒技術(shù)、表面增強(qiáng)技術(shù)、后期樹脂固化技術(shù)和液體樹脂技術(shù)。

3.1 包覆支撐劑技術(shù)

包覆支撐劑技術(shù)是利用包覆支撐劑在裂縫中固化后形成的人工井壁阻擋普通支撐劑向井筒中的運(yùn)移來控制支撐劑回流，具有施工方便和貨源廣的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是成本高、對(duì)地層溫度和閉合應(yīng)力有要求[10]，并對(duì)裂縫導(dǎo)流能力有影響，而且作業(yè)引起的應(yīng)力循環(huán)會(huì)導(dǎo)致控制失效。

3.2 纖維增強(qiáng)技術(shù)

纖維增強(qiáng)技術(shù)是利用纖維在裂縫中形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來固定住支撐劑顆粒，以控制支撐劑回流?；谖锢矸€(wěn)定機(jī)理，無需關(guān)井和復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，沒有溫度和應(yīng)力的限制。缺點(diǎn)是纖維在泵注過程中會(huì)斷裂為小纖維，堵塞孔喉，主要用于壓裂液殘液排液階段的支撐劑回流控制和低滲致密氣層的壓裂改造中[11]。

3.3 熱塑薄帶技術(shù)

熱塑薄帶技術(shù)在低溫下利用熱塑薄帶表面與支撐劑顆粒的相互作用增大支撐劑顆粒之間的摩擦力來控制支撐劑運(yùn)移，在高溫下則通過支撐劑顆粒簇增大支撐劑的摩擦力來減小支撐劑回流。熱塑薄帶與壓裂液配伍性好，成本低，缺點(diǎn)是在砂漿中易漂浮。

3.4 變形顆粒技術(shù)

變形顆粒技術(shù)是利用變形顆粒在地層條件下變形形成的凹陷增大了支撐劑顆粒之間的接觸面積，提高了支撐劑顆粒之間的摩擦力，穩(wěn)定和鎖住周圍的支撐劑。該技術(shù)對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力影響小，可提高臨界流量10倍以上和臨界壓力梯度5倍以上[12]。

3.5 表面增強(qiáng)技術(shù)

表面增強(qiáng)技術(shù)是利用表面增強(qiáng)劑組分之間的范德華力和表面增強(qiáng)劑的黏性來提高支撐劑回流的臨界流速和流動(dòng)阻力，減小支撐劑回流。對(duì)支撐劑導(dǎo)流能力無影響，可提高壓裂液的破膠效果和返排率[13]。

3.6 后期樹脂固化技術(shù)

該技術(shù)采用連續(xù)油管或普通油管與壓力脈沖工具，將液體樹脂膠結(jié)液注入到支撐裂縫中的近井眼區(qū)域，樹脂液在地層溫度作用下，發(fā)生緩慢固化，通過支撐劑顆粒之間的接觸點(diǎn)將支撐劑膠結(jié)起來，阻止了近井眼支撐劑在流體的帶動(dòng)下向井筒的移動(dòng)，達(dá)到了防止支撐劑回流的目的，屬于壓后補(bǔ)救工藝[14]。具有液體用量低、成本低和對(duì)地層與裂縫傷害小的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是需要井下壓力脈沖工具。

3.7 液體樹脂技術(shù)

液體樹脂技術(shù)就是將一定配方的樹脂液體作為一種添加劑，在施工時(shí)加入到混砂車的輸砂器中，使支撐劑進(jìn)入混砂罐之前與液體樹脂混合，在其表面形成樹脂層。當(dāng)將包覆樹脂的支撐劑泵進(jìn)裂縫中后，在地層溫度和應(yīng)力的作用下，支撐劑之間通過接觸點(diǎn)膠結(jié)在一起達(dá)到阻止支撐劑回流的目的。與包覆支撐劑技術(shù)相比，液體樹脂技術(shù)的適應(yīng)性更廣，對(duì)裂縫導(dǎo)流能力沒有影響[15]。

總共發(fā)展了七種支撐劑充填層增強(qiáng)技術(shù)，除了后期樹脂固化技術(shù)屬于補(bǔ)救工藝，其他的都屬于先期工藝。包覆支撐劑、纖維、熱塑薄帶、變形顆粒和后期樹脂因?yàn)橐家欢ǖ目紫犊臻g，所以對(duì)最終的增產(chǎn)效果都有一定的影響，唯有表面增強(qiáng)技術(shù)能改善壓裂效果，而液體樹脂技術(shù)不降低裂縫導(dǎo)流能力。

4 結(jié) 語

（1）提出的壓裂氣井支撐劑回流機(jī)理包括砂拱、瓶頸裂縫和通道三種理論。

（2）裂縫氣體臨界流速的確定方法包括經(jīng)驗(yàn)法、理論法和半機(jī)械法。

（3）在七種支撐劑回流控制技術(shù)中，表面增強(qiáng)技術(shù)和液體樹脂技術(shù)對(duì)壓裂效果沒有影響，應(yīng)用前景廣闊。

（4）受研究條件和理論的限制，在支撐劑回流機(jī)理和預(yù)測(cè)方法方面很難有大的突破，應(yīng)將重點(diǎn)放在無傷害控制技術(shù)的研發(fā)上。

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The Latest Development of Proppant Flowback of Fractured Gas Well

JIAO Guoying1PEI Pingting1QI Zhilin1LI Peng2YOU Jianguo2WANG Yajuan3
(1.Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331；2.Chongqing Gas Field,Southwest Oil and Gas Field Branch，Chongqing 400021；3.Oil＆ Gas Technology Research Institute,Changqing Oilfield Company，Xi'an 710018)

This paper surmmarizes the research achievements which include mechanism of proppant flowback,proppant flowback prediction method and control techniques of proppant flowback.Seven control techniques are developed to eliminate proppant flowback during the producing phase of fractured gas wells.Surface modified agent and liquit curable resin are satisfactory because they can keep fracture conductivity of treated wells.

fractured gas well；proppant flowback；mechanism；flowback forecast；control technique

TE357

A

1673-1980（2012）01-0082-03

2011-08-29

重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（CSTC,2010BB4281）；重慶市教委自然科學(xué)基金項(xiàng)目（KJ111418）；重慶科技學(xué)院校內(nèi)科研基金資助項(xiàng)目（CK2010B13）

焦國盈（1976-），男，陜西富平人，博士，副教授，研究方向?yàn)橛蜌饩霎a(chǎn)技術(shù)。