頁巖氣返排測試過程中防砂控砂技術(shù)淺析

蘇 超，吳 亮，張 卓， 陳洪地.

(中油測井技術(shù)服務(wù)有限責任公司庫爾勒分公司，四川威遠 642450)

頁巖氣[1]是一種以游離或吸附態(tài)藏身于頁巖層或泥巖層中的非常規(guī)天然氣，成分以甲烷為主，與“煤層氣”“致密氣”同屬一類。作為一種新型的清潔能源，在發(fā)布的“十三五”規(guī)劃中，我國頁巖氣產(chǎn)量力爭在2020年達到300×108m3。未來幾年，頁巖氣將得到大力開采，返排測試任務(wù)十分艱巨。頁巖氣井通常采用大位移水平井的鉆井方式，以達到穿越較多優(yōu)質(zhì)頁巖層的目的；通過多級加砂水力壓裂改造地層，最大限度地增加地層裂縫，以便于頁巖氣采集。通常，單口頁巖氣井的改造層段在15～20段左右，每一層段的注液量約2000 m3，注砂量約80 m3。大量的壓裂砂(支撐劑)進入地層，由于不能被完全壓實，在返排測試過程中將有部分壓裂砂進入井筒甚至返回地面。因此，相對于常規(guī)油氣井，頁巖氣井不僅要克服高溫高壓的影響，更重要的是要解決好防砂控砂的難題。

防砂控砂[2]一直是科研工作者以及現(xiàn)場施工人員研究的重點。2002年何世云、陳琛[3]在非頁巖氣井中就已經(jīng)考慮到加砂壓裂后排液的控砂技術(shù)，提到4點措施：①在裂縫閉合前應(yīng)控制液體的返排速度，限制裂縫中的滲流速度；②新井壓裂時應(yīng)注意合理的井間距離，防止新井壓裂對老井造成影響；③加砂壓裂施工必須向壓裂液中添加破膠劑及交聯(lián)劑，以確保施工的凍膠性能良好，返排液體破膠徹底；④在液體返排過程中，開、關(guān)井操作要平穩(wěn)，一般在無緊急情況下不允許關(guān)井，嚴防井底產(chǎn)生激動。2004年四川大學李洪波[4]在其博士論文中從理論上分析了攜砂舉升的問題，對井筒中的固體顆粒進行受力分析，認為氣體能否攜帶固體顆粒上升的根本原因是顆粒所受向上的力是否大于向下的力。其中考慮的單個顆粒上的作用力包括：慣性力、重力、浮力、壓力梯度引起的壓差力和表面力，并分別對以上各力尤其是層流、過度流和紊流3種不同流態(tài)下的表面力進行了推導，同時考慮了顆粒的形狀系數(shù)與阻力修正系數(shù)，建立了固體顆粒在3種流態(tài)下所受合力的公式。2011年王婧、王修武[5]等人綜述了目前國內(nèi)外在氣井攜砂、氣井攜液、液體攜砂研究方面的現(xiàn)狀以及取得的成果，從而對氣井攜砂研究有一個更好的認識，有利于進一步開闊視野，對油氣井防砂、控砂、攜砂生產(chǎn)具有實際借鑒意義。2016年楊堃、王茜[6]等人針對現(xiàn)在頁巖氣的發(fā)展總結(jié)出了高產(chǎn)頁巖氣藏需要具備以下4個基本條件：具有持續(xù)生氣能力的頁巖，網(wǎng)狀微裂縫發(fā)育，氣藏發(fā)育在構(gòu)造封閉的寬緩背斜中頂?shù)装鍘r層致密，形成巖性圈閉。盆地內(nèi)由于構(gòu)造運動影響較小、成藏諸要素具備，是國內(nèi)頁巖氣重點勘探區(qū)域，其中以四川威遠區(qū)塊為代表。2016年王廣濤、徐創(chuàng)朝[7]等人根據(jù)鄂爾多斯盆地儲層致密且特征復(fù)雜的情況，常規(guī)體積壓裂難以形成復(fù)雜裂縫，單井產(chǎn)量低，為此引進了井下控砂壓裂技術(shù)，以實現(xiàn)實時控制井底砂濃度、形成縫內(nèi)支撐劑架橋、提高裂縫復(fù)雜程度的目的，并成功應(yīng)用在鄂爾多斯盆地的30口井的壓裂作業(yè)中，與應(yīng)用混合水壓裂的油井相比，平均產(chǎn)油量顯著提高，并且節(jié)省了1/3左右的水功率和用液量，大幅降低了壓裂成本。

本文主要從合理制定工作制度[8]和優(yōu)化工藝流程兩個方面來實現(xiàn)防砂控砂，同時又最大化地節(jié)省設(shè)備投入量。

1 工作制度的選擇

如果在壓裂完成返排測試初期沒有采取有效的防砂控砂措施，那么就會給后期的采氣工藝造成極大的難度。后期的采氣工藝主要有：連續(xù)油管排水采氣、泡沫排水采氣[9]、柱塞氣舉[10]等，經(jīng)過這些采氣工藝，雖然在一定程度上能改善井口工況，但是相應(yīng)的會增加人力物力成本。

一旦壓裂完成后，就沒有辦法再通過井下的措施來實現(xiàn)控砂，此時井口工作制度的選擇將直接影響后續(xù)的開采計劃。壓裂的主要目的就是讓壓裂液向更遠的地層濾失，增加裂縫長度，同時伴隨壓力降低，部分裂縫閉合將支撐劑壓實，從而在地層之間為頁巖氣形成一條通道。因此，單井壓裂結(jié)束后，不宜立即開井返排，應(yīng)燜井3～5 d，待井底壓力基本穩(wěn)定后再開井，燜井時間太短不利于裂縫閉合，燜井時間太長意義不大。氣井控產(chǎn)主要通過調(diào)節(jié)油嘴來實現(xiàn)：

(1)小油嘴放噴：流量小，井底壓差小，壓裂砂不易進入井筒；井筒內(nèi)返排液流速慢，攜砂能力弱，大通徑橋塞容易積砂；返排速率慢。

(2)大油嘴放噴：流量大，井底壓差大，地層內(nèi)未起到支撐作用的壓裂砂將大量進入井筒；井筒內(nèi)流體流速快，攜砂能力強，能將井底積砂帶到地面；返排速率快。

工作制度的制定原則應(yīng)遵循：盡量減少地層中的壓裂砂進入井筒，讓更多的壓裂砂留在地層中支撐裂縫；同時又能把井筒中沉積的壓裂砂帶到地面，避免井下砂堵。

因此，工作制度應(yīng)由小開始，逐漸增大。開井前期使用小油嘴放噴，減少地層中未壓實的壓裂砂進入井筒，不僅減少了井筒內(nèi)的積砂，而且提高了壓裂砂的有效使用率。如此返排一段時間，隨著井底壓力降低、壓裂液減少，地層裂縫逐漸閉合，壓裂砂被壓實起到支撐作用；同時小油嘴放噴能控制返排率增長過快，避免氣液比過大，降低排砂風險。小油嘴放噴一段時間后逐漸增大油嘴，井筒內(nèi)流體流速增大，當流速達到一定值，大量進入井筒以及原本沉積在井筒內(nèi)的壓裂砂將被帶到地面，此時應(yīng)直接增大油嘴盡快排出井筒內(nèi)的積砂，待地面排液口無砂且井口壓力穩(wěn)定后，再排1～2個井筒容積，方可調(diào)整回之前油嘴繼續(xù)返排測試。這樣的工作制度選擇既避免了地層中壓裂砂被大量帶出，又有效地沖洗了井筒內(nèi)的積砂，在現(xiàn)場應(yīng)用中也得到了很好的效果；但排砂過程中壓裂砂對地面設(shè)備沖蝕厲害，因此地面流程的優(yōu)化很重要。

2 優(yōu)化工藝流程

相對于常規(guī)氣田的地面測試，頁巖氣的返排測試流程既要滿足正常返排的需要又要應(yīng)對井口出砂；同時，頁巖氣井多以平臺為單位，以某區(qū)塊為例，一個平臺包含6口單井，先進行單邊3口井壓裂，再進行另一邊3口井壓裂，通常后3口井壓裂結(jié)束后，前3口井返排測試也結(jié)束了。因此，為了避免設(shè)備資源的浪費以及排砂的需要，對流程進行了一系列的優(yōu)化改進，具體優(yōu)化后的工藝流程簡圖如圖1所示。

2.1 六套單流程優(yōu)化成三套主流程加一套副流程

主流程用于返排測試及排砂作業(yè)，副流程用于備用流程以及后期臨時合采生產(chǎn)流程。例如，4井、5井、6井壓裂結(jié)束后， 4井、5井、6井正常使用主流程進行返排測試，同時1井、2井、3井進行壓裂作業(yè)；如果1井、2井、3井壓裂過程中某井發(fā)生壓裂砂堵，4井、5井、6井中對應(yīng)的井可以臨時倒入副流程返排測試，主流程用于壓裂砂堵解堵作業(yè)。1井、2井、3井壓裂時間大約1個月，此時4井、5井、6井返排測試任務(wù)已經(jīng)結(jié)束， 4井、5井、6井可以倒入副流程合采生產(chǎn)，主流程用于1井、2井、3井返排測試。這樣的流程設(shè)計不僅節(jié)省了設(shè)備，而且減少了井場的占地面積。

圖1 工藝流程優(yōu)化Fig.1 Technological process optimization

2.2 高、低壓區(qū)分別并聯(lián)生產(chǎn)

高壓區(qū)并聯(lián)生產(chǎn)：一是因為除砂器使用率不高，且使用時間短，所以通過并聯(lián)將三臺除砂器減少為兩臺或者是一臺；二是通過并聯(lián)，在排砂期間當一條流程砂堵時，可以切換到另一流程，保障排砂作業(yè)連續(xù)進行，將井筒中的積砂排完，避免因排砂中斷而促使積砂回落造成井下砂堵。

低壓區(qū)并聯(lián)生產(chǎn)：當某分離器或相應(yīng)下游管線出現(xiàn)緊急情況時，可將該井下游合并到另一臺分離器，避免返排測試過程中數(shù)據(jù)中斷。

2.3 分離器液位控制系統(tǒng)外置

出砂對分離器控液閥沖蝕厲害，且分離器自身控液閥被沖蝕以后拆裝困難，不便于維修，因此通過把分離器液位控制系統(tǒng)外置，利用可調(diào)式節(jié)流閥(針閥)來控制分離器液位，閥內(nèi)結(jié)構(gòu)采用硬質(zhì)合金材料，不易損壞。這樣不僅節(jié)約了配件的采購成本，而且能節(jié)省維修控液閥的時間。缺點是需要人為地調(diào)節(jié)針閥的開度，需要作業(yè)人員24 h在崗。

2.4 副流程下游串聯(lián)并與主流程下游串聯(lián)

該串聯(lián)方式既可以滿足單邊3口井返排測試結(jié)束后的合采產(chǎn)量計量，又能滿足將其中3口井并聯(lián)到主流程，副流程用于該單井的臨時計量。

3 除砂方式選擇與探討

3.1 濾筒式除砂

流體經(jīng)過除砂器濾筒，壓裂液經(jīng)砂筒濾縫或濾孔流出，壓裂砂被留在砂筒內(nèi)。該方式除砂效果好，對于砂礫尺寸最小為100 μm的壓裂砂，如果選用100 μm的砂筒，除砂器下游基本沒有壓裂砂。但是，壓裂砂和一些其他雜物極其容易堵塞砂筒孔隙和裂縫，造成除砂器上、下游壓差增長過快，砂筒中2 L左右的壓裂砂就會造成幾兆帕的壓差。為了避免堵塞，每隔一段時間就需要倒換砂筒，出砂期間開關(guān)閘板閥，壓裂砂對閘板和閥座沖蝕嚴重，且頻繁打開和清理砂筒增加作業(yè)人員的風險。

3.2 除砂器在線排砂

去掉濾筒下蓋，讓濾筒內(nèi)部和排砂管線聯(lián)通，當濾筒內(nèi)有大量積砂后，打開排砂管線，通過動力油嘴控制排量大小，利用井口壓力將砂筒內(nèi)的積砂沖洗出砂筒。該方式除砂效果好，除砂效率較高，同時也減少了作業(yè)風險，但如果遇到大量出砂，容易將流程堵死。

3.3 直排

流體不經(jīng)過除砂器，直接過油嘴。該方式方便快捷，不會造成砂堵；但對油嘴和下游管線、設(shè)備沖蝕厲害，需要定期對沖蝕關(guān)鍵點測壁厚，且需要對彎頭等關(guān)鍵部位做防護措施。頁巖氣井出砂最大的特點是出砂量大，出砂時間短暫。出砂期間最大含砂量高達百分之九十多，但持續(xù)時間不長，從排液口見砂到排砂結(jié)束也就持續(xù)幾個小時，排砂結(jié)束后基本不會再出現(xiàn)大量出砂的情況。

4 結(jié)論

返排測試作為承上啟下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如果不能有效地解決防砂控砂難題，那么可能導致錄取數(shù)據(jù)不準，影響產(chǎn)層評價及開采方案編制；也可能導致井下砂堵，需要沖砂作業(yè)，不僅增加了開采成本，而且增加了作業(yè)風險。通過對工作制度的合理安排，減少裂縫閉合前未起到支撐作用的壓裂砂流失，以及裂縫閉合后及時清理井筒內(nèi)的積砂；通過對流程的優(yōu)化和排砂方式的合理選擇，使得到達地面的壓裂砂能夠安全、高效地排出，可以保障返排測試作業(yè)順利完成。

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