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纤维加砂压裂工艺研究及应用

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水平井压裂 井压裂工艺 压裂技术
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92 西部探矿工程 2010年第11期 纤维加砂压裂工艺研究及应用 周林刚 (中石化西南石油局井下作业公司,四川德阳618000) 摘要:纤维网络加砂压裂的目的在于优化支撑剂在裂缝中的铺置,改善裂缝导流能力,降低压裂液 粘度,配合液体快速返排,减小滤失伤害,防止支撑剂倒流,从而实现低伤害压裂改造。通过纤维网络 加砂作用机理研究,在室内评价实验和纤维网络加砂设计优化研究的基础上结合现场试验,分别形成 了以快速返排,高效防砂为目的的尾追纤维防砂工艺和以改善支撑剂铺砂剖面为目的的全程纤维网 络加砂压裂工艺。现场先导实验表明纤维加砂压裂技术对提高裂缝支撑缝长、降低储层伤害、提高措 施效果等方面具有良好应用前景。 关键词:纤维;加砂压裂;低伤害;返排 中图分类号:文章编号:1004010)11一4 川西新场、洛带等气田属于典型的致密砂岩气藏, 单井产能低,气井需要加砂压裂才能投产。压后一方面 气井需要快速放喷排液,另一方面又需要控制支撑剂回 流返吐,由于强调快速放喷,在1,支撑剂回流出砂问题比较突出,川西气井约有50 以上的井(层)存在不同程度的出砂,出砂量一般大于 至有个别井的出砂量达到2~10于 气井压力高、产量高、流速快,支撑剂回流出砂对井口及 地面流程管线的冲蚀破坏作用相当强烈,已经严重影响 到气井的正常生产、安全生产。 在加砂压裂气井采气过程中,一方面部分破碎支撑 剂向井筒方向运移堆积,降低裂缝长期导流能力;另一 方面支撑剂回流几乎伴随气井采气的终身,造成气井减 产和安全隐患。 伴随着气田的开发,川西低渗致密气田进入稳产中 后期,压裂开发面临的对象物性变差,需要支撑剂在裂 缝中更好的铺置效果,常规压裂支撑剂在裂缝中自然沉 降,减少了裂缝延伸长度,影响压裂效果,这种影响在薄 层、上下隔层应力差小的情况下显得更加突出。 借鉴国外经验,通过多年的探索,上千个实验数据, 上百口的现场试验,找到了新的突破口:开发出了一种 新型的酸化压裂支撑剂稳定剂、缓速沉降剂,一种由纤 维等添加剂组成的复合物——高效纤维,能产生超强的 悬浮携砂能力和支撑剂固定能力,形成一种新型的纤维 支撑剂加砂压裂工艺技术,有效解决上述难题。 1纤维在加砂压裂中的作用 纤维在加砂压裂中的应用主要体现在两个方面:一 是通过纤维的加人防止支撑剂回流;另一方面是通过纤 维在加砂压裂中的携砂作用、改变支撑剂的沉降速度、改 善支撑剂铺砂剖面,从而获得更好的裂缝形态、降低裂缝 伤害等方面的作用,即纤维网络加砂压裂技术,该技术对 闭合压力不高、闭合时间相对较长的储层尤其适用。 1.1纤维防支撑剂回流作用 纤维技术最早应用到加砂压裂技术中是基于解决 压裂井加快排液速度和控制支撑剂回流返吐这一对矛 盾,即排液速度太快就可能超过临界出砂流速,导致支 撑剂回流,排液速度太低又会导致排液时间增加、压裂 液滤失增大、返排率下降。 纤维技术优点是没有复杂的化学反应而是通过物 理作用来稳定裂缝中的支撑剂,受地层流体、地层温度、 闭合压力和关井时间的影响较小,与压裂液的配伍性良 好,可在压后直接开井返排,有利于提高返排效率和降 低地层伤害。分析认为,一方面尾追纤维可在井筒附近 的缝口形成纤维/支撑剂复合充填层,能增强支撑剂砂 拱移动变形的阻力;另一方面,一条纤维可以同时与多 个砂粒作用使它们缠绕在一起,从而增加了支撑剂耐冲 刷的能力。这两种作用能充分起到防止支撑剂回流的 效果,配合快速返排,达到提高返排率,同时有效消除出 砂对地面流程的刺坏损失。此外,采气过程中纤维对支 撑剂的长期稳定作用,可以减少或避免出砂,保证安全 "0109修回日期:20106 作者简介:周林刚(1969一),男(汉族),湖北丹江口人,工程师,现从事石油工程技术及管理工作。 2010年第11期 西部探矿工程 93 顺利生产和气井的稳产时间。 目前纤维防止支撑剂回流主要通过尾追方式按照 一定的比例加入。纤维防支撑剂回流技术目前在川西 地区使用较多,成为川西高压天然气气井防止支撑剂回 流、保护地面流程的有效技术手段。 1.2纤维压裂携砂机理及作用 随着目前技术的发展,纤维的作用不仅仅在于其防 止支撑剂回流方面,而更在于纤维在加砂压裂中的携砂 作用、优化裂缝形态等方面的作用,即纤维网络加砂压 裂技术。 纤维压裂携砂机理主要体现纤维与微粒相互作用,阻 I 微粒下沉,随着沉降的进行,并不能形成明显的微粒一 流体边界,相反纤维一微粒混合物慢慢压实。这种沉降的 优点是流体粘度在微粒沉降速度中的作用要小得多。对 于给定的流体粘度,纤维能使支撑剂沉降速度大大降低, 使得裂缝剖面更均匀。在加砂压裂过程中,随着纤维与支 撑剂颗粒相互作用形成网状结构,从而降低了压裂液粘度 对颗粒沉降速度的决定作用,进而可以通过降低压裂液中 聚合物的浓度,来降低压裂液的残渣伤害。支撑剂沉降性 质的改变、压裂液聚合物浓度的优化,有利于形成更好的 裂缝铺置剖面,使裂缝高度得到相应的控制、获得更加有 效的裂缝支撑长度。同时研究表明纤维还可以抑制管线 内形成湍流漩涡(即边界层效应),从而降低管柱施工摩阻。 2纤维室内评价实验 2.1纤维与压裂液配伍性实验 配伍性评价实验主要包括:纤维对压裂液成胶和破 胶性能的影响、纤维在压裂液中的分散性、纤维与支撑 剂的混合性。 根据大量室内实验结果表明:四种厂家的纤维(A、 B、C、D)在压裂液中的分散性、纤维对压裂液的成胶性 能、破胶性能影响程度,以及其对支撑剂的悬砂能力都 表现不一样的性能,其中能最好。 2.2纤维对导流能力影响评价 对不加纤维的陶粒支撑剂和加入纤维的陶粒支撑 剂的导流能力进行了实验评价,以评价纤维的加入对支 撑剂导流能力的影响程度。实验选择A、B、C、维与同一种支撑剂进行了不同闭合压力下的支撑剂 导流能力实验,结果分别见图1~图4。实验结果表明, 在较低的闭合压力条件下,导流能力的提高;无影响;总体上表明纤维的加人对导流能力会造成不 同效果的影响,如A、 ~33 。而且不同的纤维浓度对导流能力影响程度 不一样,所有纤维均有一个最佳浓度,对川西地区中浅 储层常规闭合压力50~60佳的纤维浓度对 导流能力基本不造成影响或影响最小。 2 50.200.0 主10。_00 螭50. 0.00 图1纤维 250.O0 i 200.O0 f 0  50.O0 j跏 l 0. 5 7 9 12 15 纤维浓度(‰) …_] 图2纤维3纤维.3纤维对支撑剂的稳定性评价 实验通过人工裂缝模拟装置模拟人工裂缝出砂的临 界流速来评价支撑剂的稳定性能,实验采用压裂液50、 18、9.5、5等不同基液粘度来模拟压裂液在不同 阶段时的破胶液效果好坏,采用裂缝闭合压力0.1、1、2、 5、不同压裂 液粘度和裂缝闭合压力的情况下,进行加人纤维后陶粒 支撑剂的稳定性实验,即临界出砂流速的评价。 94 西部探矿工程 2010年第11期 图4纤维验结果表明纤维的加入使得支撑剂的临界出砂 流速明显提高。当压裂液基液粘度为50时,其 临界出砂流速提高了10~50倍以上;当压裂液基液粘 度为18时,其临界出砂流速提高了30~40倍 以上。因此,纤维的加入使得相同闭合压裂条件下支撑 剂的稳定性得到提高,支撑剂回流可以得到有效控制, 从而有利于预防压裂井的出砂。 3纤维加砂压裂工艺技术 3.1纤维压裂优化设计 根据纤维加入的不同目的(防止支撑剂回流还是纤 维携砂)其加砂压裂工艺技术有一定的区别。总体说来 纤维加砂压裂工艺优化设计的特点主要体现在: (1)纤维能够与携砂液均匀混合。研制的纤维输送 机,达到了纤维计量准确、分散均匀、人工劳动强度低优 点,已经在川西气田成功推广应用; (2)采用纤维网络加砂工艺时,为了减小压裂液对 储层的伤害,可在常规压裂液的基础上降低稠化剂胍胶 的浓度,降低压裂液残渣伤害; (3)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、结合储层条 件的优化纤维的浓度; (4)优化顶替程序及顶替方式。在加入纤维后需要对 顶替程序和顶替方式进行优化,以保证纤维全部进入地层 而不残留在油管内,对后期返排、采输生产造成影响。 3.2配套高效返排工艺技术 针对地层压力低、压裂液返排速度及返排率降低的 问题,为了增加压裂液返排压差和避免支撑剂回流,同 时加大压裂液的返排速度,形成了“液氮+纤维。”高效返 排工艺技术。 为了发挥液氮能量,压后必须采用大油嘴进行快速 返排,为了防止出砂,需要采取纤维防砂技术。“液氮+ 纤维”高效返排工艺技术在前 在川西低渗致密气藏得到了广泛的推广应用。 返排制度的确定:目前压裂施工井设计的返排制度 是在加砂压裂施工结束后,立即采用优化油嘴大小多级 返排制度的方式加强快速排液,强制裂缝闭合。 3.3现场典型井应用  区块是孔渗性差、储量级别低、储层水敏、水锁伤害大、 地层压力低等特点的典型储层。该井蓬莱镇组目的层 垂深1339.5~1352.5m,垂厚13.砂岩储层。声 波时差测值为75/~s/隙度11.7 ,含水饱和度 52 ,综合解释为气水同层。针对该井的特点,在前期 低稠化剂压裂液体系、区块压裂优化设计、线性加砂等 系列配套低伤害压裂技术的基础上、结合纤维加砂压裂 技术的研究,以降低裂缝伤害为目的,在该井进行了全 程纤维网络加砂压裂施工。 该井在施工过程中,施工泵压平稳(见图5),累计 共完成18m。(26.6t)陶粒支撑剂,平均砂液比19 ,全 过程加入纤维共计108注液氮量13\ 一一一, 厂 / =r  二: V r 、 . n—、 一,^ 一 —』 《。 / / .夕 / / / / ^ 厂 ]  一 6O 8 110 4 135 2 160 0 圈5 _点撑舸浓度(kg,m ) ~油罐(一一净渡捧量(m~一一累计砂量(to~一一一一 一携砂涟捧量(脚’抽2010年第11期 西部探矿工程 95 加砂压裂施工结束后,立即开井加强排液,返排率 达到83 ,排液过程中没有任何支撑剂回流,获得无阻 流量4.3539×i0 m3/d。同井组层综合解释均为气层,采用常规压裂工艺两层分压累 计完成加砂2后天然气绝对无阻流 量0.5425×10 m3/d。 液氮伴注及裂缝强制闭合排液技术在该气藏具有良好 的适应性。 4结论与认识 (1)纤维技术在压裂作业中的作用主要表现在防止 支撑剂回流方面和获得更好的支撑裂缝形态两个方面, 通过纤维的携砂可以降低聚合物浓度、降低裂缝的伤 害,获得更好的裂缝剖面和有效裂缝长度,是纤维加砂 压裂的主要目的; (2)在纤维与液体的配伍性、纤维对支撑剂导流能 力影响、对支撑剂稳定性影响等实验结果的基础上,优 选出适合储层条件的纤维和纤维最佳浓度,形成了纤维 加砂压裂工艺技术体系; (3)纤维加砂现场先导实验表明纤维加砂压裂技术 对提高裂缝支撑缝长、降低储层伤害、提高措施效果等 方面具有良好应用前景; (4)纤维加砂压裂技术的不断优化完善为川西低渗 致密气藏难动用储量的有效开发提供了新的技术,也为 水力加砂压裂工艺技术提供了新的方法。 参考文献: [1]张绍彬,谭明文,张朝举,吴芒.实现快速排液的纤维增强 压裂工艺现场应用研究口].天然气工业,2005,25(11):53— 55. [2]张朝举,张绍彬,等.预防支撑剂回流的纤维增强技术实验 研究钻采工艺,2005,28(4):90—91,94. [3].R et in e)(].0495. [4]  J.et in ].9960. [5]...in ].E&P.2005,78(11):32—34,37. [6][美]米卡尔J.埃克诺米德斯,肯尼斯G,诺尔特,油藏增 产措施[M].3版.张保平,蒋阗,刘立云,张汝生,等译.北 京:石油工业出版社,2002. (上接第91页) (2)采用73~ 300导管,根据孔深配置导管长 度,下放导管时,应平稳、缓慢,防止刮碰钢筋笼,检查导 管是否漏水、漏气,灌注前向导管内投放球胆隔水栓及 其它隔水栓,以隔离混凝土和孔内泥浆,减少混浆的可 能。 (3)砼灌注施工的关键是控制好灌注时导管内密封 程度,杜绝导管漏水、漏气现象,控制好导管底端到孔底 距离,内外混凝土面的高度及导管埋置深度,尤其要控 制混凝土的初灌量,埋管深度大于0.8m。 (4)成孔、换浆、下笼、浇注等过程连续进行,特别要 控制砼灌注间隔时间,确保混凝土的强度和桩身完整 性。 6.9混浆及断桩 (1)严格控制混凝土的配合比,具有良好的和易性 和流动性,灌注过程连续、快速,初灌量要满足要求。 (2)施工中如发现导管底端离孔底距离过大,混凝 土被冲洗液稀释混浆时,应继续下人导管至孔底0.3m, 控制桩顶保护层厚度要大于1.5(3)当导管漏水或者导管堵塞时,提出导管清理、紧 固后,重新下入导管插入砼中,利用小型水泵或小口径 的抽水设备,将导管中的水抽净之后,再继续浇筑混凝 ±。 (4)当灌注砼间隔时间过长,造成断桩时,应提出钢 筋笼,若提不动时,采用逐根拉出主筋后,迅速重新成孔 灌注。 (5)灌注桩上部断桩,地下水位埋藏较深,且工程地 质条件较好时,可采用挖孔桩法处理,挖至断桩部位,清 理干净后重新灌注。 (6)为防止灌注混凝土过程中停电,现场必须备有 发电机。 7结束语 本次钻孔灌注桩施工按照上述质量标准及防治方 法进行严格控制,按照施工规范和设计图纸施工,施工 后桩身完整性及承载力,经质量检测部门利用静力及动 力载荷试验均满足设计及规范要求,工程质量全部合 格。 参考文献: [1]江景波,赵志缙,等.建筑施工[M].上海:同济大学出版 社,1990. [2] 中华人民共和国行业标准.[s].北京:中国建筑工业出版社,2008. 华人民共和国国家标准.程施工质量验收规范[s].北京:中国计划出版社,2002.

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