昭通太陽區(qū)塊淺層頁巖氣井出砂原因分析及防砂治理措施

陳 釗 鄒清騰 賈潤元 龔舒婷 葛婧楠 江 銘 郭耀洪

1.中國石油浙江油田公司 2.中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司

0 引言

昭通頁巖氣示范區(qū)太陽構(gòu)造上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組埋深相對較淺，主體在2 500 m以淺，脆性礦物以石英、長石、碳酸鹽巖為主。區(qū)域整體地層壓力系數(shù)較低，介于1.2～1.6，孔隙度介于3.55%～5.56%，頁巖氣滲透率介于100～250 nD，楊氏模量介于26～60 GPa，泊松比介于為0.15～0.25?，F(xiàn)今區(qū)域?yàn)樽呋瑪鄬?，表現(xiàn)為垂向應(yīng)力居中，且最小水平主應(yīng)力比垂向應(yīng)力略小。該區(qū)塊當(dāng)前主要采取“大排量、高加砂強(qiáng)度、高砂濃連續(xù)加砂、全程石英砂”的壓裂模式[1-2]。

壓后排采作為非常規(guī)頁巖氣儲層大規(guī)模水力壓裂和后期生產(chǎn)“承上啟下”的關(guān)鍵一環(huán)，在整個(gè)開發(fā)過程中起著重要的作用，對評價(jià)壓裂效果具有重要的工程指導(dǎo)意義。因此，基于太陽構(gòu)造淺層頁巖氣水平井地層壓力低、排液時(shí)間長、易“水鎖”、應(yīng)力敏感強(qiáng)等特征，該區(qū)塊返排過程堅(jiān)持“控制、連續(xù)、穩(wěn)定”原則，以控制排液強(qiáng)度、減少壓力損失、降低“水鎖”障礙[3]為主線。但在已排采的部分井中，仍然出現(xiàn)了不同程度的出砂，這對油田產(chǎn)量和生產(chǎn)流程穩(wěn)定帶來了挑戰(zhàn)。

隨著全球頁巖氣的蓬勃發(fā)展，“防砂”這一關(guān)鍵問題越來越被重視。尤其是近年來，針對該問題，國內(nèi)外專家開展了大量的研究。針對頁巖氣出砂原因、防治措施，王雷[4]等基于支撐劑回流的實(shí)驗(yàn)，提出了隨著壓裂液返排速度大，支撐劑總回流量逐漸增大，并得出在壓裂液返排初期選用相對較小的返排速度以達(dá)到控制支撐劑回流量的目的。李天才[5]等通過分析支撐劑回流機(jī)理，建立了壓裂液返排過程中臨界返排流量、支撐劑返排速度和沉降速度計(jì)算模型，提出了控制支撐劑回流的放噴油嘴選擇原則。筆者以昭通太陽區(qū)塊淺層頁巖氣井為例，分析出砂原因，并提出相應(yīng)的防治措施和建議。

1 太陽區(qū)塊淺層頁巖氣井出砂現(xiàn)狀

截至2021年8月，昭通頁巖氣示范區(qū)太陽構(gòu)造淺層頁巖氣累計(jì)出砂18個(gè)平臺，出砂較嚴(yán)重的30口井主要集中在壓后返排期間，出砂物以石英砂為主，部分帶黑色油泥狀物質(zhì)，其中YS203H1、YS139H1、陽102H3、陽102H29平臺出砂量較大（表 1）。

表1 太陽淺層區(qū)塊壓后返排出砂量較大井統(tǒng)計(jì)表

2 太陽淺層頁巖氣井出砂原因分析

2.1 區(qū)域低閉合壓力導(dǎo)致作用在支撐劑上的有效閉合應(yīng)力偏小

太陽區(qū)塊最小水平主應(yīng)力在5.9～29.0 MPa（表2），頁巖氣井返排測試初期開井壓力均低于20 MPa（大部分低于15 MPa），結(jié)合區(qū)域頁巖氣井測試壓裂分析，估算其儲層閉合應(yīng)力在30 MPa左右，作用在支撐劑上的有效閉合應(yīng)力更?。▓D1）。王雷[6]等支撐劑回流模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著作用于支撐劑有效閉合應(yīng)力的增大，支撐劑回流量逐漸減?。▓D2）。因此，由于太陽區(qū)域有效閉合應(yīng)力偏小，支撐劑顆粒間的摩擦力就越小，支撐劑排列趨于不穩(wěn)定狀態(tài)，在相同壓裂液返排速度下支撐劑易隨壓裂液在裂縫中流動(dòng)。

圖1 閉合應(yīng)力與有效閉合應(yīng)力關(guān)系圖

圖2 有效閉合應(yīng)力與支撐劑回流量關(guān)系圖

表2 太陽海壩區(qū)塊評價(jià)井地應(yīng)力分析數(shù)據(jù)一覽表

2.2 體積壓裂工藝增加了出砂幾率

頁巖質(zhì)地脆、膠結(jié)差、天然層理、裂縫發(fā)育，相比常規(guī)天然氣井壓裂，頁巖氣井采用的非常規(guī)體積壓裂、復(fù)雜裂縫壓裂、密切割壓裂等人造油氣藏，對地層的穩(wěn)定性都有一定的破壞作用[7-9]。這是因?yàn)榇罅繅毫岩簩Φ貙拥臄D壓及高速流體對近井頁巖的剪切，易造成近井地帶小巖塊發(fā)生剪切破壞而崩落，降低了裂縫壁對支撐劑的夾持力。此外，當(dāng)前壓裂2.0工藝技術(shù)下單段簇?cái)?shù)、加砂量的增加（圖3）也大大降低了縫內(nèi)砂拱的穩(wěn)定性，如圖4可以看到，在同一閉合應(yīng)力條件下，臨界流速隨鋪砂層數(shù)的增加而減小，臨界流量隨鋪砂層數(shù)的增加而增大，這是由于鋪砂層數(shù)越多，過流面積越大。因此，這也為支撐劑回流創(chuàng)造了條件，在一定程度上增加了出砂的幾率。雖然可以在工藝上通過壓裂防砂來減少地層出砂，但會使得儲層形成的縫網(wǎng)較簡單。

圖3 太陽淺層頁巖氣不同工藝下加砂強(qiáng)度對比圖

圖4 鋪砂層數(shù)與臨界流速、臨界流量關(guān)系圖

2.3 較高的壓裂液返排速度為氣井出砂提供有利條件

頁巖儲層相比常規(guī)天然氣儲層滲透率極低，地層綜合濾失系數(shù)小。相比常規(guī)天然氣儲層壓裂，頁巖儲層人工裂縫的閉合時(shí)間更長。目前太陽區(qū)塊淺層頁巖氣井采用壓后燜井3～47 d才開井排液的排采制度，開井排液期間，頁巖儲層裂縫可能尚未完全閉合，使得裂縫壁對支撐劑的夾持力比較微弱，當(dāng)壓裂液返排速度逐漸增大時(shí)，壓裂液對支撐劑的拖拽作用就越強(qiáng)，最終在壓裂液及天然氣的高速沖刷下，支撐劑被拖拽入井筒，支撐劑回流量逐漸增大[10-13]（圖5）。綜合分析淺層頁巖氣井返排特征，發(fā)現(xiàn)普遍存在高產(chǎn)水（圖6），高返排率的特點(diǎn)，這有助于井內(nèi)砂質(zhì)運(yùn)移，造成出砂。

圖5 壓裂液返排速度與支撐劑回流量關(guān)系圖

圖6 頁巖氣井壓后返排前30 d平均日產(chǎn)液量柱狀圖

2.4 不合理的返排制度加速了支撐劑回流

在返排測試過程中瞬時(shí)流量大幅上漲、上調(diào)或下調(diào)油嘴速度過快、返排測試中途出現(xiàn)異?；蛘咂渌蛩匦枰P(guān)井或重新開井時(shí)直接采用大油嘴等不合理的生產(chǎn)制度造成井底壓力波動(dòng)或生產(chǎn)壓差增大，進(jìn)而導(dǎo)致支撐劑在返排液及氣體的高速沖刷下回流至井筒[14-15]。

以YS118H4-4井為例，在2020年2月2日受疫情影響，轉(zhuǎn)水困難關(guān)井，直接由?13 mm的油嘴關(guān)井，24日直接以?6 mm油嘴開井，后快速上調(diào)至?13 mm油嘴，在此期間大量出砂造成捕屑器砂堵（圖 7）。

圖7 YS118H4-4井試氣曲線圖

3 頁巖氣井防砂治理對策

3.1 開展纖維防砂工藝試驗(yàn)減小支撐劑回流

纖維增強(qiáng)加砂工藝技術(shù)在近年來快速發(fā)展，隨著先導(dǎo)試驗(yàn)的進(jìn)行，纖維在防砂控砂方面的高效作用凸顯。其主要是把具有一定柔韌性的纖維物質(zhì)混在攜砂液中同時(shí)注入地層，在人工裂縫中形成復(fù)合型支撐劑?；烊氲睦w維與支撐劑相互作用形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而增強(qiáng)支撐劑的內(nèi)聚力，從而將支撐劑穩(wěn)定在原始位置，而流體可以自由通過，達(dá)到預(yù)防支撐劑回流的目的[16-18]。

3.2 優(yōu)化泵注程序，減小支撐劑回流幾率

通過優(yōu)化70/140目與40/70目支撐劑的注入方式，改善主縫和分支縫內(nèi)的支撐剖面，間接達(dá)到防砂目的。在泵注早期注入40/70目支撐劑段塞以改善支撐剖面，增加支撐劑的鋪置效果，在泵注后期采用砂濃度大于200～260 kg/m3的40/70目支撐劑連續(xù)加砂，最后頂替階段過頂替一個(gè)井筒體積的液量。這樣對裂縫中運(yùn)移的地層砂起到橋堵作用，可以顯著改變了近井滲流形態(tài)，大幅降低流體流速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)防砂的目的。

3.3 制定合理生產(chǎn)制度

太陽淺層區(qū)域閉合應(yīng)力低，油嘴偏大會造成近井地帶生產(chǎn)壓差過大，返排液流速過高，從而導(dǎo)致井底出砂[19-20]，因此建議排液油嘴不宜過大。

若出現(xiàn)返排異?；蛘咂渌蛩匦枰P(guān)井的情況，關(guān)井過程應(yīng)以不大于1 mm/h速度下調(diào)油嘴，下調(diào)至?5 mm后可直接關(guān)井，后需要開井繼續(xù)測試返排，開井過程要求以?3 mm油嘴開井，并以不大于1 mm/h速度上調(diào)油嘴。

4 應(yīng)用及效果

以陽102H10-3井為例（圖8），在加砂初期和后期優(yōu)化泵注方式，采用40/70目石英砂段塞改善支撐剖面，增加支撐劑的鋪置效果，并順利完成設(shè)計(jì)加砂量，且在返排中未發(fā)現(xiàn)出砂現(xiàn)象。

圖8 陽102H10-1井壓裂施工曲線圖

以陽102H16-7井為例，壓后開井返排過程基于流態(tài)變化和裂縫有效性評價(jià)技術(shù)，采用小油嘴長時(shí)間控排，調(diào)整最大油嘴上限至?8 mm等手段（圖9），不僅實(shí)現(xiàn)了控砂，也獲得了較好的單井產(chǎn)量。

圖9 陽102H16-7井試氣曲線圖

5 結(jié)論

1）導(dǎo)致太陽淺層頁巖氣井出砂的主要原因是區(qū)域低閉合應(yīng)力使作用在支撐劑上的有效閉合應(yīng)力偏?。徽T因是較高的壓裂液體返排速度對支撐劑產(chǎn)生拖拽作用，體積壓裂工藝單段簇?cái)?shù)及加砂量的增加，大大降低縫內(nèi)砂拱的穩(wěn)定性和不合理的返排制度，使得井底壓力波動(dòng)或生產(chǎn)壓差增大。

2）通過采用優(yōu)化70/140目與40/70目支撐劑的泵注程序、控制排液油嘴不宜過大等措施，并利用纖維防砂工藝來預(yù)防支撐劑回流，昭通頁巖氣示范區(qū)在太陽淺層頁巖氣井取得了一定的控砂效果。