压裂气井支撑剂回流研究进展

焦国盈 裴苹汀 戚志林 李 彭 游建国王亚娟

（1.重庆科技学院，重庆 401331；2.西南油气田分公司重庆气矿，重庆 400021；3.长庆油田公司油气工艺研究院，西安 710018）

压裂气井支撑剂回流研究进展

焦国盈1裴苹汀1戚志林1李 彭2游建国2王亚娟3

（1.重庆科技学院，重庆 401331；2.西南油气田分公司重庆气矿，重庆 400021；3.长庆油田公司油气工艺研究院，西安 710018）

针对压裂气井支撑剂回流问题，从压裂气井支撑剂回流机理、回流预测方法和回流控制技术三个方面综述压裂气井支撑剂回流研究的进展。提出7种支撑剂回流控制技术，这些技术都是基于增强支撑剂充填层的稳定性，其中表面增强技术和液体树脂技术对支撑裂缝的导流能力无影响，应用前景广阔。

压裂气井；支撑剂回流；机理；预测方法；控制技术

压裂气井支撑剂回流会影响压裂效果、降低井产能、损坏井下和地面设备与管线、增加安全风险和生产成本。针对压裂气井支撑剂回流问题，国内外相关机构做了大量的研究工作，取得了很大的进展。本文从压裂气井支撑剂回流机理、回流预测和回流控制技术三方面综述了压裂气井支撑剂回流研究进展。

1 压裂气井支撑剂回流机理

支撑剂回流机理的关键是支撑剂充填层在生产过程中的稳定和破坏机理。

一些学者用防砂技术的砂拱理论来解释支撑剂回流，认为近井眼裂缝中的砂拱的形成和破坏导致了支撑剂回流的发生和停止。但在气体支撑剂回流实验中，只观察到在导流室的出口端存在“缺口”和“沟槽”现象。部分学者通过模拟研究发现，出现大量支撑剂回流的裂缝在近井筒附近会形成瓶颈裂缝，也会导致支撑剂停止回流，但是没有描述支撑剂回流的发生过程。同时，也有学者认为由于各种原因在裂缝顶部形成无支撑剂的通道，当裂缝中的气体流速大于支撑剂回流临界流速时，气体会将支撑剂携带到井筒，发生了支撑剂回流；当气体流速低时支撑剂则停止回流。

研究支撑剂回流的主要目的是搞清楚压裂井支撑剂回流的原因，识别影响支撑剂回流的关键因素，为支撑剂回流预测做准备。

室内实验和数值模拟均证实裂缝宽度与支撑剂平均直径之比大于某一值时，支撑剂充填层是不稳定的,但现场生产实际也发现宽裂缝并没有发生支撑剂回流。拖曳力在高压差和低压差下的作用不同，但也是影响支撑剂回流的重要因素。闭合应力对支撑剂回流的影响具有不确定性，过大或过小都会导致支撑剂发生回流。同时数值模拟发现，当发生严重的支撑剂回流时，井筒周围的闭合应力发生了改变。除此之外，支撑剂重力、支撑剂类型、地层温度对支撑剂回流也有较大的影响。

2 支撑剂回流预测方法

支撑剂回流预测的关键是确定裂缝中气体的临界流速。第一种方法是通过支撑剂回流实验确定，结果受到实验时的裂缝宽度、闭合应力等的限制，通用性差；第二种方法是引入化学工程和机械工程中的“流化”理论，通过流化参数计算气体临界流速，前提条件与裂缝中的支撑剂充填层的实际条件有所不同；第三种方法是通过缝中支撑剂颗粒之间的机械接触力来确定气体临界流速，计算量非常大；第四种方法是用摩尔-库仑屈服准则确定临界孔隙压力梯度，通过临界孔隙压力梯度确定气体临界流速，仅考虑了支撑剂性质、岩石性质、原地应力、裂缝宽度、流速对支撑剂回流的影响；第五种确定方法是假设支撑剂充填层的稳定机理为砂拱理论，通过单个支撑剂的受力平衡来确定临界气体流速[1，7]，没有将砂拱作为一个整体考虑，同时假设前提也有待进一步证实；最后一种方法是依据通道理论，借助水利学中的水携沙理论，考虑支撑剂充填层表层支撑剂颗粒的受力平衡来确定临界气体流速[8-9]，这种方法的理论基础也有待进一步证实。确定了裂缝中气体的临界流速，就可以确定裂缝中的气体临界流量，最终确定压裂气井的临界产量。

3 支撑剂回流控制技术

新型控制技术主要通过增强支撑剂充填层的固结强度或者提高支撑剂颗粒之间的摩擦力来控制支撑剂回流，主要包括包覆支撑剂技术、纤维增强技术、热塑薄带技术、变形颗粒技术、表面增强技术、后期树脂固化技术和液体树脂技术。

3.1 包覆支撑剂技术

包覆支撑剂技术是利用包覆支撑剂在裂缝中固化后形成的人工井壁阻挡普通支撑剂向井筒中的运移来控制支撑剂回流，具有施工方便和货源广的优点，缺点是成本高、对地层温度和闭合应力有要求[10]，并对裂缝导流能力有影响，而且作业引起的应力循环会导致控制失效。

3.2 纤维增强技术

纤维增强技术是利用纤维在裂缝中形成的网状结构来固定住支撑剂颗粒，以控制支撑剂回流。基于物理稳定机理，无需关井和复杂的化学反应，没有温度和应力的限制。缺点是纤维在泵注过程中会断裂为小纤维，堵塞孔喉，主要用于压裂液残液排液阶段的支撑剂回流控制和低渗致密气层的压裂改造中[11]。

3.3 热塑薄带技术

热塑薄带技术在低温下利用热塑薄带表面与支撑剂颗粒的相互作用增大支撑剂颗粒之间的摩擦力来控制支撑剂运移，在高温下则通过支撑剂颗粒簇增大支撑剂的摩擦力来减小支撑剂回流。热塑薄带与压裂液配伍性好，成本低，缺点是在砂浆中易漂浮。

3.4 变形颗粒技术

变形颗粒技术是利用变形颗粒在地层条件下变形形成的凹陷增大了支撑剂颗粒之间的接触面积，提高了支撑剂颗粒之间的摩擦力，稳定和锁住周围的支撑剂。该技术对支撑裂缝导流能力影响小，可提高临界流量10倍以上和临界压力梯度5倍以上[12]。

3.5 表面增强技术

表面增强技术是利用表面增强剂组分之间的范德华力和表面增强剂的黏性来提高支撑剂回流的临界流速和流动阻力，减小支撑剂回流。对支撑剂导流能力无影响，可提高压裂液的破胶效果和返排率[13]。

3.6 后期树脂固化技术

该技术采用连续油管或普通油管与压力脉冲工具，将液体树脂胶结液注入到支撑裂缝中的近井眼区域，树脂液在地层温度作用下，发生缓慢固化，通过支撑剂颗粒之间的接触点将支撑剂胶结起来，阻止了近井眼支撑剂在流体的带动下向井筒的移动，达到了防止支撑剂回流的目的，属于压后补救工艺[14]。具有液体用量低、成本低和对地层与裂缝伤害小的特点，缺点是需要井下压力脉冲工具。

3.7 液体树脂技术

液体树脂技术就是将一定配方的树脂液体作为一种添加剂，在施工时加入到混砂车的输砂器中，使支撑剂进入混砂罐之前与液体树脂混合，在其表面形成树脂层。当将包覆树脂的支撑剂泵进裂缝中后，在地层温度和应力的作用下，支撑剂之间通过接触点胶结在一起达到阻止支撑剂回流的目的。与包覆支撑剂技术相比，液体树脂技术的适应性更广，对裂缝导流能力没有影响[15]。

总共发展了七种支撑剂充填层增强技术，除了后期树脂固化技术属于补救工艺，其他的都属于先期工艺。包覆支撑剂、纤维、热塑薄带、变形颗粒和后期树脂因为要占一定的孔隙空间，所以对最终的增产效果都有一定的影响，唯有表面增强技术能改善压裂效果，而液体树脂技术不降低裂缝导流能力。

4 结 语

（1）提出的压裂气井支撑剂回流机理包括砂拱、瓶颈裂缝和通道三种理论。

（2）裂缝气体临界流速的确定方法包括经验法、理论法和半机械法。

（3）在七种支撑剂回流控制技术中，表面增强技术和液体树脂技术对压裂效果没有影响，应用前景广阔。

（4）受研究条件和理论的限制，在支撑剂回流机理和预测方法方面很难有大的突破，应将重点放在无伤害控制技术的研发上。

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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

重庆市自然科学基金项目（CSTC,2010BB4281）；重庆市教委自然科学基金项目（KJ111418）；重庆科技学院校内科研基金资助项目（CK2010B13）

焦国盈（1976-），男，陕西富平人，博士，副教授，研究方向为油气井增产技术。