致密砂岩气藏提高返排效果技术对策

钟 森 王兴文 慈建发

（中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院，四川 德阳 618000）

致密砂岩气藏提高返排效果技术对策

钟 森 王兴文 慈建发

（中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院，四川 德阳 618000）

压后排液是气井增产作业的重要环节，直接影响压裂改造的效果。岩心实验显示影响排液速度的主要因素为压裂液滤失后形成的启动压力以及返排压差，支撑剂回流受到地层闭合压力和破胶液黏度的影响。川西致密气藏由于水敏性强、水锁伤害严重，需要快速排液降低伤害，提出了水平井高效返排技术对策。一是采用液氮增能助排工艺为地层提供较大返排压差，并优化形成了“阶梯”降排量的伴注模式；二是采用纤维加砂工艺提高支撑剂在裂缝内的稳定性，在分段压裂每段施工末期进行一定比例的尾追。高效返排技术在中浅层应用超过30井次，提高了返排速度和最终返排率，保证了压裂改造的效果。

分段压裂 快速排液 液氮增能 纤维加砂 致密气藏

0 引言

川西沙溪庙、蓬莱镇组属于致密砂岩气藏，地层平均渗透率小于1 mD，随着开发进度的推进，目前开始动用边界区、差气区，单井钻遇的储层普遍以Ⅱ、Ⅲ类为主。采用水平井分段压裂投产，随着注入规模的增大，出现返排慢、返排率低、出砂堵塞井筒的问题，严重影响了改造效果和后期生产。川西致密气藏由于水敏性强、水锁伤害严重，需强制裂缝闭合、快速排液，但返排速度过快导致支撑剂回流［1］。为解决这一矛盾，提出了高效返排技术，目标是增加返排压差和支撑剂的稳定性，关键技术包括液氮增能助排和纤维固砂工艺。

1 返排效果的影响因素

1.1 压裂液返排影响因素分析

川西致密气藏普遍存在“水锁效应”，压裂液侵入地层形成滤失带，导致气相渗流阻力增大，形成气体流动的启动压力［2］。室内通过破胶液对岩心的注入模拟裂缝壁面的滤失带，滤失后形成启动压力增加，返排率降低。返排率降低反过来又增加了气体穿过压裂液滤失带所需的启动压力。如图1所示，启动压力从1.9 MPa增加到5 MPa，返排率降低30%左右，可见启动压力对返排影响十分显著［3］。

图1 启动压力与压裂液返排率关系图

压裂结束后开井排液，地层与缝内压力存在正压差，从而推动破胶液流动，通过岩心驱替实验，得到返排压差和返排率的关系，如图2所示。返排压差小于2 MPa时，岩心排不出液，增加至5 MPa排液仍困难，在最短时间内要使返排率增大，则相应的返排压差必须大于7 MPa。

1.2 支撑剂回流的影响因素分析

开井排液时，缝内支撑剂的稳定性主要受到两个方面的影响，一是地层闭合应力对其夹持作用，二是液体的“拖拽”作用。通过支撑剂在缝内的受力分析，计算得到不同闭合压力下的临界出砂流速，如图3所示。闭合压力越大，临界出砂流速越快，即地层对支撑剂夹持越紧，返排液越不容易带动支撑剂流动。

图2 驱替压差与岩心返排率的关系图

图3 闭合压力与支撑剂临界回流速度关系图

室内采用不同黏度基液来模拟压裂液不同破胶阶段，评价破胶液黏度对支撑剂稳定性的影响。50 mPa·s、18 mPa·s表示压裂液破胶不彻底，9.5 mPa·s、5 mPa·s表示压裂液破胶良好，实验结果如表1所示。压裂液破胶不彻底，返排液黏度越高，测得的临界流速越低，其携带支撑剂返排的能力越强，所以，开井排液的时候要保证压裂液完全破胶。同时，实验也表明闭合压力越高，支撑剂越稳定（即临界流速越高）。

表1 支撑剂在不同压裂液黏度、闭合压力下的临界回流速度表

压裂液返排受到多种因素的综合影响，为解决快速排液和出砂之间的矛盾，提出了以增加返排压差克服启动压力和提高支撑剂稳定性为目标的高效返排技术，即以液氮增能助排压裂、尾追纤维加砂为关键技术，实现高效返排。

2 液氮增能助排工艺技术

采用液氮增能助排工艺进行加砂压裂，相当于在地层裂缝中注入一段高压气垫，既降低了压裂液的滤失伤害，也提高了压后的返排压差，有效弥补地层返排能量的不足。液氮增能提高返排压差的途径，一是降低管柱内的液柱压力，二是提高储层的压力。

2.1 水平井液氮增能效果分析

液氮的加入降低了管柱内的液体密度，进而降低液柱的井底静态压力［4］。储层垂深1 500 m，压裂液排量4.0 m3/min，液氮排量从100 sm3/min增加至300 sm3/min，井底液柱压力降低了2.39%～6.71%，最大降低了1.0 MPa，如图4所示。

图4 液氮伴注管柱井底压力计算图

气态氮气进入地层，由于高压作用被压缩，提高了地层压力，返排时氮气体积膨胀推动侵入储层的液体向人工裂缝内运动，达到助排的作用。按照5段分段压裂，液氮伴注排量200 sm3/min、250 sm3/min，压裂结束时的压力剖面如图5所示。储层压力平均分别增加1.09 MPa、1.82 MPa，平均增加幅度约3%和5%。增能幅度随着施工时间的增加有所减小，即第5段到第1段逐步降低，主要因为长时间的扩散导致能量损失。

结合液柱压力降低、地层压力增加，计算出采用200 sm3/min液氮排量总返排压差增加1.78 MPa，250 sm3/min液氮排量增加量为2.67 MPa。

图5 液氮伴注储层增能效果图

2.2 水平井分段液氮伴注设计

液氮的返排能力与伴注氮气的干度有密切关系，氮气干度指氮气所占体积与液体和气体体积之和的比值。压裂液自喷返排的最小氮气干度为［5］：

式中，Smin为最小氮气干度，%；ρl为压裂液密度，g/cm3；ρgm为一定P、T下氮气的密度，g/cm3；Pe为地层压力，MPa；h为液柱高度，m；Δp为启动压力与摩阻及气体滑脱损失之和，MPa。

假设氮气全部排出，由式（2）计算氮气自喷返排的最小体积用量：

式中，K为经验系数，取1.5～3，视施工规模而定；为液氮密度，取0.808 23 g/cm3。

致密气藏中液氮能量的扩散时间为2～3 h，每段施工40～50 min，液氮增能有效期为后3～4段。优化不同施工时间下的混气比，形成“阶梯”降排量液氮伴注模式，液氮排量从300 sm3/min降至150 sm3/min，如图6所示。先施工的井段由于扩散时间长，增能压力降低较大，设计较高的液氮排量，末段扩散时间短，降低液氮排量［6］。ρN2

3 纤维加砂压裂技术

为发挥液氮增能助排作用，压后应采用大油嘴快速返排，前期在闭合应力低的区域快排时出现大量出砂的情况。借鉴直井纤维防砂工艺，通过室内实验优化加入比例，现场完善加注工艺，形成了水平井全程尾追纤维防砂技术［7-9］。

图6 全程液氮伴注排量设计图

3.1 纤维加砂室内评价

室内通过配伍性、分散性和悬砂性评价，选择了性能较好的短纤维（5～10 mm）材料。采用导流仪测量裂缝出砂的临界流速，结果如表2所示，纤维加入使临界出砂流速明显提高，即提高了支撑裂缝的稳定性，减少了回流量。纤维混合浓度越高，临界出砂流速越高，闭合应力为20～30 MPa时，伴注纤维浓度为7‰～9‰（纤维与支撑剂的质量比）即能实现控制支撑剂回流的目的。

表2 伴注纤维后支撑剂的临界出砂流速表

添加纤维后，裂缝内导流能力发生改变，室内实验结果见图7，纤维的加入对支撑剂的导流能力的影响不大，即纤维不会对支撑剂的导流能力造成损害。闭合应力为20～30 MPa时，为保持较高裂缝导流能力，伴注浓度优化为7‰～9‰。

图7 不同闭合应力下纤维对导流能力影响评价图

3.2 纤维加砂工艺设计

1）纤维加入后压裂液的携砂性能大大提高，进而稠化剂浓度从初期的0.38%降低至目前的0.3%，胍胶浓度降低21%，残渣含量降低17.4%，大大降低了储层伤害。

2）从经济角度考虑，采用尾追伴注方式，在缝口至裂缝40～60 m形成纤维网络支撑，即在携砂液的最后2～3个阶段进行纤维伴注，尾追浓度按照7‰～9‰设计，剩2～3 m3支撑剂时停止加入。

3）水平井每段均尾追纤维，采用过顶替保证大部分纤维进入地层，同时在顶替阶段混注一定量的纤维降解剂，防止纤维在油管中影响投球开滑套。

4）现场采用纤维泵送机，通过机械分散的方式进行纤维的拌入，实现了加入的均匀性、计量准确性。

4 高效返排技术应用效果

目前，水平井的压裂改造中普遍应用液氮增能及尾追纤维工艺，累计应用超过50井次，在总液量大规模增加的基础上，仍实现了初期返排率（12 h）的快速提高，平均达到45%以上，较以前提高10%；最终平均返排率高于75%，提高了12%左右。压后绝大多数井未出砂，实现了快速排液和控制支撑剂回流的目的，单井产量也有较大的提高。

5 结论及认识

1）致密气藏返排速度和最终返排率的影响因素主要有压裂液滤失形成的启动压力及返排压差，支撑剂回流受到地层闭合应力、压裂破胶液的黏度大小影响，影响程度可以通过工艺和技术的改进大幅度降低。

2）利用液氮的低密度和增能作用，增大压后返排压差，实现快速排液，采用“阶梯”降排量伴注方式，从作业初期到后期逐步降低伴注排量。

3）快速排液时控制支撑剂回流的对策是纤维防加砂工艺，室内实验优化纤维添加浓度为7‰～9‰，采用尾追注入方式，并完善了保证井筒清洁的过顶替、降解剂添加工艺。

4）高效返排技术在川西水平井上应用效果良好，得到大范围推广，缩短了返排时间，提高了最终返排率，有效控制了支撑剂回流，水平井大规模改造的效果得到保障。

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（编辑：李臻）

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2095-1132（2016）05-0028-04

10. 3969/j. issn. 2095-1132. 2016. 05. 007

修订回稿日期：2016-08-01

国家重大专项：“大型油气田及煤层气开发”（编号：2016ZX05048）下设专题“薄层窄河道致密砂岩气藏水平井压裂关键技术”（编号：2016ZX05048004-003）。

钟森（1981-），工程师，从事致密天然气储层改造科研设计工作。E-mail：senyu521@126.com。