油田生产中压裂防砂技术的应用

袁彬

[摘要]在油气开采过程中，必须采用有效的防砂措施。有必要研究一种防砂效果好，防砂有效期长，还不影响油井产能的防砂方法，压裂与防砂相结合的复合技术，称为压裂防砂。

[关键词]防砂；出砂机理；压裂；压裂防砂

1油气井出砂机理与危害

从岩石力学角度来说，油层出砂有两个机理：即剪切破坏和拉伸破坏机理。除了上述两个机理外，还包括微粒运移出砂机理。

1.1剪切破坏机理

由于井筒及射孔孔眼附近岩石所受周向应力及径向应力差过大，造成岩石剪切破坏，引起地层出砂。

1.2拉伸破坏机理

开采时，在井筒周围应力梯度及流体的摩擦携带作用下，岩石承受拉伸应力当此应力超过岩石的抗拉强度时，岩石发生拉伸破坏。

1.3微粒运移出砂机理

在生产时，生产压差或产量过大，作用在地层颗粒上的拽曳力过大，地层微粒就会移动，进而导致井底周围地层渗透率降低，从而增大流体的拽曳力，并可能诱发固相颗粒的产出。

出砂的危害主要表现在以下几个方面：（1）减产或停止作业：（2）地面和井下设备磨蚀；（3）套管损坏、油井报废；（4）生产时间的损失：（5）油气井的经济和技术损失。

2压裂防砂机理

2.1填充砂形成由粗到细的砂拱

填充砂的粒径通过地层砂的粒径进行选择，将流体携带的砂粒阻挡于填充砂层之外，通过自然选择在填充砂层外形成一个由粗到细的砂拱，有良好的流通能力。

2.2压裂后地层流体的流动特征

油井压裂后，流体沿着具有高导流能力的裂缝流动时，流动阻力非常小，因此地层流体流人井底不再遵循径向流动模式，而是形成双线性流动模式，先是地层内部向裂缝面流动时的线性流，再是流体沿裂缝向井筒流动时的线性流。

2.3水力压裂可以避免和缓解地层岩石的破坏

具有高导流能力的水力裂缝将地层流体的流态由原来的径向流动变成双线性流，在一定程度上降低了生产压差并大幅度降低了流体压力梯度。从而缓解或避免了岩石骨架的破坏，也就缓解了出砂趋势和出砂程度。

2.4裂缝可以降低流体冲涮携带砂粒的能力

因裂缝而产生的双线性流动模式及巨大的裂缝面积可以发挥良好的分流作用，使压后流速大幅度降低，从而降低了对地层微粒的冲刷和携带作用。

3压裂填充砂的选择

3.1填充砂尺寸的确定

在压裂充填设计时，必须正确选择填充砂尺寸。若填充砂尺寸过大，地层砂可以自由通过填充砂孔隙，虽然裂缝渗透率和充填层的渗透率保持不变，但没有防砂效果。若填充砂尺寸过小，填充砂能完全阻止地层砂侵入填充层，虽然可完全防止地层砂随液体产出，但是整个填充层的渗透率很低，使整个井的产能变小。

填充砂尺寸需根据地层砂的尺寸来确定。当填充砂直径略小于地层砂直径，地层砂在填充砂与地层砂接触面上形成稳定的砂桥，阻止了地层砂在充填层中的运移。

3.2填充砂种类的选择

目前世界上控制支撑剂返排技术中最成熟、应用也最广泛的树脂涂敷砂封口技术。树脂涂敷砂是在压裂砂颗粒表面涂敷一层薄而有一定韧性的树脂层，该涂层可以将原支撑剂改变为有一定面积的接触。当该支撑剂进入裂缝后，由于温度影响，树脂层首先软化，然后在固化剂的作用下发生聚合反应而固化。从而使砂粒之间由于树脂的聚合而固结在一起，将原来砂粒之间点与点接触变成小面积接触，降低了作用在砂粒上的负荷，增加了砂粒的抗破碎能力。同时，固结在一起的砂粒形成带有渗透率的网状滤段，阻止压裂砂外吐。

使用热塑性酚醛树脂砂进行的压裂防砂平均有效期在180天以上，很好的避免了压裂砂回吐造成的出砂，具有良好的应用效果。

4携砂液的确定

防砂携砂液配方的确定是地质特点、施工因素决定的。既要将树脂顺利携入地层，同时也要考虑携砂液进入地层后所引起的粘土膨胀，乳化堵塞和贾敏效应问题，根据这些要求，携砂液配方应体现五大作用，即具有增粘作用、防膨作用、固化作用、助排作用和破乳作用。这些体系在高温时具有极强的稳定性，只有在井底温度大于148℃时才能形成。有机交联液的稳定性使其具有极强的支撑剂悬浮能力。

5压裂防砂施工工艺的优化

根据压裂防砂的基本原理，结合水力压裂的基本要求，确定压裂防砂的基本原则为：（1）设计目标为形成短宽裂缝；（2）压裂液泵注程序特点是前置液少，初期砂比低，最终砂比尽量高；（3）压裂液滤失能力较强；（4）支撑剂的选择原则是使导流能力尽量大。在以上基本原则的前提下，结合现场施工的实际情况，对压裂防砂施工中出现的特殊情况作出优化。

6压裂防砂的现场应用

6.1低温地层井的应用

当树脂预包砂进入裂缝后，由于温度影响，树脂层首先软化，然后在固化剂的作用下发生聚合反应而固化。从而使砂粒之间由于树脂的聚合而固结在一起，起到防砂的作用。树脂预包砂的固化温度为40℃，因此当地层温度低于40℃时，树脂在地层中就不能固化，也就起不到防砂的效果。以前压裂防砂在选井时往往都是避开低温地层井。为使压裂防砂能够应用到低温地层井，树脂砂在低温地层中也能起到防砂的的效果，就必须采用人工办法，迫使树脂砂在地层中固化。

6.2有套变井的应用

对于某些套管变形的井，常规的防砂方法很难施工，后期的作业（大修）费用相当高，无形之中就增加了油井的开发成本。填砂完成立即用填砂管柱冲砂至人工井底，并用热水洗井直到胶结砂在近井地带完全固化。这样就避免了后期的冲钻砂工艺，避开了影响整个施工过程的套变因素，确保了压裂防砂的成功。

7结论与建议

（1）通过优化完善后压裂防砂工艺，能够很好的解决油水井出砂的问题，并能起到增产作用，作业的一次成功率提高。

（2）采用樹脂涂敷砂作为压裂防砂的支撑剂，由于支撑剂表面涂敷了树脂，这在一定程度上有所降低裂缝的导流能力。并且，树脂涂敷砂较其他常用的支撑剂成本略微偏高，树脂涂敷砂防砂井受固化强度的限制。

（3）若能将增油效果很好的液态二氧化碳作为携砂液，防砂与增油效果将得到提高。有待于进一步研究。