榆林储气库高气量纤维网络抗支撑剂回流实验

胡阳明 ，赵振峰 ，李宪文 ，陈宝春 ，李喆

（1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018；2.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西 西安 710018）

1 纤维网络控砂应用现状

我国从20世纪90年代开始地下储气库建设，先后在大港、华北、金坛、刘庄、任丘、王场、上法、安宁、新疆、辽河、川渝气区等地区开展了储气库建库技术研究与实践[1-4]。目前国内外储气库目的层主要为碳酸盐岩、盐岩和中高渗砂岩储层，而我国长庆油田气藏丰富，气藏开采枯竭后具有天然储气库的优良先决条件，但长庆油田多数为低渗、超低渗储层，要想满足“储气库调峰快进快出原则”的建设要求[4]，必须对储气库井进行压裂改造，而压裂后注采井的高注采气量对裂缝支撑剂产生的高速冲刷作用容易引起气井出砂，支撑剂砂粒的高速运移直接损伤注采管柱，最终影响储气库井的使用寿命。

对于地层出砂，现有技术主要采用机械和化学防砂[5]。在通过加砂压裂提高注采能力的低渗气藏储气库注采井中，为防止采气过程中裂缝内支撑剂返出，防砂剂应确保对储层不产生伤害，防砂后应保证较高的裂缝导流能力，防砂效果应满足高气量下支撑剂在裂缝中的稳定性，应具备长效稳定性（地层温度90℃）且压裂液易携带。可见，对于低渗气藏储气库注采井的防砂等级应提升至固砂层面，即地层条件下注采井不出砂，而常规化学、机械类固砂技术的适应性已大大降低。

考虑到低渗气藏储气库注采井固砂技术要求，根据纤维网络技术原理，利用束状单丝聚丙烯纤维具有变形性能好、握裹力强、亲水性好、强度高、弹性模量大、分散性佳、不抱团[5]，尤其在非氧化环境中稳定性良好的特征，开展了榆林低渗气藏储气库高气量下的固砂效果研究。对于纤维网络固砂技术，学者们已经开展了大量研究工作。朱洪波等[6-7]认为，聚丙烯纤维的掺入可以提高混凝土的抗压强度、残余强度及韧性，有效抑制混凝土裂缝的产生与发展；沈文峰等[8]认为，纤维体积分数在1.25%时，混凝土的动态抗压强度和极限韧性最高，具有较好的抗冲击性能。目前，该技术已广泛应用于公路、混凝土、桥梁、机场等工程建设中，并取得了良好效果[6-13]。

纤维网络固砂技术在油气田开采工艺领域的应用主要体现在往压裂液中添加一定量的纤维，依靠纤维材料与支撑剂互绕形成的网络结构来固定支撑剂砂粒，实现注采井防砂、抗支撑剂回流的目的[14-23]。赵海峰等[14-15]针对纤维的降解能力开展了纤维压裂液性能研究，在温度超过90℃时，采用KTL2型纤维可以满足工程设计要求。盖玉叶等[16-17]针对纤维压裂液开展了携砂性能研究，纤维的加入大大增加了支撑剂沉降时间（增加约11 min），有利于提升压裂液的携砂性能。郭建春等[18-19]研究了纤维在压裂液中的分散性，纤维能够在胍胶基液中均匀分散，并且添加0.4%的纤维可大幅提高胍胶基液的黏度。周福建等[20]认为，利用防砂纤维的弯曲、卷曲和螺旋交叉互相勾绕形成的稳定三维网状结构，可以在不用筛管的条件下起到防砂的目的。梁宁慧[21]的研究表明，聚丙烯细纤维的桥接应力峰值为0.20～0.22 MPa，聚丙烯粗纤维的桥接应力峰值为0.56 MPa，粗纤维与混凝土基体界面之间连接紧密，其化学键合力与机械咬合力比细纤维强。龙学等[22]研究表明，排液过程中的纤维体积分数越高，纤维越长，支撑剂颗粒越小，则纤维与支撑剂颗粒间摩擦因数越大，纤维对支撑剂的控砂效果越好，压裂液返排时支撑剂越不容易返出。

综合来看，目前在常规油气井压裂设计中，针对纤维网络有一定的研究及现场应用，但现场更多局限于压裂液返排效果评价方面[22-23]，对低渗气藏储气库注采井压裂后高气量下的抗支撑剂回流研究相对较少。因此，本文针对低渗气藏储气库压裂，通过相关实验开展了高气量下聚丙烯纤维网络抗支撑剂回流能力研究，为低渗气藏储气库注采井压裂改造防砂、控砂提供了理论依据。

2 纤维网络控砂机理分析

将聚丙烯纤维分散到陶粒压裂支撑剂中，注采过程中，气体的流动对支撑剂产生冲刷作用，支撑剂颗粒发生剪切形变形成砂拱，砂拱剪切变形引起纤维变形。此时，纤维与支撑剂之间主要有3种作用力[18]，即纤维表面摩擦力τ、纤维与陶粒间的接触压力σn和拉应力σl，表达式分别为

式中：f为摩擦因数；k为Hertz系数；α为接触系数；s为纤维长度，mm；σ为与颗粒泊松比、弹性模量有关的参数；R为颗粒半径，mm；ν为泊松比；E为弹性模量，105MPa；下标i，j表示任意相邻2个颗粒。

σl和σn也分别可以看作纤维轴向力的切向分量和法向分量：1）切向分量（拉应力）可抵抗砂拱的剪切变形。从聚丙烯和陶粒性质可以看出，受聚丙烯纤维可弯曲性和弹性变形特征的影响，纤维与陶粒接触面的摩擦因数、接触长度、Hertz系数均比陶粒与陶粒直接接触的时候大得多。纤维拉应力的增大加大了气流对陶粒运移的阻力，从力学上降低了出砂的可能。2）聚丙烯纤维与陶粒接触形成的Hertz系数和接触长度同样比陶粒与陶粒直接接触的时候大。法向分量（接触压力）的增大进一步增加了支撑剂间的摩擦力，间接抵抗了砂拱的剪切变形，提高了砂拱的稳定性，从而实现了有效防砂、固砂。

利用蔡司Smartzoom显微镜在放大100倍条件下观察陶粒+纤维网络结构（见图1），可以看出，单纤维与陶粒形成错综复杂的三维网络结构。单纤维在沿长度方向上可以拦截绑定6～8个20/40目陶粒，有效提升了支撑剂颗粒的整体抗压强度。

图1 陶粒+纤维三维网络显微结构

3 实验设计

3.1 实验材料

北京恒聚聚合物，相对分子质量1 200×104～1 600×104，固含量90.62%，使用去离子水配制成1 500 mg/L的溶液；长庆油田现场应用的压裂陶粒20/40目，龙泽陶粒 20/40，30/50，40/70 目，密度 1.8 g/cm3，视密度3.351 8 g/cm3，抗压强度大于52 MPa；聚丙烯纤维长度选择6，9，12 mm。聚丙烯纤维相关参数如表1所示。

表1 聚丙烯纤维性能参数

3.2 实验设备

采用海安石油科研仪器有限公司生产的裂缝导流仪，配备氮气瓶、干燥器、气体流量计（量程为0～100 mL/min）、单向阀、压力变送器、压力管线等。裂缝导流仪中的核心部件——裂缝导流腔长17.8 cm，宽3.8 cm（见图2a）。

实验设计了出砂和不出砂2种方案，每个方案中包括添加和不添加纤维2种情况。不出砂实验采用常规裂缝导流测试方式，主要用于研究纤维的存在对裂缝导流能力的影响（见图2b）。出砂实验主要研究纤维捆绑效应引起的裂缝导流能力变化规律，在现有导流腔基础上增加了沉砂口袋橡胶垫设计，整体形状和尺寸与导流腔相同，厚度设计为10cm（见图2c）。

图2 裂缝导流仪结构示意

出砂实验导流仪组装步骤：1）安装下活塞底座；2）铺设给定铺砂浓度的支撑剂层；3）安装橡胶垫，沉砂口袋与出口端相邻；4）安装上活塞底座；5）将裂缝导流仪倒置，支撑剂层靠近出口端的支撑剂将掉入沉砂口袋中，方便支撑剂层沉砂。

3.3 实验参数

长庆油田榆林气田榆37地下储气库原始地层压力为27 MPa，压裂定向直井设计日采气量达到30×104～60×104m3，压裂缝缝高为10～15 m，半缝长大于50 m。按照压裂井周围裂缝宽度5 cm、实验室导流腔宽度3.8 cm的情况，将导流能力测试过程气体流量设计为50 mL/min，高气量下气体吹扫速度为10 L/min。

3.4 裂缝导流能力计算方法

裂缝导流仪中的裂缝导流能力Kwf计算公式为

式中：K 为裂缝渗透率，μm2；wf为裂缝宽度，cm；Q 为气体流量，cm3/s；μ 为气体黏度，mPa·s；L 为导流腔长度，cm；p0为大气压力，取值为0.1 MPa；h为导流腔宽度，cm；p1，p2分别为进、出口端压力，MPa。

3.5 实验流程及操作步骤

实验流程有2条路线，分别为低速测试路1—5和高速吹扫路6—10（见图3）。具体操作步骤：1）将导流腔上下加压15 MPa，稳定15 min；2）关闭阀门B和D；3）调节氮气瓶回压阀压力至0.6 MPa，打开氮气出口阀门A，设定气体流量为50 mL/min；4）打开空气泵，开启阀门C；5）打开测试路阀门B，当出口端出现气泡时，开始记录U形压力计液柱高度；6）关闭测试路阀门B，慢慢打开吹扫路阀门D，调节出口端气体流量（即吹扫速度）为 10 L/min，吹扫时间 10 min；7）关闭吹扫路阀门D；8）重复步骤5）—7），直至U形压力计的液柱高度不再发生变化。

图3 裂缝纤维网络抗支撑剂回流实验流程

4 结果与分析

4.1 不出砂实验

为了测试不出砂实验中4种常用支撑剂在不添加纤维与添加纤维条件下的裂缝导流能力，设计铺砂浓度为12.6 kg/m2，支撑剂质量为81 g，纤维长度为6 mm，纤维与支撑剂质量比为0.010；1 500 mg/L的聚合物溶液用于润湿支撑剂及纤维，聚合物溶液的质量为支撑剂质量的10%，即8.1 g。实验结果如图4所示。

图4 不出砂实验裂缝导流能力

由图4可以看出：1）添加纤维和不添加纤维的裂缝导流能力几乎没有差别，说明纤维的添加对裂缝导流能力的影响几乎可以忽略，原因在于聚丙烯纤维直径在18～48 μm，纤维较少，不足以堵塞支撑剂颗粒之间的空隙。2）随着支撑剂颗粒筛目的增大，裂缝导流能力有逐步降低的趋势，这是因为随着支撑剂粒径的减小，支撑剂颗粒之间的空隙也减小，流体通过性降低，所以导流能力降低。

4.2 出砂实验

4.2.1 支撑剂颗粒筛目的影响

为了测试出砂实验中在添加或不添加纤维情况下，支撑剂颗粒筛目对裂缝导流能力的影响，选取4种规格的常用支撑剂，铺砂浓度为12.6 kg/m2，支撑剂质量为81 g，纤维长度为6 mm，纤维与支撑剂质量比为0.010，每隔10 min记录一次入口压力。实验结果如图5、表2所示。

图5 支撑剂筛目对入口压力的影响

表2 出砂实验中裂缝导流能力的变化

由图5、表2可看出：1）随着时间的增长，入口压力逐步降低并保持平稳，说明出砂使裂缝导流能力整体呈增大的趋势；2）相同筛目支撑剂下，纤维的存在使裂缝导流能力的增幅降低，而没有添加纤维时，高速气流冲刷造成微粒运移，初期入口压力比添加纤维的大，而后期逐步与添加纤维的趋于一致；3）不添加纤维时，气流的高速冲刷使裂缝导流能力增幅明显（超过10%），但随着陶粒筛目的增大，导流能力增幅减小；4）添加纤维的裂缝导流能力增幅急剧减小，仅为3.23%～6.24%，明显小于不添加纤维的情况；5）支撑剂粒径越大，纤维固砂效果越好，其中长庆油田现场用的20/40目陶粒与测试的龙泽20/40目陶粒导流能力变化最小。考虑到后期在长庆油田储气库进行应用效果评价，因此选用长庆油田20/40目陶粒进行下一步实验。

4.2.2 铺砂浓度的影响

为测试出砂实验中铺砂浓度对裂缝导流能力的影响，设计5种铺砂浓度，纤维长度为6 mm，纤维与支撑剂质量比为0.010，每隔10 min记录一次入口压力。实验结果如图6、表3所示。

图6 铺砂浓度对入口压力的影响

表3 铺砂浓度对裂缝导流能力的影响

由图6、表3可以看出：1）随着铺砂浓度的降低，入口压力逐渐升高，可能因为铺砂浓度越低，裂缝宽度越小，因此支撑剂嵌入比例越高，入口压力也就越高；2）当铺砂浓度小于12.6 kg/m2时，随着铺砂浓度的增大，裂缝导流能力增幅逐渐加大，在铺砂浓度为12.6 kg/m2时，裂缝导流能力增幅最大，接近5%。

4.2.3 纤维与支撑剂质量比的影响

为测试出砂实验中纤维与支撑剂质量比对裂缝导流能力的影响，设计6个质量比，铺砂浓度为12.6 kg/m2，支撑剂质量为81 g，纤维长度为6 mm，每隔10 min记录一次入口压力。实验结果如图7、表4所示。

图7 纤维与支撑剂质量比对入口压力的影响

表4 纤维与支撑剂质量比对裂缝导流能力的影响

由图7和表4可以看出：1）相同质量比下，随着吹扫时间的增加，入口压力降低，说明高速吹扫引起陶粒支撑剂内部微粒运移，导致裂缝导流能力增大；2）当质量比小于0.010时，随着质量比的增大，导流能力增幅基本稳定在4%左右；3）当质量比大于0.010时，随着质量比的增大，导流能力增幅迅速减小，稳定在2%左右。这说明质量比存在一个临界值，超过这个临界值时，纤维控砂效果明显提升，因此认为纤维与支撑剂质量比的临界值为0.010，实际应用建议0.012。

4.2.4 纤维长度的影响

为测试出砂实验中纤维长度对裂缝导流能力的影响，设计3个纤维长度，铺砂浓度为12.6 kg/m2，支撑剂质量为81 g，纤维与支撑剂质量比为0.010，每隔10 min记录一次入口压力。实验结果如图8、表5所示。

图8 纤维长度对入口压力的影响

表5 纤维长度对裂缝导流能力影响

由图8、表5可以看出：1）纤维长度的增大不会影响吹扫后裂缝导流能力的大小；2）随着纤维长度的增大，裂缝导流能力增幅逐渐减小，从4.94%降低到3.14%，降幅接近40%，可见纤维长度越大，控砂效果越好，建议不小于10 mm。

5 结论

1）不出砂实验中，聚丙烯纤维的添加对于陶粒支撑剂裂缝导流能力的影响可以忽略不计。

2）出砂实验中，支撑剂粒径越大，纤维固砂效果越好，聚丙烯纤维对20/40目陶粒支撑剂控砂效果最好；铺砂浓度为12.6 kg/m2时，裂缝导流能力增幅最大；纤维与支撑剂质量比对裂缝导流能力影响的临界值为0.010，建议0.012最佳；随着纤维长度的增大，裂缝导流能力增幅降低，纤维长度越大，控砂效果越好，建议纤维长度不小于10 mm。