讲课：压裂防砂

压裂防砂工艺技术一、压裂防砂技术形成的背景压裂作为一项增产工艺早已在低渗油气藏得到广泛应用，技术十分成熟。

而将压裂工艺大规模应用于高渗透胶结疏松的软地层作为防砂完井措施却是九十年代的事，并且发展迅猛，很快为石油工业界广泛接受，有的石油公司已经作为首选的防砂完井技术。

目前，在全世界范围内，压裂充填（frac-pack）防砂施工井数与日俱增，（每年递增数百口井），而且，施工井数已占其它各类防砂井总数的50%，可见在防砂领域中地位举足轻重，显示出广阔的发展前景。

为什么压裂防砂如此受到市场青睐，发展如此迅猛呢？下面就其发展历程及形成背景做一简单回顾。

1、传统的防砂方法的缺陷二十世纪以来，伴随石油工业的高速发展，各类防砂方法/技术应运而生，日趋成熟，在疏松砂岩油气藏的开发过程中发挥了巨大的作用。

不管是机械防砂或是化学防砂方法，在一定时期内都能控制地层出砂，但总是以牺牲油（气）井部分产能为代价。

有些方法，产量下降幅度甚至高达70%～80%。

这是因为，所有防砂方法其控砂机理或是胶固地层（化学法）或是桥堵过滤（机械法），总是增加了近井地带的流动阻力，即提高了井筒表皮阻力系数，从而使产量下降（若保持相同的生产压差），对原来已存在近井伤害（堵塞）的井产量下降幅度更大，严重时根本不出油。

这是多年来防砂现场实践不争的事实。

然而，原来的认识是：这是为了维护油气井正常生产（控砂生产）而不得不付出的代价，这对高速发展油气田十分不利。

在目前以追求最大经济效益的目标相距甚远。

最成功最有效的防砂效果应该是既控制出砂又获高产，以获取最大经济效益。

而目前传统的防砂方法是无能为力的，只能实现控制出砂，而无法实现高产，即最大限度地发挥储层潜力。

这是传统的防砂方法的固有缺陷。

能否实现油（气）井既高产又控制出砂呢？压裂充填防砂技术的诞生发展及实践给出了肯定的回答。

2、传统的压裂工艺由低渗地层向中高渗地层的延伸/转变众所周知，压裂技术是针对低渗油（气）藏的一项有效的增产技术。

由于在地层内形成了一条具有高导流能力的支撑裂缝，从根本上改善了油层流体流向井底的渗流阻力，从而在相同的生产压差条件下使产量显著上升（通常2～３倍），充分发挥了油层潜力使低渗油（气）藏能够高速高效地开发。

而对高渗透地层，特别是胶结疏松的砂岩地层，传统的观念认为：地层的渗透率已经很高（数百到数千毫达西），没有必要进行压裂改造，即使改造也收效甚微。

以后的压裂的实践使人们发现：对已经造成近井地带严重伤害的油层，实施压裂改造，效果很好。

近井堵塞被解除，良好的渗流条件被恢复，油井重新获得高产。

因此，压裂工艺被延伸用于高渗透地层，但一般仅限于解堵型压裂，以恢复产能。

3、针对疏松地层的特殊压裂工艺---------端部脱砂压裂多年来的防砂实践证明：为了获得最佳的防砂效果，对已经大量出砂严重亏空的地层（后来这一条件也被取消），必须进行地层预充填，即向油井周围地层内大量挤入高渗透的石英砂（砾石）或树脂涂层砂，在井筒周围建立起可靠的高渗透挡砂屏障，改善近井流动阻力，并延长防砂有效期。

这一措施已经作为各服务公司的防砂指南，确是一项弥补产量损失的有效措施。

但是，专家却提醒施工者：进行地层预充填时，最高泵压不允许超过地层破裂压力。

理由是一旦超过破裂压力，将使岩石骨架破坏，导致出砂加剧，影响防砂效果。

这实际上是一个认识的误区。

诚然，当泵压超过破裂压力后，岩石会发生破坏形成裂缝（水力造缝），使骨架砂大量脱落，而地层砂一旦与充填砂混合后，渗透率急剧下降（见图1）。

这对防砂和采油十分不利。

但是如果有意识地提前造缝，随着裂缝的延伸和液流的冲刷，可将地层砂推向裂缝远端，而随后充填的石英砂（支撑剂）支撑已形成的水力裂缝，情况就大不相同了，地层砂不可能与充填砂（支撑剂）在缝内发生严重的混合，而缝内主要存在的是脱水后的高渗透的支撑剂。

支撑裂缝是一条液流的新的高速通道。

这一观念基于传统的水力压裂理论，同样应该适用于高渗透地层。

只不过由于胶结疏松，地层强度低，滤失好等特殊性，如何建立水力支撑裂缝则需要采取特殊的工艺措施，但这属于另外的研究范畴了。

在防砂施工中，地层预充填的泵压有时（无意识地）已超过地层破裂压力了，即已经造缝了，并且随后填入的石英砂支撑了裂缝，这些井的生产效果都意外地好。

这也给人们暗示：压裂可以在防砂中取得良好的工艺效果。

进入80年代以后，这种创新的想法----------即把压裂和砾石充填相结合的技术----------端部脱砂压裂技术，首次由Smith等人公开发表，研究建立了一整套实现端部脱砂的压裂充填数学模型，才将中高渗透油藏的压裂推上了工业应用阶段。

90年代初期，对端部脱砂压裂的研究日益深入，各类商用软件相继出现。

现场施工井数不断增加，技术日渐成熟。

到94年以后，在美国墨西哥湾、阿拉斯加州的普鲁德湾，在欧洲的北海油区，在非洲的尼日利亚，在亚洲的印度尼西亚、越南等地已广泛地在高渗透疏松砂岩中开展压裂充填防砂作业，以后迅速延伸到出砂的气藏，形成了工业规模，取得了举世瞩目的效果。

端部脱砂压裂防砂工艺是压裂增产技术在高渗地层的重要发展，具有里程碑的意义。

同时又是一种崭新理念的防砂方法，是防砂观念和工艺的重要突破，为疏松砂岩油气藏防砂开辟了新的途径，为提高出砂油层的经济效益提供了先进的技术手段。

二、端部脱砂压裂技术的防砂机理地层出砂的原因在于地层岩石结构的破坏，为说明压裂裂缝对出砂的控制作用，首先介绍岩石破坏的机理及与出砂的关系。

1、岩石破坏机理通常，由应力作用引起的岩石破坏机理有四种：拉伸破坏、剪切破坏、粘结破坏和孔隙坍塌。

当作用于井眼的有效应力达到或超过岩石抗张强度时会发生拉伸破坏。

作用于井眼的有效应力等于生产压差。

在生产过程中，由水平两向主应力差别和生产压差的作用产生剪切应力场，生产压差增大，剪切应力也增大，当剪切应力超过岩石的剪切屈服极限时，产生剪切破坏。

岩石的粘结破坏和流动冲刷作用有关，当流体流动速度增大时，流动压力梯度（或流动阻力）增大，当压力梯度超过颗粒间的粘结强度时，颗粒开始脱离岩体，并在液流的携带下向井底运移。

孔隙坍塌和岩石的抗压强度有关。

当孔隙压力下降时，孔隙内外的有效压应力增大。

当有效压应力超过其抗压强度值时，出现孔隙坍塌破坏。

近井地带的岩石破坏通常和上述几种破坏机理均有关系，而地层内部的岩石破坏主要受后两种破坏机理的影响。

岩石破坏产生了大量脱落的颗粒，在液流携带下流向井底，导致大量出砂。

2、裂缝对缓解或避免岩石破坏的作用通过对岩石破坏机理的描述可以看出，岩石的几种破坏机理均和生产压差或流动梯度有密切关系。

由于高渗透裂缝的解堵作用及双线性流动作用机理，即使对中高渗透油藏，成功的压裂仍可使油井的产能提高2～3倍；井底污染堵塞严重的井，压裂增产倍数还会更高。

如果保持压裂前后相同的产量，压后生产压差可以降低2倍以上，流体流动压力梯度会有更大幅度的降低。

如果要较大幅度地提高产量，保持压前压后相同的生产压差，压后流体流动压力梯度也远远低于压前的压力梯度。

这是因为：（1）压前流体的径向流动特征和井底污染堵塞因素决定了生产压差中的大部分压力降分布在近井地带较小的范围内，局部压力梯度较大。

（2）压后流体的双线性流动特征及裂缝的穿透解堵作用，大大减小了近井地带的压力降和压力梯度，较长的裂缝使生产压差在一个较大渗透范围内分摊，从而使每处的压力梯度均保持一个较小的值。

图2是压裂前后生产压力降分布示意图。

上面讨论的是压前压后保持相同产量生产和维持相同压差的两种特殊情况。

更多的情况是介于两者之间，即适当降低生产压差的同时维持一定的增产幅度和较长的有效期。

具有高导流能力的压裂裂缝在穿透井底污染堵塞带的同时，将地层流体由原来的径向流形式转变双线性流形式（见图3），不但可以达到增产目的，而且可以适当降低生产压差和较大幅度地降低压力梯度，从而缓解或避免了岩石骨架的破坏，也缓解了出砂趋势和出砂程度。

3、裂缝对降低流体携带微粒能力的作用这种作用仍然基于双线性流动机理，流体对地层微粒的冲刷携带能力，在流体粘度不变的情况下主要取决于流动速度的大小。

对于压前的径向流动，随着流体向井底的积聚，流动速度越来越大。

径向流速表达为：or r rh Q V π2=-------------------------(1) 压后的双线性流动形式决定了具有较大面积的裂缝面对流体有很好的分流作用，从而大大降低流速。

压后流向裂缝的平均流速可表示为：f o x h Q V 4=------------------------(2) 由式（1）和式（2）可得压后压前的流速比：fr r x r Q Q V V 2π⨯=-------------------(3) 上述关系式中：V r 、V ············ 压前和压后流体流速，m/d 或m/minQ r 、Q ············ 压前和压后产量，m 3/dh o ·················· 油层有效厚度，mr ··················· 以井底为圆心的同心圆半径，mx f ·················· 压裂裂缝半长，m由式（３）可以计算考察几种有代表意义的情况下压后和压前流速的定量比例关系，见表１。

由表1可知，对于适合中高渗透油藏30～50m 缝长的常规短裂缝情况下，当压后产量是压前的2倍时，压后流体流向裂缝的速度比压前井壁处（r=0.1m ）的流速降低了100倍以上，比压前r=1.0m 处的流速降低了10倍以上，比压前r=5.0m 处的流速也降低了2倍以上。

很明显，压前径向流动的高流速区主要在近井地带；即使距井底5m处的流速仍高于压后最大流速（靠近裂缝处）的1倍以上。

裂缝所形成的双线性流动形式发挥了很好的分流作用，从而大大降低了流体对地层微粒的冲刷携带作用。