端部脫砂壓裂防砂性能優(yōu)化設(shè)計

端部砂源壓裂防砂技術(shù)是近年來開發(fā)的一種防砂技術(shù)。該技術(shù)大大擴大了應(yīng)用范圍，成為中高滲油氣層和不穩(wěn)定松坂層的有效蓄權(quán)和防砂對策。目前結(jié)合纖維在油氣田中的應(yīng)用,又出現(xiàn)了纖維復(fù)合無篩管壓裂防砂技術(shù),使用纖維加固裂縫中的礫石層,從而避免了在井筒中使用篩管。壓裂防砂技術(shù)在澀北氣田、勝利油田等部分現(xiàn)場試驗,也取得了良好的效果。但目前關(guān)于壓裂防砂的施工參數(shù)設(shè)計缺乏系統(tǒng)的理論和方法,主要依靠經(jīng)驗和摸索完成。筆者對端部脫砂壓裂防砂的施工參數(shù)設(shè)計進行系統(tǒng)的研究,提出可行的設(shè)計方法,并在澀北氣田進行應(yīng)用。1裂縫周邊表面沉積相壓裂充填防砂是在疏松砂巖高滲透油氣層中通過水力壓裂產(chǎn)生短而寬的裂縫,然后用礫石充填,形成高導(dǎo)流能力的人工裂縫。其工藝技術(shù)核心是端部脫砂,即當水力裂縫長度和高度達到預(yù)期值時,大排量泵入低砂比砂漿,以保證礫石進入裂縫后不產(chǎn)生沉降,從而能夠到達裂縫周邊前緣后沉積(圖1)。礫石在裂縫周邊的沉積可以減緩裂縫長度的增加,并增大了裂縫內(nèi)壓力,從而加強裂縫在寬度方向上增長,最終形成短而寬的裂縫。從增產(chǎn)的角度講,對于高滲透地層,增加裂縫導(dǎo)流能力比增加縫長更有利于提高增產(chǎn)效果。在裂縫中充填礫石形成一條高導(dǎo)流能力的滲濾帶,有效地將地層壓力傳至井底,從而降低了生產(chǎn)壓差,減小了原油的滲流阻力,達到增產(chǎn)和防砂的目的。2壓裂充填井產(chǎn)能比計算方法進行端部脫砂壓裂充填防砂設(shè)計時,首先要優(yōu)選礫石支撐劑尺寸。支撐裂縫的主要特征參數(shù)包括支撐縫寬和裂縫的滲透率,兩者的乘積為裂縫的導(dǎo)流能力。為了增加產(chǎn)量,要求裂縫的導(dǎo)流能力越大越好,而提高裂縫滲透率可以達到這一目的,即在支撐劑滿足強度要求不發(fā)生破碎的情況下,粒徑越大越好。但對于壓裂防砂,裂縫中的礫石層還要起到阻擋地層砂的作用。因此,對于給定的裂縫尺寸,進行壓裂充填支撐劑選擇時,不但要考慮裂縫的導(dǎo)流能力,還要考慮支撐劑充填層的擋砂能力。無因次裂縫導(dǎo)流能力定義為Cfd=WfkfLfk.Cfd=WfkfLfk.式中,Cfd為無因次裂縫導(dǎo)流能力,Cfd>10時可實現(xiàn)標準的雙線性流;Wf為裂縫寬度,m;Lf為垂直裂縫半長,m;kf,k分別為裂縫和地層滲透率,μm2。壓裂充填井產(chǎn)能比可以使用麥克奎爾-?？死€圖版來計算。礫石層的孔喉結(jié)構(gòu)、滲透率等參數(shù)通過孔喉結(jié)構(gòu)模擬得到。從擋砂角度考慮,礫石尺寸與地層砂粒度中值之比應(yīng)大體符合Saucier規(guī)則,即礫石的粒度中值D50為地層砂粒度中值d50的5~6倍。考慮到壓裂充填防砂不同于普通的礫石充填,在高閉合壓力下容易產(chǎn)生破碎,因此礫石尺寸應(yīng)趨向于更小值。修正的Saucier方程為D50=(4~6)d50.支撐劑尺寸選擇方法和步驟為:(1)給定縫長、縫高、縫寬等裂縫幾何尺寸參數(shù);(2)給定一系列可行的礫石尺寸,計算其在給定閉合壓力下的滲透率,并模擬其孔喉結(jié)構(gòu),計算平均孔喉直徑;(3)計算全部礫石尺寸的裂縫導(dǎo)流能力、無因次導(dǎo)流能力和增產(chǎn)比;(4)根據(jù)既能阻擋地層砂又能最大程度提高產(chǎn)量的原則,選擇符合條件的礫石。3縫長及壓裂液效率計算壓裂充填防砂施工參數(shù)設(shè)計步驟如下:(1)開展脫砂前的裂縫正常延伸模擬。確定縫的長、寬、高、體積、造縫效率及井底壓力等參數(shù)隨時間的變化關(guān)系。(2)根據(jù)油層改造需要和裂縫模擬結(jié)果中的縫長與縫高的關(guān)系選擇縫長指標。(3)使用常規(guī)設(shè)計方法估算獲取縫長指標所需的時間及該時刻的壓裂液效率,用這些數(shù)據(jù)確定脫砂開始時間tso及對應(yīng)的壓裂液效率ηso。(4)確定低含砂濃度開始泵注的時間tls。(5)選擇脫砂終止時間teoj。算出teoj時刻的壓裂液效率ηeoj,需要假設(shè)尖端脫砂時支撐劑回返堵塞的距離及因而暴露出可濾滲的面積。(6)根據(jù)ηeoj,計算泵注主力攜砂液的開始時間tms。(7)計算從tms到teoj含砂濃度輪廓及充填期間加入的支撐劑量。(8)估算脫砂期間可能出現(xiàn)的施工壓力升高值。(9)核對設(shè)計是否安全,如果需要,調(diào)整設(shè)計中的假設(shè),重新進行計算。3.1裂縫砌體kla-pcr擴增受壓裂液粘度、儲層巖石和流體壓縮性以及造壁性控制的濾失系數(shù)CⅠ,CⅡ,CⅢ分別為CⅠ=5.4×10-3(kfΔpφμf)1/2,CⅡ=4.3×10-3Δp(kfCfφμf)1/2,CⅢ=0.005mA.式中,Δp為裂縫內(nèi)外壓力差,kPa;μf為壓裂液粘度,mPa·s;φ為地層孔隙度,小數(shù);Cf為油藏綜合壓縮系數(shù),(kPa)-1;m為濾失實驗中得到的直線斜率;A為濾失實驗中的巖心斷面面積,m2?？倿V失系數(shù)C為C=CⅠCⅡCⅢCⅠCⅡ+CⅠCⅢ+CⅡCⅢ.濾失速度v為v=C√t.式中,t為濾失時間,min。3.2裂縫長度的確定脫砂時間即達到要求的裂縫長度所需的時間。計算縫長與時間關(guān)系的吉爾茲瑪方程為Lf=12πQ√tΗfC,Wf=0.135(μfQL2fGΗf)0.25,G=E2(1+υ),則達到縫長Lf所需的時間tso為tso=(2πΗfLfCQ)2.式中,Q為壓裂液排量,m3/min;G為巖石的剪切模量,Pa;Hf為裂縫的高度,m;E為巖石的彈性模量,Pa;υ為巖石泊松比。若不進行關(guān)于裂縫長度的系統(tǒng)優(yōu)化,壓裂充填的裂縫半長一般為15~30m,實際現(xiàn)場施工測量得到的縫長一般為9~15m。根據(jù)PKN模型計算此時裂縫中的壓力分布為pf(x)=pc+α[160μfQLfE3Η4f(1-υ2)3]1/4.式中,pc為裂縫閉合壓力,Pa;α為常數(shù),Q取地面總排量時,α=1.26,取地面排量的1/2時,α=1.5。脫砂時刻的壓裂液效率ηso為ηso=0.01Wf0.01Wf+2Vsp+√8tsoC.式中,Vsp為壓裂液的初濾失量,m3/m2。3.3pf、vmap、狀態(tài)從開始泵注到達到要求的縫長Lf所需要的總液量Vso為Vso=Qtso.前置液體積比PF定義為前置液量與tso時刻泵入的總液量的比值,PF=(1-ηso)2+SF.前置液量為Vpad=VsoPF.式中,SF為安全因子,對于高效率壓裂液,SF取0.05左右,對于低效率壓裂液,SF取值更小;Vpad為脫砂時刻總液量中的前置液量,m3。3.4脫砂終止時間對于恒定的泵注排量,開始泵注低含砂濃度砂漿的開始時間tts為tts=tsoPF=tso[(1-ηso)2+SF].一般脫砂時間在10min左右,則脫砂終止時間ttso為(tso+10)。脫砂終止時的裂縫體積Vf為Vf=2WfHfLf.脫砂期間壓裂液的濾失量ΔVL為ΔVL=CSF(ttso-tso)1/2.此期間裂縫體積的變化為ΔVf=Q(ttso-tso)-ΔVL.脫砂終止時刻對應(yīng)的壓裂液效率ηtso為ηtso=Qtsoηso+ΔVfQttso.3.5裂縫體積vf的影響斷裂韌性S定義為當裂縫面積Af恒定時,隨著裂縫體積Vf的增加縫內(nèi)壓力升高的變化率,即S=(?p?Vf)Af.對于PKN模型,S=GπΗ2fLf.3.6含砂濃度dtso,tCs(ˉt)=Csmax(ˉt)α.其中α=1-ηtso-FDηtso,ˉt=t-tmsttso-tms.式中,FD為壓裂液的狀態(tài)因數(shù),通常取FD≤SF;Cs(ˉt)為t時刻的含砂濃度,kg/m3;Csmax為泵入的最高含砂濃度,kg/m3。3.7采砂壓wnd型支撐縫寬qpV2=Q(ttso-tms)Csmax1-α.總加砂量Vsand為Vsand=V1+V2.裂縫壁面上的平均鋪砂濃度Cp為Cp=Vsand2ΗfLf.最終支撐縫寬Wfo為Wfo=Cp(1-φp)ρp.式中,ρp為支撐劑顆粒密度,kg/m3;φp為支撐劑充填層孔隙度,小數(shù)。3.8縫寬與縫內(nèi)壓差的關(guān)系縫寬主要受巖石力學(xué)性質(zhì)、縫高及縫內(nèi)壓差的影響,而壓差與縫長、泵排量及液體性質(zhì)等因素有關(guān)?？p寬與縫內(nèi)壓差Δp的關(guān)系為Wf=2(1-υ2)EΗfΔp.對于既定油層來說,υ和E一定;當出現(xiàn)端部脫砂后,Hf不再變化,因此脫砂之后,Wf和Δp的增長呈線性關(guān)系。4砂體的預(yù)處理澀北氣田屬于疏松砂巖氣藏,高粘土、高泥質(zhì)、欠壓實。氣層極易出砂,并且出砂為粉細砂,經(jīng)過多年的防砂先導(dǎo)性試驗,目前基本確定了以高壓一次充填、壓裂充填為主的防砂工藝技術(shù)體系。端部脫砂壓裂充填防砂目前主要采用纖維復(fù)合無篩管壓裂充填防砂工藝。4.1支撐劑尺寸尺寸澀北氣田的地層砂粒度中值為0.04~0.07mm,屬于粉細砂,根據(jù)砂礫孔喉匹配規(guī)則,要達到擋砂要求,支撐劑粒度中值應(yīng)為0.24~0.42mm,采用軟件模擬計算充填礫石的平均孔喉為0.06mm,礫石層滲透率為53.74μm2,孔隙度為33.1%。無篩管防砂主要目的是阻擋地層出砂并提高氣井產(chǎn)能。因此,對于纖維復(fù)合壓裂充填防砂設(shè)計和施工,應(yīng)以提高裂縫寬度為主要目的進行支撐劑尺寸選擇。通過計算得到不同充填礫石尺寸、不同壓裂閉合壓力下的裂縫導(dǎo)流能力和壓后增產(chǎn)比的變化,見圖2。首先根據(jù)擋砂的要求,0.2~0.4mm礫石的礫砂粒度中值比為4.63,而0.3~0.6mm礫石的礫砂中值比為6.95,兩者在20MPa的閉合壓力下的增產(chǎn)比分別為1.3和1.43。從擋砂效果角度考慮,應(yīng)該選擇0.2~0.4mm的支撐劑,但由于在高壓條件下支撐劑有一定的破碎,孔喉尺寸會有所減小,因此為了得到較高的增產(chǎn)比,選擇0.3~0.6mm的支撐劑。通過模擬計算,0.3~0.6mm的支撐劑的特性參數(shù)為:平均粒度中值0.45mm,原始孔隙度34.5%,原始滲透率75.41μm2,原始平均孔喉直徑0.069mm,礫砂粒度中值比6.95,裂縫導(dǎo)流能力0.65m·μm2,增產(chǎn)比1.5。4.2網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對于擋砂劑的性能對于無篩管纖維復(fù)合壓裂防砂,纖維的選擇是一項十分重要的工作。軟纖維將儲層的細粉砂通過電荷吸附,固結(jié)為一定粒徑的較大顆粒,使細粉砂的臨界流速增大,即增加了細粉砂的啟動速度。其次,采用特制硬纖維的彎曲、卷曲和螺旋交叉,互相勾結(jié)形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),將砂粒束縛于其中,形成較為牢固的過濾體,達到與防砂篩管同樣的擋砂目的。綜合考慮其在儲層條件下的穩(wěn)定性和強度以及纖維的材質(zhì)、成本,選用了特殊的G纖維,并且對纖維的表面進行處理,增加其與樹脂的親合能力,保證纖維復(fù)合體的強度及良好的化學(xué)穩(wěn)定性。通過大量的室內(nèi)實驗,對特殊纖維抵抗酸、堿、地層水等介質(zhì)的侵蝕能力以及抗溫性能進行了評價,最終選擇G纖維中的SC-20為澀北氣田防砂纖維。實驗確定的纖維復(fù)合體主要由0.3~0.6mm樹脂涂層砂+1%~2%SC-20防砂纖維構(gòu)成。在閉合壓力20.68MPa條件下,復(fù)合體滲透率稍低于石英砂,可見圍壓對復(fù)合體的滲透率影響不大。4.3制作井,加砂帶砂防砂井以澀北氣田澀3-20井為例,進行纖維壓裂復(fù)合防砂施工參數(shù)優(yōu)化模擬計算。設(shè)計裂縫形態(tài)為垂直裂縫,造縫半長22.3m,縫高23.5m,支撐劑量15.6m3,壓裂液用量100m3,支撐縫半長21.1m,平均縫寬15.73mm,平均砂比20.1%,加砂模式為線性加砂。根據(jù)設(shè)計模型中的泵注程序,加砂濃度輪廓為階梯型變化(表1)。該井實施端部脫砂壓裂防砂施工后,