压裂防砂技术综合研究与应用

压裂防砂技术的综合研究与应用
摘要：在高升油田开采过程中发现，油井出砂具有很大的危害性，轻者可以影响油井的正常生产，重者可以使油井报废。

因此，在开采过程中必须采用有效的防砂措施。

目前对射孔井最常用防砂方法主要是化学固砂和管内井下砾石填充，虽然有比较好的防砂效果，但都有比较低的产量，严重制约了油井的生产，不能从根本上解决油井出砂的问题。

关键词：防砂出砂机理压裂压裂防砂
1、油气井出砂的原因
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）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。

（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。

（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、压裂防砂的原理
压裂防砂的实质就是采用端部脱砂技术使携砂液在裂缝端部脱砂，然后膨胀与充填裂缝，形成短而宽的高导流能力渗流通道。

该技术是在一定缝长的前端形成砂堵，阻止裂缝延伸，获得较宽的裂缝和较高的砂浓度，达到提高导流能力的目的。

具有改造油层与防砂的双重作用，防砂有效期长、效果持久。

3、如何进行压裂填充砂
3.1、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。

3.2、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。

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。

主要压裂液有：常规线性凝胶液、硅硼酸交胶液、有机交胶液等。

目前应用的主要体系是瓜尔胶、羟丙基瓜尔胶、羧甲基一羟丙基瓜尔豆胶或羧甲基羟乙基纤维素的锆酸盐和钛酸盐络合物。

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、压裂防砂的现场实践
6.1、低温地层井
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。

针对这一问题，我们采用的办法是：正常的压裂防砂施工结束以后，马上进行热洗，补充地层温度，使地层温度达到树脂砂软化固化的温度。

6.2、套变井
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。

对于此
类井，我们选取了能下压裂填砂管柱的井采取以下措施：
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。

6.3、注水井的压裂
与油井的压裂防砂不同的是，注水井的防砂不但要阻止地层砂由于反吐进入井筒内，而且还要防止由于长期流水的冲刷作用造成的地层砂向远井地带运移，使地层深部堵塞，地层孔隙度和渗透率都下降，最终影响注水效果。

针对注水井的出砂机理与防砂机理，在地层压开之后，填砂过程应分以下三个步骤进行：
1、第一批填砂为树脂预包砂，该批砂在地层深部固化之后，可以阻止地层砂向深部运移，堵塞地层。

2、第二批填砂为石英砂。

该批砂在地层起到支撑作用，提高渗透率。

3、第三批砂为树脂预包砂，该批砂在近带固化之后，阻止地层砂反吐到井筒内。

6.4、施工效果
由于该工艺施工井次较多，数据繁多，下面仅列出10口井的施工前后效果对可见，压裂防砂的增产与防砂效果均很好。

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）采用树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。

参考文献：
[1]宋友贵，纪朝风，李怀文。

压裂充填综合防砂技术的研究与应用。

石油钻探技术。

[2]郭津春，赵金洲，庞长渝。

高渗油层压裂充填裂缝模拟评价研究。

钻采工艺。