项目名称：压裂防砂技术研究与实验负责单位：吐哈油田分公司开发事业部承担单位：吐哈油田分公司吐鲁番采油厂吐哈石油勘探开发指挥部钻采工艺研究院2003年9月负责单位负责人：金志鹏承担单位负责人：周自武刘建伟承担单位具体负责人：王宇宾刘兆江目录一、问题的提出 (3)二、油井出砂状况机理分析与评价 (6)三、压裂防砂技术原理及特点 (8)四、国内外技术状况 (10)五、压裂防砂工艺技术研究 (11)六、适合压裂防砂的支撑剂优选 (17)七、低伤害压裂液的研究与优选 (18)八、前期压裂防砂现场试验总结分析 (22)九、压裂防砂试验下部工作安排 (25)一、问题的提出吐哈油田雁木西油田和鲁克沁稠油油田都存在一个共同的问题，即油井出砂严重，影响了正常生产。

雁木西油田储层中孔低渗，岩性以细砂岩为主，中孔细喉道，平均孔径58.2mm，孔吼直径均值8.04mm，胶结疏松。

投产初期油井自喷产能低，出砂较严重，储层出砂造成了严重的地层伤害。

采用烧结防砂筛管防砂后，见到了较好的防砂效果，但不能完全满足防砂稳产要求。

同时，采用防砂管防砂其有效期一般都不长，粉细砂在井筒中逐渐堆积，使油井产量越来越低。

鲁克沁稠油油田表现更加突出，由于地层出砂的影响，油井采油时率低，检泵周期很短，采用TBS防砂管有效期短，地层产能下降快。

以鲁2井为例，鲁2井是鲁克沁区块的一口探井，试油时曾大量出砂，其中目前生产层（2341～2377m）共出砂0.56m3，日产稠油23.3m3/d。

而其上层（2290～2320m）出砂达4.3 m3，日产稠油13.8m3/d，日产水16.4m3/d。

试油时累计出砂5.0m3。

1998年挤水泥封堵（2290～2309.37m），1998年9月投产2341～2377m，产量一直在18m3/d以上，不出砂。

生产15个月之后，掺稀泵泵压偏高，于1999年12月25日进行第一次检泵作业。

发现单流阀入口4孔中有3孔被胶皮、碎石、油泥等杂质严重堵塞。

投产后由于某些原因不能正常生产，1月28日该井再次上修。

检查抽油泵被卡死，油井口袋内沉地层砂约32升。

从开始作业至此，共产液18.72m3，折算采油砂比0.17%。

试抽出液后开井生产48h后由于抽油杆不下行，光杆再次变形。

此间产液37.76m3。

2月14日起原井杆柱，在1300m处发现断脱。

改起油管，起完管柱检查发现泵座以上有5根油管被砂堵死，取砂样为细粉砂，砂量约200L。

抽油泵被卡死，拉杆不能推入泵内。

下冲砂管柱探得砂面深度：2379.37m，已接近油层下界（2377m），冲砂总进尺12.74m，砂量约253L，加上油管内地层砂共453L。

而此间共产液37.76m3，折算采油砂比1.2%。

29日下入防砂管柱，接在管脚下部。

3月1日开井，出油量偏少，2日不出油停井，两天合计出产稠油8.8 m3。

3月3日起管杆柱，检查发现泵被砂卡，防砂管柱未起到好的防砂作用。

冲砂后下入防砂管式泵生产。

15日光杆突然不下行，被迫再次停井。

冲砂作业冲出地层砂约500L，折算采油砂比0.9%。

2000年4月6日在油管尾部接75m金属球烧结防砂筛管完井，并调小冲程至4m，开井初期产量14-15m3/d，后逐步降为5m3/d，功图测试表明供液不足，但液面测试显示液面在500-600m，可见，防砂管存在堵塞，渗流能力下降，导致油管内供液不足。

为增大防砂管内外压差，改善防砂管渗流能力，5月份又将冲程调回到5m，结果并不理想。

产量仍徘徊在5-6m3/d。

至5月23日，空心抽油杆突然堵塞，关井。

这一阶段开井31天，生产稠油277.66m3，未发生卡泵现象。

2000年8月冲砂检泵，下入TBS防砂管40m，但生产不到一天发生砂卡泵停井，最下部4根防砂管被砂子堵死，油井停产。

出砂情况统计见表1。

鲁2井自2000年4月采用粉末冶金防砂筛管防砂失败后基本没有生产。

2000年8月采用TBS筛管防砂，但生产不到1天，又发生砂卡泵，最后4根防砂管被堵死，再一次关井停产。

分析认为，鲁2井这次防砂失败的主要原因是封隔器悬挂位置太低，上层出砂进入防砂管及抽油泵引起。

表1 鲁2井出砂情况统计表因此，研究试验新的防砂方法，在防砂的同时尽量不降低地层产能，保持这类油田的高效开采。

压裂防砂是把水力压裂的增产效果与防砂充填的工艺优点结合起来，同时完成水力压裂与砾石充填作业。

其技术成功的关键在于采用“端部脱砂”（Tso：Tip Screenout）技术。

此项技术的作业实施可以概括为两个阶段：①形成水力裂缝并促使其发生端部脱砂；②裂缝扩展并进行再充填。

压裂防砂不仅有明显的增产作用，同时，压裂防砂井的情况与单一防砂井不同，由于渗流速度较低，按相同产率而言，压裂防砂井可在压差较小情况下生产，而且在投产后地层应力并不释放，所以压裂防砂在增产的同时实现了防砂；另外，压裂防砂把增产措施与防砂作业结合在一体进行，与压裂增产措施和防砂作业比较不仅缩短了占井时间，同时降低了作业费用，提高了经济效益。

雁木西油田雁6块油藏具第三系储层岩性以细砂岩为主，占50.5%，粉砂岩占24.8%。

岩石类型为长石岩屑砂岩。

碳酸盐胶结物含量9.7%，泥质胶结物含量7.2%。

胶结方式为孔隙式胶结（58%）和基底胶结（42%），点式接触为主，胶结程度较弱，地面岩心用手稍微加压即粉碎，预测认为地层极易出砂。

储层渗透率8.1—300×10-3μm2，空隙度22%，为中孔中渗油藏。

吐玉克油田自然产能低，玉东2井和玉东101井压裂后裂缝导流能力低，增产效果不明显，鲁2井采用涂层陶粒防砂试验，措施后地层仍然出砂，没有取得预期防砂效果。

端部脱砂是水力压裂提高裂缝导硫能力有效办法，吐玉克油田地层渗透率较高，胶结疏松，通过压裂防砂既能实现压裂增产目的，又可达到防砂效果。

二、油井出砂状况机理分析与评价油层出砂是由于井底附近地带的岩石结构破坏所引起，与岩石的胶结强度及开采条件等有关。

岩石的胶结强度主要取决于胶结物的种类、数量以及胶结方式，通常砂岩的胶结物主要为粘土、碳酸盐和硅质三种，以硅质胶结物的强度最大，碳酸盐胶结次之，粘土胶结最差。

对于同一类型胶结，胶结物含量愈多、胶结强度越大，储层越不易出砂。

吐哈已开采油田均为低渗透砂岩储层，以粘土胶结为主，胶结物含量一般为15%左右。

各油田在开采过程中油井不出砂。

鲁克沁和雁目西油田储层声波时差340～370μs/m，在地层出砂临界声波时差295～395μs/m的范围之内，地层存在出砂的可能性。

尤其是油层见水后，由于部分胶结物的溶解，岩石胶结强度降低，会造成油层出砂。

用于预测储层出砂的方法及经验公式较多，采用常用的出砂指数法、斯伦贝谢比法、声波时差法等经验方法分析预测油井出砂状况。

①出砂指数法出砂指数法是在合理生压差条件下，对油井出砂进行预测。

计算公式为：ρrB=--------------×105Δt2B——出砂指数，×104MPa；ρr——岩石密度，g/cm3；Δt——纵波声波时差，μs/m当B>2.0MPa时，储层不会出砂；当1.5<B<2.0MPa时，储层出砂；当B<1.5MPa时，储层出砂严重。

②斯伦贝谢比法斯伦贝谢比法也是在合理生压差条件下，对油井出砂进行预测。

计算公式为：D(1-2μ) (1+μ) ρrR=-----------------×(-------)2(1-μ)2Δt2D——常数，1.65×1017；μ——泊松比；当R大时，表示岩石强度大，稳定性好，不会出砂；反之，则易出砂，对于一般砂岩R大于37.1×106时，一般不会出砂。

③声波时差法近年来，常用声波时差Δt来预测储层出砂，当Δt>295μs/m ,油层有可能出砂,现场经验对油层出砂时声波时差临界值定为295～395μs/m. 鲁克沁雁目西油田储层声波时差340～370μs/m，,储层存出砂的可能性。

根据储层出砂预测，结合试采井生产动态，认为鲁克沁稠油井和雁目西油田生产过程中将会出砂。

特别是大压差生产时，将会造成油井出砂。

三、压裂防砂技术原理及特点压裂防砂技术是九十年代迅速发展起来的一种复合防砂技术。

对胶结疏松的高渗透油（气）层既进行水力压裂，又进行砾石充填，将二者的优势有机地结合，这是近年防砂工艺的最重要的进展——突破了原来疏松砂岩地层不能进行压裂的禁区。

它改变了传统的防砂技术无法增产的观念。

由于压裂产生了高导流能力的裂缝，既能消除近井地层损害，又能大大改善地层深部渗流条件同时，支撑剂（砾石）的充填又保留了了原有砾石充填防砂有效性的特点，使油（气）井在实施压裂充填防砂后，不仅控制了出砂，而且还获得显著增产。

压裂充填防砂的基本原理是在井底形成短而宽的高导流能力裂缝，降低流动阻力，增加产能；在井底形成双线性流模式，降低流体的流速和携砂能力，以减缓出砂；裂缝内砾石支撑带形成具有多级分选过滤功能的人工井壁，起到挡砂滤砂作用，从而达到防砂目的。

压裂充填的目的是得到短而宽的高导流能力的支撑裂缝，既防砂又增产，达到这一目的的关键技术是端部脱砂(TSO)。

主要技术原理如下：(1)压后地层流体流动特征发生改变压裂前，均质地层流体进入井筒的流动为径向流；压裂后地层流体的流动为两种模式，先是地层内部向裂缝面流动的线性流，然后是流体沿裂缝直接进入井筒，形成双线性流模式。

(2)水力裂缝可以避免和缓解岩石的破坏具有极高导流能力的压裂裂缝将地层流体由原来的径向流转变成双线性流，在一定程度上降低了生产压差和大幅度降低流动压力梯度。

从而缓解或避免岩石骨架的破环，也就缓解了出砂趋势和程度。

(3)裂缝可以降低流动冲刷携带砂粒的能力流体对颗粒的冲刷与携带能力主要取决于其流速，流速越大，对地层的冲刷作用越厉害，出砂就越严重。

由裂缝而产生的双线性流模式及巨大的裂缝表面积可以发挥良好的分流作用，使压后流速大幅降低，从而降低了对地层微粒的冲刷和携带作用，大大减轻出砂程度。

表2中数据清楚说明了这一点。

表2 存在裂缝时地层流体流速对比(4)裂缝内充填的砾石对地层砂粒有阻挡作用作用原理与常规的砾石充填类似，裂缝内充填的砾石对地层砂粒有阻挡作用。

有时可以使用树脂复膜砂作为支撑剂或以复膜砂在井底缝口段封口，以提高对地层砂的阻挡能力。

四、国内外技术状况国外哥伦比亚采用石英砂脱砂压裂，加砂量11t，用液量32m3，压后采油指数由10提高到15，压后正常生产没有出砂。

阿拉斯加海上McArthur油田Hemlock油藏，岩性弱胶结砂岩，渗透率1--400×10-3mm2，孔隙度5--15%，生产过程中出砂。

压裂前置液60.3m3,携砂液59m3,支撑剂20t,加砂浓度31t/m3,最大填砂浓度9.76kg/m2,增产0.9倍，年递减由12.5t/d/a将到3t/d/a。