液體支撐劑回流實(shí)驗(yàn)研究

朱相慧 宋莎莎 楊顯斌

(1.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331;2.長(zhǎng)慶油田公司第九采油廠，銀川 750000)

水力壓裂是油氣井的主要增產(chǎn)措施，但在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)發(fā)生支撐劑回流，影響增產(chǎn)效果。支撐劑回流主要有2種情況:一種為隨壓裂液返排的回流;另一種為生產(chǎn)過(guò)程中支撐劑回流。

支撐劑回流危害很大，會(huì)導(dǎo)致支撐縫長(zhǎng)、縫寬和導(dǎo)流能力的下降，嚴(yán)重影響壓裂效果，還會(huì)損壞井下以及地面設(shè)備。搞清楚支撐劑回流機(jī)理，預(yù)防以及控制支撐劑回流至關(guān)重要。

1 支撐劑回流機(jī)理

支撐劑回流的主要原因是由于裂縫中支撐劑填充層的松動(dòng)，支撐劑回流解釋有3種觀點(diǎn)［1］:Gidley等人認(rèn)為，支撐劑填充層的失穩(wěn)主要是由于填充層以外的自由砂對(duì)其不斷的侵蝕而造成的，縫中流體的流速越大，這種侵蝕現(xiàn)象就會(huì)越嚴(yán)重。Sparlin等人認(rèn)為，由于支撐劑的沉降，支撐劑填充層的頂部及其內(nèi)部很容易形成不規(guī)則的小通道，如果縫中流體的流速過(guò)大，則通道周圍的支撐劑顆粒就會(huì)流化，從而使小通道在支撐劑填充層中迅速擴(kuò)展，致使大面積的支撐劑回流。Bratli等人提出，支撐劑填充層在靠近射孔區(qū)域有可能形成多為半球形的砂拱，砂拱形成的不完善或遭到破壞則直接導(dǎo)致支撐劑的松動(dòng)和支撐劑的回流。

壓裂氣井在返排過(guò)程和生產(chǎn)過(guò)程中，裂縫沒有完全閉合或者裂縫中只部分填充了支撐劑，存在流動(dòng)的余地。部分支撐劑未能被裂縫壁夾住，懸浮在裂縫中，液體的回流可能將這些支撐劑帶回井筒。在地層應(yīng)力的作用下，初始產(chǎn)出支撐劑會(huì)閉合。隨著裂縫的閉合，支撐劑可能在縫中形成砂橋，支撐劑回流停止。

研究支撐劑回流的主要目的是搞清楚壓裂井支撐劑回流的原因，識(shí)別影響支撐劑回流的關(guān)鍵因素，為支撐劑回流預(yù)測(cè)做準(zhǔn)備［2］。

2 支撐劑回流影響因素

支撐劑發(fā)生回流的因素包括縫寬、排液速度、毛細(xì)管力、賈敏效應(yīng)、閉合應(yīng)力及流體黏度等。研究證實(shí)，其中敏感的因素是縫寬和閉合應(yīng)力。

縫寬是支撐劑回流現(xiàn)象中最敏感的變量。Milton－Tayer等人［3］通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在一個(gè)比較小的縫寬比范圍內(nèi)，支撐劑充填層會(huì)從穩(wěn)定過(guò)渡到不穩(wěn)定;縫寬在6倍粒徑時(shí)裂縫通常是不穩(wěn)定的［4］。這些結(jié)論都是基于不考慮其他影響因素與縫寬的相互作用，對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

閉合壓力對(duì)支撐劑回流有著重要的影響。閉合應(yīng)力變大，會(huì)增大顆粒間的摩擦力，充填層內(nèi)達(dá)到更穩(wěn)定的狀態(tài)。但閉合應(yīng)力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致支撐劑回流，因閉合應(yīng)力達(dá)到了支撐材料的名義強(qiáng)度時(shí)，部分支撐劑被壓碎，引起充填層的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，導(dǎo)致支撐劑回流。在相對(duì)低閉合應(yīng)力條件下，只有一小部分支撐劑破碎。隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，閉合應(yīng)力逐漸增大，支撐劑破碎率增加，充填層重新分布為更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

3 液體支撐劑回流實(shí)驗(yàn)

3.1 DL－2000型酸蝕裂縫導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)試驗(yàn)儀

DL－2000型酸蝕裂縫導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)儀可模擬10～120 MPa閉合壓力下進(jìn)行填砂裂縫導(dǎo)流能力測(cè)定，找出裂縫寬度與導(dǎo)流能力的關(guān)系以及閉合壓力與導(dǎo)流能力的關(guān)系。測(cè)試液體由柱塞泵來(lái)提供，待評(píng)價(jià)的支撐劑被鋪置在平板夾持器內(nèi)，加在支撐劑上的載荷由液壓系統(tǒng)來(lái)提供，溫度模擬利用加熱控溫系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，壓差利用壓差傳感器來(lái)測(cè)量，流量則利用天平來(lái)測(cè)量。

DL－2000型酸蝕裂縫導(dǎo)流能力試驗(yàn)儀可以測(cè)定支撐劑的導(dǎo)流能力、酸化壓裂液的濾失參數(shù)、酸蝕裂縫導(dǎo)流能力，還可以開展支撐劑回流實(shí)驗(yàn)。測(cè)試介質(zhì)可以是液體、氣體單相或氣液兩相。

此次試驗(yàn)所使用的API導(dǎo)流室由標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)流室改裝而成。方法為將標(biāo)準(zhǔn)API導(dǎo)流室的出口接頭卸下，更換回流專用出口接頭以連接集沙器，并且去掉導(dǎo)流室出口端的濾塞。

3.2 實(shí)驗(yàn)材料

液體支撐劑回流實(shí)驗(yàn)需要現(xiàn)場(chǎng)用支撐劑和液體。支撐劑:2040目新疆砂;液體:蒸餾水。

3.3 實(shí)驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)主要研究在室溫(20℃)條件下，這2個(gè)因素對(duì)支撐劑回流的影響。實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行4組，實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

通過(guò)改變鋪砂濃度的值，改變?cè)囼?yàn)樣品的縫寬，對(duì)比實(shí)驗(yàn)1、2、4，即可反映出縫寬對(duì)支撐劑回流的影響，通過(guò)改變上覆壓力的值，改變閉合應(yīng)力的值，對(duì)比實(shí)驗(yàn)2和3，即可反映出閉合壓力對(duì)支撐劑回流的影響。

3.4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。

(2)電氣預(yù)熱。

(3)設(shè)定實(shí)驗(yàn)樣品號(hào)及與實(shí)驗(yàn)樣品性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)。

(4)上、下游壓力傳感器、油壓傳感器、位移傳感器校零。

(5)安裝導(dǎo)流室。

(6)流程管路抽真空，差壓變送器零點(diǎn)校正，上覆壓力穩(wěn)定在3 MPa左右。

(7)壓力機(jī)加壓。

(8)實(shí)驗(yàn)測(cè)試:

①壓力機(jī)加壓達(dá)到規(guī)定上覆壓力數(shù)值并保持5～10 min后，支撐劑達(dá)到半穩(wěn)定狀態(tài)。將活塞泵流量調(diào)節(jié)至10 mLmin，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

②待系統(tǒng)天平測(cè)得流量和差壓傳感器差壓基本穩(wěn)定后，觀察集沙器以及縫寬的變化狀態(tài)，若集沙器無(wú)明顯變化，且縫寬保持不變，則進(jìn)行步驟(3)，若集沙器中液體出現(xiàn)渾濁，縫寬不穩(wěn)定或者變小，則進(jìn)行步驟(4)。

③停泵，以10 mLmin的增量升高活塞泵流量設(shè)定值，開啟柱塞泵，再次進(jìn)行步驟(2)。

④記錄透明集沙器內(nèi)液體及縫寬變化時(shí)的活塞流量值等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)束。

(9)清洗導(dǎo)流室。

(10)導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照實(shí)驗(yàn)條件，將實(shí)驗(yàn)分為2組，實(shí)驗(yàn)1、2、4研究的是出砂臨界流量值隨鋪砂濃度的變化情況(圖1)，實(shí)驗(yàn)2、3研究的是出砂臨界流量值隨上覆壓力值的變化情況(圖2)。

圖1 實(shí)驗(yàn)1、2、4的結(jié)果比較

圖2 實(shí)驗(yàn)2、3的結(jié)果比較

通過(guò)對(duì)比1、2、4組實(shí)驗(yàn)，保持閉合壓力10 MPa不變，縫寬逐漸增大，其出砂的臨界流量值越小。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)2、3，鋪砂濃度不變，即縫寬不變時(shí)，但由于閉合壓力值不同，其出砂的臨界流量值也不同，閉合壓力升高后，臨界流量值也升高，且升高幅度較大。這說(shuō)明在本次測(cè)試的較小壓力范圍內(nèi)，上覆壓力增大后，會(huì)增大顆粒間的摩擦力，使充填層更穩(wěn)定，不易導(dǎo)致回流。

支撐劑回流實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，拆開導(dǎo)流室發(fā)現(xiàn)在支撐劑充填層的出口端形成了缺口。實(shí)驗(yàn)前后的導(dǎo)流室內(nèi)支撐劑充填層對(duì)比見圖3、圖4。

圖3 試驗(yàn)前填充層

圖4 試驗(yàn)序號(hào)1、2、3、4實(shí)驗(yàn)后

若延長(zhǎng)出砂后的測(cè)試時(shí)間，拆開導(dǎo)流室后支撐劑充填層如圖5所示。隨支撐劑回流量的增加，墊片間的支撐劑填充層形態(tài)進(jìn)一步發(fā)生變化。

圖5 延長(zhǎng)出砂后測(cè)試時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

延長(zhǎng)出砂后的測(cè)試時(shí)間，支撐劑發(fā)生回流時(shí)，首先是導(dǎo)流室出口端的支撐劑流出，形成缺口。當(dāng)支撐劑開始回流時(shí)，隨著支撐劑回流量的增加，缺口逐漸變大，近缺口的支撐劑充填層表層支撐劑顆粒開始移動(dòng)，形成溝槽，隨著時(shí)間的增加，溝槽數(shù)量越來(lái)越多，溝槽長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)。

5 結(jié)論

針對(duì)支撐劑回流問(wèn)題，開展了液測(cè)支撐劑回流實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論:

(1)上覆壓力不變時(shí)，隨鋪砂濃度增大即縫寬增大，其出砂的臨界流量值越小。

(2)鋪砂濃度不變，但由于閉合壓力值不同，其出砂的臨界流量值也不同，閉合壓力升高后，臨界流量值也升高，且升高幅度較大。這說(shuō)明在本次測(cè)試的較小壓力范圍內(nèi)，上覆壓力增大后，會(huì)增大顆粒間的摩擦力，使充填層更穩(wěn)定，從而不易回流。

(3)支撐劑發(fā)生回流時(shí)，首先是導(dǎo)流室出口端的支撐劑流出，形成缺口。

(4)當(dāng)支撐劑開始回流時(shí)，隨著支撐劑回流量的增加，缺口逐漸變大，近缺口的支撐劑充填層表層支撐劑顆粒開始移動(dòng)，形成溝槽，隨著時(shí)間的增加，溝槽數(shù)量越來(lái)越多，溝槽長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)。

［1］Jim D Weaver John D Baker.Application of Surface.Modification Agent in Wells With High Flow Rates［C］.SPE53923，1999.

［2］焦國(guó)盈，裴蘋汀，戚志林，等.壓裂氣井支撐劑回流研究進(jìn)展［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，14(1):82-84.

［3］Milton T D，Stephenson C，Asigian M I.Factors Affecting the Stability of Proppant in Propped Fractures:Results of a Laboratory Study［C］.SPE24821，1992.

［4］焦國(guó)盈，王嘉淮，潘竟軍，等.壓裂井支撐劑回流預(yù)測(cè)研究［J］.海洋石油，2007，27(14):46-49.

［5］傅英，郭建春，王書彬，等.支撐劑回流室內(nèi)研究［J］.河南石油，2006，20(1):58-60.