新型自懸浮壓裂支撐劑的應(yīng)用

黃博，熊煒，馬秀敏，張雪，王蓉

（中國石化華東分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇南京210031）

新型自懸浮壓裂支撐劑的應(yīng)用

黃博，熊煒，馬秀敏，張雪，王蓉

（中國石化華東分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇南京210031）

目前常規(guī)的水力壓裂一般由凍膠壓裂液和支撐劑兩部分組成，壓裂施工流程復(fù)雜，凍膠殘渣對地層傷害大，施工成本較高。新型自懸浮支撐劑壓裂技術(shù)利用支撐劑表面可水化分子涂層的溶脹、潤滑、增黏作用，實現(xiàn)支撐劑與壓裂液合二為一的突破，簡化施工流程，減少儲層傷害，降低壓裂成本。對新型自懸浮支撐劑的自懸浮、溶脹、防膨、破膠性能及裂縫導(dǎo)流能力等進行了室內(nèi)實驗研究，并進行了自懸浮支撐劑壓裂技術(shù)礦場試驗。研究結(jié)果表明，自懸浮支撐劑壓裂工藝技術(shù)降本增效效果顯著，具有良好的應(yīng)用前景。

自懸浮支撐劑；可水化分子涂層；壓裂支撐劑；水力壓裂

目前低滲透儲層壓裂采用的方式主要是配制壓裂液，然后由壓裂液攜帶支撐劑進入地層，進行儲層改造[1-3]，施工工藝比較復(fù)雜。使用的壓裂液以凍膠壓裂液為主，該種壓裂液通過在水中加入大量的增稠劑（水溶性高分子）增加其自身的黏彈性，因此，存在壓裂成本較高、儲層傷害嚴重等不足[4-6]。自懸浮支撐劑綜合了壓裂液和普通支撐劑的特性，在油氣田壓裂改造的過程中，采用自懸浮支撐劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓裂支撐劑，利用清水代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓裂液，實現(xiàn)壓裂作業(yè)中攜砂液增稠劑的零添加，進而省去常規(guī)壓裂的配液過程和設(shè)備，同時，增稠劑的去除也降低了壓裂對儲層的傷害以及壓裂成本。通過室內(nèi)實驗，對自懸浮支撐劑的性能進行了分析評價，并對自懸浮支撐劑壓裂技術(shù)進行礦場試驗，降本增效效果顯著。

1 技術(shù)原理

自懸浮支撐劑由硬質(zhì)骨料（即傳統(tǒng)支撐劑）和表面的可水化分子兩部分組成。自懸浮支撐劑綜合了壓裂液和普通支撐劑的特性，但也絕不是壓裂液和傳統(tǒng)支撐劑的簡單結(jié)合。表面的可水化分子遇水快速溶脹，在支撐劑內(nèi)核周圍形成穩(wěn)固的水化層，如圖1所示。水化層的出現(xiàn)降低了支撐劑在水中的密度，增加了支撐劑之間的潤滑性。與此同時，支撐劑表面少量有機分子伸展于水溶液中，增加了水的黏度。兩者的協(xié)同作用，使得自懸浮支撐劑不借助增稠劑就能輕易地在清水中長時間懸浮。

圖1 自懸浮支撐劑技術(shù)原理Fig.1Technical principles of self suspending proppant

2 性能分析

2.1 自懸浮性能

自懸浮支撐劑與傳統(tǒng)支撐劑最主要的區(qū)別就是其自身可以不借助增稠劑在清水中懸浮。實驗分析了自懸浮支撐劑在常溫以及加熱狀態(tài)下，懸浮起來以及完全沉降下去所需要的時間，分析結(jié)果如表1所示。

表1 自懸浮支撐劑自懸所需時間Table 1Suspension time of self suspending proppant

從實驗結(jié)果分析可知，砂比越高，自懸浮支撐劑懸浮起來所需的時間越短，完全沉降所需的時間越長，加熱狀態(tài)比常溫狀態(tài)下自懸浮支撐劑懸浮起來所需的時間短，完全沉降下來所需要的時間也比常溫狀態(tài)下所需的時間短。

將35%砂比自懸浮支撐劑液體在75℃加熱條件下進行動態(tài)攪拌，動態(tài)懸浮情況如圖2所示。

圖2 自懸浮支撐劑動態(tài)懸浮Fig.2Dynamic suspension of self suspending proppant

從動態(tài)懸浮的實驗結(jié)果看出，自懸浮支撐劑在剪切狀態(tài)下的懸浮性能良好。

2.2 溶脹性能

自懸浮支撐劑與普通支撐劑相比，之所以能在清水中懸浮，一個主要的原因就是是其表面的涂層在水中可以溶脹，形成穩(wěn)固水化層，從而使支撐劑體積增大，密度減小。室內(nèi)研究了自懸浮支撐劑在不同水質(zhì)水中的體積溶脹情況，分析其懸浮性能在不同水質(zhì)中的不同，實驗結(jié)果如表2所示。

表2 自懸浮支撐劑在不同水質(zhì)的水中的體積溶脹倍數(shù)Table 2Volume swell multiples of self suspending proppant in different water quality

從實驗結(jié)果可以看出，自懸浮支撐劑在低礦化度水中的溶脹性能很好，隨著礦化度的增加，自懸浮支撐劑的溶脹體積倍數(shù)減小，自懸浮性能變差。

2.3 防膨性能

自懸浮支撐劑表面涂層含有特殊的化學(xué)物質(zhì)，與普通支撐劑相比，其在水中溶脹后，具有一定的防膨性能。實驗研究黏土分別在清水、自懸浮支撐劑溶液以及防膨劑中的膨脹率，分析自懸浮支撐劑的防膨性能，結(jié)果如表3所示。

從實驗結(jié)果可以看出，自懸浮支撐劑溶液砂的防膨率為52.2%，防膨效果良好，在現(xiàn)場施工時，可以減少防膨劑的用量，甚至不用額外添加防膨劑。

表3 自懸浮支撐劑防膨性能Table 3Anti-swelling properties of self suspending proppant

2.4 基液黏度

取35%砂比壓裂液砂子沉降后的上部液體進行基液黏度分析，在常溫下測得其黏度為60 mPa·s，在70℃條件下，其黏度為50 mPa·s。

2.5 破膠性能

將35%砂比的自懸浮支撐劑在70℃的實驗條件下，加入0.03%的過硫酸銨，分析其破膠后的性能，并與濃度為0.40%的瓜膠壓裂液破膠情況進行對比，結(jié)果如表4所示，破膠前后壓裂液形態(tài)如圖3所示。

圖3 破膠前后自懸浮支撐劑壓裂液形態(tài)對比Fig.3Form contrast before and after gel breaking of self suspending proppant

表4 自懸浮支撐劑破膠后性能Table 4Performance after gel breaking of self suspending proppant

從實驗結(jié)果分析可知，自懸浮支撐劑在破膠后黏度較低，破膠較徹底。

2.6 導(dǎo)流能力

自懸浮支撐劑液固一體化技術(shù)提高了支撐劑的懸浮能力，但自身通過傳統(tǒng)破膠劑的破膠作用后也保持了較高的導(dǎo)流能力。圖4給出了20/40目自懸浮支撐劑破膠后在不同閉合壓力下對水相和油相的導(dǎo)流能力，并與傳統(tǒng)支撐劑進行了對比。

圖420 /40目支撐劑導(dǎo)流能力對比Fig.4Conductivity contrast of 20/40 mesh self suspending proppant

從圖4可以看出，自懸浮支撐劑與傳統(tǒng)支撐劑經(jīng)過破膠處理后，無論對油相還是水相的導(dǎo)流能力幾乎沒有差別。

2.7 其它理化性能

自懸浮支撐劑的其它理化性能如表5所示。

3 現(xiàn)場試驗

自懸浮支撐劑現(xiàn)場施工可直接用清水加砂，用較低的排量注入，能有效控制縫高，較好地解決部分井低排量加砂難等問題。

自懸浮支撐劑壓裂技術(shù)作為新型的壓裂方法在蘇北某油井以及湖南某氣井試驗均取得成功。

3.1 油井壓裂試驗

試驗井為蘇北油田阜三段一口直井，壓裂層段為2 373.3～2 376.7 m，層厚3.4 m。壓裂層段測井解釋為差油層，孔隙度為20.1%，滲透率為50.5×10-3μm2。壓裂施工排量為2.4～2.6 m3/min，用液量為153.87 m3，20/40目自懸浮支撐劑10.39 m3，壓后日增油6.87 t，綜合含水3%，產(chǎn)量為該區(qū)塊平均產(chǎn)量的3倍，如圖5所示。

表5 自懸浮支撐劑理化性能Table 5Physical and chemical properties of self suspending proppant

圖5 蘇北某油井自懸浮支撐劑壓裂壓后生產(chǎn)曲線Fig.5Production curves after fracturing by self suspending proppant of some oilfield in North Jiangsu

3.2 氣井壓裂試驗

試驗井為一口水平定向探井，最大井斜位于977.1 m，井斜67.2°，直井段0～420.40 m（井斜角0°～1.49°），增斜段420.40～763.94 m（井斜角2.64°～59.8°），水平段763.94～1 411 m（井斜角57.7°～67.2°）。壓裂施工分5段進行酸壓加砂壓裂，壓裂施工排量為2.6 m3/min，用酸液400 m3，活性水582.6 m3，20/40目自懸浮支撐劑75 m3，壓后日產(chǎn)氣量增加約600 m3。

如果利用線性膠攜帶傳統(tǒng)支撐劑（陶粒或者樹脂覆膜砂）的壓裂工藝對此氣井進行壓裂，攜帶75 m3支撐劑需要膠液750 m3（按砂比10%計算）。每立方米線性膠（增稠劑含量0.3%）的配置價格按500元，攜帶自懸浮支撐劑的活性水（助排劑含量0.2%）按100元計算，則利用自懸浮支撐劑進行壓裂施工直接節(jié)省的壓裂液成本為：750×500-（702.6-120）×100= 316 740（元）。

4 認識

1）自懸浮支撐劑壓裂技術(shù)實現(xiàn)了壓裂液與支撐劑合二為一的突破，增稠劑的去除，減少了壓裂對儲層的傷害，簡化了施工流程，降低了壓裂成本。

2）自懸浮支撐劑各項性能良好，現(xiàn)場試驗表明其經(jīng)濟效益以及工藝效果突出，實現(xiàn)壓裂作用對儲層的微傷害，可以在常規(guī)油氣田以及頁巖氣的開采中推廣應(yīng)用。

[1]姜瑞忠，蔣廷學(xué)，汪永利，等.水力壓裂技術(shù)的近期發(fā)展及展望[J].鉆采工藝，2004，26（4）：52-53.

[2]劉讓杰，張建濤，銀本才，等.水力壓裂支撐劑現(xiàn)狀及展望[J].鉆采工藝，2003，26（4）：31-32.

[3]董國慶，路軍都，楊福成，等.低滲透小斷塊油田改善開發(fā)效果的主要措施[J].內(nèi)蒙古石油化工，1999，25（3）：158-160.

[4]劉彥學(xué)，王寶峰，劉建坤.壓裂液對低滲砂巖氣藏的水敏性傷害實驗研究[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41（1）：70-72.

[5]鄺聃，李達，白建文，等.低滲致密砂巖氣藏低傷害壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報，2013，35（1）：149-151.

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（編輯：嚴駿）

Application of novel self suspending fracturing proppant

Huang Bo,Xiong Wei,Ma Xiumin,Zhang Xue and Wang Rong
(Petroleum Engineering Technology Research Institute,East China Company,SINOPEC,Nanjing,Jiangsu 210031,China)

The current conventional hydraulic fracturing generally composed of gel fracturing fluid and proppant,and the fracturing construction process is complex.Gel residue on the formation damage is serious,and the cost of construction is high.The novel self suspending proppant fracturing realized the combination of the proppant and the fracturing fluid by the role of swelling,lubrication and tack producing of the water molecular coating on proppant surface,which simplify the construction process,reduce the reser?voir damage and reduce the fracturing cost.The suspension property,swelling property,anti swelling properties,gel breaking per?formance and fracture conductivity of the novel self suspending proppant were studied in the laboratory.The fracturing technology was also tested in field.The research results show that the self suspending proppant fracturing technology has obvious effects on de?creasing cost and increasing efficiency and great prospect of application and extension.

self suspending proppant,water molecular coating,fracturing proppant,hydraulic fracturing

TE357.12

A

2014-10-27。

黃博（1986—），女，助理工程師，采油工藝。