高通道壓裂非均勻鋪砂技術(shù)研究進(jìn)展

浮歷沛，張貴才，葛際江，廖凱麗，李俠清

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

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高通道壓裂非均勻鋪砂技術(shù)研究進(jìn)展

浮歷沛，張貴才，葛際江，廖凱麗，李俠清

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

高通道壓裂技術(shù)已成為開發(fā)非常規(guī)油氣資源的重要增產(chǎn)措施。非均勻鋪砂技術(shù)是高導(dǎo)流裂縫通道形成的關(guān)鍵。在系統(tǒng)調(diào)研非均勻鋪砂技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從工藝技術(shù)、壓裂液改進(jìn)技術(shù)及支撐劑表面改性技術(shù)3個(gè)方面，闡述了支撐劑“團(tuán)簇”的形成、保持與強(qiáng)化技術(shù)的最新研究進(jìn)展。指出非固化樹脂聚砂技術(shù)和降低電位聚砂技術(shù)是實(shí)現(xiàn)非均勻鋪砂的關(guān)鍵，是未來支撐劑改性的方向，并從支撐劑改性機(jī)理、技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及現(xiàn)場應(yīng)用3個(gè)方面綜述了上述2種支撐劑改性技術(shù)。分析了非均勻鋪砂技術(shù)及支撐劑表面改性技術(shù)所存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)，以期為國內(nèi)高通道壓裂技術(shù)的推廣應(yīng)用提供一種新的思路。

高通道壓裂；非均勻鋪砂技術(shù)；支撐劑表面改性；脈沖加砂；綜述

0 引 言

近年來，隨著常規(guī)油氣田的開發(fā)相繼進(jìn)入中后期，如何高效地開發(fā)致密油、頁巖氣、致密氣、煤層氣等非常規(guī)油氣資源是石油工業(yè)面臨的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。中國非常規(guī)油氣資源非常豐富，但勘探開發(fā)技術(shù)相對(duì)落后，成功開采這些油氣資源，對(duì)降低原油對(duì)外依存度、增強(qiáng)國家能源安全具有重要意義。

水力壓裂技術(shù)是開發(fā)非常規(guī)油氣資源的重要增產(chǎn)措施。提高支撐劑充填層的導(dǎo)流能力是水力壓裂設(shè)計(jì)及研究的重點(diǎn)。前人圍繞該問題先后開展了以下工作：①以降低壓裂液返排過程中對(duì)支撐劑攜帶作用為目標(biāo)的高效破膠劑研究；②以改善壓裂液返排率降低儲(chǔ)層傷害性為目標(biāo)的高性能助排劑研究；③以增大裂縫幾何體積為目標(biāo)的高強(qiáng)度、低密度支撐劑研究；④以降低支撐劑回流率、保持裂縫形態(tài)為目標(biāo)的支撐劑表面改性技術(shù)研究。但其現(xiàn)場增產(chǎn)效果遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期[1-3]。針對(duì)裂縫閉合后人工裂縫導(dǎo)流能力較低的問題，斯倫貝謝公司的研究人員在前人研究的基礎(chǔ)上，整合了加砂、攜砂、射孔、鋪砂等技術(shù)，于2010年提出了高通道壓裂技術(shù)。該技術(shù)徹底顛覆了通過改善支撐劑充填層導(dǎo)流能力來獲得高導(dǎo)流裂縫通道的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，改以往的均勻鋪砂為非均勻鋪砂，在裂縫中形成多個(gè)分散的“砂柱”，使裂縫由“面”支撐變?yōu)椤包c(diǎn)”支撐，在“砂柱”間形成具有無限導(dǎo)流能力的油氣運(yùn)移通道，最大限度地降低油氣運(yùn)移阻力，從而大幅提高油氣產(chǎn)量[4]。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，該技術(shù)已成為開發(fā)非常規(guī)油氣資源的重要手段。

非均勻鋪砂技術(shù)最早由Tinsley于1973年提出，隨后Willianm、Fast和Pugh分別在20世紀(jì)70年代進(jìn)行了幾次現(xiàn)場試驗(yàn)，但受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)，并未實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用[5-9]。作為高通道壓裂技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，非均勻鋪砂技術(shù)直接決定著高導(dǎo)流裂縫通道能否形成與長期保持，因此，開展非均勻鋪砂技術(shù)的研究可為加速高通道壓裂技術(shù)的推廣應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 工藝技術(shù)

非均勻鋪砂技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要依賴3種途徑：首先，通過采取特定的工藝技術(shù)使支撐劑實(shí)現(xiàn)“抱團(tuán)”，在井筒或裂縫中以支撐劑“團(tuán)簇”的狀態(tài)運(yùn)移；其次，通過對(duì)壓裂液性能的改善，增大其頂替攜砂能力，以阻止支撐劑“團(tuán)簇”在運(yùn)移過程中受剪切作用而發(fā)生分散；最后，通過對(duì)支撐劑進(jìn)行表面改性，賦予其聚砂性能，當(dāng)壓裂液開始破膠后，支撐劑顆粒在裂縫閉合過程中仍能以“團(tuán)簇”的狀態(tài)存在[10]。

主要通過以下工藝實(shí)現(xiàn)支撐劑“抱團(tuán)”，并使其以支撐劑“團(tuán)簇”的狀態(tài)存在于井筒及裂縫中。首先，通過脈沖加砂技術(shù)使支撐劑在地面上即被人為地分為多個(gè)支撐劑段塞。 脈沖加砂工藝原理如下：純凈壓裂液和含有支撐劑的壓裂液分別從2根管線匯入高頻轉(zhuǎn)換開關(guān)，然后流入泵車組，最后在遠(yuǎn)高于地層破裂壓力的情況下將其注入裂縫[11]。在此過程中，純凈壓裂液及含有支撐劑的壓裂液在高頻轉(zhuǎn)換開關(guān)的作用下以較高的轉(zhuǎn)換頻率交替注入，在到達(dá)井口前形成多個(gè)支撐劑段塞。其次，采用特殊的完井工藝使支撐劑段塞進(jìn)入裂縫前由支撐劑大段塞分隔為體積更小的“團(tuán)簇”。因?yàn)楸M管交替注入時(shí)能實(shí)現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換，但所形成的支撐劑段塞中支撐劑含量仍較高，裂縫閉合后可能被“壓扁”而形成均勻鋪砂。與常規(guī)壓裂中的連續(xù)大段射孔工藝不同，高通道壓裂采用多簇射孔工藝[12]。其目的在于可使攜砂液在通過套管時(shí)形成數(shù)量眾多且分布較短的進(jìn)液口。當(dāng)支撐劑段塞以較高的速度通過射孔段時(shí)，通過孔眼的篩分作用，對(duì)攜砂液實(shí)現(xiàn)分流，以多股分散液流的形式注入裂縫，實(shí)現(xiàn)支撐劑“團(tuán)簇”的二次分割。另外，多簇射孔技術(shù)還能改善支撐劑在垂向上的分布，有利于增大縫寬。

2 壓裂液改進(jìn)技術(shù)

2.1 伴注纖維

鑒于支撐劑回流控制技術(shù)中纖維對(duì)顆粒有較強(qiáng)的包裹能力，Gillard等[13]提出在含有支撐劑段塞的壓裂液中伴注纖維的方法使支撐劑在井筒及裂縫運(yùn)移過程中保持“團(tuán)簇”狀態(tài)。其機(jī)理在于纖維的加入能改變支撐劑顆粒的流變學(xué)性質(zhì)，增大砂團(tuán)的屈服應(yīng)力，減小支撐劑在壓裂液中的沉降速度，防止支撐劑在井筒中分散，同時(shí)可降低因儲(chǔ)層壁面對(duì)支撐劑“團(tuán)簇”的剪切作用而使砂團(tuán)分散的風(fēng)險(xiǎn)[14]。另外，纖維形成的相互交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)支撐劑顆粒有較好的包裹和束縛作用，在裂縫閉合后，可增強(qiáng)砂柱的穩(wěn)定性。

纖維對(duì)支撐劑顆粒的作用主要是通過物理束縛使支撐劑“抱團(tuán)”，由于未發(fā)生任何化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，因此對(duì)儲(chǔ)層傷害不大。王熙指出[15]，由于混砂機(jī)及運(yùn)移過程中的剪切作用，易導(dǎo)致纖維發(fā)生斷裂，纖維長度的減小會(huì)極大地降低其對(duì)支撐劑顆粒的包裹和束縛性能。另外，當(dāng)纖維在地層條件下發(fā)生降解時(shí)，“砂柱”就失去了束縛，在此情況下若儲(chǔ)層應(yīng)力發(fā)生周期變化，則會(huì)引起支撐劑回流、油氣運(yùn)移通道減小和裂縫縫寬變小，從而導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力降低[16]。

2.2 增大壓裂液黏度

支撐劑“團(tuán)簇”在井筒及裂縫中運(yùn)移時(shí)，由于井筒及儲(chǔ)層壁面的剪切作用，導(dǎo)致支撐劑“團(tuán)簇”可能會(huì)發(fā)生分散，無法形成分散連續(xù)的“砂柱”，減少油氣運(yùn)移通道；同時(shí)也可能出現(xiàn)支撐劑聚并，段塞消失，導(dǎo)致裂縫閉合時(shí)支撐劑以均勻鋪砂的形式支撐裂縫。針對(duì)純凈壓裂液段塞無法很好地分隔支撐劑段塞的問題，Inyang[9]通過大幅提高純凈壓裂液的黏度研究了純凈壓裂液對(duì)攜砂液的分隔作用。結(jié)果表明，增大純凈壓裂液的黏度，使其遠(yuǎn)高于攜砂液的黏度，能夠改善純凈壓裂液對(duì)支撐劑段塞的分隔作用，保證支撐劑在運(yùn)移過程中以“團(tuán)簇”形態(tài)存在。

3 支撐劑表面改性技術(shù)

3.1 非固化樹脂聚砂技術(shù)

3.1.1 改性機(jī)理

Pope[17]早在1987年就已研究將樹脂覆膜支撐劑技術(shù)用于控制支撐劑回流。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，形成了以環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、呋喃樹脂及糠醛樹脂等為覆膜劑的預(yù)固化樹脂覆膜支撐劑技術(shù)和液體樹脂覆膜支撐劑技術(shù)，在控制支撐劑回流方面均取得了較好的效果。Copper等[18]以水溶性樹脂為主劑制備了支撐劑水基表面改性劑，在不添加固化劑的情況下，對(duì)支撐劑進(jìn)行表面改性。通過流動(dòng)沖砂實(shí)驗(yàn)，得出該非固化水溶性樹脂仍能達(dá)到與可固化樹脂覆膜支撐劑相同的支撐劑回流控制性能，另外，依靠非固化樹脂的黏性作用，還能有效阻止微粒運(yùn)移，保持裂縫清潔。Vo等[19]研究了將非固化樹脂與可固化樹脂復(fù)配體系用以處理支撐劑回流及改善充填層的導(dǎo)流能力，由于可固化樹脂的引入，支撐劑充填層的導(dǎo)流能力大幅提高。

Nguyen等[20]首先提出使用聚酰胺類非固化樹脂對(duì)支撐劑進(jìn)行表面改性處理。該樹脂是一種新型可再生的聚酰胺類共聚物(主要成分為脂肪酸與聚胺的共聚物，其分子質(zhì)量約為50 000 g/mol)，對(duì)人體無害，對(duì)環(huán)境友好。此類共聚物不溶于原油及儲(chǔ)層中的其他流體，且具有較好的耐酸堿能力。通過對(duì)加入聚酰胺樹脂前后壓裂液特性的變化進(jìn)行研究，指出壓裂液的流變性并未發(fā)生明顯改變，此類表面處理劑與壓裂液具有較好的配伍性。當(dāng)表面改性劑涂敷于支撐劑表面后，由于石英砂表面的親水性，極性主鏈在支撐劑表面鋪展，同時(shí)相鄰顆粒表面覆膜層的疏水支鏈相互纏繞，形成濃密的疏水支鏈“團(tuán)簇”。此時(shí)，相鄰的碳原子相互鍵合，形成獨(dú)特的“分子鉤鎖系統(tǒng)”，這樣的結(jié)構(gòu)使改性支撐劑呈現(xiàn)內(nèi)部“抱團(tuán)”、外部 “吸引”的特性。

非固化樹脂涂層在支撐劑顆粒表面的錨定主要依靠3類作用：①靜電作用。通常支撐劑帶負(fù)電，而聚酰胺類樹脂帶正電，依靠靜電作用可使樹脂親水基團(tuán)在砂粒表面錨定，這種情況通常極易發(fā)生，但由于靜電作用形成的錨定基團(tuán)相對(duì)較弱，不穩(wěn)定，易受到外力的影響。②氫鍵作用。樹脂中的極性基團(tuán)能夠與砂粒表面的硅羥基形成氫鍵，從而牢牢地吸附于顆粒表面，氫鍵作用強(qiáng)于靜電作用力，可得到穩(wěn)定的覆膜層。③化學(xué)鍵作用。在支撐劑砂粒表面首先涂覆偶聯(lián)劑，使其包覆于砂粒表面，樹脂類改性劑可與偶聯(lián)劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成牢固的化學(xué)鍵，此類錨定作用最為穩(wěn)定，但難點(diǎn)在于優(yōu)選合適的偶聯(lián)劑[21-23]。

Vo和Nguyen[24]指出，適用于通道壓裂的支撐劑表面改性聚砂劑是指易在石英砂支撐劑表面吸附、覆膜層使顆粒具有一定的黏聚性、在儲(chǔ)層溫度和壓力下不發(fā)生硬化或固化的樹脂類物質(zhì)。覆膜支撐劑由于樹脂的黏性作用，會(huì)使支撐劑牢牢地“抱團(tuán)”，防止其在隨壓裂液注入過程中由于剪切作用而發(fā)生分散，同時(shí)亦可吸附儲(chǔ)層中的粉砂微粒。另外，由于其非固化的特性，支撐劑“團(tuán)簇”還有一定的變形能力，可以有效避免在通過射孔孔眼時(shí)發(fā)生脫砂。

3.1.2 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

(1) 聚砂性。Inyang[9]使用聚酰胺樹脂(支撐劑與樹脂的比例為100∶3～100∶6)對(duì)粒徑為0.425～0.850 mm的石英砂支撐劑進(jìn)行涂層處理，通過比較不同時(shí)刻改性支撐劑在壓裂液中懸浮狀態(tài)下的體積變化，研究聚酰胺樹脂覆膜支撐劑在壓裂液中的聚集特性，即保持支撐劑“團(tuán)簇”的性能。利用平板裂縫模型研究了在0.69 MPa下交替注入純凈壓裂液和含有改性支撐劑的壓裂液時(shí)，支撐劑在裂縫中的分布規(guī)律，指出脈沖加砂工藝過程中改性支撐劑在裂縫中仍是以“團(tuán)簇”的狀態(tài)存在，具有較好的黏聚性能。

隨后，通過研究脈沖加砂時(shí)改性支撐劑在全尺寸裂縫模型中的運(yùn)移及分布規(guī)律，指出改性支撐劑仍能形成多個(gè)相互分離的“團(tuán)簇”。另外，對(duì)比未處理支撐劑在裂縫內(nèi)的分布，可知非固化樹脂覆膜支撐劑在縱向上分布更為均勻，壓裂液排出后更有利于保持縱向縫寬。該技術(shù)改常規(guī)水力壓裂的均勻鋪砂為非均勻鋪砂，在“團(tuán)簇”間留有一段空間的支撐劑真空帶，可大幅降低壓裂過程中支撐劑的消耗量，有效地降低壓裂費(fèi)用。

(2) 裂縫自清潔性。Vo[19]等使用可固化樹脂和增黏劑以適當(dāng)比例混合后對(duì)支撐劑進(jìn)行改性，制得具有相當(dāng)強(qiáng)度且能在運(yùn)移過程中保持“團(tuán)簇”的改性支撐劑。由于其表面黏性樹脂層的吸附作用，能夠有效吸附儲(chǔ)層微粒，從而保持裂縫滲流通道的暢通性，即表面改性后的支撐劑賦予充填層優(yōu)異的自清潔性。同時(shí)，暢通的運(yùn)移通道亦能增大壓裂液破膠后的返排率，降低壓裂液中聚合物對(duì)儲(chǔ)層的傷害。

(3) 降低支撐劑性能要求。Inyang等[25]對(duì)5種不同性能的支撐劑進(jìn)行樹脂覆膜處理并將其制備成圓柱狀砂柱，然后將其按照不同的排布方式放入裂縫導(dǎo)流室中，進(jìn)行導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)。通過研究閉合壓力、縫寬、鋪砂濃度、砂柱幾何布置方式與裂縫導(dǎo)流能力的關(guān)系得出，只要支撐劑“團(tuán)簇”未發(fā)生分散或聚并，并在裂縫閉合后以分散“砂團(tuán)”的形式充填于裂縫中，則支撐劑在高閉合壓力下因發(fā)生破碎而產(chǎn)生的影響可以忽略，使用性能相對(duì)較差的支撐劑亦能達(dá)到相同的導(dǎo)流能力，這對(duì)降低壓裂成本具有重要意義。同時(shí)，Inyang也對(duì)低性能支撐劑做了如下定義，即不符合常規(guī)水力壓裂API標(biāo)準(zhǔn)的支撐劑，主要是指磨圓率低、抗壓強(qiáng)度低、粒度分布寬的一些非石英砂類礦石，例如沙漠砂、海灘砂等，此類顆粒通常具有較低的導(dǎo)流能力。

(4) 疏水表面特性。Weaver指出[26]，樹脂在支撐劑表面吸附后，由于其極性基團(tuán)與砂粒表面的硅羥基發(fā)生作用，非極性基團(tuán)向外伸展，會(huì)在支撐劑表面形成高分子疏水膜。疏水膜的存在使壓裂液中的親水大分子不易吸附在支撐劑顆粒表面，使壓裂液返排更徹底，一定程度上減少了大分子對(duì)儲(chǔ)層的傷害。另外，Weaver 和Nguyen[27-28]指出，疏水表面能夠有效抑制生產(chǎn)流體對(duì)支撐劑的侵蝕作用，同時(shí)能夠有效抑制支撐劑表面發(fā)生成巖作用，延長支撐劑在充填層中的使用期限，使裂縫保持長期有效。

3.1.3 現(xiàn)場應(yīng)用

2013年在埃及Abu Roash油田進(jìn)行了基于非固化樹脂聚砂技術(shù)的非均勻鋪砂試驗(yàn)。Abu Roash儲(chǔ)層為晚白堊紀(jì)地層，7個(gè)含油層主要為石灰?guī)r，中間包含著頁巖夾層。在加砂階段，將非固化樹脂作為壓裂液添加劑直接加入攜砂液，通過機(jī)械攪拌作用使樹脂吸附到支撐劑表面，然后與純凈壓裂液交替注入井筒。同時(shí)，逐級(jí)增大攜砂液中支撐劑(砂)含量(其中每個(gè)砂比下交替注入13個(gè)支撐劑段塞)，直至尾追支撐劑段塞時(shí)含砂量達(dá)到798 kg/m3(支撐劑粒徑為1.0～1.7 mm)，以降低近井地帶的阻流效應(yīng)。其中，每個(gè)脈沖周期是由10 s的純凈壓裂液段塞和30 s的支撐劑段塞構(gòu)成。分析壓裂過程中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可知，脈沖加砂過程中支撐劑段塞的濃度上升較快，并無延遲現(xiàn)象，壓力及濃度數(shù)據(jù)均表明，地面控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地完成閥門的開啟和關(guān)閉，在非固化樹脂的作用下，支撐劑顆粒能在輸送過程中以“團(tuán)簇”狀態(tài)運(yùn)行，順利通過射孔孔眼，并被泵入裂縫。通過分析壓裂液返排速率，指出在非固化樹脂的聚砂作用下更有助于實(shí)現(xiàn)非均勻鋪砂，形成高導(dǎo)流裂縫通道。另外，與常規(guī)水力壓裂相比，采用非固化樹脂覆膜改性后的支撐劑用量減少了35%[9]。

3.2 降低電位聚砂技術(shù)

3.2.1 改性機(jī)理

Kakadjian和Zamora[29]于2007年提出一種全新的支撐劑改性思路。通過使用一種ZPAS體系(Zeta Potential Altering System)對(duì)支撐劑進(jìn)行處理，使其能夠在液體環(huán)境中自發(fā)聚集，當(dāng)壓裂液破膠后迅速自聚形成砂團(tuán)，由于純凈壓裂液的分隔作用，更有利于實(shí)現(xiàn)非均勻鋪砂。

ZPAS體系主要包括2種成分。其中主劑為一種低分子質(zhì)量的內(nèi)鹽，當(dāng)與支撐劑或儲(chǔ)層等表面接觸時(shí)，能夠快速地吸附于基質(zhì)表面。另外，還包含一種滲透性較強(qiáng)的醇類，其作用主要包括2個(gè)方面：一是作為主劑的溶劑，二是破壞支撐劑顆粒表面的水膜，使主劑能夠快速地完成覆膜[30]。

ZPAS技術(shù)的作用機(jī)理是：通過改變支撐劑顆粒表面的Zeta電位，使顆粒在液體中的穩(wěn)定性降低，從而發(fā)生聚集。Zeta電位可用來評(píng)定膠體體系的穩(wěn)定性，一般來說，Zeta電位越高，顆粒分散體系越穩(wěn)定。通常認(rèn)為水相中顆粒分散穩(wěn)定性的分界線是+30 mV或-30 mV，即當(dāng)所有顆粒都帶有高于+30 mV或低于-30 mV的Zeta電位時(shí)，則該分散體系相對(duì)較穩(wěn)定，若顆粒的Zeta電位在-30～+30 mV時(shí)，顆粒分散體系穩(wěn)定性降低，顆粒會(huì)發(fā)生聚沉等現(xiàn)象。Singh通過測(cè)定ZPAS體系處理前后石英砂支撐劑顆粒Zeta電位的變化，指出ZPAS體系能顯著降低砂粒表面電位至-20～+20 mV范圍，且隨著自聚劑用量的增大而降低。此時(shí)排斥力減小，范德華力增大，顆粒表現(xiàn)出絮凝和自聚行為[31]。

2016年Treybig[32]研制了一種基于有機(jī)聚合物和酯類物質(zhì)的第3代無污染ZPAS聚砂劑。該體系為牛頓流體，便于現(xiàn)場施工泵注。同時(shí)其賦予改性支撐劑砂團(tuán)較好的黏彈性，從而使其易于通過孔眼，降低出現(xiàn)端部脫砂的風(fēng)險(xiǎn)。另外，對(duì)比分析指出，經(jīng)該體系改性后的支撐劑具有更強(qiáng)的自聚性能，同時(shí)熱穩(wěn)定性可達(dá)176 ℃。

3.2.2 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

(1) 自聚性。ZPAS是基于降低顆粒表面Zeta電位賦予支撐劑在液體中的自聚行為。Mason等通過對(duì)支撐劑處理前后的微觀形貌進(jìn)行分析(圖1)，并未發(fā)現(xiàn)類似非固化樹脂的黏性物質(zhì)使支撐劑顆粒黏連聚集，亦無類似纖維束縛支撐劑的框架結(jié)構(gòu)，從微觀層面驗(yàn)證了ZPAS改性支撐劑實(shí)現(xiàn)聚砂不是依靠黏聚和束縛聚集，而是一種全新的自聚行為。由于支撐劑顆粒間無黏性覆膜層，因而不會(huì)對(duì)支撐劑充填層的滲透性產(chǎn)生影響。該體系不但能使石英砂支撐劑具有自聚行為，陶粒支撐劑處理后在壓裂液中也可自聚，同樣煤粉、砂巖顆粒、碳酸鹽巖顆粒等儲(chǔ)層微粒經(jīng)ZPAS體系處理后在水中也能表現(xiàn)出很好的自聚性能，可以用來處理儲(chǔ)層，防止儲(chǔ)層微粒運(yùn)移所引起的滲透率降低等危害。

圖1 改性前后支撐劑表面變化

(2) 重復(fù)自聚性。ZPAS改性支撐劑具有較好的重復(fù)自聚性，即若將自聚砂柱振散并在液體中放置一段時(shí)間后，砂粒能夠再次自聚形成砂團(tuán)。生產(chǎn)過程中流體沖刷及地層應(yīng)力的變化，會(huì)造成支撐劑破碎及運(yùn)移，導(dǎo)致油氣運(yùn)移通道堵塞，導(dǎo)流能力降低，而再聚性能夠使發(fā)生運(yùn)移的顆粒再次自聚形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，對(duì)保持支撐劑充填層的導(dǎo)流能力具有重要作用。

(3) 在線制備。該體系具有油水不溶性，但可在水中分散成微小液滴，且極易吸附于砂粒表面，因此，可作為水基壓裂液或油基壓裂液的添加劑，在添加支撐劑階段在線使用，簡化施工操作，降低成本。通常的使用量為3‰～5‰。如要將在井口聚集的儲(chǔ)層微粒推至天然裂縫或裂縫的前端，使其遠(yuǎn)離井眼，建議用量為6‰～10‰。

(4) 增大充填層的導(dǎo)流能力。ZPAS體系增大充填層導(dǎo)流能力的原因主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①靠電性作用使顆粒自聚，砂粒間無黏性物質(zhì)，不影響滲透性；②顆粒在發(fā)生自聚時(shí)，并不是完全朝著一個(gè)方向聚集，因此，在整個(gè)聚集體中會(huì)形成很多微小聚集體，這些微小聚集體間必定會(huì)形成很多的“空穴”孔隙，增大孔隙度；③單分子涂層改善顆粒表面的粗糙度，支撐劑充填層非達(dá)西系數(shù)降低，壓降減小；④自聚重復(fù)性能夠使支撐劑碎屑及儲(chǔ)層微粒重新得到定位，使其不會(huì)在低滲透率和低孔隙度區(qū)域形成橋塞，并保持裂縫的幾何形態(tài)；⑤ZPAS涂層能降低支撐劑顆粒的表面張力，并增大接觸角，能夠降低支撐劑充填層的毛細(xì)管壓力，增大裂縫的導(dǎo)流能力。

3.2.3 現(xiàn)場應(yīng)用

2010年在某一區(qū)塊煤層氣井進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，其中有13口井采用纖維壓裂技術(shù)，另外有11口井壓裂時(shí)使用ZPAS體系對(duì)支撐劑進(jìn)行處理。纖維壓裂后平均單井增產(chǎn)6 513.6 m3/d，平均提高了3.4倍，而ZPAS處理的11口井平均單井增產(chǎn)11 186.4 m3/d，平均提高了5.0倍。可以看出，與纖維處理技術(shù)相比，降低電位聚砂技術(shù)更有利于高通道壓裂技術(shù)中非均勻鋪砂的實(shí)現(xiàn)，并可顯著提高增產(chǎn)效果。

4 存在問題與發(fā)展趨勢(shì)

由于非均勻鋪砂技術(shù)可使裂縫閉合后形成以支撐劑“砂柱”為支撐的裂縫，形成具有無限導(dǎo)流能力的油氣運(yùn)移通道的特點(diǎn)，決定了高通道壓裂技術(shù)能夠顯著改善水力壓裂效果，實(shí)現(xiàn)油藏大幅增產(chǎn)。但目前國內(nèi)對(duì)于非均勻鋪砂技術(shù)的研究和應(yīng)用處于起步階段，仍存在一些問題及難點(diǎn)，有必要研究適合國內(nèi)油藏特性及壓裂技術(shù)特點(diǎn)的非均勻鋪砂技術(shù)，主要包括以下幾個(gè)方面。

(1) 由于高通道壓裂技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用并不廣泛，相應(yīng)的脈沖加砂裝置及完井、壓裂施工流程并不成熟，現(xiàn)場施工工藝流程可借鑒經(jīng)驗(yàn)欠缺。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)混砂、加砂、返排等方面的施工設(shè)備及相關(guān)配套工藝的研究，提出切實(shí)可行的工藝參數(shù)，以期為該技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

(2) 通過表面改性使支撐劑具有一定的聚集行為是一種新興的支撐劑改性技術(shù)，然而目前關(guān)于支撐劑聚集性能的評(píng)價(jià)仍以定性觀察為主，尤其是對(duì)于支撐劑聚集體聚集強(qiáng)度的評(píng)價(jià)多依賴主觀經(jīng)驗(yàn)判斷，尚無定量的評(píng)價(jià)方法。因此，應(yīng)根據(jù)改性支撐劑的聚砂特性及支撐劑砂團(tuán)的力學(xué)特點(diǎn)，建立統(tǒng)一的定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。

(3) 支撐劑表面改性劑是支撐劑聚砂技術(shù)處理的關(guān)鍵，目前改性劑種類單一，適用范圍相對(duì)狹窄。因此，應(yīng)根據(jù)中國油藏特點(diǎn)，在已有支撐劑改性機(jī)理的基礎(chǔ)上，研制出適用于不同油藏條件及施工工藝(預(yù)覆膜、在線添加、尾追注入等)的支撐劑改性劑。

(4) 在此基礎(chǔ)上，開展對(duì)具有聚集行為的改性支撐劑在井筒和裂縫中的運(yùn)移規(guī)律、受力數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)調(diào)控方法的研究，完善非均勻鋪砂技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成適應(yīng)國內(nèi)油藏特點(diǎn)的高通道壓裂技術(shù)。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1) 經(jīng)過近幾年的發(fā)展，高通道壓裂技術(shù)已經(jīng)成為開發(fā)非常規(guī)油氣資源的重要增產(chǎn)措施，中國高通道壓裂技術(shù)的研究和應(yīng)用雖晚于國外，但發(fā)展迅速，在開發(fā)低滲透油藏方面已獲得了廣泛的應(yīng)用。

(2) 目前非均勻鋪砂技術(shù)的研究重點(diǎn)主要是脈沖加砂工藝的優(yōu)化、改善壓裂液攜砂頂替作用的添加劑的研究、具有聚砂性能的支撐劑表面改性劑的研制。國內(nèi)大多以脈沖加砂及伴注纖維的方式實(shí)現(xiàn)非均勻鋪砂，在支撐劑表面改性方面的研究尚屬空白。

(3) 非固化樹脂聚砂技術(shù)和降低電位聚砂技術(shù)是支撐劑表面改性方面發(fā)展的新技術(shù)。該技術(shù)能強(qiáng)化支撐劑的非均勻鋪置，使裂縫由“點(diǎn)”支撐變?yōu)椤懊妗敝?，?shí)現(xiàn)高通道壓裂。此外，該技術(shù)還可應(yīng)用于解決支撐劑回流、保持裂縫穩(wěn)定等方面的問題。因此，非固化樹脂聚砂技術(shù)和降低電位聚砂技術(shù)必將成為未來支撐劑改性研究的新方向。

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編輯 劉兆芝

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.05.001

20160411；改回日期：20160710

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“納米粒子與表面活性劑的協(xié)同效應(yīng)對(duì)提高原油采收率的影響”(51474234)、“開關(guān)型氣溶性起泡劑的構(gòu)建及其對(duì)二氧化碳驅(qū)的調(diào)控行為研究”(51574266)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目“高通道壓裂自聚性支撐劑研究”(24720156031A)、“致密油氣藏壓裂過程中濾餅生成機(jī)理研究”(247201506035A)

浮歷沛(1988-)，男，2010年畢業(yè)于長江大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)為中國石油大學(xué)(華東)油氣田開發(fā)工程專業(yè)在讀博士研究生，研究方向?yàn)橛筒卦霎a(chǎn)及低滲儲(chǔ)層改造。

TE357.1；TE39

A

1006-6535(2016)05-0001-07