水力壓裂低密度支撐劑鋪置規(guī)律研究及應用

梁瑩， 羅斌， 黃霞

（中石化西南石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，四川德陽618000）

水力壓裂的首要目標是經(jīng)濟有效地建立油氣從地層到井底的高導流能力通道，從而提高油氣井的產(chǎn)量[1-2]。常規(guī)支撐劑密度較大，沉降速率較快，在大厚度儲層中，支撐劑往往沉降到裂縫下部，難以對整個裂縫進行有效支撐，造成裂縫有效高度受限。而低密度的支撐劑有助于降低支撐劑在裂縫內(nèi)的沉降速率，盡量使支撐劑在裂縫閉合前處于懸浮狀態(tài)，從而起到優(yōu)化支撐劑鋪置剖面，充分改造目的儲層，提高壓裂增產(chǎn)效果的目的[3-4]。

在壓裂過程中如果支撐劑分布不合理或全部沉降到裂縫底部，會嚴重影響裂縫的導流能力和壓裂的增產(chǎn)效果[5-8]。支撐劑在人工裂縫中的鋪置情況對作業(yè)的成功與否至關(guān)重要。對支撐劑沉降和運移情況的預測是設計和評價水力壓裂措施的關(guān)鍵所在。研究支撐劑在裂縫中的運移規(guī)律，不但可以對施工排量和砂比等參數(shù)進行優(yōu)化，選擇合適的壓裂液體系和支撐劑體系，還可以有效地控制縫高。如果支撐劑沉降和運移規(guī)律的分析是基于不正確的假設，就會導致在壓裂設計中做出錯誤決定[9-13]。目前，中國對壓裂過程中關(guān)于支撐劑運移和鋪置規(guī)律的研究多是在理論方面開展，多憑經(jīng)驗或是軟件模擬來指導現(xiàn)場施工，很少有實驗方面的研究。筆者使用可視化平板裂縫模擬裝置，研究了低密度支撐劑在不同類型的流體介質(zhì)、排量、砂比等條件下的鋪置情況，并計算出支撐劑運移規(guī)律，從而優(yōu)化出合理的支撐劑鋪置方式，提高壓裂的效果和成功率。

1 實驗材料及設備

1.1 實驗材料

支撐劑（粒徑為0.355～0.450 mm，密度為1.45 g/cm3），攀枝花秉揚科技開發(fā)有限公司；HPG（羥丙基瓜膠），東營施普瑞石油工程技術(shù)有限公司。

1.2 實驗儀器

可視化平板裂縫模擬裝置，由壓裂液配制裝置、泵入裝置、大型可視平板裂縫等組成。裝置主體采用透明的有機玻璃，2端設置注入井和采出井，可以觀察、演示支撐劑鋪置和運移分布情況。儀器的攜砂液砂濃度范圍為0～700 kg/m3，支撐劑粒徑范圍為0.45～0.9，0.355～0.66，0.154 mm，泵注最大排量為6 m3/h，縫網(wǎng)裝置參數(shù)：縫寬為8 mm，長度為4 000 mm，高度為600 mm，溫度為室溫。

2 低密度支撐劑鋪置規(guī)律研究

2.1 低密度砂堤鋪置實驗研究

選取清水、0.08%HPG基液、0.3%HPG基液，流體介質(zhì)黏度分別為1、3、9 mPa·s。其在不同排量和砂比下的砂堤鋪置實驗見表1。由表1可知，第1組實驗，由于清水在小排量（1 m3/h）條件下攜砂性較差，低密度支撐劑未形成砂堤，其他實驗由于排量較大或體系黏度較高，低密度支撐劑形成有效的鋪置剖面。支撐劑砂堤形態(tài)主要受流體排量和流體黏度控制。當流體黏度小時，如在清水介質(zhì)中，需要在大排量條件下（排量為4～6 m3/h），支撐劑才能形成較好的砂堤，排量低（小于2 m3/h）容易造成砂堵；當流體黏度增大時，如在0.3%HPG基液中，則低排量下（小于2 m3/h），支撐劑才能形成較好的砂堤，大排量條件下（排量大于4 m3/h），支撐劑在后端集中，不利于形成較好的鋪置剖面。所以在壓裂設計中，當支撐劑種類確定后，需要充分考慮流體排量和流體黏度，以形成較好的支撐劑鋪置剖面。使用低密度支撐劑時，在較低流體排量和流體黏度下就可以形成較好的支撐劑鋪置剖面，降低了壓裂施工壓力。

表1 不同流體介質(zhì)、不同排量條件下砂堤鋪置實驗

2.2 低密度支撐劑運移規(guī)律分析

砂堤形成模型可以簡化為支撐劑垂直運移和水平運移共同作用的結(jié)果。根據(jù)數(shù)據(jù)記錄及分析，以某一支撐劑團為研究對象，計算不同實驗條件下支撐劑的垂直運移速度和水平運移速度，計算結(jié)果見表2。由表2可知，在同一體系中，隨著排量增大，支撐劑的水平運移速度增大，垂直運移速度減小，這是由于排量增大時，流體介質(zhì)對支撐劑的“擾動”作用增強，同時支撐劑顆粒之間的相互碰撞增多；在相同排量時，由于流體介質(zhì)的黏度增大，支撐劑在基液中懸浮能力增強，其垂直運移速度減小，即支撐劑的沉降速度減慢，在壓裂裂縫閉合前處于懸浮狀態(tài)，有效地鋪置在裂縫中，避免造成砂堵或壓裂裂縫閉合。

表2 不同實驗條件下支撐劑的運移速度

將同一體系中的水平運移和垂直運移速度對縫口流速作圖，結(jié)果見圖1和圖2。由圖1的擬合數(shù)據(jù)可以看出，縫口流速增大時（即排量增大時），支撐劑垂直運移速度呈線性減小，這說明支撐劑顆粒不再遵循Stokes定律，即在垂直方向上不是自由沉降，而是由于支撐劑顆粒之間碰撞和流體介質(zhì)的擾動作用增強，使支撐劑在沉降過程中出現(xiàn)“波動”狀態(tài)。由圖2的擬合數(shù)據(jù)可以看出，縫口流速較小時（小于0.5 m/s），支撐劑水平運移速度增長量較快；縫口流速較大時（大于0.5 m/s），支撐劑水平運移速度增長量減緩，這說明支撐劑顆粒之間碰撞增加，而且與裂縫壁面碰撞更加頻繁，損耗了支撐劑顆粒的動能。結(jié)合表2可以看出，在0.08%基液中，排量在4 m3/h時，砂堤鋪置較好，砂堤較高；而在0.3%基液中，排量在1～2 m3/h時，砂堤鋪置較好，砂堤較高。同一種流體，排量增大時，有效縫高降低。所以在現(xiàn)場施工中，通過調(diào)整基液黏度和排量，控制有效縫高。

圖1 0.08%和0.3%基液垂直運移擬合圖

圖2 0.08%和0.3%基液水平運移擬合圖

3 低密度支撐劑現(xiàn)場應用

目前已完成3口井低密度支撐劑現(xiàn)場應用試驗，應用層位為沙溪廟組。低密支撐劑為秉揚30/50目69 MPa（體積密度為1.44～1.47 g/cm3），3口井平均砂比在14%～20%之間，基液黏度在12～17 mPa·s，設計支撐裂縫總高度為62 m，施工排量在3.5～5.1 m3/min，施工成功率100%。低密度支撐劑現(xiàn)場應用情況見表3。

表3 低密支撐劑應用井和鄰井壓裂測試情況對比

由表3可知，低密度支撐劑應用井的平均無阻流量為28.015×104m3/d，常規(guī)支撐劑井的平均無阻流量為14.652×104m3/d，是常規(guī)井的1.91倍。通過研究低密度支撐劑鋪置規(guī)律，優(yōu)化施工工藝參數(shù)，使低密度支撐劑在川西中淺層應用效果良好，具有廣闊的推廣前景。

4 結(jié)論

1．支撐劑砂堤形態(tài)主要受流體排量和流體黏度控制。當流體黏度小時，需要在大排量條件下，支撐劑才能形成較好的砂堤；當流體黏度增大時，如在0.3%HPG基液中，則低排量下（小于2 m3/h）支撐劑才能形成較好的砂堤。

2．在同一體系中，隨著排量增大，支撐劑的水平運移速度增大，垂直運移速度減小，說明流體介質(zhì)對支撐劑顆粒的“擾動”作用增強，同時支撐劑顆粒之間的相互作用增強，使支撐劑在沉降過程中出現(xiàn)“波動”狀態(tài)。

3．縫口流速較小時（小于0.5 m/s），支撐劑水平運移速度增長量較快；縫口流速較大時（大于0.5 m/s），支撐劑水平運移速度增長量減緩。

4．已完成的3口低密度支撐劑應用井平均無阻流量，是常規(guī)支撐劑應用井的1.91倍， 表明低密度支撐劑在川西中淺層地層具有廣闊的應用前景。