自懸浮與普通支撐劑裂縫導流能力實驗研究

田中原，盧祥國，曹偉佳，陳 清，閆 冬

（1.東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶163318；2.渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司，河北任丘062552；3.中海油田服務股份有限公司天津分公司，天津300452）

現(xiàn)有壓裂技術(shù)原理是通過地面高壓泵向井筒擠注壓裂液，當壓裂液注入速度超過油層吸液速度時，井底壓力升高。一旦井底壓力超過油層巖石破裂壓力，儲層巖石發(fā)生破裂并且裂縫向儲層深部延伸。與此同時，通過攜帶液將支撐劑帶入裂縫深處，這些支撐劑會在壓裂施工結(jié)束后阻止裂縫閉合，形成一個具有較低滲流阻力的滲流通道[1-3]。

在現(xiàn)場壓裂施工過程中，壓裂液配制和運輸工作量繁重，配制和運輸設備運行費用高[4]，大大提高了壓裂施工成本，同時也給壓裂規(guī)模調(diào)整和突發(fā)事件應對帶來諸多不便。

自懸浮支撐劑可以實現(xiàn)在線配制攜砂液，可以大幅度減少壓裂液配制和運輸費用。此外，依據(jù)壓裂施工過程中所收集的注入壓力和注液速度等參數(shù)，可以及時調(diào)整施工規(guī)模，從而減少施工風險和藥劑費用[5]。

與常規(guī)支撐劑相比較，自懸浮支撐劑主要優(yōu)勢或特點包括：

（1）支撐劑顆粒外層聚合物膜可以快速水化，自懸浮支撐劑攜帶液可采用污水或清水在線配制，減少了攜帶液配制和運輸設備，降低了生產(chǎn)運行費用。

（2）在高剪切下，自懸浮支撐劑外層水化膜維持穩(wěn)定，能夠持久黏附在支撐劑顆粒表面，確保支撐劑從井筒到裂縫的長距離運移[6-8]。

自懸浮支撐劑制作技術(shù)為Fairmount Santrol公司所掌握，其配方少有文獻報道。尋找自懸浮支撐劑覆膜材料和覆膜工藝是實現(xiàn)支撐劑攜帶液在線配制的核心問題，目前國內(nèi)外相關(guān)研究文獻報道比較少[9-11]。

本文以大慶和華北等油藏條件為模擬對象，開展自懸浮支撐劑與“支撐劑+攜帶液”裂縫導流能力對比實驗研究，并進行機理分析，將為自懸浮支撐劑礦場應用提供決策依據(jù)[12]。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

自懸浮支撐劑由東北石油大學實驗室自制；支撐劑包括石英砂和陶粒，由大慶油田井下作業(yè)公司提供，有效質(zhì)量分數(shù)100%；增稠劑包括聚合物和胍膠，聚合物為華龍祥化工科技有限公司生產(chǎn)“中分”聚合物（細粉，有效質(zhì)量分數(shù)90%）和實驗室自制功能聚合物（細粉，有效質(zhì)量分數(shù)90%），胍膠由大慶井下作業(yè)公司提供（細粉，有效質(zhì)量分數(shù)90%）；交聯(lián)劑由東北石油大學實驗室研制，有效質(zhì)量分數(shù)100%；破膠劑為過硫酸銨，市場購買；實驗用水為目標油藏模擬水，水質(zhì)分析見表1。

1.2 儀器設備和實驗步驟

裂縫導流能力評價實驗裝置導流室長度方向兩測壓點間距L=12.75 cm，寬度W=4.12 cm。采用壓力試驗機提供裂縫閉合壓力（100 MPa以上）。此外，實驗裝置還包括中間容器、平流泵、電子天平和精密壓力表（最大量程1.6 MPa，精度0.001 MPa）等。

采用20～30目篩網(wǎng)對裂縫導流能力實驗前后支撐劑進行篩析，據(jù)此計算破碎率。實驗步驟為：

（1）組裝夾持器，清理管線和接頭，采用20～30目篩網(wǎng)篩選出實驗用支撐劑樣品。

（2）填充支撐劑，依據(jù)設計填砂濃度稱量支撐劑，將其均勻充填到導流室，蓋上上活塞，用蒸餾水浸濕支撐劑。

（3）依據(jù)設計閉合壓力加上覆壓力，承壓15 MPa后打開平流泵，以2 mL/min排量驅(qū)替。待壓力穩(wěn)定后，測量“測壓點1”和“測壓點2”處壓力。

（4）停泵，增加上覆壓力到更高一級，重復步驟（3），直至實驗結(jié)束。

（5）關(guān)閉平流泵，釋放導流室壓力，清理管線，關(guān)閉電源。

（6）收集支撐劑，計算裂縫導流能力和破碎率。

在達西流條件下支撐劑充填層滲透率計算公式見式（1），裂縫導流能力計算公式見式（2）。

式中，k為支撐劑充填層滲透率，103μm2；μ為實驗溫度條件下液體的黏度，mPa·s；Q為流量，cm3/s；L為測壓孔之間長度，cm；W為導流室支撐劑充填寬度，cm；Wf為導流室支撐劑充填厚度，cm；Δp為壓差（上游壓力減去下游壓力），kPa。

將導流室長度和寬度參數(shù)帶入式（2），得到計算導流能力簡化公式（3）：

確定支撐劑體積密度計算方法為：（1）準備一個精確度0.01 mL的100 mL容量瓶；（2）將漏斗放在容量瓶頸口，裝入支撐劑至100 mL刻度線處，不必搖動或拍打容量瓶；（3）稱量容量瓶的質(zhì)量，精確度0.01 g。

采用式（4）計算支撐劑體積密度：

式中，ρ為支撐劑體積密度，g/cm3；Wf1,p為容量瓶與支撐劑的質(zhì)量，g；Wf1為容量瓶的質(zhì)量，g。

未加閉合壓力狀態(tài)下支撐劑填充層厚度可用式（5）計算：

式中，C為支撐劑鋪置濃度，kg/m2；ρ為支撐劑體積密度，g/cm3。

隨導流室閉合壓力逐漸增加，填砂厚度將發(fā)生變化。為記錄每次加壓對應厚度，采用記號筆在導流室上活塞與主體縫隙之間做刻度線，再用游標卡尺測量各個刻度線間距離，最終得到不同閉合壓力下填砂厚度。

實驗完畢將導流室中支撐劑倒入20～30目篩子中，振篩10 min，稱取過篩后破碎顆粒質(zhì)量，按式（6）計算支撐劑破碎率百分比。

式中，η為支撐劑破碎率，無因次；mc為破碎樣品質(zhì)量，g；mp為支撐劑樣品質(zhì)量，g。

2 結(jié)果分析

2.1 裂縫導流能力及其影響因素

裂縫對導流能力的影響見表2。裂縫導流能力與閉合壓力關(guān)系見圖1。

表2 裂縫導流能力實驗數(shù)據(jù)Table 2 Experimental results of fracture conductivity μm2·cm

圖1 導流能力與閉合壓力關(guān)系Fig.1 Relationship between diversion capacity and closing pressure

從表2可以看出，“支撐劑+水”裂縫對導流能力的影響。隨裂縫閉合壓力增加，裂縫導流能力減??；隨填砂濃度增加，裂縫導流能力增加。與石英砂相比較，陶粒裂縫導流能力較強。

從表2還可以看出，支撐劑和攜帶液類型對導流能力的影響。隨裂縫閉合壓力增加，裂縫導流能力減??；隨填砂濃度增加，裂縫導流能力增加。與石英砂相比較，陶粒裂縫導流能力較強。與“支撐劑+水”比較，其裂縫導流能力明顯較大，表明聚合物類攜帶液能夠增強支撐劑抗壓能力，降低破碎率，進而增大裂縫導流能力。另一方面，攜帶液在支撐劑顆粒間隙中會發(fā)生滯留，致使?jié)B流阻力增加，即“注入端”與“出口端”壓差增大，這會降低裂縫導流能力。當前者對裂縫導流能力影響大于后者時，裂縫導流能力提高。反之，裂縫導流能力下降。

從圖1可以看出，當閉合壓力低于30 MPa時，兩種支撐劑裂縫導流能力下降幅度較小。當閉合壓力超過40 MPa后，裂縫導流能力下降速度增加。閉合壓力超過80 MPa以后，裂縫導流能力下降速度減緩，曲線趨于平穩(wěn)。分析認為，當閉合壓力較低時，支撐劑還未發(fā)生脆性破壞，彈性起主要作用。隨閉合壓力逐漸增加，支撐劑顆粒間孔隙空間減小，導流能力變差，但變化并不明顯。當閉合壓力增加到一定值后，支撐劑顆粒開始發(fā)生破碎（石英砂發(fā)生破碎壓力為30 MPa左右，陶粒為40 MPa左右），孔隙過流斷面減小，滲透率大幅度降低，裂縫導流能力迅速下降。當閉合壓力達到80 MPa時，支撐劑充填層中與夾持器活塞接觸部分破碎率較高，中間部分破碎率較低，導流能力下降幅度變小，曲線趨于穩(wěn)定。與石英砂不規(guī)則外形相比較，陶粒呈現(xiàn)球形，抗破碎能力較強，因而裂縫導流能力較高。

圖2為陶粒、石英砂導流能力與閉合壓力關(guān)系。從圖2可以看出，對于石英砂支撐劑，“石英砂+攜帶液”裂縫導流能力整體上略大于自懸浮石英砂的值；對于陶粒支撐劑，自懸浮陶粒裂縫導流能力整體上略大于“陶粒+攜帶液”的值。進一步分析發(fā)現(xiàn)，對于陶粒支撐劑，當閉合壓力超過70 MPa后,各種填砂濃度的裂縫導流能力差值明顯減小；對于石英砂支撐劑，當閉合壓力超過40 MPa后,各種填砂濃度的裂縫導流能力差值也明顯減小。

圖2 陶粒、石英砂導流能力與閉合壓力關(guān)系Fig.2 Relationship between diversion capacity and closing pressure of ceramsite and quartz sand

2.2 支撐劑破碎率

普通支撐劑和自懸浮支撐劑破碎率測試結(jié)果見表3。

從表3方案1可以看出，隨填砂濃度減小，支撐劑破碎率升高。與石英砂相比較，陶粒破碎率明顯較低，表明陶粒具有較強抗壓能力。方案1與方案2、3對比可知，聚合物類攜帶液可以增強支撐劑抗壓能力，減少破碎率，進而提高裂縫導流能力。方案2與方案3對比可知，與“支撐劑+攜帶液”相比較，自懸浮支撐劑破碎率略高，對裂縫導流能力未造成明顯影響。

表3 普通支撐劑和自懸浮支撐劑破碎率測試Table 3 The testing of general proppant and selsuspension proppan

3 結(jié) 論

（1）隨閉合壓力增加，裂縫導流能力減小。隨填砂濃度增加，裂縫導流能力增加。與石英砂相比較，陶粒抗壓和裂縫導流能力明顯較高。

（2）聚合物類攜帶液一方面可以增強支撐劑抗壓能力，降低破碎率，進而增加裂縫導流能力。另一方面，攜帶液在支撐劑顆粒間隙中會發(fā)生滯留，致使?jié)B透率減小，這會降低裂縫導流能力。因此，最終裂縫導流能力是滲透率和破碎率共同作用的結(jié)果。

（3）與“支撐劑+攜帶液”相比較，自懸浮支撐劑破碎率略高，這對裂縫導流能力未造成明顯影響。由此可見，自懸浮支撐劑加工過程中并未對支撐劑抗壓能力和裂縫導流能力造成影響。