覆膜砂及其組合支撐劑導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)研究

孟偉 焦國(guó)盈 羅雄 解修權(quán)

(重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院， 重慶 401331)

水力壓裂是儲(chǔ)層改造的一項(xiàng)重要技術(shù)，通過形成具有導(dǎo)流能力的裂縫，從而使油氣井獲得較高的產(chǎn)能。通常，導(dǎo)流能力越強(qiáng)，壓裂效果越好。但是，在后期返排和生產(chǎn)過程中，常有支撐劑回流，從而引起油氣井吐砂現(xiàn)象[1-2]。井筒出砂在較大程度上削弱了支撐裂縫的導(dǎo)流能力，甚至?xí)诼癞a(chǎn)層，嚴(yán)重影響油氣井的產(chǎn)能產(chǎn)出[3]。目前，覆膜砂可用于控制支撐劑回流和出砂。覆膜砂在地層條件下發(fā)生固化作用，增大支撐劑顆粒間的黏結(jié)力，阻擋顆粒運(yùn)移，控制回流和防砂[4]，從而保持良好的導(dǎo)流能力。雖然能夠有效地控制支撐劑回流和防止導(dǎo)流能力驟減，但覆膜砂的使用卻不同程度地削弱了原支撐裂縫的導(dǎo)流能力，這也是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用關(guān)注的問題所在。為了更好地指導(dǎo)覆膜砂的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，本次研究利用DL-2000型導(dǎo)流儀開展了覆膜砂及其組合支撐劑的導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

采用DL-2000型導(dǎo)流儀作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該導(dǎo)流儀主要由供液系統(tǒng)(恒流泵)、液壓控制系統(tǒng)(液壓機(jī))、API標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)流室、測(cè)量系統(tǒng)等部分組成[5]，其實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度最高為180 ℃，閉合壓力測(cè)試范圍為0～150 MPa，導(dǎo)流能力測(cè)量范圍為0～2 000 m2·cm。

2 實(shí)驗(yàn)原理

一般情況下，實(shí)驗(yàn)測(cè)試出的流體流速較小，其流動(dòng)規(guī)律滿足達(dá)西滲流定律[6]。根據(jù)達(dá)西滲流定律計(jì)算導(dǎo)流能力，如式(1)所示：

(1)

式中：Q—— 流量，cm3s；

μ—— 液體黏度，mPa·s；

Δp—— 壓差，kPa；

L—— 測(cè)壓孔距離，cm；

W—— 導(dǎo)流室寬度，cm；

KWf—— 支撐劑導(dǎo)流能力，μm2·cm。

考慮到導(dǎo)流儀使用的是標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)流室[7-8]，其測(cè)壓孔距離為12.70 cm，導(dǎo)流室寬度為3.81 cm，因此，將該參數(shù)代入式(1)，導(dǎo)流能力進(jìn)一步表達(dá)為：

(2)

3 實(shí)驗(yàn)方法

設(shè)計(jì)表1所示實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)開始前，先預(yù)熱導(dǎo)流儀，閉合壓力校零；同時(shí)，利用鋼板進(jìn)行裂縫高度校零。按照實(shí)驗(yàn)方案中設(shè)計(jì)的鋪砂質(zhì)量濃度(10 kgm2)及比例稱取支撐劑，將稱取的支撐劑裝入導(dǎo)流室；利用液壓機(jī)加壓，加載初始閉合壓力5 MPa，校正差壓傳感器和設(shè)置導(dǎo)流室溫度。當(dāng)導(dǎo)流室溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，開始按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《壓裂支撐劑充填層短期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)推薦方法》(SYT6302 — 2009)的要求[9]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)定支撐劑的導(dǎo)流能力，然后以10 MPa的增量升高閉合壓力進(jìn)行測(cè)試，直至完成閉合壓力45 MPa的測(cè)試。

表1 支撐劑導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)方案

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 陶粒與覆膜陶粒導(dǎo)流能力

完成實(shí)驗(yàn)并記錄陶粒與覆膜陶粒導(dǎo)流能力等數(shù)據(jù)，其結(jié)果如表2所示。據(jù)表2中的數(shù)據(jù)繪制陶粒與覆膜陶粒導(dǎo)流能力曲線，如圖1所示。

表2 4070目陶粒與覆膜陶粒導(dǎo)流能力

表2 4070目陶粒與覆膜陶粒導(dǎo)流能力

閉合壓力∕MPa陶粒導(dǎo)流能力∕(μm2·cm)覆膜陶粒導(dǎo)流能力∕(μm2·cm)584.0857.801576.8952.312572.6049.033569.4747.154566.3645.14

圖1 陶粒與覆膜陶粒導(dǎo)流能力曲線

從圖1上可看出，陶粒與覆膜陶粒的導(dǎo)流能力均隨閉合壓力的增加而逐漸遞減。這主要是由于閉合壓力增大，致使支撐劑充填層的孔隙體積減小，導(dǎo)致充填層的滲透性減弱；同時(shí)，閉合壓力的升高加大了支撐劑破碎的可能性，部分破碎的支撐劑顆粒充填于孔隙中，影響了滲流能力，導(dǎo)致支撐劑導(dǎo)流能力降低。但是，在測(cè)試的閉合壓力范圍內(nèi)，其導(dǎo)流能力遞減幅度較小。這主要是受支撐劑性能影響所致，陶粒的抗壓強(qiáng)度較高，破碎率低，在高閉合壓力下仍能保持良好的導(dǎo)流能力。覆膜陶粒的導(dǎo)流能力小于普通陶粒的導(dǎo)流能力，其平均降低幅度為32%。這是因?yàn)?，覆膜陶粒是在普通陶粒外面包覆樹脂而制成的，而樹脂需要占?jù)一定的孔隙空間。

4.2 組合支撐劑導(dǎo)流能力

實(shí)驗(yàn)中，將覆膜陶粒和陶粒按不同比例混合制成組合支撐劑，其導(dǎo)流能力測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 組合支撐劑導(dǎo)流能力

從表3所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，對(duì)于組合支撐劑一，即陶粒和覆膜陶粒按1∶2的數(shù)量混合時(shí)，其在5 MPa閉合壓力下的導(dǎo)流能力為62.39 μm2·cm，當(dāng)升高閉合壓力至45 MPa時(shí)，其導(dǎo)流能力遞減至52.78 μm2·cm。與原支撐劑導(dǎo)流能力相比，其導(dǎo)流能力介于覆膜陶粒和陶粒的導(dǎo)流能力之間，大約為陶粒導(dǎo)流能力的77%。對(duì)于組合支撐劑二，即陶粒和覆膜陶粒按2 ∶1的數(shù)量混合時(shí)，其在5 MPa閉合壓力時(shí)導(dǎo)流能力為78.89 μm2·cm，當(dāng)閉合壓力升至45 MPa時(shí)，導(dǎo)流能力遞減至56.84 μm2·cm。與組合支撐劑一相類似，組合支撐劑二的導(dǎo)流能力也介于覆膜陶粒和陶粒的導(dǎo)流能力之間，大約為陶粒導(dǎo)流能力的90%。

據(jù)表3數(shù)據(jù)繪制組合支撐劑導(dǎo)流能力曲線，如圖2所示?？梢钥闯觯磳?dǎo)流能力從大到小依次排為陶粒、組合支撐劑二、組合支撐劑一、覆膜陶粒。在相同閉合壓力下，組合支撐劑中覆膜陶粒數(shù)量占比越高，其導(dǎo)流能力越低。這主要是由于覆膜陶粒外包覆樹脂層，樹脂會(huì)占據(jù)一定的孔隙體積，隨著覆膜陶粒含量的增多，樹脂占據(jù)的孔隙體積也越多，從而導(dǎo)致導(dǎo)流能力越低。隨著閉合壓力的升高，不同組合支撐劑的導(dǎo)流能力遞減趨勢(shì)有所不同。導(dǎo)流能力遞減趨勢(shì)由慢到快依次為組合支撐劑一、覆膜陶粒、陶粒、組合支撐劑二，組合支撐劑的導(dǎo)流能力遞減趨勢(shì)并非隨著覆膜陶粒含量的不斷增大而逐漸減緩。這主要是由于覆膜陶粒固化時(shí)，隨著閉合壓力升高，部分支撐劑會(huì)嵌入覆膜層，從而影響導(dǎo)流能力。但是，覆膜陶粒含量較高時(shí)的導(dǎo)流能力遞減速度明顯慢于覆膜陶粒含量較低時(shí)的導(dǎo)流能力遞減，覆膜陶粒含量較高，能夠在一定程度上延緩導(dǎo)流能力的下降。

圖2 組合支撐劑導(dǎo)流能力曲線

5 結(jié) 論

(1) 覆膜砂的導(dǎo)流能力隨閉合壓力的增加而減小，其遞減幅度較小。

(2) 在測(cè)試的閉合壓力范圍內(nèi)，覆膜陶粒的導(dǎo)流能力小于陶粒的導(dǎo)流能力，其值大約為陶粒導(dǎo)流能力的68%。

(3) 覆膜陶粒和陶粒按比例混合形成的組合支撐劑導(dǎo)流能力介于陶粒和覆膜陶粒之間，與組合支撐劑的組成有關(guān)。當(dāng)組合支撐劑中陶粒和覆膜陶粒數(shù)量的比例為1 ∶ 2時(shí)，其導(dǎo)流能力大約為陶粒導(dǎo)流能力的77%，當(dāng)組合支撐劑中陶粒和覆膜陶粒數(shù)量的比例為2 ∶1時(shí)，其導(dǎo)流能力大約為陶粒導(dǎo)流能力的90%。

(4) 對(duì)比陶粒和覆膜陶粒按不同比例混合形成的組合支撐劑，其導(dǎo)流能力由大到小依次為陶粒、組合支撐劑二、組合支撐劑一、覆膜陶粒。在相同閉合壓力下，組合支撐劑中覆膜陶粒比例越高，其導(dǎo)流能力就越低；組合支撐劑導(dǎo)流能力遞減趨勢(shì)由慢到快依次為組合支撐劑一(陶粒與覆膜陶粒數(shù)量之比為1 ∶2)、覆膜陶粒、陶粒、組合支撐劑二(陶粒與覆膜陶粒數(shù)量之比為2 ∶1)，當(dāng)組合支撐劑中覆膜陶粒含量較高時(shí)，能夠延緩支撐劑導(dǎo)流能力的下降。