煤層氣壓裂用低密度堅(jiān)果殼支撐劑性能評(píng)價(jià)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

魏偉

（中國(guó)石化華東油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇南京210031）

目前，國(guó)外水力壓裂施工主要采用石英砂、陶粒和覆膜支撐劑[1-5]，國(guó)內(nèi)水力壓裂施工則主要為陶粒與石英砂支撐劑。支撐劑的密度越大其抗壓強(qiáng)度往往越大，但支撐劑密度越大，支撐劑在隨著壓裂液運(yùn)移的過(guò)程中的沉降速度也會(huì)越快，致使支撐劑難以被壓裂液攜帶到裂縫的端部或分支縫內(nèi)，最終無(wú)法形成較大的有效改造體積。煤層氣藏具有壓力系數(shù)低、飽和度低、滲透率低、非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，煤層節(jié)理、裂縫發(fā)育[6]，導(dǎo)致壓裂液體濾失增加，液體效率降低，支撐劑在近井地帶堆積，進(jìn)而出現(xiàn)砂堵風(fēng)險(xiǎn)，因此，為了將支撐劑攜帶到裂縫深部，通常采用提高壓裂液體黏度的方式來(lái)改善液體攜砂能力，但煤層具有低溫低壓，且吸附能力強(qiáng)的特點(diǎn)[7-8]，高黏度的壓裂液體會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成更大的損害，所以，延川南煤層氣井通常采用清水壓裂液進(jìn)行施工。

支撐劑的密度高低對(duì)最終的壓裂效果有很大的影響，通過(guò)室內(nèi)對(duì)比不同類(lèi)型的支撐劑性能發(fā)現(xiàn)，低密度堅(jiān)果殼支撐劑較常規(guī)支撐劑，性能相近，但密度更低、價(jià)格更便宜，因此，優(yōu)選低密度堅(jiān)果殼支撐劑，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，取得良好效果。

1 低密度堅(jiān)果殼支撐劑性能評(píng)價(jià)

1.1 支撐劑沉降速度

流體攜帶微粒的能力是跟微粒在周?chē)黧w中的沉降速度成反比[9-14]。流體為水時(shí)，可以通過(guò)斯托克斯定律[14-17]算出該液體中的微粒的最終沉降速度，其公式為：

式中：vt為最終沉降速度，m/s；ρp為支撐劑密度，kg/m3；ρf為壓裂液密度，kg/m3；dp為粒徑，m；μf為液體黏度，Pa·s。

根據(jù)斯托克斯定律可知：影響微粒在液體中的最終沉降速度主要有微粒直徑、微粒密度、液體密度、液體黏度等[18-20]。同等壓裂液體系及支撐劑粒徑條件下，支撐劑的密度越大，沉降速度越快，壓裂過(guò)程中越容易在近井地帶形成堆積。

室內(nèi)試驗(yàn)按照石油與天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5108—2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測(cè)試方法》的規(guī)定，對(duì)常規(guī)石英砂支撐劑和低密度堅(jiān)果殼支撐劑的物理性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 支撐劑物理性能測(cè)試結(jié)果Table1 Physical performance test results of proppant

從物理性能的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，低密度堅(jiān)果殼支撐劑與常規(guī)石英砂支撐劑相比，在相同粒徑下，擁有更低的體積密度，代入式（1）計(jì)算發(fā)現(xiàn)低密度堅(jiān)果殼支撐劑的沉降速度更慢，在水力壓裂時(shí)，能夠被壓裂液體輸送到裂縫的更深部或分支裂縫網(wǎng)絡(luò)處，獲得更長(zhǎng)的支撐裂縫，從而達(dá)到更好的產(chǎn)層覆蓋性，增產(chǎn)效果更加明顯。

1.2 支撐劑抗破碎與導(dǎo)流能力

支撐劑作為水力壓裂工藝中的重要材料，對(duì)最終的壓裂改造效果起著關(guān)鍵的作用，而支撐劑的抗破碎能力與導(dǎo)流能力是評(píng)價(jià)支撐劑性能的重要指標(biāo)。支撐劑具有較高的抗破碎能力，才能在地層壓力下形成更少的碎屑與更多的有效體積來(lái)維持形成的儲(chǔ)層裂縫，擴(kuò)大滲流通道，進(jìn)而提高有效滲流面積。導(dǎo)流能力是評(píng)價(jià)支撐劑隨壓裂液鋪置在儲(chǔ)層內(nèi)之后，形成有效滲流通道的能力。

1.2.1 支撐劑抗破碎能力

根據(jù)延川南工區(qū)的施工經(jīng)驗(yàn)，儲(chǔ)層的閉合壓力約為30 MPa，所以室內(nèi)在28 MPa條件下，對(duì)2種支撐劑進(jìn)行抗破碎能力的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 支撐劑抗破碎能力室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table2 Test results of proppant crushing resistance

雖然低密度堅(jiān)果殼支撐劑的密度比石英砂支撐劑小，但是，由于低密度堅(jiān)果殼支撐劑的塑性?xún)?yōu)于石英砂支撐劑，在28 MPa壓力下，產(chǎn)生的形變量大于石英砂支撐劑，從而導(dǎo)致支撐劑顆粒之間的接觸面積變大，因此，低密度堅(jiān)果殼的抗破碎能力優(yōu)于石英砂。

1.2.2 支撐劑導(dǎo)流能力

室內(nèi)使用山東中石大石儀科技有限公司的支撐劑導(dǎo)流能力測(cè)試儀，按照石油與天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6302—2019《壓裂支撐劑充填層短期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)推薦方法》的規(guī)定，在室溫（25℃）條件下，選取閉合壓力范圍為10～35 MPa，在鋪砂濃度為5 kg/m2情況下，用蒸餾水對(duì)目數(shù)相同（20/40目）的常規(guī)石英砂和低密度堅(jiān)果殼支撐劑的導(dǎo)流能力進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在相同的鋪砂濃度、低閉合應(yīng)力條件下，低密度堅(jiān)果殼支撐劑的導(dǎo)流能力低于石英砂支撐劑的導(dǎo)流能力；在閉合應(yīng)力10～20 MPa時(shí)低密度堅(jiān)果殼支撐劑出現(xiàn)明顯破碎，導(dǎo)致導(dǎo)流能力急劇降低，石英砂支撐劑則呈現(xiàn)一個(gè)相對(duì)較穩(wěn)定的遞減趨勢(shì)；在較高閉合壓力時(shí)（35 MPa），低密度堅(jiān)果殼支撐劑和石英砂支撐劑的導(dǎo)流能力則相差較小（圖1）。

2 低密度堅(jiān)果殼支撐劑現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2013年，對(duì)Y40井山西組2號(hào)煤層（壓裂井段1 420.4～1 425.8 m，視厚5.4 m）實(shí)施光套管水力加砂壓裂，加入常規(guī)石英砂支撐劑51.1 m3，其中40/70 目10 m3，20/40 目41.1m3，平均砂比10.7%。前置液量364.0 m3，攜砂液量420.5 m3，頂替液量17.9 m3，累計(jì)液量802.4 m3。破裂壓力40.0 MPa，前置液階段排量7～8 m3/min，攜砂液階段施工壓力35.5～37.7 MPa。壓裂施工全程壓力基本平穩(wěn)，停泵壓力28.0 MPa（圖2）。

圖1 不同閉合壓力下支撐劑導(dǎo)流能力對(duì)比Fig.1 Comparison of proppant conductivity under different closing pressures

圖2 Y40井全石英砂壓裂施工曲線Fig.2 Fracturing by quartz sand only in well-Y40

Y40井第一次壓裂后投產(chǎn)，日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在300 m3左右，最高日產(chǎn)氣量801.6 m3。

2019年，對(duì)Y40井山西組2號(hào)煤層（壓裂井段1 420.4～1 425.8 m，視厚為5.4 m）實(shí)施光套管水力加砂重復(fù)壓裂。選取活性水壓裂液進(jìn)行造縫，采用低密度堅(jiān)果殼支撐劑與石英砂支撐劑相結(jié)合。前期使用石英砂支撐劑段塞進(jìn)行降濾，后期階梯式加入低密度堅(jiān)果殼支撐劑，穿過(guò)原有支撐劑帶，形成新裂縫，降低支撐劑在煤層內(nèi)的嵌入效果，從而增加支撐裂縫寬度與長(zhǎng)度，有效溝通煤層割理裂隙，提高儲(chǔ)層的滲流能力，增大儲(chǔ)層流體的滲流面積，達(dá)到更好的改造效果，增加煤層產(chǎn)氣量。

施工共計(jì)加入20/40 目低密度堅(jiān)果殼支撐劑31 m3，40/70 目石英砂支撐劑5 m3，20/40 目石英砂支撐劑41 m3，平均砂比為11.7%。前置液量為214.0 m3，攜砂液量為660.0 m3，頂替液量為4 m3，累計(jì)液量為878 m3。破裂壓力為35 MPa，前置液階段排量為7～8 m3/min，攜砂液階段施工壓力為30～33 MPa。壓裂施工時(shí)，前期壓力基本平穩(wěn)，后期支撐劑加入規(guī)模較大，裂縫全部充填，施工壓力上漲明顯，停泵壓力為31 MPa（圖3）。

圖3 Y40井低密度堅(jiān)果殼與石英砂相結(jié)合的支撐劑壓裂施工曲線Fig.3 Fracturing by proppant combined of low-density nut shell with quartz sand in well-Y40

Y40井施工壓力較高，經(jīng)過(guò)前置液階段加入低砂比的常規(guī)石英砂細(xì)砂進(jìn)行打磨、降濾后，施工壓力降至30 MPa左右，在實(shí)施低密度壓裂支撐劑技術(shù)改造階段，壓力波動(dòng)升高，說(shuō)明地質(zhì)情況復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)，造成施工壓力差異性大。在加入石英砂最后階段，由于加入規(guī)模較大，石英砂在近井地帶堆積形成砂堵，施工較為困難，但形成了較好的主裂縫，達(dá)到了預(yù)期改造的效果。

Y40井重復(fù)壓裂后投產(chǎn)，最高日產(chǎn)氣1 497 m3，日產(chǎn)氣穩(wěn)定在1 200 m3左右，增產(chǎn)900 m3左右。從最終產(chǎn)氣效果來(lái)看，采用低密度堅(jiān)果殼支撐劑進(jìn)行重復(fù)壓裂取得了較好的改造效果。

3 結(jié)論

1）低密度堅(jiān)果殼支撐劑與傳統(tǒng)石英砂支撐劑相比，可以有效降低支撐劑的沉降速度，從而減少支撐劑在近井地帶的堆積，獲得更大的改造范圍。

2）在同樣鋪砂濃度條件下，對(duì)比低密度堅(jiān)果殼支撐劑和傳統(tǒng)石英砂支撐劑，雖然在低閉合壓力下，導(dǎo)流能力弱于傳統(tǒng)石英砂支撐劑，但是在較高閉合壓力下，與傳統(tǒng)石英砂支撐劑擁有相近的導(dǎo)流能力。

3）低密度堅(jiān)果殼支撐劑相較于傳統(tǒng)石英砂支撐劑價(jià)格更加低廉，在一定閉合壓力條件下，能夠獲得更好的導(dǎo)流效果，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。