混合粒徑支撐劑回流實驗及在臨興致密氣藏中的應(yīng)用

白昊田,許冬進,張濱海,李紫晗,黃 晶,張智盛

(1非常規(guī)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心 2中國石油天然氣集團公司采油采氣重點實驗室長江大學(xué)分室 3中海油研究總院有限責任公司 4中石油青海油田采油三廠花土溝采油作業(yè)區(qū))

0 引言

致密氣儲層具有低孔、低滲、非均質(zhì)性等特點，需采用水力壓裂的方式，獲取更多的天然氣產(chǎn)量[1- 3]。在壓裂過程中，壓裂施工結(jié)束后，需進行返排，如返排流量控制不當，則會發(fā)生支撐劑回流[4]，降低裂縫導(dǎo)流能力。

國內(nèi)外學(xué)者針對支撐劑回流現(xiàn)象進行了大量的研究，胡景宏[5- 7]分析壓裂液返排速度對縫口支撐劑流動的影響，并建立了支撐劑回流的模型。D.J.BROWNE和B.A.WILSON[8]等通過研究支撐劑在斜度井中的運動規(guī)律，通過改性支撐劑成功控制了回流。

上述研究都以單粒徑支撐劑為主，近年來,為支撐天然裂縫性油氣藏的高效提產(chǎn)，混合粒徑支撐劑常被用于同一口井中[9- 12]。不少學(xué)者對于不同粒徑支撐劑組合下的裂縫導(dǎo)流能力開展了研究，但無支撐劑回流的研究。此外，實際生產(chǎn)過程中要考慮成本的因素[13- 14]，陶粒的成本遠高于石英砂，許多油田開展石英砂替代陶粒試驗以達到降本增效開發(fā)的目的。如高新平[15]從提高導(dǎo)流能力的角度驗證了石英砂在生產(chǎn)過程中同樣可以滿足開發(fā)的需要，但并未說明等效鋪置的支撐劑量。

針對上述問題，文中基于等效替代的思想，通過支撐劑回流室內(nèi)實驗研究石英砂支撐劑達到陶粒支撐劑回流臨界流速所需的鋪砂濃度值，從支撐劑回流角度探索石英砂替代陶粒支撐劑的可行性。

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1.1 實驗儀器與原理

1.1.1 實驗儀器

該系統(tǒng)主要包括活塞容器、壓機系統(tǒng)、API導(dǎo)流室、平流泵、回壓控制系統(tǒng)、計算機采集、流量測量系統(tǒng)與砂樣收集器。此裝置可模擬不同地層條件下，壓后返排過程中支撐劑在裂縫中的運移機理，判斷支撐劑是否發(fā)生回流。支撐劑回流裝置圖見圖1。

圖1 致密氣支撐劑回流實驗裝置圖

1.1.2 實驗原理

施加閉合應(yīng)力后，通過階段性地改變壓裂液的流量，觀察閉合應(yīng)力與砂樣收集器的變化。如果閉合應(yīng)力值突然下降且導(dǎo)流槽出口處連續(xù)出砂，則表明支撐劑發(fā)生回流。

1.1.3 實驗材料與實驗方案設(shè)計

(1)實驗材料與參數(shù)設(shè)定。①支撐劑：現(xiàn)場用30/50目和40/70目陶粒支撐劑;②閉合應(yīng)力：上石盒子組，下石盒子組盒6段、盒7段、盒8段和太原組；最后計算得出三個層組五個層段平均地層應(yīng)力分別為：15.42 MPa、15.64 MPa、16.04 MPa、16.7 MPa和18.1 MPa;③鋪砂濃度：現(xiàn)場最大鋪砂濃度為7.85 kg/m2，故本次實驗選取7.85 kg/m2的鋪砂濃度值，如果此鋪砂濃度下支撐劑不發(fā)生回流，則小于這個鋪砂濃度時支撐劑也不發(fā)生回流;④混合粒徑比例：1∶1、1∶2、2∶1(30/50目在前)，鋪砂濃度與單粒徑相同。

(2)陶粒支撐劑回流實驗結(jié)果分析。圖2顯示了陶粒支撐劑在不同閉合應(yīng)力下發(fā)生回流時的臨界流量。對于同粒徑的支撐劑，隨著閉合應(yīng)力的增大，支撐劑發(fā)生回流的臨界流速值也逐漸增大。這是因為閉合應(yīng)力增大后，支撐劑顆粒間作用力增大，克服支撐劑之間摩擦力所需要的沖刷力更大，且裂縫閉合過程中的相互作用對支撐劑的不斷擠壓導(dǎo)致支撐劑破碎，則裂縫失穩(wěn)導(dǎo)致導(dǎo)流槽出口處大量出砂。對于不同粒徑，小粒徑抗破碎能力弱于大粒徑[10]，在返排過程中，小粒徑支撐劑更容易受壓裂液的沖蝕而帶出井筒。

兩種支撐劑分別按照三種比例進行混合，從圖2可以看出大粒徑所占比例越小，越容易發(fā)生回流，因為在返排過程中，小粒徑支撐劑顆粒在閉合應(yīng)力作用下更易破碎，相同的流體流速下，流體拖曳力更易克服摩擦力使支撐劑顆粒發(fā)生運動。

圖2 陶粒支撐劑回流的臨界流速圖

2 石英砂回流實驗研究

2.1 實驗方法及方案

本部分實驗用等效替代法將石英砂替代陶粒進行室內(nèi)支撐劑回流實驗，用控制變量法將陶粒支撐劑的臨界流速變?yōu)橐阎?，研究對?yīng)臨界流速時所需的石英砂量，最后得到不同閉合應(yīng)力所對應(yīng)的鋪砂濃度倍數(shù)，石英砂回流實驗方案見表1、表2。

表1 單粒徑石英砂回流實驗方案

表2 不同粒徑混合的石英砂回流實驗方案

2.2 單粒徑石英砂替代實驗結(jié)果分析

單粒徑石英砂替代反應(yīng)的實驗結(jié)果如圖3所示。其中，水平直線為兩種粒徑陶粒支撐劑的鋪砂濃度值。圖3規(guī)律反映出了兩種不同類型支撐劑充填層對流體沖砂的敏感程度：石英砂支撐劑在返排過程中的穩(wěn)定性小于陶粒支撐劑，所以在相同的臨界回流速度下，石英砂的鋪砂濃度必然大于陶粒支撐劑的鋪砂濃度；不同閉合應(yīng)力下的石英砂鋪砂濃度也不相同，相同粒徑下，如果對應(yīng)的閉合應(yīng)力較大，則所需的鋪砂量就越多；相同閉合應(yīng)力下不同粒徑的石英砂支撐劑，大粒徑支撐劑鋪砂量小于小粒徑支撐劑。

2.3 混合粒徑石英砂替代實驗結(jié)果分析

混合粒徑石英砂替代反應(yīng)的實驗結(jié)果如圖4所示。圖中表明石英砂支撐劑按兩種粒徑不同比例混合時的回流情況，如果要達到同一閉合應(yīng)力陶粒支撐劑的回流速度，當大粒徑占比較大時，石英砂支撐劑的鋪砂量在閉合應(yīng)力較低時與陶粒支撐劑的鋪砂量相近；當閉合應(yīng)力逐漸增大時，石英砂支撐劑的鋪砂濃度也會逐步增大。當小粒徑支撐劑占比更多時，大粒徑支撐劑在小粒徑支撐劑影響下，更易受到壓裂液的作用克服摩擦，與小粒徑支撐劑一同回流到井筒中，需用到的支撐劑量更多。

圖3 相同臨界流速下單粒徑石英砂鋪砂濃度對比

圖4 相同臨界流速下混合粒徑鋪砂濃度對比

3 實際應(yīng)用

3.1 擬合計算

根據(jù)以上實驗結(jié)果，研究閉合應(yīng)力、支撐劑粒徑、鋪砂比例等三個參數(shù)對陶粒和石英砂支撐劑回流臨界流速的影響，以40/70目石英砂支撐劑替代實驗為例，根據(jù)最小二乘法得到40/70粒目石英砂替代陶粒支撐劑的鋪砂濃度倍數(shù)與閉合應(yīng)力的關(guān)系見式(1)：

y1=0.1581(x)-1.1534

(1)

式中：x—閉合應(yīng)力，MPa;

y1—鋪砂濃度倍數(shù)。

同理，可得30/50粒目石英砂、2∶1、1∶1、1∶2等三種比例組合的石英砂支撐劑鋪砂濃度倍數(shù)的回歸方程：

y2=0.0644(x)+0.0823

(2)

y3=0.1017(x)+0.4722

(3)

y4=0.1189(x)+0.677

(4)

y5=0.1156(x)+0.5536

(5)

為了驗證上述結(jié)果的可靠性，將閉合應(yīng)力與石英砂的鋪砂濃度倍數(shù)進行擬合，可以看到數(shù)據(jù)均在擬合點附近，同時，得到閉合應(yīng)力與石英砂鋪砂濃度倍數(shù)的相關(guān)系數(shù)為：R2=0.9538。由此證明了實驗結(jié)果的可靠性，可為壓裂液返排提供依據(jù)。

3.2 在臨興致密氣藏的應(yīng)用

(1)選取上石盒子組LX- 105井用單一粒徑支撐劑進行返排施工，此時裂縫的閉合應(yīng)力為15.42 MPa，陶粒支撐劑鋪砂濃度為7.85 kg/m2，支撐裂縫面積為7 856.8 m2。此條件下室內(nèi)實驗支撐劑回流臨界流量8.5 mL/min換算成實際地層的臨界流量為10.46 m3/d；若用石英砂支撐劑進行替代并達到相應(yīng)的臨界流速，由擬合關(guān)系式(2)可知，所需的石英砂66.3 t，且支撐劑總成本為前者的1/2。

(2)選取下石盒子組盒8段LX- 15井，將兩種粒徑石英砂以2∶1的比例進行返排施工，此時裂縫的閉合應(yīng)力為16.7 MPa，支撐裂縫的面積不變，實際地層的臨界流量為17.45 m3/d。若選用兩種粒徑陶粒支撐劑混合時的鋪砂濃度為7.85 kg/m2,由擬合關(guān)系式(3)可知，所需的混合石英砂量為75.6 t,且石英砂的總成本約為陶粒的60%。

4 結(jié)論

(1)研究了兩種粒徑組合的情況下不同比例支撐劑組合在閉合應(yīng)力下的支撐劑回流規(guī)律，在此情況下，閉合應(yīng)力與粒徑占比對支撐劑的臨界流速值影響更大。

(2)通過混合粒徑支撐劑回流實驗看出，小粒徑占比越多的情況下，返排中更易發(fā)生回流，因此，兩種粒徑混合時應(yīng)增加大粒徑支撐劑的比重。

(3)通過替代實驗驗證了石英砂支撐劑達到相同閉合應(yīng)力下定量陶粒支撐劑回流的臨界流速所需的鋪砂濃度，為臨興氣藏水力壓裂設(shè)計過程中支撐劑的優(yōu)選和生產(chǎn)成本的優(yōu)化提供了依據(jù)。

(4)對于臨興致密氣藏這種低閉合應(yīng)力的淺層氣藏，在壓裂施工和返排的過程中，推薦選擇石英砂支撐劑進行壓裂的施工與返排，雖所需支撐劑量更大，但單井壓裂成本仍低得多。