水力壓裂用支撐劑破碎率的影響因素分析

梁天成 嚴(yán)玉忠 蒙傳幼 陳 峰 劉云志 付海峰

(1. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院， 北京 100083； 2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司油氣藏改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 廊坊 065007； 3. 中國(guó)石油新疆油田分公司， 新疆 克拉瑪依 834000)

水力壓裂作為油氣井的一項(xiàng)重要的增產(chǎn)措施，其效果在很大程度上取決于所用的支撐劑的性能。評(píng)價(jià)支撐劑性能的指標(biāo)包括篩析、平均粒徑、圓球度、酸溶解度、濁度、密度、破碎率和灼燒損耗等。破碎率是評(píng)價(jià)石英砂、陶粒類(lèi)支撐劑性能的一個(gè)重要指標(biāo)，它是指在額定壓力作用下支撐劑破碎量(實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的低于規(guī)格粒徑下限篩的微粒質(zhì)量)的占比，表征支撐劑的抗破碎能力。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)支撐劑破碎率測(cè)試方法進(jìn)行了規(guī)范，但實(shí)踐中測(cè)試條件總是存在一定的局限性，有許多因素會(huì)影響測(cè)試的結(jié)果。本次研究，主要分析了測(cè)試過(guò)程中鋪置濃度、鋪置方式、閉合應(yīng)力加載速率及樣品濕度和粒徑分布對(duì)支撐劑破碎率測(cè)試值的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試流程

在破碎率實(shí)驗(yàn)中，用到的液壓機(jī)為全自動(dòng)液壓機(jī)；破碎室的直徑為50.8 mm；采用MeasurementofandSpecificationsforProppantsUsedinHydraulicFracturingandGravel-packingOperations(API STD 19C — 2018)[1]中規(guī)定的機(jī)械鋪置器；選用《試驗(yàn)篩技術(shù)要求和檢驗(yàn)》(GB/T 6003.1 — 2012)[2]規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)篩。測(cè)試流程及各階段所用儀器如圖1所示。樣品首先經(jīng)過(guò)規(guī)格粒徑上下限篩篩分，使所有顆粒都在規(guī)定粒徑范圍內(nèi)；加壓后，經(jīng)過(guò)下限篩篩分，稱取落在底盤(pán)上的顆粒質(zhì)量。底盤(pán)上的顆粒質(zhì)量與壓前樣品質(zhì)量之比即為破碎率。

圖1 破碎率測(cè)試流程及所用儀器

2 影響因素分析

2.1 鋪置濃度的影響

選取同一批次生產(chǎn)的20/40目和40/70目石英砂，分別在2.5、5、7.5、10、15、20 kg/m2等6種鋪置濃度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。升壓時(shí)間為1 min，升至28 MPa后保載2 min，然后稱量計(jì)算破碎率。結(jié)果表明，支撐劑充填層鋪置濃度對(duì)支撐劑的破碎率影響很大，提高鋪置濃度會(huì)降低支撐劑的破碎率(見(jiàn)圖2)。20/40目石英砂充填層鋪置濃度為2.5 kg/m2時(shí)，破碎率為21.8%；鋪置濃度提高到20 kg/m2時(shí)，破碎率降至8.1%。40/70目石英砂充填層鋪置濃度為2.5 kg/m2時(shí)，破碎率為7.8%；鋪置濃度提高到20 kg/m2時(shí)，破碎率下降為3.2%。

圖2 石英砂不同鋪置濃度下的破碎率

支撐劑充填層中的顆?？煞譃閮?nèi)部顆粒和外部顆粒。內(nèi)部顆粒通常與6～12個(gè)相鄰顆粒點(diǎn)接觸，形成均勻的應(yīng)力分布；外部顆粒的接觸點(diǎn)較少，則會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中。由于這種“邊界效應(yīng)”的存在，外部顆粒在破碎室中遭受到更大的損傷。隨著支撐劑充填層鋪置濃度的減小，外部顆粒占顆?？倲?shù)的比例就更大，因此支撐劑的破碎率值會(huì)增大。

測(cè)定結(jié)果還表明，在相同閉合應(yīng)力下，大粒徑支撐劑的破碎率比小粒徑支撐劑的更大。但這并不意味著大粒徑支撐劑的抗破碎能力就一定比小粒徑支撐劑的弱。事實(shí)上，大粒徑單粒支撐劑的抗壓強(qiáng)度大于小粒徑單粒支撐劑的抗壓強(qiáng)度。材料強(qiáng)度均勻的理想球體破裂所需的力，與球體直徑的平方呈正相關(guān)關(guān)系[3]。之所以會(huì)出現(xiàn)支撐劑破碎率與單顆?？箟簭?qiáng)度相矛盾的現(xiàn)象，原因在于破碎率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方法中使用的支撐劑為等體積鋪置，支撐劑鋪置厚度為12.2 mm，而小顆粒組成的充填層比大顆粒的充填層的層數(shù)更多[4]。因此，當(dāng)施加閉合應(yīng)力時(shí)，雖然大粒徑的強(qiáng)度更大，但因其顆粒數(shù)量相對(duì)少許多，作用于每個(gè)顆粒上的力就更集中、更大，從而便導(dǎo)致其破碎度增加。另外，在標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)流能力試驗(yàn)中，支撐劑的鋪置方式采用的是等質(zhì)量鋪置，鋪置濃度為10 kg/m2，這意味著導(dǎo)流能力測(cè)試較破碎率測(cè)試所得到的破碎率值要大一些。

2.2 鋪置方式的影響

按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)Measurementofpropertiesofproppantsusedinhydraulicfracturingandgravel-packingoperations(ISO 13503-2-2006)[5]和國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測(cè)試方法》(SY/T 5108 — 2014)[6]的規(guī)定，支撐劑鋪置方式為：將支撐劑平穩(wěn)倒入破碎室，活塞靠重力自由下降，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)活塞180o一次，不搖動(dòng)或顛簸破碎室，防止支撐劑下沉。同時(shí)，按標(biāo)準(zhǔn)API STD 19C — 2018的有關(guān)規(guī)定，采用機(jī)械鋪置器鋪置支撐劑。采用機(jī)械鋪置器鋪置，可減少人為因素干擾，更好地保證可重復(fù)性，每次都采用相同的方法將支撐劑裝填到破碎室內(nèi)，測(cè)試結(jié)果也更穩(wěn)定可靠。采用機(jī)械鋪置器鋪置支撐劑，大幅度降低了支撐劑破碎率(見(jiàn)表1)。

表1 不同鋪置方式下測(cè)得的支撐劑破碎率

球形顆粒的堆積形式分為立方堆積、正斜方堆積、楔形四面體堆積和菱面體堆積4種，配位數(shù)依次為6、8、10和12，相應(yīng)的孔隙率分別為47.64%、39.55%、30.19%和25.95%[7]。支撐劑顆粒為異徑連續(xù)尺寸顆粒，填充時(shí)受到充填速度、振動(dòng)和顆粒碰撞、回彈、顆粒相互作用及容器壁的影響而不能規(guī)則填充，實(shí)際為隨意堆積。不同的鋪置方式會(huì)導(dǎo)致填充結(jié)構(gòu)、配位數(shù)和堆積密度方面的差異，每個(gè)顆粒的受力分布有所不同，從而導(dǎo)致破碎率的不同。支撐劑充填層堆積密度越大，其破碎率越小。手動(dòng)鋪置和機(jī)械鋪置的堆積密度、填充結(jié)構(gòu)有所不同，因此對(duì)同一種樣品測(cè)得的破碎率值差異較大。

2.3 閉合應(yīng)力加載速率的影響

在靜力學(xué)條件下加載速率的量級(jí)不同，巖石力學(xué)峰值強(qiáng)度增加的幅度也不同，但它們之間的關(guān)系基本上是隨著加載速率的增加，巖石力學(xué)峰值強(qiáng)度也相應(yīng)呈線性增加。本次遵循標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5108 — 2014和《壓裂支撐劑性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)測(cè)試方法》(Q/SY 17125 — 2019)[8]的規(guī)定，測(cè)試了1 min升壓和2 000 psi/min 升壓、同時(shí)保載2 min條件下中密度和高密度陶粒的破碎率，結(jié)果如表2所示。加載速率越大，破碎率就越小。但總體上看，閉合應(yīng)力加載速率對(duì)陶粒破碎率的影響不大。陶粒的破碎率與力的作用時(shí)間和力的大小相關(guān)。

表2 不同升壓時(shí)間下陶粒的破碎率

2.4 濕度的影響

潤(rùn)濕石英砂樣品制作流程：將樣品用蒸餾水充分潤(rùn)濕，浸泡1 h后濾水，然后放入破碎室。對(duì)20/40目規(guī)格的石英砂，在5、10、20 kg/m2等3種鋪置濃度下，升壓時(shí)間為1 min，升至40 MPa后保載2 min，計(jì)算破碎率。經(jīng)過(guò)蒸餾水浸泡后，3種鋪置濃度的石英砂的破碎率都有所升高(見(jiàn)表3)。這種現(xiàn)象是由于支撐劑濕顆粒之間產(chǎn)生的表面張力干擾了支撐劑的充填層，浸泡過(guò)程實(shí)際上是建造了一個(gè)具有高孔隙率的充填層，而破碎更嚴(yán)重。

表3 浸泡前后20/40目石英砂的破碎率

2.5 粒徑分布的影響

選取同一生產(chǎn)批次的30/50目陶粒支撐劑，測(cè)試分析粒徑分布對(duì)破碎率的影響。首先將樣品篩分成若干粒徑段，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選取不同粒徑的顆粒組合，形成不同粒徑分布的測(cè)試樣品(見(jiàn)圖3)。測(cè)試結(jié)果顯示，組合樣品粒徑為正態(tài)分布的抗壓強(qiáng)度基本相同；接近樣品粒徑下限且分布較分散時(shí)，其抗壓強(qiáng)度會(huì)降低，破碎率升高(見(jiàn)表4)。

圖3 陶粒組合樣品的粒徑分布

表4 不同粒徑陶粒組合樣品的破碎率

陶粒和石英砂破碎后的形態(tài)差別較大。陶粒破碎，是大顆粒被劈成幾塊小顆粒，小碎片從顆粒上脫落。石英砂的破碎是粉碎性的，被劈成更小的碎片，或呈粉末狀。破碎率值僅表示壓碎后支撐劑通過(guò)規(guī)定篩組底篩網(wǎng)的質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比，并不確定有多少支撐劑顆粒破碎了。實(shí)際落在底部篩網(wǎng)及篩子上的也有壓碎的支撐劑顆粒，只是其粒徑較大而未落在篩目之外。比如支撐劑破碎率為5%，這可能意味著每100個(gè)顆粒中，有5個(gè)顆粒被劈成許多小粒徑顆粒篩分后落在底盤(pán)；也有可能是10個(gè)顆粒破碎，但僅有7個(gè)顆粒篩分后落在底盤(pán)，而另外3個(gè)劈分成稍大的顆粒分布在底篩上的其他篩網(wǎng)上。低強(qiáng)度支撐劑不僅破碎率更大，而且會(huì)產(chǎn)生更大比例的小粒徑粉末，堵塞支撐劑充填層孔喉，從而大幅度降低支撐劑充填層的導(dǎo)流能力。

2.6 不同實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果

采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5108 — 2014規(guī)定的方法測(cè)試支撐劑破碎率，操作方面具有良好的可重復(fù)性。為了解不同實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)的差異，在26家實(shí)驗(yàn)室依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，采用相同的設(shè)備，對(duì)相同的陶粒支撐劑樣品(30/50目，69 MPa)進(jìn)行了破碎率測(cè)試。同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，在2次測(cè)試中得到的破碎率值差距不大(差值小于0.5%)，測(cè)試結(jié)果比較穩(wěn)定。但是，將不同實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)還是存在較大的差異。在26家實(shí)驗(yàn)室中，第一次測(cè)試得到的破碎率值，最高的為8.27%，最低的為5.00%；第二次測(cè)試得到的破碎率值，最高的為7.90%，最低的為4.60%(見(jiàn)圖4)。

圖4 不同實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的陶粒破碎率

3 破碎率與導(dǎo)流能力的關(guān)系

以中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院支撐劑評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室2015 — 2019年測(cè)試用的支撐劑作為實(shí)驗(yàn)樣品，測(cè)試分析支撐劑破碎率與導(dǎo)流能力的關(guān)系。其中，有陶粒樣品143個(gè)，石英砂樣品51個(gè)。遵循標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5108 — 2014的規(guī)定進(jìn)行破碎率測(cè)試。測(cè)試20/40目和30/50目石英砂的閉合應(yīng)力為28 MPa，測(cè)試40/70目和70/140目石英砂的閉合應(yīng)力為35 MPa；測(cè)試20/40目和30/50目陶粒的閉合應(yīng)力為69 MPa，測(cè)試40/70目和70/140目陶粒的閉合應(yīng)力為86 MPa。按照《壓裂支撐劑充填層短期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)推薦方法》(SY/T 6302 — 2009)[9]的規(guī)定進(jìn)行導(dǎo)流能力測(cè)試。對(duì)石英砂充填層的測(cè)試，閉合應(yīng)力為30 MPa；對(duì)陶粒充填層的測(cè)試，閉合應(yīng)力為60 MPa。

測(cè)試結(jié)果，石英砂破碎率與導(dǎo)流能力的關(guān)系如圖5所示。石英砂充填層的導(dǎo)流能力總體上是隨著破碎率的升高而降低。40/70目和70/140目的石英砂在破碎率大于10%以后，其導(dǎo)流能力很弱，這也是現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其破碎率≤10%的原因。但石英砂的破碎率與導(dǎo)流能力并不是完全對(duì)應(yīng)的關(guān)系，不是在破碎率高一點(diǎn)后導(dǎo)流能力就必然會(huì)降一點(diǎn)。導(dǎo)流能力降低的主要原因在于支撐劑顆粒的破碎和壓實(shí)程度，支撐劑破碎產(chǎn)生的細(xì)小顆粒會(huì)堵塞孔隙和通道，而壓實(shí)會(huì)降低支撐劑充填層的孔隙度。破碎率并不確定有多少支撐劑顆粒實(shí)際破碎，同時(shí)破碎率測(cè)試和導(dǎo)流能力測(cè)試的條件也不同。因此，支撐劑的破碎率并不能全面反映導(dǎo)流能力。在預(yù)測(cè)導(dǎo)流能力時(shí)，不能只看支撐劑的破碎率。

圖5 石英砂的破碎率與導(dǎo)流能力

陶粒破碎率與導(dǎo)流能力的關(guān)系如圖6所示。陶粒材料的抗壓性和導(dǎo)流能力的關(guān)系與石英砂類(lèi)似，但陶粒充填層的導(dǎo)流能力比石英砂充填層高很多。

圖6 陶粒的破碎率與導(dǎo)流能力

破碎率測(cè)試和導(dǎo)流能力測(cè)試都需要專門(mén)的設(shè)備。破碎率測(cè)試的操作相對(duì)簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低、所需時(shí)間較短，支撐劑生產(chǎn)廠家和檢測(cè)單位的實(shí)驗(yàn)室也都配備了破碎率測(cè)試裝置。導(dǎo)流能力測(cè)試比較復(fù)雜、耗時(shí)久、費(fèi)用高，目前只有少數(shù)實(shí)驗(yàn)室配備了導(dǎo)流能力測(cè)量?jī)x器。因此，實(shí)踐中在選擇支撐劑時(shí)常常將破碎率作為主要標(biāo)準(zhǔn)。破碎率與篩析、平均粒徑、密度、圓球度和濁度等都是評(píng)價(jià)支撐劑性能的指標(biāo)，導(dǎo)流能力則是對(duì)這些因素的綜合反應(yīng)。優(yōu)化裂縫設(shè)計(jì)和支撐劑選擇，可以根據(jù)生產(chǎn)模型中裂縫的幾何形狀和儲(chǔ)層產(chǎn)能確定所需的導(dǎo)流能力，然后在確認(rèn)支撐劑性能指標(biāo)合格的前提下，參考比較支撐劑導(dǎo)流性能及價(jià)格來(lái)選擇確定最佳經(jīng)濟(jì)性能的支撐劑。雖然實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的導(dǎo)流能力測(cè)試不能完全模擬井下的條件，但可以作為同等條件下不同支撐劑比較的依據(jù)和參考。還可將氣測(cè)、非達(dá)西流、多相流、應(yīng)力循環(huán)、壓裂液傷害和實(shí)際裂縫中可能遇到的其他條件的影響，應(yīng)用于導(dǎo)流能力測(cè)試分析。

4 結(jié) 語(yǔ)

遵循有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)石英砂、陶粒類(lèi)支撐劑的破碎率和導(dǎo)流能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，支撐劑的鋪置濃度、鋪置方式和閉合應(yīng)力加載速率、支撐劑濕度、粒徑分布等因素，對(duì)支撐劑破碎率測(cè)試結(jié)果都有一定的影響。鋪置濃度對(duì)支撐劑破碎率的影響較大，破碎率會(huì)隨鋪置濃度的增加而降低。壓力加載速率對(duì)支撐劑破碎率的影響較小。鋪置方式對(duì)測(cè)試結(jié)果有較大影響。采用鋪置器鋪置支撐劑，減少了人為因素的干擾，操作的可重復(fù)性更強(qiáng)，測(cè)試結(jié)果的可靠性更高。支撐劑的潤(rùn)濕度對(duì)破碎率測(cè)試值有一定影響。經(jīng)過(guò)蒸餾水浸泡后，石英砂的破碎率測(cè)試值會(huì)增大。樣品的粒徑分布為正態(tài)分布的，其抗壓強(qiáng)度基本相同；接近樣品粒徑下限且分布較分散時(shí)，測(cè)得的破碎率值較大。另外，采用相同的設(shè)備、相同的方法對(duì)同一種支撐劑樣品進(jìn)行破碎率測(cè)試，不同的實(shí)驗(yàn)室所得到的測(cè)試值也有差異。支撐劑破碎率與其充填層的短期導(dǎo)流能力直接相關(guān)，但破碎率與導(dǎo)流能力不是完全對(duì)應(yīng)的關(guān)系。選擇水力壓裂作業(yè)用的支撐劑時(shí)，不能只看其破碎率指標(biāo)，而要綜合考慮其各項(xiàng)性能指標(biāo)。建議根據(jù)測(cè)量的支撐劑導(dǎo)流能力、破碎率等指標(biāo)，再結(jié)合具體的地質(zhì)因素、工程因素，選取最佳經(jīng)濟(jì)性能的支撐劑。