壓裂液返排試驗及返排制度優化研究

＊尹國君 許慶雙 范傳雷

（中國石油吉林油田油氣工程研究院 吉林 138000）

壓裂液返排試驗及返排制度優化研究

＊尹國君 許慶雙 范傳雷

（中國石油吉林油田油氣工程研究院 吉林 138000）

試驗結果顯示，合理的返排液體粘度應小于5mPa·s；支撐劑回流主要發生在排液初期；初期合理的返排速度控制在0.2m3/min，控制油嘴不大于3mm；作用在支撐劑有效應力大于6mPa后，返排出砂狀況明顯降低；若壓裂過程加入纖維，可更有效控制支撐劑回流。試驗結果對壓裂液返排施工具有很好的指導意義。

低滲透；壓裂返排；返排液體粘度；返排速度；返排

1.試驗裝置及材料

裂縫模擬試驗裝置主要是壓裂返排模型：基本尺寸為長350cm，寬120cm，高30cm。

其它配套的試驗設備有：恒流柱塞泵（0～1500ml/ min）；液壓機（0～150mPa）。

試驗材料：支撐劑選用吉林現場20/40目陶粒；模擬試驗裝置出口端流出36L液體。

2.試驗方法

利用裂縫導流能力模擬試驗裝置，模擬壓裂施工的返排過程，通過改變不同的參數條件，分析返排液速度、返排液粘度、作用于支撐劑的有效應力等因素對支撐劑回流的影響程度，為壓裂施工合理返排制度優選提供依據。

3.試驗操作步驟

(1)支撐劑的鋪置

(2)壓裂液的制備

(3)測量過程

①將試驗裝置裝載到液壓機上，加載試驗方案中設計的有效應力，連接好管線；②在大流量恒流柱塞泵上設定流量20ml/min，開通前側和上下兩側的開關，啟動柱塞泵，以小流量將壓裂充填模型室充滿液體，模擬施工停泵后壓裂液和支撐劑在地層中的情況；③將大流量恒流柱塞泵的流量設定為方案設計的相應返排速度，根據不同返排時間，在試驗裝置出口端收集流出的支撐劑，當返排液量達到設計數值時停泵，返排結束；④沉淀、過濾、烘干、稱量回流出來支撐劑質量；⑤完成上述試驗步驟后，再進行下一組試驗；⑥每組試驗重復3次，結果取平均值。

4.試驗結果與分析

(1)返排液粘度影響試驗分析

鋪砂濃度10kg/m2，返排液速度從50ml/min增加到1000ml/min，試驗結果如下。

隨著返排液粘度的增大，支撐劑回流量增大。相同粘度下的流速越大，回流砂量越大；當粘度在5mpa·s以內，回流量較小；當粘度大于5mpa·s，曲線的斜率增大，粘度影響程度增強，回流量隨返排粘度的增大而迅速增多。返排液粘度越大，使得裂縫中壓裂液的壓力梯度越大，壓裂液的粘滯阻力增加，壓裂液返排速度越大，壓裂液的粘度越高，流動過程中流動阻力就越大，這相當于使支撐劑回流動力增加，使得支撐劑回流量越大。

因此，將5mPa·s粘度定為控制支撐劑回流臨界值，返排粘度需控制在5mpa·s以下。

(2)返排液速度影響試驗分析

鋪砂濃度10kg/m2，返排液速度從50ml/min增加到1000ml/min，返排時壓裂液的粘度5mpa·s，作用于支撐劑的有效應力10mPa(作用于支撐劑上的應力)。測量不同返排速度的支撐劑回流量。試驗結果如下。

圖1 返排液速度對返排影響

從圖1中可以看出，隨著壓裂液返排速度增大，支撐劑總回流量逐漸增大。當返排速度為50ml/min時，總回流量為2．20g，當返排速度增大到1000ml/min時，總回流量達到62．41g，是前者的28．3倍。壓裂液返排速度越大，壓裂液對支撐劑的拖曳力作用越強，導致回流量越大。壓裂液返排速度是影響支撐劑回流的一個決定性影響因素。

隨著返排速度的增大，支撐劑回流量增加的幅度增大，影響程度增強。返排速度在50ml/min至100ml/min和300ml/ min至400ml/min，曲線斜率增幅均變化較大，當返排速度大于50ml/min時，曲線斜率增幅較大，100ml/min至300ml/ min，曲線斜率平緩，大于400ml/min時，曲線斜率增幅較大。因此可以確定返排速度300ml/min為控制支撐劑回流的最大臨界流量。

(3)不同返排時間段影響試驗分析

鋪砂濃度10kg/m2，返排液速度500ml/min，其它參數同上。測量不同返排速度的支撐劑回流量。試驗結果如圖2所示。

圖2 返排時間對返排影響

從圖2可以看出，支撐劑回流量主要階段集中在壓裂液返排初期，當返排液時間60min內，支撐劑回流量隨著時間的增加迅速降低，返排時間超過60min后，隨著返排時間增加，支撐劑回流量明顯降低。返排時間210min之后，支撐劑回流量幾乎為0。分析在返排初期，支撐劑充填層還沒有完全壓實，因此在返排初期尤其60min內，控制放噴速度可以減少支撐劑返排，后期可提高返排排量。

綜上所述，應考慮在壓裂液返排初期選用小油嘴控制支撐劑回流，裂縫基本閉合后可考慮返排，在不出砂的前提下，可以適當增大返排速度以實現壓裂液盡快返排，減少對地層的傷害。

(4)有效應力影響試驗結果分析

鋪砂濃度5kg/m2，壓裂液返排速度取值為200ml/min，返排液粘度5mpa·s，閉合壓力取值0～10mPa，試驗結果如下圖所示。

圖3 返排時間對返排影響

從圖3可以看出，隨著作用于支撐劑的有效應力的增大，支撐劑總回流量逐漸減小。從圖中可以看出當有效應力小于mPa時，支撐劑回流量較大，當有效應力大于6mPa后，200ml/min條件下，回流量從0．86g減小至0．47g，回流量的減小在該點發生躍變，而后隨有效應力的增大而近似呈線性減小。在現場壓裂返排施工時，應選擇作用于支撐劑的有效應力達到6mPa后，再安排返排工作，有利于控制支撐劑的回流量。

(5)加入纖維后的試驗結果及分析

鋪砂濃度10kg/m3，有效應力6mPa，壓裂液粘度20mpa·s采用的返排速度從50ml/min增加到1000lm/min，試驗結果如圖所示。

從圖4中可以看出，返排速度低于300ml/min，沒有支撐劑流出，當返排速度大于300ml/min后，僅有幾個支撐劑顆粒流出，在返排流速1000ml/min時候，也僅有很少支撐劑流出，說明加入纖維能夠很好的控制支撐劑回流。

圖4 有效應力對返排影響

試驗還發現，其它條件不變，即使返排粘度達到100mpa·s時，也僅有少量支撐劑流出，說明加入纖維能夠很好解決粘度較高的返排液的支撐劑回流。

5.結論與建議

(1)壓裂液返排速度是影響支撐劑回流的決定性影響因素。初期返排速度應小于50ml/min為宜。

(2)壓裂返排液徹底破膠，返排時粘度控制在5mpa·s以下為宜。

(3)支撐劑返出主要在返排初期，返排時間應控制在裂縫基本閉合后，在不出砂的前提下，可以適當增大返排速度以實現壓裂液盡快返排。

(4)現場壓裂返排施工時，應選擇作用于支撐劑的有效應力達到6mPa后，再開始返排，有利于控制支撐劑的回流量。

(5)壓裂液中加入纖維，能夠極大地降低支撐劑回流。

尹國君（1971～），男，中國石油吉林油田油氣工程研究院，研究方向：天然氣試采氣工藝技術研究與應用。

責任編輯李鵬波）

Study of Fracturing and Flowback Experiment and Flowback System Optimization

Yin Guojun, Xu Qingshuang, Fan Chuanlei
（PetroChia Jilin Oil Field and Oil Gas Engineering Institute, Jilin, 138000）

the test results show that the flowback liquid viscosity should be less than 5mPa·s reasonable; proppant backflow occurs mainly in the discharge period; early reasonable return control in 0.2m3/min speed control nozzle is not greater than 3mm; role in supporting agent effective stress is greater than 6mPa, the reverse flow condition of sand fracturing if reduced obviously; the process of adding fiber, can effectively control the backflow of proppant. The experimental results have a good guiding significance for the flowback of fracturing fluid.

low permeability；fracturing and flowback；flowback fluid viscosity；flowback speed；flowback低滲透儲層通常需要壓裂才能進行有效開發，其中壓裂后滯留在地層、裂縫及井筒液體的返排對壓裂的有效開發影響較大。為了防止壓裂液對儲層污染，一般在壓裂施工結束后盡快組織放噴返排工作，如果不當或者壓裂裂縫沒有閉合，通常會發生支撐劑回流，導致大量的支撐劑回流到井筒，降低裂縫內鋪砂濃度，嚴重情況下會填埋儲層，甚至會對地面設備及管匯造成嚴重損害。針對上述問題，通過室內物理模擬試驗研究確定壓裂液的返排參數等因素對支撐劑回流的影響規律，進而提出控制支撐劑回流的返排時機和返排制度方案，對壓裂液返排施工具有指導意義。

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