水力壓裂低密度支撐劑鋪置規律研究及應用

梁瑩， 羅斌， 黃霞

（中石化西南石油工程有限公司井下作業分公司，四川德陽618000）

水力壓裂的首要目標是經濟有效地建立油氣從地層到井底的高導流能力通道，從而提高油氣井的產量[1-2]。常規支撐劑密度較大，沉降速率較快，在大厚度儲層中，支撐劑往往沉降到裂縫下部，難以對整個裂縫進行有效支撐，造成裂縫有效高度受限。而低密度的支撐劑有助于降低支撐劑在裂縫內的沉降速率，盡量使支撐劑在裂縫閉合前處于懸浮狀態，從而起到優化支撐劑鋪置剖面，充分改造目的儲層，提高壓裂增產效果的目的[3-4]。

在壓裂過程中如果支撐劑分布不合理或全部沉降到裂縫底部，會嚴重影響裂縫的導流能力和壓裂的增產效果[5-8]。支撐劑在人工裂縫中的鋪置情況對作業的成功與否至關重要。對支撐劑沉降和運移情況的預測是設計和評價水力壓裂措施的關鍵所在。研究支撐劑在裂縫中的運移規律，不但可以對施工排量和砂比等參數進行優化，選擇合適的壓裂液體系和支撐劑體系，還可以有效地控制縫高。如果支撐劑沉降和運移規律的分析是基于不正確的假設，就會導致在壓裂設計中做出錯誤決定[9-13]。目前，中國對壓裂過程中關于支撐劑運移和鋪置規律的研究多是在理論方面開展，多憑經驗或是軟件模擬來指導現場施工，很少有實驗方面的研究。筆者使用可視化平板裂縫模擬裝置，研究了低密度支撐劑在不同類型的流體介質、排量、砂比等條件下的鋪置情況，并計算出支撐劑運移規律，從而優化出合理的支撐劑鋪置方式，提高壓裂的效果和成功率。

1 實驗材料及設備

1.1 實驗材料

支撐劑（粒徑為0.355～0.450 mm，密度為1.45 g/cm3），攀枝花秉揚科技開發有限公司；HPG（羥丙基瓜膠），東營施普瑞石油工程技術有限公司。

1.2 實驗儀器

可視化平板裂縫模擬裝置，由壓裂液配制裝置、泵入裝置、大型可視平板裂縫等組成。裝置主體采用透明的有機玻璃，2端設置注入井和采出井，可以觀察、演示支撐劑鋪置和運移分布情況。儀器的攜砂液砂濃度范圍為0～700 kg/m3，支撐劑粒徑范圍為0.45～0.9，0.355～0.66，0.154 mm，泵注最大排量為6 m3/h，縫網裝置參數：縫寬為8 mm，長度為4 000 mm，高度為600 mm，溫度為室溫。

2 低密度支撐劑鋪置規律研究

2.1 低密度砂堤鋪置實驗研究

選取清水、0.08%HPG基液、0.3%HPG基液，流體介質黏度分別為1、3、9 mPa·s。其在不同排量和砂比下的砂堤鋪置實驗見表1。由表1可知，第1組實驗，由于清水在小排量（1 m3/h）條件下攜砂性較差，低密度支撐劑未形成砂堤，其他實驗由于排量較大或體系黏度較高，低密度支撐劑形成有效的鋪置剖面。支撐劑砂堤形態主要受流體排量和流體黏度控制。當流體黏度小時，如在清水介質中，需要在大排量條件下（排量為4～6 m3/h），支撐劑才能形成較好的砂堤，排量低（小于2 m3/h）容易造成砂堵；當流體黏度增大時，如在0.3%HPG基液中，則低排量下（小于2 m3/h），支撐劑才能形成較好的砂堤，大排量條件下（排量大于4 m3/h），支撐劑在后端集中，不利于形成較好的鋪置剖面。所以在壓裂設計中，當支撐劑種類確定后，需要充分考慮流體排量和流體黏度，以形成較好的支撐劑鋪置剖面。使用低密度支撐劑時，在較低流體排量和流體黏度下就可以形成較好的支撐劑鋪置剖面，降低了壓裂施工壓力。

表1 不同流體介質、不同排量條件下砂堤鋪置實驗

2.2 低密度支撐劑運移規律分析

砂堤形成模型可以簡化為支撐劑垂直運移和水平運移共同作用的結果。根據數據記錄及分析，以某一支撐劑團為研究對象，計算不同實驗條件下支撐劑的垂直運移速度和水平運移速度，計算結果見表2。由表2可知，在同一體系中，隨著排量增大，支撐劑的水平運移速度增大，垂直運移速度減小，這是由于排量增大時，流體介質對支撐劑的“擾動”作用增強，同時支撐劑顆粒之間的相互碰撞增多；在相同排量時，由于流體介質的黏度增大，支撐劑在基液中懸浮能力增強，其垂直運移速度減小，即支撐劑的沉降速度減慢，在壓裂裂縫閉合前處于懸浮狀態，有效地鋪置在裂縫中，避免造成砂堵或壓裂裂縫閉合。

表2 不同實驗條件下支撐劑的運移速度

將同一體系中的水平運移和垂直運移速度對縫口流速作圖，結果見圖1和圖2。由圖1的擬合數據可以看出，縫口流速增大時（即排量增大時），支撐劑垂直運移速度呈線性減小，這說明支撐劑顆粒不再遵循Stokes定律，即在垂直方向上不是自由沉降，而是由于支撐劑顆粒之間碰撞和流體介質的擾動作用增強，使支撐劑在沉降過程中出現“波動”狀態。由圖2的擬合數據可以看出，縫口流速較小時（小于0.5 m/s），支撐劑水平運移速度增長量較快；縫口流速較大時（大于0.5 m/s），支撐劑水平運移速度增長量減緩，這說明支撐劑顆粒之間碰撞增加，而且與裂縫壁面碰撞更加頻繁，損耗了支撐劑顆粒的動能。結合表2可以看出，在0.08%基液中，排量在4 m3/h時，砂堤鋪置較好，砂堤較高；而在0.3%基液中，排量在1～2 m3/h時，砂堤鋪置較好，砂堤較高。同一種流體，排量增大時，有效縫高降低。所以在現場施工中，通過調整基液黏度和排量，控制有效縫高。

圖1 0.08%和0.3%基液垂直運移擬合圖

圖2 0.08%和0.3%基液水平運移擬合圖

3 低密度支撐劑現場應用

目前已完成3口井低密度支撐劑現場應用試驗，應用層位為沙溪廟組。低密支撐劑為秉揚30/50目69 MPa（體積密度為1.44～1.47 g/cm3），3口井平均砂比在14%～20%之間，基液黏度在12～17 mPa·s，設計支撐裂縫總高度為62 m，施工排量在3.5～5.1 m3/min，施工成功率100%。低密度支撐劑現場應用情況見表3。

表3 低密支撐劑應用井和鄰井壓裂測試情況對比

由表3可知，低密度支撐劑應用井的平均無阻流量為28.015×104m3/d，常規支撐劑井的平均無阻流量為14.652×104m3/d，是常規井的1.91倍。通過研究低密度支撐劑鋪置規律，優化施工工藝參數，使低密度支撐劑在川西中淺層應用效果良好，具有廣闊的推廣前景。

4 結論

1．支撐劑砂堤形態主要受流體排量和流體黏度控制。當流體黏度小時，需要在大排量條件下，支撐劑才能形成較好的砂堤；當流體黏度增大時，如在0.3%HPG基液中，則低排量下（小于2 m3/h）支撐劑才能形成較好的砂堤。

2．在同一體系中，隨著排量增大，支撐劑的水平運移速度增大，垂直運移速度減小，說明流體介質對支撐劑顆粒的“擾動”作用增強，同時支撐劑顆粒之間的相互作用增強，使支撐劑在沉降過程中出現“波動”狀態。

3．縫口流速較小時（小于0.5 m/s），支撐劑水平運移速度增長量較快；縫口流速較大時（大于0.5 m/s），支撐劑水平運移速度增長量減緩。

4．已完成的3口低密度支撐劑應用井平均無阻流量，是常規支撐劑應用井的1.91倍， 表明低密度支撐劑在川西中淺層地層具有廣闊的應用前景。