壓裂覆膜石英砂沉降機理研究及壓裂施工排量優化

劉又銘 熊廷松 代安安 丁富壽 劉光杰

（1.青海油田公司鉆采工藝研究院；2.青海油田公司采油三廠；3.青海油田公司采油一廠）

近年來，隨著世界油氣資源品質的劣質化不斷加劇，難采儲量越來越多。壓裂改造是穩產提產的重要技術手段，尤其是對低滲油氣藏的開發尤為重要。青海油田具有豐富的低滲儲量。在以往的措施改造中，常規的壓裂改造主要采用胍膠壓裂液體系，在現場施工過程中，胍膠體系存在配液過程復雜、破膠后具有殘渣、返排液難處理回收、容易對地層造成二次污染等問題。清水覆膜石英砂壓裂是針對低滲難采儲量，采用清水、地層水或者返排液攜帶壓裂覆膜石英砂進行壓裂改造，省去配液環節、降低勞動強度、減少前期準備時間、節省化工材料、降低二次污染，大大縮短了施工周期、降低了施工成本及環保壓力[1]。

1 壓裂覆膜石英砂懸砂性能

1.1 性能原理

壓裂覆膜石英砂是采用微晶降密技術，微晶降密技術圖解見圖1。由專用功能高分子樹脂制備而成的預固化覆膜支撐劑，與清水混合時膜體降低水體的摩阻并與水發生化學反應，在膜體內外同時生成大量的納米級的氣態小分子，在膜體內的納米級氣體分子能階段性地推移高分子鏈節的相對位置引起樹脂膜的階段性膨脹造成顆粒體在清水中的當量直徑，而在清水中具有相同或相似結構的眾多因素在膜體表面的納米級氣體分子附著在支撐劑顆粒的表面，納米級小氣泡在溫度或機械力的作用下可以快速增大擴張直至其相互連接、黏連、貫通形成棉花絮狀，這樣“多重因素”的疊加和協同就大大地增加了清水“托浮”的相對浮力和降低了支撐劑在水中的相對密度，從而能使壓裂覆膜石英砂支撐劑在水中實現“自懸浮”[2-3]。

圖1 微晶降密技術圖解

1.2 沉降機理研究

當流體與淹沒固體作相對運動時，固體所受的流體作用力，一是平行于流動方向的作用在物體上的分力FD，稱為阻力；二是垂直于流動方向作用于物體上的分力FL，稱為升力。繞流阻力計算公式如下：

式中：CD為繞流阻力系數，其值主要取決于繞流體體型和雷諾系數Re；μ0為液體黏度，mPa·s；A為常數。

小球體CD可按下式計算：

支撐劑在流體（壓裂液）中的受力見圖2。

圖2 支撐劑在流體中受力分析圖

球體繞流阻力的計算公式：

式中：d為球體直徑，mm；υ0為球體遠處流體速度，cm/s；μ為液體黏度，mPa·s。

分析球體微粒（支撐劑）沉降，可計算球星微粒沉降的極限流速：

公式擴展：

顆粒物在液體中的極限流速公式：

式中：ρs與ρ分別為球體和流體的密度，g/cm3。

從公式（6）中可以得出，顆粒物在液體中的下沉速度與顆粒體與液體的視密度差成正比，顆粒物的下沉速率也與顆粒物的當量直徑的平方成正比[4-5]。

根據上述（6）公式，對壓裂覆膜石英砂、常規石英砂及陶粒進行沉降速率計算，壓裂覆膜石英砂在清水中極限流速見表1。

表1 壓裂覆膜石英砂在清水中極限流速

從表1中可以看出，壓裂覆膜石英砂降速率較常規石英砂降低3.01cm/s，降幅53.18%，較陶粒降低3.96cm/s，降幅59.91%，通過降低壓裂覆膜石英砂的密度及提高當量面積，壓裂覆膜石英砂在液體中的沉降速率得到了大大的降低，能夠在清水中實現自懸浮，達到清水攜砂的目的。

2 施工排量優化

2.1 施工排量與管柱下深、支撐劑濃度的關系

不同粒徑壓裂覆膜石英砂，在不同砂濃度、儲層深度以及施工管柱內徑下，支撐劑不發生沉降時所需要的排量不一樣。根據室內實驗測定的支撐劑懸浮性能、沉降速度，結合現場施工管柱的內徑不同，儲層的埋藏深度不一的情況下，隨著砂濃度的提升，所需的施工排量也隨之增大[6]。通過室內研究，得出2、3?2、油管下70-140目、40-70目、30-50目壓裂覆膜石英砂施工排量見表2。

表2 2、3油管下70-140目、40-70目、30-50目壓裂覆膜石英砂施工排量 單位：m3/min

表2 2、3油管下70-140目、40-70目、30-50目壓裂覆膜石英砂施工排量 單位：m3/min

1）在設計最高砂比25%的情況下，70-140目壓裂覆膜石英砂采用2油管在井深達到3000m時，施工排量達到4.31m3/min不會出現沉砂現象，采用3?2油管在井深達到3000m時，施工排量達到6.48m3/min不會出現沉砂現象；40-70目壓裂覆膜石英砂采用2油管在井深達到3000m時，施工排量達到5.47m3/min不會出現沉砂現象，采用3?2油管在井深達到3000m時，施工排量達到7.40m3/min不會出現沉砂現象；30-50目壓裂覆膜石英砂采用2油管在井深達到3000m時，施工排量達到6.52m3/min不會出現沉砂現象，采用3?2油管在井深達到3000m時，施工排量達到8.20m3/min不會出現沉砂現象[7]。

2）隨著砂比和井深的增加，所需排量在不斷的增大；同時排量的增幅也在不斷增大；排量與砂比、井深變化關系見圖3。

圖3 排量與砂比、井深變化關系

3）隨著粒徑和管徑的增大，施工排量越來越大，整體呈現上升趨勢，在3?2管柱下70-140目支撐劑所需的排量較2管柱下30-50目支撐劑所需排量小。說明管徑對施工排量影響很大，壓裂覆膜石英砂并不適合在大管徑管柱或者油管淺下的井施工，比如4?2管柱以及水平井等壓裂施工，易造成沉砂影響施工質量和施工效率[8]。相同井深下管徑、粒徑與排量關系圖見圖4。

圖4 相同井深下管徑、粒徑與排量關系圖

2.2 不同區塊參數優化

根據不同區塊埋藏深度、壓裂工藝、管柱下深、管徑大小等不同參數，優化出不同區塊的施工排量和砂比。儲層埋深在800～1600m，常見的井身結構為二開井身結構，套管通天，采用的管柱組合為，油管不淺下，采用的工藝為直井多層多段縫網壓裂工藝。壓裂管柱組合：3?2油管下深至目的層上部50m左右+2油管+一整套封隔器分層+球座至第一層上部。支撐劑：30/50目或20/40目壓裂覆膜石英砂，平均砂比25%，最高砂比42%。

根據前期施工排量、砂比與管柱、儲層埋深的關系，反推出南翼山區塊施工排量及砂比見表3。

表3 南翼山區塊施工排量優化

管柱下深在800m、體積砂比達到45%、施工排量大于5.85m3/min時，壓裂覆膜石英砂不沉砂，管柱下深在1600m、體積砂比達到45%、施工排量大于8.26m3/min時，壓裂覆膜石英砂不沉砂，現場需要提高施工排量確保施工順利[9-10]。

2.3 其他區塊施工參數優化

根據不同區塊儲層埋藏深度、最高砂比、平均砂比等因素，優化出不同區塊清水壓裂施工參數。青海油田不同區塊清水壓裂施工排量優化見表4。

表4 青海油田不同區塊清水壓裂施工排量優化 單位：m3/min

根據單井設計最高砂比45%計算，不同區塊由于井深不同，采用的工藝不同，所需施工排量不同，或者清水壓裂工藝不適合。清水壓裂工藝區塊優選見表5。

表5 清水壓裂工藝區塊優選

2.4 清水壓裂設計優化結果

通過室內實驗研究及區塊優選，壓裂覆膜石英砂具備開展現場試驗的條件，同時具有以下特性：壓裂覆膜石英砂具有一定的懸浮性能；加入一定比例的壓裂覆膜石英砂具有一定的降阻性能，能夠很好的降低施工摩阻；壓裂覆膜石英砂液體濾失大，效率低，在施工過程中采取的措施主要通過提高施工排量彌補壓裂液的濾失，防止支撐劑沉降。結合液體體系為地層水/清水/返排液特性，針對不同區塊清水壓裂的優化結果見表6。

表6 不同區塊清水壓裂設計方案優化結果

3 結論

1）壓裂覆膜石英砂具有低密度、自懸浮性能，具備清水壓裂的特性，能夠滿足現場壓裂攜砂性能的要求。

2）采用壓裂覆膜石英砂進行措施改造，在減少環境污染的同時，能夠大大降低措施成本及儲層二次傷害，提高措施效果。

3）通過對壓裂覆膜石英砂“四位一體”施工排量優化的研究，壓裂覆膜石英砂能夠滿足青海油田大部分區塊的措施改造需求，但是施工需要大排量來提高措施改造成功保障率。