水力壓裂用支撐劑破碎率的影響因素分析

梁天成 嚴玉忠 蒙傳幼 陳 峰 劉云志 付海峰

(1. 中國石油勘探開發研究院， 北京 100083； 2. 中國石油天然氣集團有限公司油氣藏改造重點實驗室， 河北 廊坊 065007； 3. 中國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重要的增產措施，其效果在很大程度上取決于所用的支撐劑的性能。評價支撐劑性能的指標包括篩析、平均粒徑、圓球度、酸溶解度、濁度、密度、破碎率和灼燒損耗等。破碎率是評價石英砂、陶粒類支撐劑性能的一個重要指標，它是指在額定壓力作用下支撐劑破碎量(實驗中產生的低于規格粒徑下限篩的微粒質量)的占比，表征支撐劑的抗破碎能力。現行標準對支撐劑破碎率測試方法進行了規范，但實踐中測試條件總是存在一定的局限性，有許多因素會影響測試的結果。本次研究，主要分析了測試過程中鋪置濃度、鋪置方式、閉合應力加載速率及樣品濕度和粒徑分布對支撐劑破碎率測試值的影響。

1 實驗設備及測試流程

在破碎率實驗中，用到的液壓機為全自動液壓機；破碎室的直徑為50.8 mm；采用MeasurementofandSpecificationsforProppantsUsedinHydraulicFracturingandGravel-packingOperations(API STD 19C — 2018)[1]中規定的機械鋪置器；選用《試驗篩技術要求和檢驗》(GB/T 6003.1 — 2012)[2]規定的標準試驗篩。測試流程及各階段所用儀器如圖1所示。樣品首先經過規格粒徑上下限篩篩分，使所有顆粒都在規定粒徑范圍內；加壓后，經過下限篩篩分，稱取落在底盤上的顆粒質量。底盤上的顆粒質量與壓前樣品質量之比即為破碎率。

圖1 破碎率測試流程及所用儀器

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種鋪置濃度下進行實驗。升壓時間為1 min，升至28 MPa后保載2 min，然后稱量計算破碎率。結果表明，支撐劑充填層鋪置濃度對支撐劑的破碎率影響很大，提高鋪置濃度會降低支撐劑的破碎率(見圖2)。20/40目石英砂充填層鋪置濃度為2.5 kg/m2時，破碎率為21.8%；鋪置濃度提高到20 kg/m2時，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，破碎率為7.8%；鋪置濃度提高到20 kg/m2時，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粒可分為內部顆粒和外部顆粒。內部顆粒通常與6～12個相鄰顆粒點接觸，形成均勻的應力分布；外部顆粒的接觸點較少，則會導致應力集中。由于這種“邊界效應”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，外部顆粒占顆粒總數的比例就更大，因此支撐劑的破碎率值會增大。

測定結果還表明，在相同閉合應力下，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。事實上，大粒徑單粒支撐劑的抗壓強度大于小粒徑單粒支撐劑的抗壓強度。材料強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關系[3]。之所以會出現支撐劑破碎率與單顆粒抗壓強度相矛盾的現象，原因在于破碎率測試標準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更多[4]。因此，當施加閉合應力時，雖然大粒徑的強度更大，但因其顆粒數量相對少許多，作用于每個顆粒上的力就更集中、更大，從而便導致其破碎度增加。另外，在標準導流能力試驗中，支撐劑的鋪置方式采用的是等質量鋪置，鋪置濃度為10 kg/m2，這意味著導流能力測試較破碎率測試所得到的破碎率值要大一些。

2.2 鋪置方式的影響

按照國際標準Measurementofpropertiesofproppantsusedinhydraulicfracturingandgravel-packingoperations(ISO 13503-2-2006)[5]和國內行業標準《水力壓裂和礫石充填作業用支撐劑性能測試方法》(SY/T 5108 — 2014)[6]的規定，支撐劑鋪置方式為：將支撐劑平穩倒入破碎室，活塞靠重力自由下降，順時針旋轉活塞180o一次，不搖動或顛簸破碎室，防止支撐劑下沉。同時，按標準API STD 19C — 2018的有關規定，采用機械鋪置器鋪置支撐劑。采用機械鋪置器鋪置，可減少人為因素干擾，更好地保證可重復性，每次都采用相同的方法將支撐劑裝填到破碎室內，測試結果也更穩定可靠。采用機械鋪置器鋪置支撐劑，大幅度降低了支撐劑破碎率(見表1)。

表1 不同鋪置方式下測得的支撐劑破碎率

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，配位數依次為6、8、10和12，相應的孔隙率分別為47.64%、39.55%、30.19%和25.95%[7]。支撐劑顆粒為異徑連續尺寸顆粒，填充時受到充填速度、振動和顆粒碰撞、回彈、顆粒相互作用及容器壁的影響而不能規則填充，實際為隨意堆積。不同的鋪置方式會導致填充結構、配位數和堆積密度方面的差異，每個顆粒的受力分布有所不同，從而導致破碎率的不同。支撐劑充填層堆積密度越大，其破碎率越小。手動鋪置和機械鋪置的堆積密度、填充結構有所不同，因此對同一種樣品測得的破碎率值差異較大。

2.3 閉合應力加載速率的影響

在靜力學條件下加載速率的量級不同，巖石力學峰值強度增加的幅度也不同，但它們之間的關系基本上是隨著加載速率的增加，巖石力學峰值強度也相應呈線性增加。本次遵循標準SY/T 5108 — 2014和《壓裂支撐劑性能指標及評價測試方法》(Q/SY 17125 — 2019)[8]的規定，測試了1 min升壓和2 000 psi/min 升壓、同時保載2 min條件下中密度和高密度陶粒的破碎率，結果如表2所示。加載速率越大，破碎率就越小。但總體上看，閉合應力加載速率對陶粒破碎率的影響不大。陶粒的破碎率與力的作用時間和力的大小相關。

表2 不同升壓時間下陶粒的破碎率

2.4 濕度的影響

潤濕石英砂樣品制作流程：將樣品用蒸餾水充分潤濕，浸泡1 h后濾水，然后放入破碎室。對20/40目規格的石英砂，在5、10、20 kg/m2等3種鋪置濃度下，升壓時間為1 min，升至40 MPa后保載2 min，計算破碎率。經過蒸餾水浸泡后，3種鋪置濃度的石英砂的破碎率都有所升高(見表3)。這種現象是由于支撐劑濕顆粒之間產生的表面張力干擾了支撐劑的充填層，浸泡過程實際上是建造了一個具有高孔隙率的充填層，而破碎更嚴重。

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

選取同一生產批次的30/50目陶粒支撐劑，測試分析粒徑分布對破碎率的影響。首先將樣品篩分成若干粒徑段，然后根據實驗設計選取不同粒徑的顆粒組合，形成不同粒徑分布的測試樣品(見圖3)。測試結果顯示，組合樣品粒徑為正態分布的抗壓強度基本相同；接近樣品粒徑下限且分布較分散時，其抗壓強度會降低，破碎率升高(見表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規定篩組底篩網的質量占總質量的百分比，并不確定有多少支撐劑顆粒破碎了。實際落在底部篩網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個顆粒中，有5個顆粒被劈成許多小粒徑顆粒篩分后落在底盤；也有可能是10個顆粒破碎，但僅有7個顆粒篩分后落在底盤，而另外3個劈分成稍大的顆粒分布在底篩上的其他篩網上。低強度支撐劑不僅破碎率更大，而且會產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流能力。

2.6 不同實驗室的測試結果

采用行業標準SY/T 5108 — 2014規定的方法測試支撐劑破碎率，操作方面具有良好的可重復性。為了解不同實驗室測試數據的差異，在26家實驗室依據該標準，采用相同的設備，對相同的陶粒支撐劑樣品(30/50目，69 MPa)進行了破碎率測試。同一個實驗室，在2次測試中得到的破碎率值差距不大(差值小于0.5%)，測試結果比較穩定。但是，將不同實驗室測得的數據進行比較，發現還是存在較大的差異。在26家實驗室中，第一次測試得到的破碎率值，最高的為8.27%，最低的為5.00%；第二次測試得到的破碎率值，最高的為7.90%，最低的為4.60%(見圖4)。

圖4 不同實驗室測得的陶粒破碎率

3 破碎率與導流能力的關系

以中國石油勘探開發研究院支撐劑評價實驗室2015 — 2019年測試用的支撐劑作為實驗樣品，測試分析支撐劑破碎率與導流能力的關系。其中，有陶粒樣品143個，石英砂樣品51個。遵循標準SY/T 5108 — 2014的規定進行破碎率測試。測試20/40目和30/50目石英砂的閉合應力為28 MPa，測試40/70目和70/140目石英砂的閉合應力為35 MPa；測試20/40目和30/50目陶粒的閉合應力為69 MPa，測試40/70目和70/140目陶粒的閉合應力為86 MPa。按照《壓裂支撐劑充填層短期導流能力評價推薦方法》(SY/T 6302 — 2009)[9]的規定進行導流能力測試。對石英砂充填層的測試，閉合應力為30 MPa；對陶粒充填層的測試，閉合應力為60 MPa。

測試結果，石英砂破碎率與導流能力的關系如圖5所示。石英砂充填層的導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，其導流能力很弱，這也是現行相關標準規定其破碎率≤10%的原因。但石英砂的破碎率與導流能力并不是完全對應的關系，不是在破碎率高一點后導流能力就必然會降一點。導流能力降低的主要原因在于支撐劑顆粒的破碎和壓實程度，支撐劑破碎產生的細小顆粒會堵塞孔隙和通道，而壓實會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際破碎，同時破碎率測試和導流能力測試的條件也不同。因此，支撐劑的破碎率并不能全面反映導流能力。在預測導流能力時，不能只看支撐劑的破碎率。

圖5 石英砂的破碎率與導流能力

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

圖6 陶粒的破碎率與導流能力

破碎率測試和導流能力測試都需要專門的設備。破碎率測試的操作相對簡單、成本相對較低、所需時間較短，支撐劑生產廠家和檢測單位的實驗室也都配備了破碎率測試裝置。導流能力測試比較復雜、耗時久、費用高，目前只有少數實驗室配備了導流能力測量儀器。因此，實踐中在選擇支撐劑時常常將破碎率作為主要標準。破碎率與篩析、平均粒徑、密度、圓球度和濁度等都是評價支撐劑性能的指標，導流能力則是對這些因素的綜合反應。優化裂縫設計和支撐劑選擇，可以根據生產模型中裂縫的幾何形狀和儲層產能確定所需的導流能力，然后在確認支撐劑性能指標合格的前提下，參考比較支撐劑導流性能及價格來選擇確定最佳經濟性能的支撐劑。雖然實驗室內的導流能力測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和參考。還可將氣測、非達西流、多相流、應力循環、壓裂液傷害和實際裂縫中可能遇到的其他條件的影響，應用于導流能力測試分析。

4 結 語

遵循有關標準的規定，對石英砂、陶粒類支撐劑的破碎率和導流能力進行了實驗測試。從實驗結果來看，支撐劑的鋪置濃度、鋪置方式和閉合應力加載速率、支撐劑濕度、粒徑分布等因素，對支撐劑破碎率測試結果都有一定的影響。鋪置濃度對支撐劑破碎率的影響較大，破碎率會隨鋪置濃度的增加而降低。壓力加載速率對支撐劑破碎率的影響較小。鋪置方式對測試結果有較大影響。采用鋪置器鋪置支撐劑，減少了人為因素的干擾，操作的可重復性更強，測試結果的可靠性更高。支撐劑的潤濕度對破碎率測試值有一定影響。經過蒸餾水浸泡后，石英砂的破碎率測試值會增大。樣品的粒徑分布為正態分布的，其抗壓強度基本相同；接近樣品粒徑下限且分布較分散時，測得的破碎率值較大。另外，采用相同的設備、相同的方法對同一種支撐劑樣品進行破碎率測試，不同的實驗室所得到的測試值也有差異。支撐劑破碎率與其充填層的短期導流能力直接相關，但破碎率與導流能力不是完全對應的關系。選擇水力壓裂作業用的支撐劑時，不能只看其破碎率指標，而要綜合考慮其各項性能指標。建議根據測量的支撐劑導流能力、破碎率等指標，再結合具體的地質因素、工程因素，選取最佳經濟性能的支撐劑。