壓裂支撐劑回流影響因素及控制措施

陶祖文 蒲 楊 楊乾隆 趙國彬 但偉成

（1.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；2.中國石化西南油氣田分公司石油工程監督中心，四川 德陽 618000；3.中國石油長慶油田分公司第十采油廠，甘肅 慶陽 745100）

0 引言

加砂壓裂是低滲油氣藏開發評價和增儲上產必不可少的技術措施［1-3］。隨著壓裂技術的發展，“高砂比、造寬縫”更易實現，但同時支撐劑回流問題也更加突出。支撐劑回流將引起儲層傷害、設備損壞等問題，進而影響油氣井產能。一方面支撐劑回流出砂會產生裂縫表皮效應，降低近井筒附近的導流能力，甚至使支撐劑堆積井底掩埋油氣層；另一方面，壓裂后地層出砂沖蝕井筒、地面管線、油嘴以及分離器等設備，對生產設施造成嚴重破壞。目前，支撐劑回流可歸結為兩種類型：①壓裂返排過程中的支撐劑回流；②壓裂后油氣井在生產過程中的支撐劑回流。針對上述兩種情況而言，重點是做好壓裂后返排過程中支撐劑回流預防及控制措施的研究［4-6］。

1 支撐劑回流實驗

支撐劑回流是指裂縫中的支撐劑在流體的攜帶作用下從裂縫中進入井筒的現象。針對支撐劑回流現象，調研了相關研究實驗，總結了影響支撐劑回流的主要因素。相關物理模擬實驗如下所述。

1）圓管-射孔模型實驗［7］：采用不銹鋼管預充填支撐劑，然后用實驗流體使其飽和。實驗開始后，逐漸增加流體流速，直到發現裝置末端的集砂器中出現支撐劑為止。該實驗方法研究了臨界流速對于支撐劑回流的影響，但不能模擬縫寬變化和閉合壓力變化對臨界流速的影響。

2）狹槽模型實驗［8］：預先將狹槽調到一定寬度，再將支撐劑和壓裂液的混砂漿從左端孔眼泵入狹槽中充填裂縫，然后利用水力錨給支撐劑充填層施加一定的閉合壓力，實驗開始后從右端入口處逐漸增加泵入速度，直到發現有支撐劑流出。該實驗方法可以研究不同支撐劑顆粒尺寸、裂縫寬度以及地層閉合壓力條件下的臨界流速。

3）API 線性流動巖芯夾持器模型實驗［9］：在模擬裂縫閉合地層壓力和溫度下，研究不同流速和支撐縫寬時支撐劑發生回流的臨界點。Gidley、Sparlin以及Bratli等［10-11］的研究結果認為，支撐劑填充層在裂縫縫口將形成半球狀的砂堤，并且砂堤受壓裂液的剪切力和裂縫閉合壓力共同作用。此時，壓裂液的流速越大，砂堤越容易遭到破壞，進而引起支撐劑發生回流。同時，Romero 等人［12-16］的研究結果表明，縫寬與支撐劑粒徑的比值是影響支撐劑回流的另一個重要因素。即當縫寬與支撐劑粒徑的比值小于6時，支撐劑充填層是穩定的；隨著縫寬與支撐劑粒徑的比值從6增加到16，臨界返排流速減少；對于相同的縫寬與支撐劑粒徑的比值，在閉合壓力為6.89 MPa時的臨界流速遠比閉合壓力為0時所對應的臨界流速大。

綜合上述實驗研究，可以將影響支撐劑回流的因素概括為以下3 類［17-18］：①支撐劑性質，如密度、圓度、球度、體積等；②作用在支撐劑上的流體性質及其流速，包括密度、黏度、溫度、流變性等；③裂縫的性質，包括閉合度、閉合壓力、裂縫傾角等。以上因素將直接影響和決定作用在支撐劑顆粒上的力，包括拖拽力、浮力、重力、顆粒之間摩擦力等，從而引起支撐劑充填層發生松動、失穩、回流。

2 支撐劑回流模型

針對上述支撐劑回流的影響因素，目前國內外已經建立了一系列支撐劑回流預測模型。具體概括為以下4類。

1）經驗模型［19-20］，包括Stimlab 模型和PFW 模型。該類模型利用大量實驗數據統計結果建立，如式（1）和式（2）所示：

式中，Vf為支撐劑回流時流體臨界流速，m／s；dp為支撐劑平均粒徑，m；Cp為支撐劑單位面積內的濃度，kg／m2；μf為流體黏度，mPa·s；SGp為支撐劑所受重力，N；C0為黏聚力系數，無因次；C1為閉合壓力系數，無因次。

2）理論模型［21-22］，在厄根公式基礎上利用“最小流動化速度”原理建立模型，如式（3）所示。該模型未考慮閉合壓力的影響，僅適用于無閉合壓力作用或閉合壓力極低的情況。

式中，εmf為臨界流化孔隙度，%；ρp為支撐劑密度，g／cm3；ρf為流體密度，g／cm3；φs為支撐劑顆粒圓球度，常量。

3）半理論半經驗模型［23-24］，基于達西定律，采用臨界回流壓降梯度作為判斷依據建立模型，如式（4）所示。該模型修正了閉合壓力對支撐劑回流的影響，但是縫寬比大于6時，支撐劑發生回流的臨界壓降梯度為0，不具備抵抗流體作用的能力。

式中，kf為填充層滲透率，mD。

4）數值模型［25-26］，Clifton 基于有限元算法，建立了支撐劑回流預測數值模型，Roman和Asgian等人采用離散單元法模擬了支撐劑在充填層中的顆粒受力運動。二者對比，離散元方法更能反映支撐劑顆粒真實的運動特征。

綜合上述4種支撐劑回流模型，基于離散元方法對支撐劑顆粒運動過程進行仿真模擬更具比較技術優勢：①支撐劑回流影響因素和表征參數較多，仿真研究逐項驗證更加便捷；②室內實驗和理論研究，難以描述復雜工況條件下各影響因素和表征參數的變化規律。

3 支撐劑回流仿真

在室內實驗基礎上，通過逆向工程生成壓裂后巖板物理模型，利用威遠區塊頁巖相關參數，基于物質平衡原理，采用計算流體力學（CFD）與離散單元方法（DEM）耦合并行計算方法［27］，對模擬地層裂縫條件下20／40 目中密度陶粒支撐劑在近井筒附近的回流過程進行了仿真研究并列出參數設置（表1），仿真研究結果如圖1～圖4所示。

表1 裂縫中支撐劑回流模擬參數表［28-30］

圖1 返排速度6 m／s時近井筒支撐劑展布圖

圖2 返排速度8 m／s時近井筒支撐劑展布圖

圖3 返排速度10 m／s時近井筒支撐劑展布圖

圖4 返排速度12 m／s時近井筒支撐劑展布圖

仿真結果表明，6 m／s 低返排流速下液體返排速度與支撐劑回流量成正比；當返排速度達到8 m／s時，支撐劑顆粒開始在近井筒附近形成砂橋，繼續增大返排速度至10 m／s對支撐劑回流具有明顯的削弱作用；當返排速度達到12 m／s時，砂橋開始逐漸破壞和解體，繼續增大返排速度對支撐劑回流具有促進作用。在此基礎上，統計了模擬過程中支撐劑回流顆粒數量與返排速度之間的關系（圖5）。

圖5 返排速度對支撐劑顆粒回流數量的影響圖

因此，壓裂后期進行放噴排液時，需要優化排液制度，選擇合理的油嘴尺寸，進而將返排速度控制在一個合理的范圍內，以此降低支撐劑回流濃度。

4 支撐劑回流控制

目前，常用的支撐劑防回流控制技術包括以下6個方面。

1）裂縫強制閉合技術［31-32］，在壓裂結束后不等地層裂縫自然閉合，用一定直徑的噴嘴以較高的返排速度控制放噴，使裂縫內的支撐劑還未沉降到裂縫底部或未完全沉降時就被裂縫壁面夾住，從而使支撐劑最大限度地停留在裂縫內，減少支撐劑回流。

2）分段破膠技術［33-34］，在壓裂施工過程中分階段逐步增加破膠劑的用量，有效控制壓裂液的破膠順序與破膠時間，達到縮短排液周期，減少支撐劑回流和地層污染的目的。

3）高效表面活性劑技術［35-36］，采用高表面活性劑技術改善壓裂液的表面性質，以降低返排液與儲層界面的張力，減小地層毛細管力，從而達到快速返排的目的。

4）樹脂包裹支撐劑技術［37-40］，將樹脂包裹支撐劑通過尾追置于近井段裂縫內，支撐劑在裂縫閉合且地層溫度快速恢復后能夠轉化為玻璃球，與周圍相同的樹脂包裹支撐劑膠結，在裂縫縫口形成一道網狀屏障，有效防止支撐劑回流。

5）纖維充填技術［41-43］，在壓裂液中加入纖維，纖維與支撐劑顆粒間相互作用形成空間網狀結構，從而達到控制支撐劑回流的目的。

6）可變形支撐劑技術［44-45］，將樹脂和惰性填充物包裹形成可變性支撐劑，支撐劑在一定閉合壓力下將發生變形，以此穩定和鎖住周圍的支撐劑，從而增強整個支撐劑填充層抗流動的能力，達到控制支撐劑回流的目的。

在綜合考慮以上控制措施的基礎上，頁巖氣井放噴作業過程中需要兼顧保證臨界攜液流速和防止水合物生成，通過優化排液制度和選擇合理的油嘴尺寸防止支撐劑回流。為此開展了相應的礦場試驗（圖6）。

圖6 油嘴尺寸對支撐劑回流濃度的影響圖

礦場試驗結果表明，威遠地區頁巖氣井壓裂后開井放噴測試壓力為50～55 MPa，采用1～7 mm 油嘴控制放噴，支撐劑回流濃度隨著油嘴尺寸增加而增加；當采用8～9 mm 油嘴控制放噴，支撐劑回流濃度隨著油嘴尺寸增加而較小；采用10～11 mm 油嘴控制放噴，支撐劑回流濃度隨著油嘴尺寸增加而增加。以上礦場試驗結果與支撐劑回流仿真實驗結果在支撐劑回流趨勢上是一致的。

5 結論與展望

針對壓裂支撐劑回流影響因素及控制措施，結合CFD-DEM仿真研究和油嘴尺寸優化礦場試驗，得到了以下結論和認識。

1）影響壓裂支撐劑回流的因素，概括為支撐劑性質、作用在支撐劑上的流體性質及其流速、裂縫的性質，其中臨界返排流速是影響支撐劑回流的主要因素。

2）采用CFD-DEM 方法能夠研究復雜工況條件下各因素對支撐劑回流的影響規律，并從礦場試驗得到印證。

3）在保證臨界攜液流速和防止水合物生成的基礎上，合理優選油嘴尺寸是減少支撐劑回流的有效控制措施。