自懸浮支撐劑清水?dāng)y砂壓裂增產(chǎn)機理研究

黃博，雷林，湯文佳，徐寧蔚，熊煒

（中國石化華東油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇南京210019）

目前油氣藏水力壓裂過程當(dāng)中，常規(guī)壓裂主要通過壓裂液的黏度進(jìn)行攜砂，這種模式支撐劑難以到達(dá)裂縫深處。形成的砂堤靠近縫口處高，在裂縫端處支撐劑相對較小，類似于拋物線形式，在裂縫閉合后，在縫端處因支撐劑量少，導(dǎo)流能力較縫口處有明顯的變小。自懸浮支撐劑通過一定的物理化學(xué)方法，將生態(tài)、環(huán)保型、抗鹽、耐酸、水溶性覆膜涂料涂覆在傳統(tǒng)支撐劑的表面，經(jīng)烘干、篩分而成，表面涂料遇水快速溶脹增黏，相當(dāng)于在支撐劑內(nèi)核外部增加了一個游泳圈。游泳圈結(jié)構(gòu)的形成增加了浮力，與支撐劑重力在水中相平衡，成為自懸浮體系，溶于水的涂料增加了支撐劑之間潤滑性的同時提高了水的黏度，這種涂料在水溶液分子間產(chǎn)生三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)從而增加支撐劑的懸浮穩(wěn)定性[1-4]。目前自懸浮支撐劑的制備、室內(nèi)評價及現(xiàn)場應(yīng)用是國內(nèi)外對自懸浮支撐研究的熱點，而增產(chǎn)機理幾乎未見公開報道[5-9]。通過自懸浮支撐劑懸浮性能理論分析，對其覆膜的溶解、溶脹性進(jìn)行了評價，采用物理模擬與數(shù)值模擬的手段研究其混砂液流動規(guī)律，揭示了其增產(chǎn)機理，同時評價了其導(dǎo)流能力。

1 自懸浮支撐劑懸浮性能研究

1.1 自懸浮支撐劑懸浮性能理論分析

采用沉降速度快慢來表征自懸浮支撐劑在壓裂液中的懸浮性能，在水中沉降速度快則懸浮性能差，反之，在水中沉降速度慢則懸浮性能好[10-15]。單顆支撐劑在液體中自由沉降時其主要受重力、浮力及阻力三者相互作用影響，到達(dá)一定速度后三者在垂向受力平衡，其所受重力、浮力及阻力分別為：

式中：ρp為水化后支撐劑顆粒密度，kg/m3；ρ1為壓裂液密度，kg/m3；dp為水化后水化層直徑，m；u為支撐劑顆粒沉降速度，m/s；k為稠度系數(shù)；n為冪律指數(shù)；C（m）為修正系數(shù)。

將各力的表達(dá)式帶入式（4），得支撐劑顆粒沉降速度為：

對自懸浮支撐劑，其水化后顆粒密度與壓裂液密度有如下關(guān)系：

式中：mp為自懸浮支撐劑水化后顆粒質(zhì)量，kg。

將式（6）帶入式（5）得：

自懸浮支撐劑水化后的直徑、液體的稠度系數(shù)、顆粒的密度以及阻力系數(shù)是影響其沉降速度、實現(xiàn)自懸浮的主要因素。水化膜直徑越大，稠度系數(shù)越大，則沉降速度越小，有利于其自懸浮性能的實現(xiàn)。

從圖1、圖2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)自懸浮支撐劑的溶脹體積倍數(shù)大于4時，沉降速度受流體的黏度影響差異較??；而當(dāng)支撐劑水化后液體黏度大于40 mPa·s時，則沉降速度不再受支撐劑覆膜膨脹的影響。

圖1 自懸浮支撐劑表面涂層水化后不同液體黏度下膨脹倍數(shù)和沉積速度的關(guān)系Fig.1 Relation between expansion multiple and deposition rate of surface coating of self-suspension proppant after hydration under different liquid viscosity

圖2 自懸浮支撐劑表面涂層水化后不同膨脹體積倍數(shù)流體黏度和沉降速度的關(guān)系Fig.2 Relation between viscosity and settling velocity of surface coating of self-suspension proppant after hydration with different expansion volume multiples

1.2 自懸浮支撐劑表面覆膜溶脹性評價

選取自懸浮支撐劑顆粒，在高倍顯微鏡下測量顆粒的內(nèi)核直徑。滴加足量去離子水使支撐劑顆粒完全浸入水中，靜置20 s后將顆粒周圍水吸干，再次使用高倍顯微鏡觀察測量顆粒溶脹后的水化層直徑，實驗結(jié)果見圖3。

圖3 不同內(nèi)核直徑單顆粒自懸浮支撐劑表面覆膜溶脹性實驗結(jié)果Fig.3 Results of swelling property test of single particle self suspension proppant coated with film

從表1實驗結(jié)果表明，自懸浮支撐劑遇水后表面形成水化膜，水化膜的直徑是支撐劑內(nèi)核直徑的1.24～1.36倍，水化膜的形成不僅降低了支撐劑的密度，而且增加了支撐劑在水中所受的浮力，有利于支撐劑的懸浮。

表1 單顆粒自懸浮支撐劑水化膜直徑測試統(tǒng)計Table 1 Measurement and statistics of hydration film diameter of single particle self suspension proppant

1.3 自懸浮支撐劑水溶液黏度評價

常規(guī)壓裂作業(yè)中主要通過提高壓裂液黏度和提高泵送速度的方式來提高支撐劑的輸送能力，對于自懸浮支撐劑來說，其水溶液的黏度直接影響到它的懸浮性能[16-17]。

在實驗溫度25℃情況下，采用去離子水測定不同砂比時的水溶液黏度，見圖4。

從圖4可以看出，隨著自懸浮支撐劑體系砂比的提高，自懸浮支撐劑水溶液體系的黏度逐漸增加，當(dāng)自懸浮支撐劑體砂比達(dá)到20%時，其水溶液黏度達(dá)到36.3 mPa·s，結(jié)合其水化膜降低自懸浮支撐劑體系的密度，可滿足常規(guī)油氣藏壓裂攜砂需要。

圖4 不同砂比時溶液黏度測試結(jié)果Fig.4 Solution viscosity with different sand ratio

2 自懸浮支撐劑在裂縫中流動規(guī)律及鋪置特征

2.1 自懸浮支撐劑混砂液在裂縫中的物理模擬

采用支撐劑鋪砂剖面動態(tài)可視化模擬實驗裝置對自懸浮支撐劑、陶粒及自懸浮支撐及與陶?；旌系匿伾靶螒B(tài)進(jìn)行模擬實驗[18-20]。

從圖5～圖7可以看出，自懸浮支撐劑的沉降速度減緩、在裂縫內(nèi)形成的砂堤具有自支撐的作用，相對普通支撐劑，自懸浮支撐劑在鋪置距離更遠(yuǎn)、縱向鋪置更均勻，同時物理模擬的主要作用是為數(shù)值模擬的提供驗證依據(jù)。

圖5 自懸浮支撐劑攜砂模擬實驗Fig.5 Sand-carrying simulation experiment of self suspension proppant

圖6 普通陶粒支撐劑攜砂模擬實驗Fig.6 Sand-carrying simulation experiment of common ceramsite proppant

圖7 自懸浮和普通陶粒支撐劑混合攜砂模擬實驗Fig.7 Sand-carrying simulation experiment of self suspension and common ceramsite proppant

2.2 自懸浮支撐劑混砂液在裂縫中的數(shù)值模擬

采用fluent軟件模擬自懸浮支撐劑的運移與鋪置規(guī)律，設(shè)計兩組模擬實驗，一組采用自懸浮支撐劑，另外一組采用普通支撐劑。兩組實驗詳細(xì)的模擬參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 兩組模擬方案詳細(xì)參數(shù)設(shè)置Table 2 Detail parameters of two simulation schemes

1）自懸浮支撐劑

如圖8所示，運行107 s左右時，自懸浮支撐劑達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)果顯示，砂堤區(qū)和滾砂區(qū)的區(qū)域很小，支撐劑的懸浮區(qū)范圍很大，穩(wěn)定后的支撐劑的體積分?jǐn)?shù)12.7%～14.3%。

圖8 不同時刻自懸浮支撐劑體積分?jǐn)?shù)Fig.8 Volume fraction of self suspension proppant at different moment

2）普通支撐劑

如圖9所示，運行110 s左右時，普通支撐劑達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)果顯示，底部可見有明顯的砂堤區(qū)，支撐劑的懸浮區(qū)范圍較大，穩(wěn)定后的支撐劑的體積分?jǐn)?shù)6.2%～12.4%。

圖9 不同時刻普通支撐劑體積分?jǐn)?shù)變化Fig.9 Volume fraction of common proppant at different moment

通過比較分析發(fā)現(xiàn)，普通支撐劑很快就會沉到底部，形成砂堤。采用自懸浮支撐劑時，由于支撐劑的密度較小，支撐劑則均勻地分布在裂縫內(nèi)。普通支撐劑的懸浮區(qū)范圍比自懸浮支撐劑的范圍要小，且穩(wěn)定后平均濃度更小。兩者達(dá)到穩(wěn)定所需要的時間差不多。

3 自懸浮支撐劑導(dǎo)流能力評價及影響因素分析

采用石油行業(yè)導(dǎo)流能力測試標(biāo)準(zhǔn)測試自懸浮支撐劑與同等抗壓強度、同等粒徑的陶粒的導(dǎo)流能力。

3.1 短期導(dǎo)流能力對比

從圖10可以看出：隨著閉合壓力的升高，支撐劑導(dǎo)流能力逐漸降低，未破膠時，提高鋪砂濃度，導(dǎo)流能力提升幅度不大，在42 MPa時，兩種鋪砂濃度的導(dǎo)流能力接近，約為28 μm2·cm；破膠后，自懸浮支撐劑導(dǎo)流能力至少提高31.3%。通過破膠前后5 kg/m2、10 kg/m2鋪砂濃度自懸浮支撐劑的導(dǎo)流能力可以看出影響自懸浮支撐劑導(dǎo)流能力是破膠程度，因此在是實際施工過程當(dāng)中要確保自懸浮支撐劑的破膠達(dá)到要求，防止傷害導(dǎo)流能力，同時可以發(fā)現(xiàn)充分破膠后的自懸浮支撐劑導(dǎo)流能力與相同粒徑的常規(guī)陶粒幾乎一樣，無太大差別。

圖10 不同閉合壓力下自懸浮支撐劑導(dǎo)流能力Fig.10 Conductivity of self suspension proppant under different closing pressure

3.2 長期導(dǎo)流能力對比

實驗條件為：閉合壓力42 MPa、溫度為90℃，時間為50 h，測試2種不同自懸浮支撐劑鋪砂濃度是否破膠的長期導(dǎo)流能力。

從圖11可以看出，最初幾個小時導(dǎo)流能力下降較快，之后保持較穩(wěn)定狀態(tài)。未破膠時，隨著水流不斷沖刷，支撐劑導(dǎo)流能力有所恢復(fù)，提升幅度約為22.6 %；破膠后，支撐劑導(dǎo)流能力沒有出現(xiàn)升高現(xiàn)象。通過長期導(dǎo)流能力測試發(fā)現(xiàn)，自懸浮支撐劑能夠長時間較好地保持一定的導(dǎo)流能力。

圖11 自懸浮支撐劑長期導(dǎo)流能力實驗結(jié)果Fig.11 Long-term conductivity of self suspension proppant

4 現(xiàn)場試驗對比

在蘇北同類區(qū)塊中進(jìn)行了自懸浮支撐劑清水?dāng)y砂壓裂與常規(guī)瓜膠壓裂礦場對比試驗。S5-14及S5-18兩井位于溱潼凹陷帥垛區(qū)塊（圖12），完鉆地層阜寧組三段，埋深3 086～3 137 m，孔隙度13.9%～12.7 %，滲透率（2.5～1.7）×10-3μm2，地層溫度約為105℃。兩井均采用自懸浮支撐劑清水?dāng)y砂壓裂，累計泵入液量253～334 m3，施工排量為4～5 m3/min，主加砂段18%～30%，最高砂比38%，加砂量23～33 m3。周邊S5-19井埋深3 127 m，孔隙度14.1%，滲透率2.1×10-3μm2，采用常規(guī)瓜膠壓裂，累計泵入液量301 m3，施工排量為4.5 m3/min，主加砂段15%～30%，最高砂比40%，加砂量25.8 m3。S5-14及S5-18井壓裂后穩(wěn)產(chǎn)水平分別達(dá)到了5.47，3.4 t/d，對比井S5-19井日產(chǎn)1.47 t，自懸浮支撐劑清水?dāng)y砂井產(chǎn)量為對比井的2倍以上。

圖12 蘇北盆地溱潼凹陷帥垛區(qū)塊試驗井井位Fig.12 Locations of test wells in Shuaiduo Block of Qinghu sag in Subei Basin

5 結(jié)論

1）自懸浮支撐劑水化后的溶脹體積倍數(shù)及液體的黏度是影響其沉降速度、實現(xiàn)自懸浮的主要因素。溶脹體積、液體黏度越大，則沉降速度越小，自懸浮性能越好。

2）室內(nèi)經(jīng)物模及數(shù)模實驗表明，自懸浮支撐劑相比普通陶粒支撐劑能夠增產(chǎn)的主要原因在于導(dǎo)流能力與普通陶粒相似的情況下，其在裂縫內(nèi)的鋪置距離更遠(yuǎn)、縱向鋪置更均勻，能夠?qū)崿F(xiàn)裂縫的遠(yuǎn)端有效支撐。

3）礦場試驗表明，在類似的工藝參數(shù)條件下，采用自懸浮支撐劑清水?dāng)y砂壓裂較常規(guī)瓜膠壓裂能有效提高單井的產(chǎn)能。