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(guó)彬 但偉成

（1.中石化西南石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，四川 德陽(yáng) 618000；2.中國(guó)石化西南油氣田分公司石油工程監(jiān)督中心，四川 德陽(yáng) 618000；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第十采油廠，甘肅 慶陽(yáng) 745100）

0 引言

加砂壓裂是低滲油氣藏開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)和增儲(chǔ)上產(chǎn)必不可少的技術(shù)措施［1-3］。隨著壓裂技術(shù)的發(fā)展，“高砂比、造寬縫”更易實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)支撐劑回流問(wèn)題也更加突出。支撐劑回流將引起儲(chǔ)層傷害、設(shè)備損壞等問(wèn)題，進(jìn)而影響油氣井產(chǎn)能。一方面支撐劑回流出砂會(huì)產(chǎn)生裂縫表皮效應(yīng)，降低近井筒附近的導(dǎo)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(xiàn)、油嘴以及分離器等設(shè)備，對(duì)生產(chǎn)設(shè)施造成嚴(yán)重破壞。目前，支撐劑回流可歸結(jié)為兩種類(lèi)型：①壓裂返排過(guò)程中的支撐劑回流；②壓裂后油氣井在生產(chǎn)過(guò)程中的支撐劑回流。針對(duì)上述兩種情況而言，重點(diǎn)是做好壓裂后返排過(guò)程中支撐劑回流預(yù)防及控制措施的研究［4-6］。

1 支撐劑回流實(shí)驗(yàn)

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(jìn)入井筒的現(xiàn)象。針對(duì)支撐劑回流現(xiàn)象，調(diào)研了相關(guān)研究實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了影響支撐劑回流的主要因素。相關(guān)物理模擬實(shí)驗(yàn)如下所述。

1）圓管-射孔模型實(shí)驗(yàn)［7］：采用不銹鋼管預(yù)充填支撐劑，然后用實(shí)驗(yàn)流體使其飽和。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，逐漸增加流體流速，直到發(fā)現(xiàn)裝置末端的集砂器中出現(xiàn)支撐劑為止。該實(shí)驗(yàn)方法研究了臨界流速對(duì)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(duì)臨界流速的影響。

2）狹槽模型實(shí)驗(yàn)［8］：預(yù)先將狹槽調(diào)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(shí)驗(yàn)開(kāi)始后從右端入口處逐漸增加泵入速度，直到發(fā)現(xiàn)有支撐劑流出。該實(shí)驗(yàn)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(xiàn)性流動(dòng)巖芯夾持器模型實(shí)驗(yàn)［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(shí)支撐劑發(fā)生回流的臨界點(diǎn)。Gidley、Sparlin以及Bratli等［10-11］的研究結(jié)果認(rèn)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(shí)，壓裂液的流速越大，砂堤越容易遭到破壞，進(jìn)而引起支撐劑發(fā)生回流。同時(shí)，Romero 等人［12-16］的研究結(jié)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(gè)重要因素。即當(dāng)縫寬與支撐劑粒徑的比值小于6時(shí)，支撐劑充填層是穩(wěn)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(duì)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(shí)的臨界流速遠(yuǎn)比閉合壓力為0時(shí)所對(duì)應(yīng)的臨界流速大。

綜合上述實(shí)驗(yàn)研究，可以將影響支撐劑回流的因素概括為以下3 類(lèi)［17-18］：①支撐劑性質(zhì)，如密度、圓度、球度、體積等；②作用在支撐劑上的流體性質(zhì)及其流速，包括密度、黏度、溫度、流變性等；③裂縫的性質(zhì)，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(fā)生松動(dòng)、失穩(wěn)、回流。

2 支撐劑回流模型

針對(duì)上述支撐劑回流的影響因素，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建立了一系列支撐劑回流預(yù)測(cè)模型。具體概括為以下4類(lèi)。

1）經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?9-20］，包括Stimlab 模型和PFW 模型。該類(lèi)模型利用大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果建立，如式（1）和式（2）所示：

式中，Vf為支撐劑回流時(shí)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(nèi)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(shù)，無(wú)因次；C1為閉合壓力系數(shù)，無(wú)因次。

2）理論模型［21-22］，在厄根公式基礎(chǔ)上利用“最小流動(dòng)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(wú)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(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?3-24］，基于達(dá)西定律，采用臨界回流壓降梯度作為判斷依據(jù)建立模型，如式（4）所示。該模型修正了閉合壓力對(duì)支撐劑回流的影響，但是縫寬比大于6時(shí)，支撐劑發(fā)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(shù)值模型［25-26］，Clifton 基于有限元算法，建立了支撐劑回流預(yù)測(cè)數(shù)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(yùn)動(dòng)。二者對(duì)比，離散元方法更能反映支撐劑顆粒真實(shí)的運(yùn)動(dòng)特征。

綜合上述4種支撐劑回流模型，基于離散元方法對(duì)支撐劑顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬更具比較技術(shù)優(yōu)勢(shì)：①支撐劑回流影響因素和表征參數(shù)較多，仿真研究逐項(xiàng)驗(yàn)證更加便捷；②室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和理論研究，難以描述復(fù)雜工況條件下各影響因素和表征參數(shù)的變化規(guī)律。

3 支撐劑回流仿真

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)逆向工程生成壓裂后巖板物理模型，利用威遠(yuǎn)區(qū)塊頁(yè)巖相關(guān)參數(shù)，基于物質(zhì)平衡原理，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）與離散單元方法（DEM）耦合并行計(jì)算方法［27］，對(duì)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(guò)程進(jìn)行了仿真研究并列出參數(shù)設(shè)置（表1），仿真研究結(jié)果如圖1～圖4所示。

表1 裂縫中支撐劑回流模擬參數(shù)表［28-30］

圖1 返排速度6 m／s時(shí)近井筒支撐劑展布圖

圖2 返排速度8 m／s時(shí)近井筒支撐劑展布圖

圖3 返排速度10 m／s時(shí)近井筒支撐劑展布圖

圖4 返排速度12 m／s時(shí)近井筒支撐劑展布圖

仿真結(jié)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(dāng)返排速度達(dá)到8 m／s時(shí)，支撐劑顆粒開(kāi)始在近井筒附近形成砂橋，繼續(xù)增大返排速度至10 m／s對(duì)支撐劑回流具有明顯的削弱作用；當(dāng)返排速度達(dá)到12 m／s時(shí)，砂橋開(kāi)始逐漸破壞和解體，繼續(xù)增大返排速度對(duì)支撐劑回流具有促進(jìn)作用。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)了模擬過(guò)程中支撐劑回流顆粒數(shù)量與返排速度之間的關(guān)系（圖5）。

圖5 返排速度對(duì)支撐劑顆?；亓鲾?shù)量的影響圖

因此，壓裂后期進(jìn)行放噴排液時(shí)，需要優(yōu)化排液制度，選擇合理的油嘴尺寸，進(jìn)而將返排速度控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，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(shù)包括以下6個(gè)方面。

1）裂縫強(qiáng)制閉合技術(shù)［31-32］，在壓裂結(jié)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(nèi)的支撐劑還未沉降到裂縫底部或未完全沉降時(shí)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(nèi)，減少支撐劑回流。

2）分段破膠技術(shù)［33-34］，在壓裂施工過(guò)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(shí)間，達(dá)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(shù)［35-36］，采用高表面活性劑技術(shù)改善壓裂液的表面性質(zhì)，以降低返排液與儲(chǔ)層界面的張力，減小地層毛細(xì)管力，從而達(dá)到快速返排的目的。

4）樹(shù)脂包裹支撐劑技術(shù)［37-40］，將樹(shù)脂包裹支撐劑通過(guò)尾追置于近井段裂縫內(nèi)，支撐劑在裂縫閉合且地層溫度快速恢復(fù)后能夠轉(zhuǎn)化為玻璃球，與周?chē)嗤臉?shù)脂包裹支撐劑膠結(jié)，在裂縫縫口形成一道網(wǎng)狀屏障，有效防止支撐劑回流。

5）纖維充填技術(shù)［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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到控制支撐劑回流的目的。

6）可變形支撐劑技術(shù)［44-45］，將樹(shù)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(fā)生變形，以此穩(wěn)定和鎖住周?chē)闹蝿?，從而增?qiáng)整個(gè)支撐劑填充層抗流動(dòng)的能力，達(dá)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(chǔ)上，頁(yè)巖氣井放噴作業(yè)過(guò)程中需要兼顧保證臨界攜液流速和防止水合物生成，通過(guò)優(yōu)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(kāi)展了相應(yīng)的礦場(chǎng)試驗(yàn)（圖6）。

圖6 油嘴尺寸對(duì)支撐劑回流濃度的影響圖

礦場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣井壓裂后開(kāi)井放噴測(cè)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(dāng)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??；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(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與支撐劑回流仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果在支撐劑回流趨勢(shì)上是一致的。

5 結(jié)論與展望

針對(duì)壓裂支撐劑回流影響因素及控制措施，結(jié)合CFD-DEM仿真研究和油嘴尺寸優(yōu)化礦場(chǎng)試驗(yàn)，得到了以下結(jié)論和認(rèn)識(shí)。

1）影響壓裂支撐劑回流的因素，概括為支撐劑性質(zhì)、作用在支撐劑上的流體性質(zhì)及其流速、裂縫的性質(zhì)，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(fù)雜工況條件下各因素對(duì)支撐劑回流的影響規(guī)律，并從礦場(chǎng)試驗(yàn)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(chǔ)上，合理優(yōu)選油嘴尺寸是減少支撐劑回流的有效控制措施。