液体支撑剂回流实验研究

朱相慧 宋莎莎 杨显斌

(1.重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆 401331;2.长庆油田公司第九采油厂，银川 750000)

水力压裂是油气井的主要增产措施，但在生产过程中会发生支撑剂回流，影响增产效果。支撑剂回流主要有2种情况:一种为随压裂液返排的回流;另一种为生产过程中支撑剂回流。

支撑剂回流危害很大，会导致支撑缝长、缝宽和导流能力的下降，严重影响压裂效果，还会损坏井下以及地面设备。搞清楚支撑剂回流机理，预防以及控制支撑剂回流至关重要。

1 支撑剂回流机理

支撑剂回流的主要原因是由于裂缝中支撑剂填充层的松动，支撑剂回流解释有3种观点［1］:Gidley等人认为，支撑剂填充层的失稳主要是由于填充层以外的自由砂对其不断的侵蚀而造成的，缝中流体的流速越大，这种侵蚀现象就会越严重。Sparlin等人认为，由于支撑剂的沉降，支撑剂填充层的顶部及其内部很容易形成不规则的小通道，如果缝中流体的流速过大，则通道周围的支撑剂颗粒就会流化，从而使小通道在支撑剂填充层中迅速扩展，致使大面积的支撑剂回流。Bratli等人提出，支撑剂填充层在靠近射孔区域有可能形成多为半球形的砂拱，砂拱形成的不完善或遭到破坏则直接导致支撑剂的松动和支撑剂的回流。

压裂气井在返排过程和生产过程中，裂缝没有完全闭合或者裂缝中只部分填充了支撑剂，存在流动的余地。部分支撑剂未能被裂缝壁夹住，悬浮在裂缝中，液体的回流可能将这些支撑剂带回井筒。在地层应力的作用下，初始产出支撑剂会闭合。随着裂缝的闭合，支撑剂可能在缝中形成砂桥，支撑剂回流停止。

研究支撑剂回流的主要目的是搞清楚压裂井支撑剂回流的原因，识别影响支撑剂回流的关键因素，为支撑剂回流预测做准备［2］。

2 支撑剂回流影响因素

支撑剂发生回流的因素包括缝宽、排液速度、毛细管力、贾敏效应、闭合应力及流体黏度等。研究证实，其中敏感的因素是缝宽和闭合应力。

缝宽是支撑剂回流现象中最敏感的变量。Milton－Tayer等人［3］通过大量实验发现在一个比较小的缝宽比范围内，支撑剂充填层会从稳定过渡到不稳定;缝宽在6倍粒径时裂缝通常是不稳定的［4］。这些结论都是基于不考虑其他影响因素与缝宽的相互作用，对实际应用具有一定的指导意义。

闭合压力对支撑剂回流有着重要的影响。闭合应力变大，会增大颗粒间的摩擦力，充填层内达到更稳定的状态。但闭合应力过大会导致支撑剂回流，因闭合应力达到了支撑材料的名义强度时，部分支撑剂被压碎，引起充填层的结构失稳，导致支撑剂回流。在相对低闭合应力条件下，只有一小部分支撑剂破碎。随着生产的进行，闭合应力逐渐增大，支撑剂破碎率增加，充填层重新分布为更稳定的结构。

3 液体支撑剂回流实验

3.1 DL－2000型酸蚀裂缝导流能力评价试验仪

DL－2000型酸蚀裂缝导流能力评价实验仪可模拟10～120 MPa闭合压力下进行填砂裂缝导流能力测定，找出裂缝宽度与导流能力的关系以及闭合压力与导流能力的关系。测试液体由柱塞泵来提供，待评价的支撑剂被铺置在平板夹持器内，加在支撑剂上的载荷由液压系统来提供，温度模拟利用加热控温系统来实现，压差利用压差传感器来测量，流量则利用天平来测量。

DL－2000型酸蚀裂缝导流能力试验仪可以测定支撑剂的导流能力、酸化压裂液的滤失参数、酸蚀裂缝导流能力，还可以开展支撑剂回流实验。测试介质可以是液体、气体单相或气液两相。

此次试验所使用的API导流室由标准导流室改装而成。方法为将标准API导流室的出口接头卸下，更换回流专用出口接头以连接集沙器，并且去掉导流室出口端的滤塞。

3.2 实验材料

液体支撑剂回流实验需要现场用支撑剂和液体。支撑剂:2040目新疆砂;液体:蒸馏水。

3.3 实验方案

本次实验主要研究在室温(20℃)条件下，这2个因素对支撑剂回流的影响。实验共进行4组，实验参数见表1。

表1 实验参数

通过改变铺砂浓度的值，改变试验样品的缝宽，对比实验1、2、4，即可反映出缝宽对支撑剂回流的影响，通过改变上覆压力的值，改变闭合应力的值，对比实验2和3，即可反映出闭合压力对支撑剂回流的影响。

3.4 实验步骤

(1)实验准备。

(2)电气预热。

(3)设定实验样品号及与实验样品性质有关的参数。

(4)上、下游压力传感器、油压传感器、位移传感器校零。

(5)安装导流室。

(6)流程管路抽真空，差压变送器零点校正，上覆压力稳定在3 MPa左右。

(7)压力机加压。

(8)实验测试:

①压力机加压达到规定上覆压力数值并保持5～10 min后，支撑剂达到半稳定状态。将活塞泵流量调节至10 mLmin，记录实验数据。

②待系统天平测得流量和差压传感器差压基本稳定后，观察集沙器以及缝宽的变化状态，若集沙器无明显变化，且缝宽保持不变，则进行步骤(3)，若集沙器中液体出现浑浊，缝宽不稳定或者变小，则进行步骤(4)。

③停泵，以10 mLmin的增量升高活塞泵流量设定值，开启柱塞泵，再次进行步骤(2)。

④记录透明集沙器内液体及缝宽变化时的活塞流量值等实验数据，测试结束。

(9)清洗导流室。

(10)导出实验数据。

4 实验结果及分析

本次实验的实验结果见表2。

表2 实验结果

按照实验条件，将实验分为2组，实验1、2、4研究的是出砂临界流量值随铺砂浓度的变化情况(图1)，实验2、3研究的是出砂临界流量值随上覆压力值的变化情况(图2)。

图1 实验1、2、4的结果比较

图2 实验2、3的结果比较

通过对比1、2、4组实验，保持闭合压力10 MPa不变，缝宽逐渐增大，其出砂的临界流量值越小。通过对比实验2、3，铺砂浓度不变，即缝宽不变时，但由于闭合压力值不同，其出砂的临界流量值也不同，闭合压力升高后，临界流量值也升高，且升高幅度较大。这说明在本次测试的较小压力范围内，上覆压力增大后，会增大颗粒间的摩擦力，使充填层更稳定，不易导致回流。

支撑剂回流实验结束后，拆开导流室发现在支撑剂充填层的出口端形成了缺口。实验前后的导流室内支撑剂充填层对比见图3、图4。

图3 试验前填充层

图4 试验序号1、2、3、4实验后

若延长出砂后的测试时间，拆开导流室后支撑剂充填层如图5所示。随支撑剂回流量的增加，垫片间的支撑剂填充层形态进一步发生变化。

图5 延长出砂后测试时间的实验结果

延长出砂后的测试时间，支撑剂发生回流时，首先是导流室出口端的支撑剂流出，形成缺口。当支撑剂开始回流时，随着支撑剂回流量的增加，缺口逐渐变大，近缺口的支撑剂充填层表层支撑剂颗粒开始移动，形成沟槽，随着时间的增加，沟槽数量越来越多，沟槽长度越来越长。

5 结论

针对支撑剂回流问题，开展了液测支撑剂回流实验研究，得出以下结论:

(1)上覆压力不变时，随铺砂浓度增大即缝宽增大，其出砂的临界流量值越小。

(2)铺砂浓度不变，但由于闭合压力值不同，其出砂的临界流量值也不同，闭合压力升高后，临界流量值也升高，且升高幅度较大。这说明在本次测试的较小压力范围内，上覆压力增大后，会增大颗粒间的摩擦力，使充填层更稳定，从而不易回流。

(3)支撑剂发生回流时，首先是导流室出口端的支撑剂流出，形成缺口。

(4)当支撑剂开始回流时，随着支撑剂回流量的增加，缺口逐渐变大，近缺口的支撑剂充填层表层支撑剂颗粒开始移动，形成沟槽，随着时间的增加，沟槽数量越来越多，沟槽长度越来越长。

［1］Jim D Weaver John D Baker.Application of Surface.Modification Agent in Wells With High Flow Rates［C］.SPE53923，1999.

［2］焦国盈，裴苹汀，戚志林，等.压裂气井支撑剂回流研究进展［J］.重庆科技学院学报:自然科学版，2012，14(1):82-84.

［3］Milton T D，Stephenson C，Asigian M I.Factors Affecting the Stability of Proppant in Propped Fractures:Results of a Laboratory Study［C］.SPE24821，1992.

［4］焦国盈，王嘉淮，潘竟军，等.压裂井支撑剂回流预测研究［J］.海洋石油，2007，27(14):46-49.

［5］傅英，郭建春，王书彬，等.支撑剂回流室内研究［J］.河南石油，2006，20(1):58-60.