高速通道压裂支撑裂缝导流能力实验评价

曲占庆，周丽萍，曲冠政，黄德胜，杨　阳，许华儒

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266580；2.中海油研究总院钻采研究院，北京100027）

高速通道压裂支撑裂缝导流能力实验评价

曲占庆1，周丽萍1，曲冠政1，黄德胜1，杨阳2，许华儒1

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266580；2.中海油研究总院钻采研究院，北京100027）

支撑裂缝导流能力是评价压裂施工效果的重要参数，通过室内导流能力实验，研究支撑剂粒径和段塞数、纤维浓度及其加入方式对高速通道压裂支撑裂缝导流能力的影响，并采用正交试验和灰色关联分析法分析各参数对支撑裂缝导流能力的影响程度。结果表明：支撑剂粒径越大，支撑裂缝的导流能力越强；支撑剂段塞数越多，通过增加支撑剂段塞数得到的支撑裂缝导流能力增幅越小；当闭合压力小于41MPa时，支撑剂段塞数越多，支撑裂缝导流能力随着闭合压力的增大降幅越大；支撑裂缝导流能力随纤维浓度的增加而降低，以纤维包裹支撑剂这种纤维加入方式对支撑裂缝导流能力的影响最大；各参数对支撑裂缝导流能力影响程度由大到小依次为闭合压力、支撑剂段塞数、纤维浓度、纤维加入方式、支撑剂粒径。

高速通道压裂 导流能力 支撑剂 段塞 纤维 正交试验 灰色关联分析

近年来，随着油气资源的不断开发，对低渗透、特低渗透储层的开采越来越受到重视，压裂是对这类储层改造的重要技术之一。常规压裂［1-3］所形成的人工裂缝内支撑剂是连续铺置的，由于支撑剂破碎、支撑剂嵌入等原因使实际得到裂缝系统的导流能力远远低于预期值［4］。为了获得高导流能力的裂缝系统，现场采用一种新型的压裂技术——高速通道压裂［5］，与常规压裂最大的不同是，高速通道压裂技术所形成的人工水力裂缝被不连续的支撑剂充填层支撑。支撑剂相当于支柱支撑裂缝，其间的通道构成网络系统供流体流动，因而支撑裂缝导流能力较常规裂缝系统高。高速通道压裂技术还可使支撑剂的用量大大降低，在同等加砂量的情况下造缝更长、裂缝导流能力更高，支撑剂利用率亦更高，同时网络系统使得压裂液返排更易于进行。

裂缝系统的导流能力是评价压裂施工效果的重要参数［6-8］，但目前对高速通道压裂裂缝导流能力的研究较少。为此，笔者利用支撑裂缝导流仪进行实验，考察支撑剂的不连续性以及纤维的加入对高速通道压裂支撑裂缝导流能力（简称导流能力）的影响，以期为压裂施工操作以及压裂参数的优化设计提供依据。

1　实验仪器

由于目前对高速通道压裂裂缝导流能力的研究不够深入，尚无专门的实验仪器，故采用按照API标准研制的支撑裂缝导流仪进行模拟实验，其可承受的最大闭合压力为120MPa，测得的导流能力最大值为1200μm2·cm，可满足实验设计的要求。该仪器根据达西定律测定支撑裂缝的导流能力，其计算公式为

式中：Kfw为支撑裂缝的导流能力，μm2·cm；μ为工作流体粘度，mPa·s；Q为流量，cm3/min；Δp为压差，kPa。

2　单因素影响分析

2.1支撑剂粒径

受到实验仪器的限制，将铺砂浓度定为8kg/ m2。考虑到地层闭合压力通常较高，因此，以41 MPa为例，采用20/40，30/50和40/70目支撑剂研究支撑剂粒径对导流能力的影响。结果（图1）表明，支撑剂粒径越大，其导流能力越强，但不同粒径时的导流能力随段塞数的变化趋势大致相同。故选用在现场应用广泛的20/40目支撑剂，考察支撑剂段塞数、纤维浓度、纤维加入方式对裂缝导流能力的影响。

图1　支撑剂粒径对支撑裂缝导流能力的影响Fig.1　Theimpactofproppantdiameteronflowconductivity

2.2支撑剂段塞数

高速通道压裂技术的支撑剂充填层在沿着流体流动方向上呈不连续状态，实际段塞在裂缝内呈交错分布，因此需研究这种不连续性对导流能力的影响。为忽略铺砂浓度的影响，实验时保证各段塞的铺砂浓度相同。

由不同支撑剂段塞数下的导流能力与闭合压力的关系（图2）可以看出：不同支撑剂段塞数下，导流能力随闭合压力的增大均呈下降趋势；当闭合压力小于41MPa时，支撑剂段塞数越多，导流能力随着闭合压力的增大降幅越大；当闭合压力大于41 MPa时，不同支撑剂段塞数情况下，导流能力随闭合压力的变化趋势大致相同。造成上述差异的原因是：在各个段塞的铺砂浓度相同的情况下，支撑剂段塞数越多，意味着导流室内的孔隙体积越大，支撑剂的承压力能力越弱。随着闭合压力的增大，当支撑剂段塞数较多时，更易发生支撑剂破碎、段塞变形等现象，而且支撑剂随流体流动的现象更加明显，使得流体流动空间减小，导致不同段塞数的导流能力变化趋势不同；当闭合压力增至41MPa时，支撑剂破碎、流动程度最大；而闭合压力超过41 MPa后，支撑剂对导流能力的影响减弱。

图2　支撑剂段塞数对支撑裂缝导流能力的影响Fig.2　Theimpactofproppantslugonflowconductivity

对于不同支撑剂段塞数而言，支撑裂缝的导流能力由2部分决定：支撑剂充填层段的导流能力以及支撑剂段塞之间网络空间的导流能力，闭合压力通过改变这2部分的导流能力来影响整个裂缝系统的导流能力。随着闭合压力的增加，支撑裂缝的导流能力随支撑剂段塞数增多而增大的趋势减缓。这是因为：随着实验的进行，支撑剂被压实并发生破碎，导致支撑剂充填层段内的导流能力降低；而且支撑剂（碎屑）会被流体携带流动，使得各个段塞之间的空间体积减小，从而降低了段塞之间网络空间的导流能力，所以闭合压力对导流能力的变化趋势有影响。另外，从图2中还可以发现，随着支撑剂段塞数的增多，支撑裂缝导流能力逐渐增大，但是不同支撑剂段塞数下导流能力的增幅不同；以闭合压力为7.9MPa为例，当支撑剂段塞数从1依次增至4时，导流能力增幅分别为66.9%，45.0%和20.4%，即支撑剂段塞数越多，通过增加支撑剂段塞数得到的支撑裂缝导流能力增幅越小。所以在现场不能简单地通过增加支撑剂段塞数来获得高导流能力的支撑裂缝来实现油气井增产，必须要考虑施工的有效性、经济性等因素，优选支撑剂段塞数，设计合理的泵注程序，在满足经济效益的前提下最大限度地发挥油气井的产能。

2.3纤维浓度及其加入方式

为了降低压裂液对储层的伤害，获得更好的增产效果，通常在压裂之后实施强制裂缝闭合的压裂液返排，但这会引起支撑剂回流，不但会对导流能力产生较大影响，而且回流的支撑剂对地面设备也会有一定损害，而在支撑剂中加入纤维可以有效解决这个问题［9-13］。为此，笔者采用3段支撑剂段塞，在纤维浓度分别为0.5%，1.0%和1.5%的条件下进行实验，研究纤维浓度对导流能力的影响。分析图3可知：加入纤维后，导流能力随闭合压力的增加而下降；纤维使导流能力降低，且纤维浓度越大，其对导流能力的影响越大。纤维对导流能力的影响是由以下2个方面综合作用的结果：纤维加入可以稳固支撑剂，使支撑裂缝的缝宽维持稳定，并能增加各个支撑剂颗粒间的孔隙体积，从而使导流能力增加；但由于纤维本身会占据一定的空间，堵塞流体的流动通道，使导流能力降低，但总体来说纤维降低导流能力的作用强于其对导流能力的增大作用。

图3　不同闭合压力下纤维浓度对支撑裂缝导流能力的影响Fig.3　Effectoffiberconcentrationonflowconductivity underdifferentclosurepressure

为了考察纤维加入方式对导流能力的影响，按以下3种方式加入纤维：方式一，以纤维包裹支撑剂；方式二，将纤维铺置在段塞之间；方式三，将纤维铺置在导流室出口处，实验时用3段支撑剂段塞支撑裂缝，在纤维浓度为1.0%的条件下进行纤维加入方式对支撑裂缝导流能力影响的评价实验。

由不同纤维加入方式下导流能力与闭合压力的关系（图4）可以看出，纤维的加入方式对导流能力有影响，影响程度从大到小依次为：以纤维包裹支撑剂、将纤维铺置在导流室出口处、将纤维铺置在段塞之间，这是纤维防止支撑剂回流和本身占据流动通道体积综合作用所致。另外，与未加纤维时相比，加入纤维后，导流能力随闭合压力的变化趋势总体上一致，但在闭合压力为41MPa时偏差较大，此时导流能力明显偏低，造成该差异的原因是：随着实验的进行，纤维稳固支撑剂的效果减弱，流体流动携带支撑剂使得支撑剂逐渐铺置在整个导流室中，流体流动空间体积减小，而纤维的存在会进一步占据空间，从而使导流能力降低；当闭合压力为41MPa时，纤维的加入对导流能力的影响最大；当闭合压力高于41MPa后，纤维的加入对导流能力的影响减弱。由于纤维的成本较高，施工时采用哪种纤维加入方式须根据具体情况而定。

图4　不同纤维加入方式下支撑裂缝导流能力与闭合压力的关系Fig.4　Relationbetweenflowconductivityandclosure pressureunderdifferentexistingwaysoffiber

尽管加入纤维会使导流能力降低，考虑到支撑剂回流对地面设备的损害，导流能力降低所引起的油气井产能下降的负面影响可以忽略，加入纤维对于压裂施工是有益的。在现场应用时，考虑到油气井产能、纤维稳砂效果以及经济方面的因素应优选合适的纤维浓度和加入方式。

3　多因素组合分析

以裂缝导流能力为评价指标，综合考虑支撑剂段塞数、支撑剂粒径、纤维浓度、纤维加入方式以及闭合压力5个因素的影响，进行L18（35）5因素3水平正交试验设计，正交试验方案见表1。

表1　正交试验设计方案Table1　Orthogonalexperimentalproposal

采用灰色关联分析法［14-15］分析多种因素组合的导流能力，通过分析系统中各个因素间的主要关系，确定各影响因素的关联度，并对其排序。灰色关联分析法的步骤主要分为3步：①将各参数进行均值化无量纲处理；②求取灰色关联系数；③计算关联度，其计算式分别为

式中：Xi（k）为第i个参数的均值化无量纲值；i为参数序号；k为数据序号；xi（k）为第i个参数值；xi为x的算术平均值；m为参数个数；N为数据个数；ξi（k）为灰色关联系数；和Xs（t）分别为参考序列和比较序列的均值化无量纲值；ρ为分辨系数，其值一般为0.5；γi为关联度。

将正交试验各参数值进行均值化无量纲处理（表2），再求取灰色关联系数，最终计算得到支撑剂段塞数、支撑剂粒径、纤维浓度、纤维加入方式和闭合压力与导流能力的关联度分别为0.6903，0.6477，0.6637，0.6501和0.7611。综合分析结果表明，对高速通道压裂支撑裂缝导流能力影响程度从大到小依次为：闭合压力、支撑剂段塞数、纤维浓度、纤维加入方式、支撑剂粒径。与常规压裂不同的是，高速通道压裂中纤维对导流能力的降低可以通过调整施工时的支撑剂段塞数来弥补，这对确定压裂施工参数以最大程度地发挥油井产能、获得最大的经济效益有重要的指导意义。

表2　正交试验数据均值化无量纲值Table2　Themeandimensionlessvaluesof orthogonalexperimentaldata

4　结论

实验结果表明：支撑剂段塞数越多，通过增加支撑剂段塞数得到的导流能力增幅越小；当闭合压力低于41MPa时，支撑剂段塞数越多，支撑裂缝导流能力随闭合压力的增大降幅越大；随闭合压力的增加，导流能力随段塞数增多而增大的趋势变缓；支撑剂中纤维越多，导流能力降幅越大；纤维加入方式对导流能力的影响程度从大到小依次是：以纤维包裹支撑剂、将纤维铺置在导流室出口处、将纤维铺置在段塞之间。

采用正交试验以及灰色关联分析法对影响支撑裂缝导流能力的因素进行多因素组合分析，发现对高速通道压裂支撑裂缝导流能力影响程度从大到小依次为：闭合压力、支撑剂段塞数、纤维浓度、纤维加入方式、支撑剂粒径。

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编辑常迎梅

Experimentalevaluationoninfluencingfactorsofflow conductivityforchannelfracturingproppant

QuZhanqing1，ZhouLiping1，QuGuanzheng1，HuangDesheng1，YangYang2，XuHuaru1

（1.SchoolofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum（EastChina），QingdaoCity，ShandongProvince，266580，China；2.ResearchInstituteofDrillingandProduction，CNOOCResearchInstitute，BeijingCity，100027，China）

Flowconductivityoftheproppantfracturesystemisoneoftheimportantparametersofevaluatingtheeffectof fracturing.Theeffectofthenumbersoftheproppantdiameter，proppantslug，theconcentrationandexistingwaysoffiber wasstudiedinlaboratorythroughtheexperimentofflowconductivity.Theimportanceofparametersontheflowconductivitywasanalyzedbasedonorthogonalexperimentaldesignandgreyrelationalanalysis.Theresultsshowthat：flowconductivityincreaseswiththeproppantdiameter；thelargerthenumberoftheproppantslug，thelesstheincreasingrangeofthe flowconductivity；whentheclosurepressureislessthan41MPa，themoretheproppantslugs，thegreatermagnitudethe flowconductivitychangingwiththeclosurepressure；theflowconductivitywilldecreasewiththeincreasingofthefiberconcentration，andfiberwrapproppanthasthelargestimpactontheproppantconductivity；parametersthataffectflowconductivityarelistedinadescendingorder：closurepressure，thenumberofproppantslug，thefiberconcentration，theexiting wayoffiberinthefracture，thediameteroftheproppant.

channelfracturing；flowconductivity；proppant；slug；fiber；orthogonalexperiment；greyrelationalanalysis

TE357.12

A

1009-9603（2015）01-0122-05

2014-11-03。

曲占庆（1963—），男，山东莱州人，教授，博导，从事采油工程技术研究工作。联系电话：13730981171，E-mail：quzhq@hdpu. edu.cn。

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”（2011ZX05051）。