水力压裂低密度支撑剂铺置规律研究及应用

梁莹， 罗斌， 黄霞

（中石化西南石油工程有限公司井下作业分公司，四川德阳618000）

水力压裂的首要目标是经济有效地建立油气从地层到井底的高导流能力通道，从而提高油气井的产量[1-2]。常规支撑剂密度较大，沉降速率较快，在大厚度储层中，支撑剂往往沉降到裂缝下部，难以对整个裂缝进行有效支撑，造成裂缝有效高度受限。而低密度的支撑剂有助于降低支撑剂在裂缝内的沉降速率，尽量使支撑剂在裂缝闭合前处于悬浮状态，从而起到优化支撑剂铺置剖面，充分改造目的储层，提高压裂增产效果的目的[3-4]。

在压裂过程中如果支撑剂分布不合理或全部沉降到裂缝底部，会严重影响裂缝的导流能力和压裂的增产效果[5-8]。支撑剂在人工裂缝中的铺置情况对作业的成功与否至关重要。对支撑剂沉降和运移情况的预测是设计和评价水力压裂措施的关键所在。研究支撑剂在裂缝中的运移规律，不但可以对施工排量和砂比等参数进行优化，选择合适的压裂液体系和支撑剂体系，还可以有效地控制缝高。如果支撑剂沉降和运移规律的分析是基于不正确的假设，就会导致在压裂设计中做出错误决定[9-13]。目前，中国对压裂过程中关于支撑剂运移和铺置规律的研究多是在理论方面开展，多凭经验或是软件模拟来指导现场施工，很少有实验方面的研究。笔者使用可视化平板裂缝模拟装置，研究了低密度支撑剂在不同类型的流体介质、排量、砂比等条件下的铺置情况，并计算出支撑剂运移规律，从而优化出合理的支撑剂铺置方式，提高压裂的效果和成功率。

1 实验材料及设备

1.1 实验材料

支撑剂（粒径为0.355～0.450 mm，密度为1.45 g/cm3），攀枝花秉扬科技开发有限公司；HPG（羟丙基瓜胶），东营施普瑞石油工程技术有限公司。

1.2 实验仪器

可视化平板裂缝模拟装置，由压裂液配制装置、泵入装置、大型可视平板裂缝等组成。装置主体采用透明的有机玻璃，2端设置注入井和采出井，可以观察、演示支撑剂铺置和运移分布情况。仪器的携砂液砂浓度范围为0～700 kg/m3，支撑剂粒径范围为0.45～0.9，0.355～0.66，0.154 mm，泵注最大排量为6 m3/h，缝网装置参数：缝宽为8 mm，长度为4 000 mm，高度为600 mm，温度为室温。

2 低密度支撑剂铺置规律研究

2.1 低密度砂堤铺置实验研究

选取清水、0.08%HPG基液、0.3%HPG基液，流体介质黏度分别为1、3、9 mPa·s。其在不同排量和砂比下的砂堤铺置实验见表1。由表1可知，第1组实验，由于清水在小排量（1 m3/h）条件下携砂性较差，低密度支撑剂未形成砂堤，其他实验由于排量较大或体系黏度较高，低密度支撑剂形成有效的铺置剖面。支撑剂砂堤形态主要受流体排量和流体黏度控制。当流体黏度小时，如在清水介质中，需要在大排量条件下（排量为4～6 m3/h），支撑剂才能形成较好的砂堤，排量低（小于2 m3/h）容易造成砂堵；当流体黏度增大时，如在0.3%HPG基液中，则低排量下（小于2 m3/h），支撑剂才能形成较好的砂堤，大排量条件下（排量大于4 m3/h），支撑剂在后端集中，不利于形成较好的铺置剖面。所以在压裂设计中，当支撑剂种类确定后，需要充分考虑流体排量和流体黏度，以形成较好的支撑剂铺置剖面。使用低密度支撑剂时，在较低流体排量和流体黏度下就可以形成较好的支撑剂铺置剖面，降低了压裂施工压力。

表1 不同流体介质、不同排量条件下砂堤铺置实验

2.2 低密度支撑剂运移规律分析

砂堤形成模型可以简化为支撑剂垂直运移和水平运移共同作用的结果。根据数据记录及分析，以某一支撑剂团为研究对象，计算不同实验条件下支撑剂的垂直运移速度和水平运移速度，计算结果见表2。由表2可知，在同一体系中，随着排量增大，支撑剂的水平运移速度增大，垂直运移速度减小，这是由于排量增大时，流体介质对支撑剂的“扰动”作用增强，同时支撑剂颗粒之间的相互碰撞增多；在相同排量时，由于流体介质的黏度增大，支撑剂在基液中悬浮能力增强，其垂直运移速度减小，即支撑剂的沉降速度减慢，在压裂裂缝闭合前处于悬浮状态，有效地铺置在裂缝中，避免造成砂堵或压裂裂缝闭合。

表2 不同实验条件下支撑剂的运移速度

将同一体系中的水平运移和垂直运移速度对缝口流速作图，结果见图1和图2。由图1的拟合数据可以看出，缝口流速增大时（即排量增大时），支撑剂垂直运移速度呈线性减小，这说明支撑剂颗粒不再遵循Stokes定律，即在垂直方向上不是自由沉降，而是由于支撑剂颗粒之间碰撞和流体介质的扰动作用增强，使支撑剂在沉降过程中出现“波动”状态。由图2的拟合数据可以看出，缝口流速较小时（小于0.5 m/s），支撑剂水平运移速度增长量较快；缝口流速较大时（大于0.5 m/s），支撑剂水平运移速度增长量减缓，这说明支撑剂颗粒之间碰撞增加，而且与裂缝壁面碰撞更加频繁，损耗了支撑剂颗粒的动能。结合表2可以看出，在0.08%基液中，排量在4 m3/h时，砂堤铺置较好，砂堤较高；而在0.3%基液中，排量在1～2 m3/h时，砂堤铺置较好，砂堤较高。同一种流体，排量增大时，有效缝高降低。所以在现场施工中，通过调整基液黏度和排量，控制有效缝高。

图1 0.08%和0.3%基液垂直运移拟合图

图2 0.08%和0.3%基液水平运移拟合图

3 低密度支撑剂现场应用

目前已完成3口井低密度支撑剂现场应用试验，应用层位为沙溪庙组。低密支撑剂为秉扬30/50目69 MPa（体积密度为1.44～1.47 g/cm3），3口井平均砂比在14%～20%之间，基液黏度在12～17 mPa·s，设计支撑裂缝总高度为62 m，施工排量在3.5～5.1 m3/min，施工成功率100%。低密度支撑剂现场应用情况见表3。

表3 低密支撑剂应用井和邻井压裂测试情况对比

由表3可知，低密度支撑剂应用井的平均无阻流量为28.015×104m3/d，常规支撑剂井的平均无阻流量为14.652×104m3/d，是常规井的1.91倍。通过研究低密度支撑剂铺置规律，优化施工工艺参数，使低密度支撑剂在川西中浅层应用效果良好，具有广阔的推广前景。

4 结论

1．支撑剂砂堤形态主要受流体排量和流体黏度控制。当流体黏度小时，需要在大排量条件下，支撑剂才能形成较好的砂堤；当流体黏度增大时，如在0.3%HPG基液中，则低排量下（小于2 m3/h）支撑剂才能形成较好的砂堤。

2．在同一体系中，随着排量增大，支撑剂的水平运移速度增大，垂直运移速度减小，说明流体介质对支撑剂颗粒的“扰动”作用增强，同时支撑剂颗粒之间的相互作用增强，使支撑剂在沉降过程中出现“波动”状态。

3．缝口流速较小时（小于0.5 m/s），支撑剂水平运移速度增长量较快；缝口流速较大时（大于0.5 m/s），支撑剂水平运移速度增长量减缓。

4．已完成的3口低密度支撑剂应用井平均无阻流量，是常规支撑剂应用井的1.91倍， 表明低密度支撑剂在川西中浅层地层具有广阔的应用前景。