煤层气压裂用低密度坚果壳支撑剂性能评价与现场试验

魏伟

（中国石化华东油气分公司石油工程技术研究院，江苏南京210031）

目前，国外水力压裂施工主要采用石英砂、陶粒和覆膜支撑剂[1-5]，国内水力压裂施工则主要为陶粒与石英砂支撑剂。支撑剂的密度越大其抗压强度往往越大，但支撑剂密度越大，支撑剂在随着压裂液运移的过程中的沉降速度也会越快，致使支撑剂难以被压裂液携带到裂缝的端部或分支缝内，最终无法形成较大的有效改造体积。煤层气藏具有压力系数低、饱和度低、渗透率低、非均质性强的特点，煤层节理、裂缝发育[6]，导致压裂液体滤失增加，液体效率降低，支撑剂在近井地带堆积，进而出现砂堵风险，因此，为了将支撑剂携带到裂缝深部，通常采用提高压裂液体黏度的方式来改善液体携砂能力，但煤层具有低温低压，且吸附能力强的特点[7-8]，高黏度的压裂液体会对储层造成更大的损害，所以，延川南煤层气井通常采用清水压裂液进行施工。

支撑剂的密度高低对最终的压裂效果有很大的影响，通过室内对比不同类型的支撑剂性能发现，低密度坚果壳支撑剂较常规支撑剂，性能相近，但密度更低、价格更便宜，因此，优选低密度坚果壳支撑剂，并在现场进行试验，取得良好效果。

1 低密度坚果壳支撑剂性能评价

1.1 支撑剂沉降速度

流体携带微粒的能力是跟微粒在周围流体中的沉降速度成反比[9-14]。流体为水时，可以通过斯托克斯定律[14-17]算出该液体中的微粒的最终沉降速度，其公式为：

式中：vt为最终沉降速度，m/s；ρp为支撑剂密度，kg/m3；ρf为压裂液密度，kg/m3；dp为粒径，m；μf为液体黏度，Pa·s。

根据斯托克斯定律可知：影响微粒在液体中的最终沉降速度主要有微粒直径、微粒密度、液体密度、液体黏度等[18-20]。同等压裂液体系及支撑剂粒径条件下，支撑剂的密度越大，沉降速度越快，压裂过程中越容易在近井地带形成堆积。

室内试验按照石油与天然气行业标准SY/T 5108—2014《水力压裂和砾石充填作业用支撑剂性能测试方法》的规定，对常规石英砂支撑剂和低密度坚果壳支撑剂的物理性能进行评价，实验结果如表1所示。

表1 支撑剂物理性能测试结果Table1 Physical performance test results of proppant

从物理性能的测试结果来看，低密度坚果壳支撑剂与常规石英砂支撑剂相比，在相同粒径下，拥有更低的体积密度，代入式（1）计算发现低密度坚果壳支撑剂的沉降速度更慢，在水力压裂时，能够被压裂液体输送到裂缝的更深部或分支裂缝网络处，获得更长的支撑裂缝，从而达到更好的产层覆盖性，增产效果更加明显。

1.2 支撑剂抗破碎与导流能力

支撑剂作为水力压裂工艺中的重要材料，对最终的压裂改造效果起着关键的作用，而支撑剂的抗破碎能力与导流能力是评价支撑剂性能的重要指标。支撑剂具有较高的抗破碎能力，才能在地层压力下形成更少的碎屑与更多的有效体积来维持形成的储层裂缝，扩大渗流通道，进而提高有效渗流面积。导流能力是评价支撑剂随压裂液铺置在储层内之后，形成有效渗流通道的能力。

1.2.1 支撑剂抗破碎能力

根据延川南工区的施工经验，储层的闭合压力约为30 MPa，所以室内在28 MPa条件下，对2种支撑剂进行抗破碎能力的测试，实验结果见表2。

表2 支撑剂抗破碎能力室内试验测试结果Table2 Test results of proppant crushing resistance

虽然低密度坚果壳支撑剂的密度比石英砂支撑剂小，但是，由于低密度坚果壳支撑剂的塑性优于石英砂支撑剂，在28 MPa压力下，产生的形变量大于石英砂支撑剂，从而导致支撑剂颗粒之间的接触面积变大，因此，低密度坚果壳的抗破碎能力优于石英砂。

1.2.2 支撑剂导流能力

室内使用山东中石大石仪科技有限公司的支撑剂导流能力测试仪，按照石油与天然气行业标准SY/T 6302—2019《压裂支撑剂充填层短期导流能力评价推荐方法》的规定，在室温（25℃）条件下，选取闭合压力范围为10～35 MPa，在铺砂浓度为5 kg/m2情况下，用蒸馏水对目数相同（20/40目）的常规石英砂和低密度坚果壳支撑剂的导流能力进行测试，实验结果显示：在相同的铺砂浓度、低闭合应力条件下，低密度坚果壳支撑剂的导流能力低于石英砂支撑剂的导流能力；在闭合应力10～20 MPa时低密度坚果壳支撑剂出现明显破碎，导致导流能力急剧降低，石英砂支撑剂则呈现一个相对较稳定的递减趋势；在较高闭合压力时（35 MPa），低密度坚果壳支撑剂和石英砂支撑剂的导流能力则相差较小（图1）。

2 低密度坚果壳支撑剂现场试验

2013年，对Y40井山西组2号煤层（压裂井段1 420.4～1 425.8 m，视厚5.4 m）实施光套管水力加砂压裂，加入常规石英砂支撑剂51.1 m3，其中40/70 目10 m3，20/40 目41.1m3，平均砂比10.7%。前置液量364.0 m3，携砂液量420.5 m3，顶替液量17.9 m3，累计液量802.4 m3。破裂压力40.0 MPa，前置液阶段排量7～8 m3/min，携砂液阶段施工压力35.5～37.7 MPa。压裂施工全程压力基本平稳，停泵压力28.0 MPa（图2）。

图1 不同闭合压力下支撑剂导流能力对比Fig.1 Comparison of proppant conductivity under different closing pressures

图2 Y40井全石英砂压裂施工曲线Fig.2 Fracturing by quartz sand only in well-Y40

Y40井第一次压裂后投产，日产气量稳定在300 m3左右，最高日产气量801.6 m3。

2019年，对Y40井山西组2号煤层（压裂井段1 420.4～1 425.8 m，视厚为5.4 m）实施光套管水力加砂重复压裂。选取活性水压裂液进行造缝，采用低密度坚果壳支撑剂与石英砂支撑剂相结合。前期使用石英砂支撑剂段塞进行降滤，后期阶梯式加入低密度坚果壳支撑剂，穿过原有支撑剂带，形成新裂缝，降低支撑剂在煤层内的嵌入效果，从而增加支撑裂缝宽度与长度，有效沟通煤层割理裂隙，提高储层的渗流能力，增大储层流体的渗流面积，达到更好的改造效果，增加煤层产气量。

施工共计加入20/40 目低密度坚果壳支撑剂31 m3，40/70 目石英砂支撑剂5 m3，20/40 目石英砂支撑剂41 m3，平均砂比为11.7%。前置液量为214.0 m3，携砂液量为660.0 m3，顶替液量为4 m3，累计液量为878 m3。破裂压力为35 MPa，前置液阶段排量为7～8 m3/min，携砂液阶段施工压力为30～33 MPa。压裂施工时，前期压力基本平稳，后期支撑剂加入规模较大，裂缝全部充填，施工压力上涨明显，停泵压力为31 MPa（图3）。

图3 Y40井低密度坚果壳与石英砂相结合的支撑剂压裂施工曲线Fig.3 Fracturing by proppant combined of low-density nut shell with quartz sand in well-Y40

Y40井施工压力较高，经过前置液阶段加入低砂比的常规石英砂细砂进行打磨、降滤后，施工压力降至30 MPa左右，在实施低密度压裂支撑剂技术改造阶段，压力波动升高，说明地质情况复杂、非均质性强，造成施工压力差异性大。在加入石英砂最后阶段，由于加入规模较大，石英砂在近井地带堆积形成砂堵，施工较为困难，但形成了较好的主裂缝，达到了预期改造的效果。

Y40井重复压裂后投产，最高日产气1 497 m3，日产气稳定在1 200 m3左右，增产900 m3左右。从最终产气效果来看，采用低密度坚果壳支撑剂进行重复压裂取得了较好的改造效果。

3 结论

1）低密度坚果壳支撑剂与传统石英砂支撑剂相比，可以有效降低支撑剂的沉降速度，从而减少支撑剂在近井地带的堆积，获得更大的改造范围。

2）在同样铺砂浓度条件下，对比低密度坚果壳支撑剂和传统石英砂支撑剂，虽然在低闭合压力下，导流能力弱于传统石英砂支撑剂，但是在较高闭合压力下，与传统石英砂支撑剂拥有相近的导流能力。

3）低密度坚果壳支撑剂相较于传统石英砂支撑剂价格更加低廉，在一定闭合压力条件下，能够获得更好的导流效果，值得进一步推广应用。