煤储层压裂轻质陶粒支撑剂粒级配比优化

常晓亮，吕闰生，王 鹏，李 冰，高 琳

(1.永煤煤电(集团)股份有限公司，河南 永城 476600；2.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454003；3.河南工程学院 资源与环境学院，河南 郑州 451191)

煤层气作为一种重要的非常规天然气，其高效开发不仅可以缓解中国油气供给难题，而且可以有效减少煤矿井下瓦斯事故，具有重要的社会意义和经济意义[1-2]。水力压裂技术已广泛应用于煤储层改造中，压裂液携支撑剂一同进入地层充填在煤层裂缝中，对裂缝因应力释放而闭合起到有效支撑作用，通过对煤储层压裂改造，以获得足够长度的高导流能力裂缝。因此，支撑剂在煤层裂缝中的铺置范围和输送距离是判断水力压裂效果的重要指标[3-4]。支撑剂分为高密度支撑剂和低密度支撑剂，低密度支撑剂从原料制备技术方法可分为低密度陶粒支撑剂和低密度其他类型支撑剂，低密度支撑剂具有沉降速度小、充填效果好、有利于在裂缝中铺置的特点而被广泛应用[5-8]。许多学者对常规油气储层进行了支撑剂类型、粒径、铺砂浓度等参数对裂缝导流能力的影响进行研究，而在煤储层支撑剂参数对裂缝导流能力和铺置范围方面研究相对较少[9-17]。为此，笔者选取潞安矿区煤层气井，使用新型覆膜轻质陶粒支撑剂，通过模拟不同粒径下其导流能力和铺置范围，以期获取压裂支撑剂最优粒级配比，为煤储层轻质陶粒压裂设计与导流评价奠定基础。

1 覆膜轻质陶粒性质

本次实验选用粒径为40～60(0.25～0.38 mm)、16～40(0.38～1.00 mm)、12～20目(0.83～1.40 mm)3种规格新型覆膜轻质陶粒，密度小于1.15 g/cm3(40～60目规格陶粒体密度1.18 g/cm3)，在22 MPa压力下，3种规格的陶粒破碎率不超过10%、15%和21%。普通轻质陶粒和覆膜轻质陶粒物理参数测试结果见表1。为了便于表述，下文中粒径均用目表示。

表1 不同规格轻质陶粒物理化学性质Table 1 Test results of different partical size of coated light ceramsite

由表1可知，覆膜轻质陶粒的酸溶解度、导流能力均高于普通轻质陶粒，而其圆度、球度、浊度、密度则低于普通轻质陶粒。依据压裂中支撑剂铺置范围和抗压强度关键指标，覆膜轻质陶粒整体性能优于普通轻质陶粒。

2 压裂裂缝内支撑剂沉降及运移规律

2.1 牛顿流体单颗粒自由沉降速度

单个支撑剂颗粒在静态、无边界的牛顿流体中沉降时，会受到自身重力、浮力和阻力作用，支撑剂会一直加速沉降直到受力平衡。当达到动态平衡时，支撑剂会匀速下沉，其自由沉降速度可用下式[18]表示。

式中：vp为单颗粒自由沉降速度，cm/s；g为重力加速度，取值9.8 m/s2；ρs为颗粒密度，g/cm3；ρ为地层流体密度，g/cm3；dp为支撑剂颗粒直径，cm；Cd为阻力系数。

由于Cd求解困难，Nowotny根据雷诺数提出了3种雷诺数下的自由沉降速度计算公式[18]：

式中：μ为地层流体黏度，Pa·s；Re为雷诺数。

2.2 支撑剂运移模拟

基于牛顿液体单颗粒自由沉降速度理论，以潞安矿区华高63号煤层气井为例，采用数值模拟软件模拟了陶粒支撑剂在压裂过程中的运移状态，模拟过程中基本参数见表2。

由图1可知，覆膜轻质陶粒支撑剂的导流能力较强，其造缝能力也较强，覆膜轻质陶粒最终会分布于裂缝高度剖面上，形成砂堤、悬砂区和纯液区。砂堤最远可铺至120 m，悬砂区最远可推送至160 m，活性水可达200 m。潞安矿区目前使用的石英砂支撑剂在裂缝高度剖面上的分布如图2所示，砂堤可运移至60 m，悬砂区可运移至80 m。对比图1、图2，覆膜轻质陶粒支撑剂砂堤和铺砂区范围远远大于石英砂的造缝能力，铺砂范围是石英砂的2倍左右。由微地震方法监测获得研究区华高149井石英砂压裂后的裂缝半长为89.1 m，与本次模拟结果相近。

图1 覆膜轻质陶粒支撑剂在缝高上分布剖面Fig.1 Concentration profile of coated ceramsite proppant at crack heights

图2 石英砂支撑剂在缝高上分布剖面Fig.2 Concentration profile of quartz sand at crack heights

3 覆膜轻质陶粒粒级配比优化

作为煤层气井压裂支撑剂，覆膜轻质陶粒相比传统石英砂具有较大的优势，为最大限度提高压裂增透效果，对不同粒级覆膜轻质陶粒进行压裂模拟预测。

3.1 覆膜轻质陶粒导流能力压裂模拟

不同粒径覆膜轻质陶粒支撑剂按表2基本参数进行导流能力实验，结果如图3、图4所示。导流能力是指裂缝传导(输送)储层流体的能力，并以裂缝支撑剂层的渗透率(Kf)与裂缝支撑缝宽(Wf)的乘积(KW)f来表示。实验结果显示，无论何种粒径轻质覆膜陶粒支撑剂，随着闭合压力的增大其裂缝导流能力均降低。大粒径陶粒受闭合压力影响较大，随着闭合压力增大，其导流能力下降较快，说明大粒径陶粒得不到有效支撑。闭合压力相同，小粒径陶粒被压裂液携带距离远，支撑裂缝强度弱，导流能力低；大粒径被压裂液携带距离近，支撑裂缝强度强，导流能力高。

图3 16～40目覆膜轻质陶粒支撑剂导流能力Fig.3 Conductivity of 16-40 mesh lightweight ceramsite

图4 40～60目覆膜轻质陶粒支撑剂导流能力Fig.4 Conductivity of 16-40 mesh lightweight ceramsite

3.2 不同粒径覆膜轻质陶粒压裂模拟

以华高63号煤层气井为例，采用FracproPT软件对目标储层进行压裂预测，压裂过程使用的支撑剂为40～60目、16～40目和12～20目的3种不同粒径的覆膜轻质陶粒，3种粒径的陶粒支撑剂铺置面密度及压裂裂缝导流能力预测结果如图5所示。

图5 不同粒径覆膜轻质陶粒裂缝导流能力Fig.5 Fracture conductivity of different particle size covered lightweight ceramsite

不同粒径覆膜轻质陶粒模拟结果见表3，由表中可知，40～60目的陶粒粒径最小，其压裂裂缝长度、支撑缝长和平均支撑剂密度最大，而导流能力则最低；12～20目的陶粒粒径最大，压裂裂缝长度、支撑缝长和平均支撑剂密度最小，而导流能力最高；16～40目陶粒介于其他两类之间。

表3 不同粒径覆膜轻质陶粒压裂效果对比Table 3 Comparison table of fracturing effects with three grain sizes covered lightweight ceramsite

形成上述现象的原因：小粒径陶粒由于其粒径小，被压裂液携带的距离最远，支撑裂缝的强度最弱，导流能力最低；大粒径陶粒由于粒径较大，被压裂液携带的距离最近，支撑裂缝强度最强，导流能力最高。对比不同粒径覆膜轻质陶粒，12～20目覆膜轻质陶粒模拟结果最优，无因次导流能力为1.447。

3.3 不同粒级配比压裂模拟

分别模拟ω(40～60目)、ω(16～40目)和ω(12～20目)3种粒级陶覆膜轻质粒配比分别为1∶1∶1、1∶6∶2和3∶1∶2的压裂效果，压裂模拟预测结果如图6、图7所示。

图6 不同粒径覆膜轻质陶粒(ω(40～60目)∶ω(16～40目)∶ω(12～20目))配比模拟压裂时的裂缝导流能力Fig.6 Fracture conductivity of different particle sizes covered lightweight ceramsite configuation

图7 不同粒径覆膜轻质陶粒(ω(40～60目)∶ω(16～40目)∶ω(12～20目))配比模拟压裂时的裂缝支撑剂面密度Fig.7 Fracture proppant concentration for different particle size covered lightweight ceramsite configuation

表4 不同粒级配比压裂效果对比Table 4 Comparison table of fracturing effects with three sizes ceramsite configuation

由表4可知，粒级配比为1∶6∶2的压裂效果最好，其压裂裂缝平均支撑剂面密度最大为5.16 kg/m2，裂缝无因次导流能力最高为1.263，但总裂缝缝长与支撑裂缝缝长最小，分别这320.0 m和287.6 m；粒径配比为3∶1∶2的压裂效果最差，由于最小陶粒粒径所占比例最高，压裂裂缝长度、支撑缝长最大分别为326.7 m和295.2 m，支撑剂浓度为4.74 kg/m2，导流能力最小为1.049；粒径配比为1∶1∶1的压裂效果二者之间。不同配比形成的压裂差异原因为，粒径配比为3∶1∶2的陶粒由于其小粒径陶粒所占比例大，虽然被压裂液携带的距离最远，但支撑裂缝的强度最弱，导流能力最低；而粒径配比为1∶6∶2的陶粒由于中等粒度陶粒所占比例大，被压裂液携带的距离较远，能够有效填充裂缝，裂缝中支撑剂面密度最高，同时支撑裂缝强度较强，导流能力最高。综合对比3种粒级配比压裂模拟效果，粒级配比ω(40～60目)∶ω(16～40目)∶ω(12～20目)为1∶6∶2时，华高63井压裂模拟效果最优。

4 结论

a.新型覆膜轻质陶粒整体性能优于传统轻质陶粒，不同粒径覆膜轻质陶粒支撑剂的裂缝导流能力均随着闭合压力的增大而降低；相同粒径覆膜轻质陶粒在裂缝中形成的砂堤和铺砂区长度是传统石英砂的2倍左右。

b.40～60目、16～40目、12～20目3种粒级覆膜轻质陶粒中，12～20目压裂裂缝长度、支撑缝长和平均支撑剂面密度最小，而导流能力最高；40～60目导流能力最小，16～40目介于二者之间。

c.选取潞安矿区华高63井为压裂模拟对象，当ω(40～60目)∶ω(16～40目)∶ω(12～20目)覆膜轻质陶粒粒级配比为1∶6∶2时，压裂效果最好，此时，裂缝缝长320 m，平均裂缝宽度0.672 cm，平均支撑剂面密度为5.16 kg/m2，无因次裂缝导流能力为1.263；当质量配比为3∶1∶2时压裂隙效果最差，无因次裂缝导流能力为1.049；质量配比为1∶1∶1时裂缝导流能力介于二者之间，为1.113。