多级加砂各级支撑剂接触对导流能力的影响

章思鹏，许明勇，宋菊香，居迎军，李攀

1.西安石油大学石油工程学院（陕西西安 710065）

2.中国石油长庆油田分公司第六采油厂（陕西定边 718606）

3.中国石油长庆油田分公司第三采气厂（内蒙古乌审旗 017300）

0 引言

随着常规油气藏的不断开采，非常规油气藏的开发开采也已受到关注，非常规油气藏的开发过程离不开压裂改造，压裂改造是以实现长缝为目标。随着勘探开发的深入，钻遇大厚度的油气藏更多，对于此类储层多级加砂具有良好的裂缝纵向延展和长度，可有效提高裂缝导流能力，对于低渗透油气藏具有较好的增产效果[1-5]。

多级加砂与传统的加砂相比，其裂缝宽度更大，铺垫效率更高。多级加砂是将设计的总砂量多次泵入储层，第一级压裂结束后停泵，支撑剂沉降，之后裂缝闭合，然后进行下一级压裂，一级一级铺置。多级加砂每一级支撑剂会覆盖上一级支撑剂向裂缝深处延展。宋紫玥[6]提出多级加砂加砂级数与裂缝导流能力呈现出加砂级数越多，裂缝缝长、缝高和导流能力都在增加。张潦源[7]通过对支撑剂近井带充填和分支缝支撑效果进行研究，发现支撑剂支撑效果的最优方案是先充填小粒径的支撑剂后充填大粒径的支撑剂，可以使分支缝具有较好的运移能力。

本文在对多级铺砂砂堤形态认知的基础上，对其在近井地带各级支撑剂之间的纵向接触、横向接触和混和铺置3 种接触方式进行测试，明确其在不同闭合压力下对多级压裂裂缝导流能力的影响。采用API 标准的导流室，氮气模拟天然气在闭合压力下的气相流动，测试裂缝导流能力，该实验研究认知对揭示多级加砂各级支撑剂不同接触方式对裂缝导流能力的影响规律，对完善多级加砂压裂优化设计具有重要的理论价值[8-12]。

1 实验

1.1 实验仪器

实验所用仪器为根据API标准设计的裂缝导流能力系统，主要由平流泵、导流室、气体流量计、压差传感器和液压机构成，可以模拟地层条件，对不同类型支撑剂进行裂缝导流能力评价。仪器最高实验温度120 ℃，最大闭合压力120 MPa。

1.2 实验原理

根据图1所示多级加砂压裂二级压裂支撑剂会覆盖一级压裂支撑剂，从而在裂缝中呈现出两种接触方式，一二级支撑剂延裂缝延展垂线方向的纵向接触和一二级支撑剂延裂缝方向的横向接触，以及一二级支撑剂发生混合的混合加砂。

图1 多级加砂压裂纵向接触和横向接触示意图

根据线性流达西公式，气体渗透率测定公式如下：

式中：K为支撑裂缝渗透率，μm2；Q为裂缝内流量，cm3/s；μ为流体黏度，mPa·s；L为测试段长度，cm；A为支撑裂缝截面积，cm2；T为导流室温度，℃；P0为大气压，MPa；P1为入口压力，MPa；P2为出口压力，MPa。

根据API标准将导流室数据与公式中参数进行置换，支撑剂裂缝导流能力计算公式变为：

式中：KWf为导流能力，μm2·cm。

1.3 实验材料

1）支撑剂：20～40目石英砂、40～70目石英砂、20～40 目陶粒、40～70 目陶粒和70～140 目陶粒5种支撑剂。

2）实验流体：N2。

1.4 实验条件

实验过程中闭合压力分别加载6.9、13.8、27.6、41.4、55.2 MPa。

1.5 实验方案

根据支撑剂各级铺置不同支撑剂类型、不同支撑剂目数和不同铺砂浓度，设计实验共14组。铺砂浓度总浓度为10 kg/m2,各级铺砂浓度分别为2.5、5.0、7.5 kg/m2。支撑剂小粒径和大粒径之比分别为1∶3、1∶1和3∶1。

根据图2 示意的铺置方法，在导流室中充填支撑剂，根据一级加砂和二级加砂的次序依次加入支撑剂，每次加入支撑剂用刮板刮平整，使支撑剂分层均匀。使用气体流量计使N2以稳定的流速通过导流室，逐渐增加闭合压力，得到不同闭合压力下的支撑剂裂缝导流能力变化曲线。通过改变支撑剂类型，进行单级支撑剂铺置、混合支撑剂铺置、支撑剂横向接触和支撑剂纵向接触，得到裂缝在不同闭合压力下的不同裂缝导流能力实验数据。通过对实验数据的处理，得到不同实验条件下随闭合压力变化的裂缝导流能力结果曲线，比较曲线的变化，分析各因素对裂缝导流能力的影响。

图2 多级加砂压裂3种接触方式示意图

2 实验结果与分析

多级加砂各级支撑剂会呈现出随着加砂级数的增加，覆盖上一级加砂的支撑剂，各级支撑剂之间会出现3种接触方式：纵向接触、横向接触和混合加砂，接触方式如图1 所示。根据3 种接触方式及上述实验方案，开展不同支撑剂铺置状态的裂缝导流能力实验，通过对纵向接触、横向接触和混合加砂3种接触方式不同闭合压力下的裂缝导流能力进行分析，对实验结果进行对比分析。

2.1 支撑剂纵向接触铺置对裂缝导流能力的影响

根据图1示意一级加砂支撑剂先在裂缝中沉降，二级加砂的支撑剂再沉降覆盖一级加砂支撑剂。实验过程中纵向接触是先将一级加砂支撑剂铺置导流室，再将二级加砂支撑剂铺置导流室，使导流内支撑剂变为两层支撑剂，实验具体方案见表1。

表1 纵向接触实验方案

2.1.1 小粒径和大粒径组合对纵向接触的影响

多级加砂会在井筒周围铺置小粒径支撑剂，可以提高抗压能力，防止裂缝闭合，并且小粒径支撑剂可以遮挡部分应力，使井筒周围具有良好的抗压能力和导流能力。

由图3 可知，在总铺砂浓度为10 kg/m2的情况下，大粒径支撑剂的铺砂浓度越高裂缝导流能力越大，大粒径支撑剂之间的孔隙大气体更容易流动，因此其裂缝导流能力大。随着闭合压力的增加，几组实验在55.2 MPa 闭合压力下的导流能力差别不大，闭合压力过高时支撑剂破碎将孔隙堵塞，导致支撑剂在高闭合压力下裂缝导流能力区别不大。由于铺置小粒径支撑剂可以遮挡部分裂缝闭合的应力，小粒径和大粒径石英砂支撑剂铺砂浓度比例为1∶3 时，其裂缝导流能力略低于大粒径石英砂支撑剂，且大于其余各比例铺砂浓度的石英砂支撑剂，由于总铺砂浓度一定，小粒径支撑剂铺砂浓度越高其导流能力越低，铺置部分的小粒径支撑剂遮挡部分应力，对裂缝导流能力影响较小。

图3 不同闭合压力下小粒径大粒径纵向接触组合导流能力变化图

二级加砂为20～40 目的大粒径陶粒支撑剂时裂缝导流能力相对于石英砂支撑剂裂缝导流能力更好。由于陶粒具有更强的抗压能力，对于裂缝的支撑效果更好，使导流能力在低闭合压力下增长了40%，在高闭合压力下增长了10%。多级加砂支撑剂纵向接触，想要获得较好的抗压能力和导流能力，小粒径支撑剂和大粒径支撑剂的比例在1∶3 时具有较好的抗压能力和较高的导流能力。

2.1.2 大粒径对纵向接触的影响

多级加砂压裂裂缝能获得更好的缝宽和缝长，支撑剂更深入裂缝，对于裂缝深处各级支撑剂纵向接触对导流能力的影响，采用大粒径支撑剂进行实验。

从图4 可以看出，多级加砂均采用大粒径支撑剂，在低闭合压力下裂缝导流能力更高，闭合压力在10 MPa左右时其裂缝导流能力均在200 μm2·cm，闭合压力在30 MPa以下可以保持较高的导流能力，这是因为大粒径支撑剂的孔隙空间更大，流体在孔隙中更容易流动。在高闭合压力下裂缝导流能力也大于小粒径和大粒径组合的方式，由于测试的是短期导流能力大粒径支撑剂破碎较少，裂缝支撑效果更好。

图4 大粒径组合导流能力随闭合压力变化图

若采用大粒径支撑剂，随着石英砂支撑剂占比的逐渐提高，其导流能力在低闭合压力下下降较缓，这是因为陶粒支撑剂抗压能力更强，抗压能力较弱的石英砂支撑剂破碎堵塞孔隙导致导流能力下降，石英砂支撑剂占比越高，其破碎越多，堵塞孔隙越严重。与图3对比石英砂支撑剂从小粒径40～70 目换成20～40 目，其导流能力增加约1 倍，其支撑效果更强。大粒径支撑剂中石英砂和陶粒支撑剂不同比例铺置在40 MPa 以上的闭合压力下差别不大，略高于纯石英砂支撑剂。

2.2 支撑剂横向接触铺置对裂缝导流能力的影响

根据图1示意一级加砂支撑剂先在井筒周围沉降，二级加砂支撑剂深入裂缝沉降。实验过程中横向接触是先将一级加砂支撑剂铺置导流室的出口处，再将二级加砂支撑剂铺置导流室的入口处，模拟气藏开采，实验具体方案见表2。

表2 横向接触小粒径大粒径组合实验方案

2.2.1 小粒径和大粒径组合对横向接触的影响

随着裂缝的延伸，二级加砂会深入裂缝与一级加砂形成横向接触，井筒周围的一级加砂支撑剂和裂缝深处的二级加砂支撑剂接触会导致渗流阻力加大，使裂缝导流能力下降。

从图5 可以看出，在低闭合压力下大粒径支撑剂在铺砂浓度中占比越高，其导流能力也越大，在高闭合压力下不同实验导流能力相差不大。并且，小粒径支撑剂在铺砂浓度中占比越高，其随着闭合压力的增加导流能力下降越缓慢。横向接触导流能力整体小于纵向接触，根据达西公式可知，相对于纵向接触，横向接触本身的渗流阻力更大，并且横向接触对于应力的遮挡作用也小于纵向接触。横向接触时二级加砂换成强度更高的大粒径陶粒支撑剂，对于裂缝导流能力增加较少，在低闭合压力下增长了17%，在高闭合压力下增长了8%，比纵向接触的增长量降低了约50%。

图5 小粒径大粒径组合导流能力随闭合压力变化图

2.2.2 小粒径陶粒支撑剂对横向接触的影响

井筒周围有时会采用更小粒径的70～140目的支撑剂以获得更高的抗压能力，为获得更高的抗压强度通常采用抗压能力更强的陶粒支撑剂来获得更好的导流能力。

从图6 可以看出，小粒径支撑剂随闭合压力增加导流能力下降较缓，这是由于小粒径支撑剂的抗压能力较强，闭合压力对导流能力的影响较小，并且采用的支撑剂是比石英砂抗压能力更强的陶粒支撑剂。还可以看出，实验16 和实验18 的导流能力随闭合压力增加几乎没有变化，说明其抗压能力较好，但导流能力较低，小粒径支撑剂孔隙较小流体难以流动。从图5、图6 可以看出，小粒径支撑剂发生横向接触时对导流能力影响很大，较高的渗流阻力导致大粒径支撑剂的导流能力难以发挥作用。

图6 小粒径陶粒组合导流能力随闭合压力变化图

2.3 支撑剂混合对导流能力的影响

一级加砂的支撑剂沉降后二级加砂支撑剂注入会与部分一级加砂支撑剂混合，混合后的导流能力会发生变化。实验过程中将一级加砂支撑剂和二级加砂支撑剂进行混合，混合后铺置导流室内测定其裂缝导流能力。

多级加砂过程中，一级支撑剂和二级支撑剂会发生混合现象，实验主要对混合的不同比例进行测试（表3）。混合加砂导流能力随闭合压力变化见图7。

表3 混合加砂小粒径大粒径组合实验方案

图7 混合加砂导流能力随闭合压力变化图

从图7 可以看出，混合加砂在小粒径和大粒径石英砂支撑剂铺砂浓度比例为1∶1 时，导流能力高于纵向接触和横向接触。混合接触的导流能力整体高于横向接触，因此3 种接触方式的导流能力大小排列为：纵向接触＞混合铺置＞横向接触。混合加砂时加入陶粒支撑剂使裂缝导流能力相对低闭合压力下增长了30%，在高闭合压力下增长了15%。

3 结论

1）3 种接触方式导流能力大小排列为：纵向接触＞混合铺置＞横向接触。纵向接触位于井筒附近，可以提供良好的导流能力，大粒径支撑剂之间的孔隙大，气体更容易流动，因此其裂缝导流能力大。在小粒径和大粒径之比为1∶3 时，导流能力效果最好。

2）横向接触在3 种接触方式中导流能力最低，小粒径支撑剂对导流能力的影响很大，在横向接触过程中一级加砂支撑剂和二级加砂支撑剂发生混合会提高裂缝导流能力。

3）当支撑剂发生混合时，发生在纵向接触时会降低导流能力，发生在横向接触时会增加导流能力，混合加砂在小粒径和大粒径石英砂支撑剂铺砂浓度比例为1∶1 时，导流能力高于纵向接触和横向接触。