壓裂支撐劑性能對導流能力影響室內研究

董小麗，潘文啟，楊紅英，甘爭龍

1.中國石油長慶油田分公司技術監測中心（陜西西安710018）2.西安長立油氣工程技術服務有限公司（陜西西安710018）

壓裂支撐劑性能對導流能力影響室內研究

董小麗1，潘文啟1，楊紅英1，甘爭龍2

1.中國石油長慶油田分公司技術監測中心（陜西西安710018）2.西安長立油氣工程技術服務有限公司（陜西西安710018）

通過對不同種類、規格、密度、圓球度、濁度、粒徑分布、破碎率的壓裂支撐劑短期導流能力室內研究，明確影響壓裂支撐劑導流能力主要因素，提出了提高壓裂支撐劑導流能力的方法。數據表明，壓裂支撐劑的抗破碎能力、粒徑均勻程度、密度、圓球度性能是影響支撐劑導流能力的重要因素。較低破碎率的壓裂支撐劑導流能力較高，粒徑分布的集中程度越高可獲得較高的裂縫導流能力，體積密度越小、圓球度越好的壓裂支撐劑的導流能力越好。

壓裂支撐劑；導流能力；破碎率；粒徑分布

壓裂技術是改造低滲透油氣田的重要技術手段之一,是提高單井產量和增加可采儲量的關鍵技術。壓裂支撐劑隨同高壓溶液進入地層充填在巖層裂隙中，起到支撐裂隙不因應力釋放而閉合的作用，從而保持高導流能力，使油氣暢通。因此壓裂支撐劑的質量和導流能力大小直接關系到壓裂施工質量與增產效果，對提高單井產量具有非常重要的作用[1-5]。

裂縫導流能力研究是一項系統、復雜、實驗工作量大的研究課題，主要是開展油田常用的不同種類、規格、粒徑、質量的壓裂支撐劑在不同閉合壓力條件下導流能力影響實驗研究，分析確定影響壓裂支撐劑短期導流能力的主要因素,以此提出提高支撐劑導流能力的方法，提高壓裂設計水平和壓裂效益，為壓裂措施支撐劑的選擇提供技術依據和參考[6-9]。

1 實驗儀器及條件

1.1 實驗儀器

實驗主要儀器設備包括壓力實驗機、導流室、液壓框架、支撐劑填充層厚度測量設備、實驗液體驅替系統等，均按照標準中的要求配置。

1.2 實驗條件

用去離子水作為實驗液體，在層流條件下評價壓裂支撐劑導流能力。實驗環境、液體溫度為24℃±3℃，流量設置為6.0 mL/min。

導流室為線性流設計，支撐劑鋪設面積為64.5 cm2。樣品鋪置濃度為5 g/cm3，導流實驗的閉合壓力為10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa、50 MPa、60 MPa 6個不同等級的閉合壓力階梯遞增，每個閉合壓力下穩壓10 min，閉合壓力的加載速率為3 500 kPa/min。

2 導流能力評價實驗方法

2.1 實驗方法

導流實驗是評價實驗室條件下支撐劑填充層的導流能力。導流實驗依據SY/T 6302—2009《壓裂支撐劑填充層短期導流能力評價推薦方法》。

實驗時，將分選稱量好的支撐劑裝入導流室（液壓框架），模擬地層裂縫中的支撐劑填充層，用壓力機在支撐劑樣品上加載足夠長時間的閉合壓力，使支撐劑填充層達到半穩定，由液壓泵提供一個穩定的流量驅遣實驗液體。在不同閉合壓力下使液體流過支撐劑填充層時，測量支撐劑填充縫寬、壓差、流量，根據達西公式計算支撐劑填充層的導流能力與液體在層流條件下的滲透率。

式中：KWf為支撐劑填充層導流能力，μm2·cm；K為支撐劑填充層滲透率,μm2；Q為流量,cm3/s；μ為實驗條件下流體黏度,mPa·s；ΔP為壓差,kg/cm2。

2.2 實驗步驟

導流能力實驗主要分為實驗準備、預加載、測定和計算4個步驟。

實驗準備工作，包括樣品分選稱量、實驗室環境溫度控制、導流室裝配、實驗液體準備、實驗程序設置和檢查。

實驗的預加載，啟動壓力機實驗程序，導流室加載40 kN的壓力并保持約1 h，并在1 h內依次完成導流實驗液壓系統連接、驅遣液壓泵的啟動、流量設置、液壓系統憋壓、滲漏檢查、液壓系統抽真空及零點觀察。

實驗測定，勻速加載到各個設定壓力。記錄每個閉合壓力下的流量、壓差計電流、溫度、縫寬值。

結果計算，將記錄的實驗參數錄入導流能力計算程序，自動計算出導流能力和滲透率，并自動繪制出對應的導流能力和滲透率曲線圖。

3 實驗結果及討論

3.1 石英砂與陶粒砂導流能力對比

選擇規格均為425～850 μm的陶粒砂支撐劑和石英砂支撐劑分別進行導流能力測實。實驗選用的支撐劑樣品其他性能相近（表1），評價不同破碎率條件下石英砂和陶粒支撐劑的導流能力差異。

實驗結果表明，陶粒砂導流能力遠遠高于石英砂。破碎率相近條件下，陶粒砂的導流能力是石英砂的2～3倍，見圖1。破碎率6.5%左右的陶粒砂與石英砂導流能力相差70 μm2·cm以上,40 MPa閉合壓力時,差值高達103.46 μm2·cm。

表1 實驗用支撐劑物理性能表

圖1 相同規格陶粒砂和石英砂

3.2 不同規格陶粒砂導流能力對比

選擇油田常用的規格為425～850 μm和225～421 μm的陶粒砂開展導流能力比對實驗。實驗結果表明，破碎率相近的條件下，425～850 μm陶粒砂導流能力明顯優于212～425 μm陶粒砂。

隨著閉合壓力升高，425～850 μm陶粒砂導流能力下降顯著，平均每10 MPa下降27 μm2·cm；212～425 μm陶粒砂平均每10 MPa僅下降6 μm2·cm，說明212～425 μm陶粒砂導流能力受閉合壓力增大的影響不大，變化平緩（圖2）。

圖2 2種規格陶粒砂導流能力對比

3.3 不同破碎率的陶粒砂對導流能力影響

選定規格為425～850 μm、破碎率從1.8%到24.4%的12個陶粒砂樣品進行導流能力實驗（圖3）。

圖3 不同破碎率陶粒砂導流能力與閉合壓力關系曲線

從圖3可見，導流能力隨閉合壓力的增大逐步下降。在閉合壓力10 MPa到40 MPa階段，導流能力下降趨勢大，當閉合壓力大于50 MPa時，下降趨于平緩。相同的閉合壓力條件下，樣品破碎率和導流能力成反比，即破碎率越大，導流能力越低。

12個樣品分別在相同閉合壓力下破碎率與導流能力的關系。閉合壓力為10 MPa、20 MPa時導流能力與破碎率無線性關系。低閉合壓力時，未對支撐劑造成破碎變形，導流能力受破碎率的影響較小。閉合壓力大于30 MPa，支撐劑逐漸破碎，形成的微小顆粒進入支撐劑之間空隙，影響流體流動，導流能力隨著破碎率增大下降趨勢明顯，同閉合壓力下破碎率越大，其導流能力越低。

3.4 粒徑分布對導流能力影響

選取陶粒砂支撐劑，將其細化篩分為幾個粒徑段后，分別測試每個粒徑段樣品的導流能力，進行對比分析。

在同一規格的支撐劑中，粒徑越大的粒徑分布段，導流能力越高；425～850μm規格樣品中，710～850μm、600～710 μm粒徑段的陶粒導流能力明顯高于組合樣品；212～425 μm規格樣品中，355～425 μm粒徑段的陶粒導流能力高于組合樣品。說明在支撐劑規格范圍內，粒徑越大、同時粒徑分布越集中于粒徑大的分布段，支撐劑導流能力越高。

如表2，規格及其他質量性能相近，規格為425～850 μm的2#陶粒砂樣品的破碎率略大于1#樣品，但是其導流能力卻高于1#樣品；分析2個樣品的粒徑分布，發現2#陶粒砂樣品粒徑分布在710～850 μm占78.09%,1#樣品粒徑分布在710～850 μm，占14.35%。這進一步驗證了：在支撐劑規格范圍內，分布在粒徑上限范圍內的支撐劑越多、分布越集中，支撐劑導流能力越高。

表2 粒徑分布情況統計表

3.5 不同閉合壓力條件下的導流能力

選擇規格425～850 μm，破碎率為6.8%和19.4%的陶粒砂樣品，分別在閉合壓力為30 MPa和50 MPa下進行2 h的導流實驗。50 MPa壓力下2 h后導流能力下降9～10 μm2·cm，30 MPa壓力下2 h后導流能力下降3～4 μm2·cm，說明閉合壓力越大，支撐劑導流能力下降的幅度越大。隨著壓力加載時間的增長，支撐劑導流能力緩慢下降，當壓力加載到50～60 min后，導流能力趨于穩定。

3.6 體積密度對導流能力影響

選取破碎率均在7.0%左右，體積密度分別為1.54 g/cm3、1.65 g/cm3、1.77 g/cm3的425～850 μm陶粒砂樣品開展導流能力實驗。實驗表明：體積密度越低導流能力越好。在閉合壓力30 MPa時，體積密度1.54g/cm3樣品的導流能力分別比體積密度1.65g/cm3、1.77 g/cm3樣品高49.2 μm2·cm、59.92 μm2·cm；壓力50 MPa時，體積密度1.54g/cm3樣品的導流能力分別比體積密度1.65 g/cm3、1.77 g/cm3樣品高30.15 μm2·cm、38.83 μm2·cm。

3.7 圓球度對導流能力影響

選擇規格為425～850μm陶粒砂，在圓度球度不同，其他指標相近的條件下開展導流能力實驗。閉合壓力在10～40 MPa條件下圓度0.9、球度0.9的陶粒砂導流能力優于圓度0.8、球度0.7的陶粒砂。同時圓球度好的陶粒砂導流能力每10 MPa下降40 μm2·cm左右，而圓球度較差的陶粒砂導流能力每10 MPa下降20 μm2·cm左右，說明在破碎率等其他指標相近條件下，圓球度較差的陶粒砂抗壓能力優于圓球度好的陶粒砂。

3.8 濁度對導流能力影響

選取了其他性能指標相近，破碎率為3%左右，濁度為184.0 FTU、68.9 FTU和破碎率為6%左右，濁度為149.5 FTU、72.5 FTU的2組樣品，分別開展實驗。通過2組比對實驗，發現濁度與導流能力沒有明顯的規律。其他性能指標相近，不同濁度的陶粒砂導流能力差異不大，說明濁度對導流能力的影響不大。

4 結論

1）抗破碎能力、密度、粒徑分布、圓球度是壓裂支撐劑的主要性能指標，也是影響導流能力的重要因素。支撐劑性能檢測可以確保施工現場使用優質的支撐劑，壓裂作業要結合現場實際，綜合考慮產品質量性能來選擇支撐劑。

2）破碎率較高的支撐劑導流能力下降幅度較大，因此現場壓裂時優先選用破碎率較低的支撐劑可獲得較高的裂縫導流能力。

3）從粒徑分布對導流能力影響分析試驗看出，提高支撐劑粒徑分布的集中程度可獲得較高的裂縫導流能力，因此使用的壓裂支撐劑應達到其規定要求,即符合粒徑范圍的質量分數在90%以上,并盡可能使粒徑集中在粒徑上限范圍內，如425～850 μm規格的陶粒粒徑集中在710～850 μm之間時導流能力較高。建議生產廠家篩析掉小于規定粒徑范圍的細粒和雜質等。

4）試驗統計，閉合壓力從10 MPa提升到60 MPa，支撐劑導流能力會下降100～150 μm2·cm，表明閉合壓力對支撐劑導流能力有很大的影響,因此現場可降低作用在支撐劑上的閉合壓力，如通過加大注水量增加地層孔隙壓力，或降低生產壓差等辦法。

5）實驗表明陶粒支撐劑導流性能優于石英砂，但由于目前石油價格及開發成本上升，石英砂有著它的價格優勢。因此，壓裂施工時應充分考慮到油氣層閉合壓力，設計時應明確油層閉合壓力及支撐劑破碎率性能等要求，根據不同區域、不同開發層位，選擇不同類型的壓裂支撐劑。

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The main factors of affecting the seepage capacity of proppant were determined and some methods for improving the seepage capacity of proppant were put forward according to the laboratory study on the short-term seepage capacity of different type,size,density,sphericity,turbidity,particle size distribution and breaking ratio of fracturing propant.The research results show that the anti-breaking ability,particle size uniformity,density and sphericity are the main factors of affecting the seepage capacity of proppant.The lower the breaking ratio,the more uniform the particle size and the smaller the volume density,the better the seepage capacity of proppant.

fracturing proppant;seepage capacity;breaking ratio;particle size distribution

2017-05-11

董小麗（1981-），女，工程師，現從事油田壓裂支撐劑產品質檢與評價工作。