自支撐相變壓裂技術(shù)室內(nèi)研究與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

趙立強(qiáng) 張楠林 張以明 羅志鋒 余東合 劉平禮陳薇羽 劉國(guó)華 杜 娟 李年銀 陳 祥

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2.中國(guó)石油華北油田公司

1 概述

圍繞常規(guī)水力壓裂技術(shù)存在的砂堵[1]、殘?jiān)鼈2]、設(shè)備磨損[3]、裂縫遠(yuǎn)端難以得到有效支撐[4]等一系列問(wèn)題，學(xué)者們開展了大量研究[5-9]：在壓裂液方面，研發(fā)了延遲交聯(lián)壓裂液[10]、低摩阻壓裂液[11]、清潔壓裂液[12]和耐溫耐剪切壓裂液[13]等，以降低泵注壓力、減輕儲(chǔ)層傷害和增加支撐劑懸浮能力；在支撐劑方面，主要通過(guò)研制低密度支撐劑[14]以達(dá)到增強(qiáng)裂縫遠(yuǎn)端導(dǎo)流能力的目的。盡管相關(guān)研究對(duì)提高壓裂效果起到了一定的作用，但是依然沒(méi)能完全解決上述問(wèn)題。為此，筆者提出了一種自支撐相變壓裂技術(shù)[15-20]（Self-propping Phase-transition Fracturing Technology，

SPFT）：如圖1 所示，向儲(chǔ)層注入由相變流體（Phasetransition Fluid，以下簡(jiǎn)稱PF）和非相變流體（Nonphase-transition Fluid，以下簡(jiǎn)稱NPF）組成的相變壓裂液體系（Phase-transition Fracturing Fluid System，以下簡(jiǎn)稱PFFS），在地層溫度的刺激下，PF 發(fā)生相變，由液體變成固體的相變支撐劑顆粒（Chemical-phasetransition Proppant,以下簡(jiǎn)稱CP）從而支撐水力裂縫，而NPF 占據(jù)的裂縫空間在其返排后則成為油氣高速流動(dòng)的通道。

圖1 自支撐相變壓裂技術(shù)原理圖

為此，從PFFS 相變過(guò)程、CP 力學(xué)性能、濾失量及巖心傷害、支撐裂縫導(dǎo)流能力、PFFS 流動(dòng)分布、注液及關(guān)井全過(guò)程溫度場(chǎng)模擬等方面入手，系統(tǒng)地介紹了近6 年取得的研究成果。最后，通過(guò)分析中國(guó)石油華北油田公司N1 井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例，以證實(shí)該項(xiàng)技術(shù)的可靠性和可行性。

2 材料性能

2.1 PFFS 相變過(guò)程

圖2 PFFS 發(fā)生相變形成CP 的相變過(guò)程圖

PFFS 相變過(guò)程如圖2 所示：在30 ℃下，PFFS是一種無(wú)固相的液體，能夠避免磨損和砂堵的問(wèn)題；隨著溫度的升高（約60 ℃），PFFS 中生成CP 顆粒；隨著溫度的進(jìn)一步升高，CP 的硬度逐漸增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)改變PFFS 配方以及剪切速度，可以控制CP 的粒徑分布[21]。如圖3 所示，在不同剪切速度以及配方條件下形成的CP 具有不同的粒徑，粒徑從0.1～5.0 mm 之間均可制備，不同粒徑的CP 都具有較高的圓球度。

圖3 相變支撐劑顆粒粒徑分布圖

影響相變流體相變時(shí)間的主要因素為相變流體中的相變調(diào)節(jié)劑含量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同相變調(diào)節(jié)劑加量、不同溫度條件下的相變時(shí)間，如圖4 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著相變調(diào)節(jié)劑加量及溫度的增加，相變時(shí)間變短。

圖4 不同相變調(diào)節(jié)劑、不同溫度條件下的相變時(shí)間圖

2.2 CP 力學(xué)性能

支撐劑的力學(xué)性能是進(jìn)行支撐劑優(yōu)選的一個(gè)重要指標(biāo)，通過(guò)CP 破碎率的測(cè)試，分析其力學(xué)性能。CP 具備一定的塑性，同時(shí)具備一定的脆性，由于其屬于一種全新的材料，暫時(shí)沒(méi)有針對(duì)性的力學(xué)性能測(cè)試、評(píng)價(jià)方法，因此采用現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中給出的方法進(jìn)行力學(xué)性能評(píng)價(jià)。圖5 展示了不同閉合壓力下常規(guī)支撐劑和CP 的破碎率，圖6 展示了相變支撐劑在不同應(yīng)力下的應(yīng)變，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，相變支撐劑在高壓力下既發(fā)生彈性變形，也發(fā)生脆性破壞，在60 MPa 下，相變支撐劑顆粒的破碎率為3%，應(yīng)變?yōu)?.215。圖7 所示的不同應(yīng)力下CP 破碎后的外觀形狀，證實(shí)了CP 在高應(yīng)力條件下不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的破碎體，具有良好的力學(xué)性能。

圖5 不同閉合壓力下常規(guī)支撐劑和CP 的破碎率圖

圖6 不同應(yīng)力下常規(guī)支撐劑和CP 的應(yīng)變圖

圖7 不同應(yīng)力下的CP 破碎后的外觀形狀照片

2.3 濾失量及巖心傷害

通過(guò)動(dòng)態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)、驅(qū)替實(shí)驗(yàn)測(cè)試了PFFS、NPF、PF 的濾失量及巖心傷害程度，并與常規(guī)壓裂液進(jìn)行了對(duì)比，測(cè)試巖心傷害程度時(shí)，依次注入濃度為2%的KCl 溶液、待測(cè)液體（分別為PFFS、NPF、PF 或常規(guī)壓裂液）、濃度為2%的KCl 溶液。濾失量及巖心傷害程度測(cè)試結(jié)果如圖8、9 所示：相比于常規(guī)壓裂液，PFFS、NPF、PF 具有更低的濾失量，PFFS 的濾失量介于NPF、PF 之間，較低的濾失量保證了較低的殘留液體傷害程度；PFFS 對(duì)巖心的傷害程度較低，最終滲透率能夠恢復(fù)到原始滲透率的90%左右，高于常規(guī)壓裂液傷害后的巖心滲透率恢復(fù)比。

2.4 支撐裂縫導(dǎo)流能力

由于CP 具有較高的圓球度，因此能夠提供較高的支撐裂縫導(dǎo)流能力。從圖10 可以看出，導(dǎo)流能力與CP 粒徑大小成正比；CP 支撐裂縫導(dǎo)流能力高于陶粒和石英砂。

圖8 濾失量測(cè)試結(jié)果圖

圖9 巖心傷害程度測(cè)試結(jié)果圖

圖10 不同粒徑CP 與不同類型常規(guī)支撐劑的支撐裂縫導(dǎo)流能力圖

圖11 展示了CP 在0.33 kg/m2、0.68 kg/m2、1.00 kg/m2和5.00 kg/m2鋪置濃度下形成的單層部分支撐、單層完全支撐、雙層支撐和多層支撐條件下的導(dǎo)流能力測(cè)試結(jié)果。在0.68～5.00 kg/m2范圍內(nèi)，隨著CP 濃度的增加，支撐裂縫的導(dǎo)流能力增加；在0.33 kg/m2條件下為單層部分支撐，不完全支撐提供了更多的流動(dòng)通道，導(dǎo)流能力高于其他濃度條件，但是，由于高閉合壓力下低鋪砂濃度的CP 支撐能力有限，單層部分支撐的裂縫導(dǎo)流能力快速降低。

圖11 不同CP 鋪置濃度下的支撐裂縫導(dǎo)流能力圖

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)6 年的室內(nèi)研究，材料性能滿足現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)要求，為檢驗(yàn)SPFT 的現(xiàn)場(chǎng)使用效果，在華北油田N1 井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。N1 井改造目的層深度為3 400 m，產(chǎn)層厚度為34 m，孔隙度約為16%，滲透率約為30 mD，溫度約120℃，原始孔隙壓力為33 MPa，目前已降至25 MPa；黏土礦物含量高，約10.19%，其中蒙脫石約占45%，具有一定的水敏性。

以“高效相變、有效支撐”為原則，設(shè)計(jì)相應(yīng)的施工工序及施工參數(shù)：地層壓力系數(shù)低、黏土礦物含量高，為降低儲(chǔ)層溫度、補(bǔ)充地層能量、測(cè)試地層吸液能力、防止黏土礦物水化膨脹、減輕儲(chǔ)層傷害，針對(duì)N1 井提出了依次注入防膨液、交聯(lián)壓裂液、PFFS、頂替液的自支撐相變壓裂施工工藝。

3.1 縫長(zhǎng)和導(dǎo)流能力優(yōu)化

利用MEYER 軟件的MProd 模塊對(duì)水力裂縫的尺寸和導(dǎo)流能力進(jìn)行了優(yōu)化。如圖12 所示，當(dāng)裂縫長(zhǎng)度介于70.00～80.00 m，導(dǎo)流能力介于300.00～350.00 mD·m 時(shí)累計(jì)產(chǎn)量最優(yōu)，在這種情況下，用于壓開裂縫的交聯(lián)壓裂液體積約為80 m3。

圖12 不同裂縫尺寸及導(dǎo)流能力條件下的累計(jì)產(chǎn)量圖

3.2 注液排量?jī)?yōu)化

PFFS 的界面分布決定了CP 的分布情況[22]，因此，要形成有效的支撐和高導(dǎo)流能力，關(guān)鍵是要形成良好的PFFS 界面分布模式。PFFS 界面分布問(wèn)題屬于液—液兩相流界面跟蹤研究領(lǐng)域，基于Navier-Stokes 方程和VOF 界面跟蹤方法，建立了PFFS 界面分布的數(shù)學(xué)模型[23-24]。模擬了不同注入速率下PFFS 的界面分布，根據(jù)不同注入速率下的界面分布情況，進(jìn)行排量?jī)?yōu)化。

圖13 不同注入速率下的PFFS 界面分布圖

根據(jù)模擬的最優(yōu)裂縫幾何尺寸，建立了相同尺寸的裂縫物理模型。如圖13 所示，模型的長(zhǎng)、寬分別為80 m、34 m，模型厚度為0.008 m，圖13 中紅色的非連續(xù)相表示密度較高的PF，藍(lán)色的連續(xù)相表示密度較低的NPF。計(jì)算結(jié)果表明：在重力作用下，PF 沉積在裂縫底部；隨著注入排量的增加，重力效應(yīng)逐漸減弱，PF 可以占據(jù)裂縫的大部分區(qū)域，形成有效支撐。因此，在井口裝置限壓允許的情況下，應(yīng)盡可能加大排量，以增強(qiáng)支撐效果。考慮到井口裝置的壓力限制和防止裂縫穿層，建議該井施工排量為2.0～3.0 m3/min。

3.3 注液及關(guān)井全過(guò)程溫度場(chǎng)

PFFS 中形成固相CP 的控制條件是縫內(nèi)溫度，且不同溫度下PFFS 具有不同的黏度值，其黏度直接關(guān)系到人工裂縫幾何尺寸，裂縫幾何尺寸又是計(jì)算裂縫溫度分布的必要條件，溫度、黏度、裂縫尺寸三者之間相互影響。因此，溫度是最基礎(chǔ)、最重要的控制因素。建立井筒溫度場(chǎng)、注液過(guò)程縫內(nèi)溫度場(chǎng)、關(guān)井過(guò)程溫度恢復(fù)溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型[25]，其中計(jì)算關(guān)井期間溫度恢復(fù)的目的在于研究分析CP 形成較高強(qiáng)度所需時(shí)間。

以N1 井為例，計(jì)算了2.0 m3/min 排量下不同時(shí)刻的井筒溫度場(chǎng)、裂縫溫度場(chǎng)。圖14-a 中從右到左的各條曲線為第1、6、11、…、70 min 的井筒溫度剖面；圖14-b 中從左上到右下的各條曲線為第1、6、11、…、70 min 的裂縫中心線上的溫度分布；圖14-c 中從左上到右下的各條曲線為停泵后裂縫溫度恢復(fù)過(guò)程中第1、10、20、…、240 min 的裂縫中心線上的溫度分布。

圖14 自支撐相變壓裂施工全程溫度場(chǎng)分布圖

在注液40 min（即80 m3壓裂液）時(shí)，井底溫度約為30 ℃，低于相變溫度，滿足井筒內(nèi)不發(fā)生相變的要求；PF 進(jìn)入裂縫后，由于縫內(nèi)溫度較高，發(fā)生相變形成CP；注液完成后，縫內(nèi)溫度進(jìn)一步恢復(fù)，促使CP 強(qiáng)度進(jìn)一步增加。

筆者提出的CP 密度較低，體積密度約為0.75 g/cm3，絕對(duì)密度約為1.05 g/cm3，一方面低密度保證了CP 容易被攜帶至裂縫遠(yuǎn)端，另一方面過(guò)早返排容易造成CP 回流。因此，為形成強(qiáng)度較高的CP 顆粒以及避免CP 回流，建議關(guān)井200 min，以待裂縫閉合壓實(shí)CP。

3.4 泵注程序

根據(jù)優(yōu)化得到的裂縫幾何尺寸、施工排量、PFFS 用量、前置液量，設(shè)計(jì)泵注程序如表1 所示。

表1 泵注程序表

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2019 年11 月13 日，SPFT 在華北油田N1 井開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的目的在于證實(shí)該技術(shù)的可行性，為保證較高的成功率，在進(jìn)行壓裂方案設(shè)計(jì)時(shí)，選擇了最簡(jiǎn)單、最傳統(tǒng)的前置液壓裂工藝。施工曲線如圖15 所示：在注入前置液時(shí)，排量約為4 m3/min，油壓約為40 MPa，可以看到在22.0 min 附近有明顯的壓力降落，顯示已壓開裂縫，隨后注入PFFS，排量1.8 m3/min，注PFFS 過(guò)程中可以看到明顯的油壓上升，這是因?yàn)镻FFS 摩阻較高，引起的注入壓力上升；隨后注入頂替液，完成自支撐相變壓裂技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

圖15 施工曲線圖

施工結(jié)束后，收集返排液，由于目前儲(chǔ)層壓力僅為25 MPa、壓力系數(shù)僅為0.76，返排困難，僅收集到少量返排液（圖16）。返排液為前置液的破膠液和NPF，不含PF，收集到的CP 僅見極少的顆粒，強(qiáng)度大，圓球度較高，進(jìn)行沖砂作業(yè)，也未沖出CP，表明PF 留在儲(chǔ)層裂縫中并形成強(qiáng)度大、圓球度高的CP。

圖16 返排液及返排液中的CP 顆粒照片

利用Frac PT 軟件對(duì)施工凈壓力進(jìn)行擬合，反演出裂縫幾何尺寸，凈壓力擬合結(jié)果如圖17 所示，裂縫幾何尺寸如圖18 所示。從擬合結(jié)果來(lái)看，擬合凈壓力與實(shí)測(cè)凈壓力吻合程度較高，得到的裂縫幾何尺寸與實(shí)際情況比較接近，反演得到的裂縫長(zhǎng)72.5 m，高34.0 m，與設(shè)計(jì)目標(biāo)相差不大，壓裂取得了良好效果。結(jié)合返排液成分分析，進(jìn)一步說(shuō)明形成的CP存在于裂縫中，并形成有效支撐。

圖17 凈壓力擬合結(jié)果圖

圖18 反演裂縫幾何尺寸圖

5 結(jié)論

1）提出了能夠解決砂堵、殘?jiān)鼈Α⒃O(shè)備磨損、裂縫遠(yuǎn)端難以有效支撐等問(wèn)題的自支撐相變壓裂技術(shù)，該技術(shù)適合于常規(guī)儲(chǔ)層的水力壓裂、非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂復(fù)雜縫網(wǎng)導(dǎo)流能力構(gòu)建，并據(jù)此材料的特殊性能可以開發(fā)出一系列新的增產(chǎn)改造技術(shù)。

2）在30 ℃下，相變壓裂液體系是一種無(wú)固相的液體，流動(dòng)性好，隨著溫度的升高，逐漸生成相變支撐劑顆粒；相變流體相變時(shí)間可調(diào)，能夠適合不同溫度的儲(chǔ)層；在不同配方、不同剪切速度條件下能夠形成粒徑在0.1～5.0 mm 之間的相變支撐劑；裂縫導(dǎo)流能力與粒徑大小成正比，導(dǎo)流能力優(yōu)于石英砂和陶粒；相變流體傷害后的巖心滲透率能夠恢復(fù)到原始滲透率的90%左右，傷害程度較低。

3）裂縫幾何尺寸優(yōu)化、注液排量設(shè)計(jì)、溫度場(chǎng)模擬計(jì)算等配套手段進(jìn)一步完善了自支撐相變壓裂技術(shù)體系，更加科學(xué)地指導(dǎo)相變壓裂現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

4）返排液為前置液的破膠液和NPF，不含PF，收集到的CP 僅見極少的顆粒，進(jìn)行沖砂作業(yè)，也未沖出CP，PF 留在裂縫中并形成強(qiáng)度大、圓球度較高的CP。