石油壓裂支撐劑作用機(jī)理及發(fā)展前景

鄒立萍 王建平

摘要：世界的飛速發(fā)展愈加體現(xiàn)石油資源的重要性，石油是珍貴的不可再生資源，是支撐工業(yè)化進(jìn)程、各國國民經(jīng)濟(jì)騰飛的必要條件。全球石油資源稀少尤其是在我國，因此，如何做到有效開采愈加重要。本文對石油壓裂支撐劑作用機(jī)理及發(fā)展前景進(jìn)行分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：壓裂支撐劑;作用機(jī)理;發(fā)展前景

引言

通過實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)改造一段時間低產(chǎn)油氣井壓裂后，會導(dǎo)致壓裂裂縫明顯失效，一定程度上不僅會影響到油氣井產(chǎn)量的明顯上升，而且也不利于企業(yè)今后的可持續(xù)發(fā)展道路。大多數(shù)低產(chǎn)油氣井企業(yè)為了促使單井產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)不斷提高，在儲層蓋改造過程中，可以借助重復(fù)壓裂技術(shù)。

1壓裂支撐劑的分類

按加工工藝及使用的原材料不同，支撐劑可以分為天然石英砂、覆膜砂和陶粒3類，盡管陶粒和覆膜砂的支撐性能明顯好于天然石英砂，但其成本較高，天然石英砂仍是水力壓裂作業(yè)中的最常用的支撐劑。第一層是陶粒，高強(qiáng)度、尺寸和形狀均勻、抗溫、導(dǎo)流能力高;第二層是覆膜砂，中等強(qiáng)度、尺寸和形狀不規(guī)則、導(dǎo)流能力中等;第三層是天然石英砂，低強(qiáng)度、尺寸和形狀不規(guī)則、導(dǎo)流能力低。除了覆膜砂和陶粒外，近幾年出現(xiàn)了許多被賦予特種功能的人工壓裂支撐劑，由于價(jià)格高，其應(yīng)用數(shù)量和規(guī)模有限，常常針對某一類特殊地層應(yīng)用，多在常規(guī)壓裂支撐劑中混入少量使用，或?qū)ｉT用于壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化的先導(dǎo)井。

2壓裂技術(shù)原理及存在問題

基于低產(chǎn)油氣井初次壓裂問題之后，不管是外界因素還是壓力因素等方面，都會導(dǎo)致地應(yīng)力狀態(tài)受到嚴(yán)重的破壞。在企業(yè)反復(fù)進(jìn)行壓裂操作工序中，第一次的裂縫周邊會有不同程度的誘導(dǎo)應(yīng)力場，結(jié)合之前的應(yīng)力場影響，會在該區(qū)域范圍內(nèi)構(gòu)成協(xié)同應(yīng)力場。基于應(yīng)力場當(dāng)中，不管是井筒還是第一次裂縫的周邊范圍，都回形成再次的定向，伴隨著地層壓力的不斷減小，應(yīng)力方向也會出現(xiàn)相應(yīng)的變化，相比較于較小的水平主應(yīng)力，有著較大水平的主應(yīng)力下降的幅度明顯較大。與此同時，在地應(yīng)力出現(xiàn)改變之后，當(dāng)初期最小水平主應(yīng)力不斷增大的基礎(chǔ)上，就會導(dǎo)致壓裂裂縫的方向出現(xiàn)改變。

3支撐劑的作用機(jī)理

撐劑的嵌入機(jī)理，當(dāng)填砂裂縫閉合壓力增大時，支撐劑可能會嵌入地層改變裂縫縫寬，使寬度變小，裂縫導(dǎo)流能力下降嚴(yán)重。此外支撐劑濃度增大也會加劇嵌入對導(dǎo)流能力的傷害程度。閉合壓力和濃度值較小時，傷害表現(xiàn)并不明顯，但增大到一定值時危害就會體現(xiàn)出來。因此在油井進(jìn)行水力壓裂前需要研究支撐劑嵌入機(jī)理，考慮其嵌入比例、彈性形變量對裂縫寬度的影響，在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對比分析支撐劑濃度、彈性模量等因素對裂縫寬度和導(dǎo)流能力的影響規(guī)律，用物模數(shù)據(jù)證明結(jié)論，避免嵌入情況發(fā)生。

4壓裂支撐劑新進(jìn)展

4.1智能膨脹支撐劑

智能膨脹支撐劑是由熱固性形狀記憶聚合物材料制成，其形狀記憶效應(yīng)可通過溫度等被激活產(chǎn)生膨脹，輕微釋放其存儲應(yīng)力，開啟地層中的一些微小裂縫，而不至于壓碎巖石，起到保持或進(jìn)一步增加縫寬和導(dǎo)流能力的作用。同時，支撐劑的膨脹性能在縫內(nèi)激活后會產(chǎn)生人工屏障，防止支撐劑回流井筒。整個注入過程簡單，無需單獨(dú)壓裂泵注設(shè)備，可隨常規(guī)支撐劑一起按照設(shè)計(jì)泵序分批注入。路易斯安納州立大學(xué)開展了智能膨脹式支撐劑室內(nèi)研究，物理模擬和數(shù)值模擬結(jié)果表明，智能膨脹式支撐劑自身強(qiáng)度及激活膨脹后的應(yīng)力釋放對裂縫導(dǎo)流能力的影響最為顯著。

4.2電磁支撐劑是在低密度支撐

劑表面增加導(dǎo)電涂層，使其具有超導(dǎo)特性，用于壓裂裂縫監(jiān)測，克服微地震裂縫監(jiān)測技術(shù)無法分辨裂縫是否是被支撐劑充填的缺陷。美國卡博公司與康菲石油公司合作研發(fā)了基于電磁支撐劑的裂縫監(jiān)測技術(shù)，并在現(xiàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)。壓裂車將涂有導(dǎo)電涂層的可探測支撐劑泵入地層，下入井下電場發(fā)生裝置產(chǎn)生特定頻率的電場。此時具有特殊超導(dǎo)特性的支撐劑產(chǎn)生攜帶了位置信息的二次感生電磁場，該二次感生信號可以被布置在地面的接收器接收，隨后應(yīng)用反演算法將電磁場反推對支撐劑的分布進(jìn)行精確成像，得到支撐劑的具體方位。采用低密度導(dǎo)電涂層20/40目支撐劑在美國二疊盆地一口水平井中進(jìn)行了成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了支撐劑的可視化功能，提高了壓裂效果評估的準(zhǔn)確性。

4.3支撐劑的發(fā)展前景

支撐劑的發(fā)展前景，水力壓裂可以在低滲透、物性差的油藏內(nèi)進(jìn)行壓裂，本已不具備開采價(jià)值的油氣田會再次擁有產(chǎn)能，而支撐劑的性能對壓裂效果起到關(guān)鍵作用。另外，世界上頁巖油開采技術(shù)的突破也給支撐劑的發(fā)展帶來契機(jī)。為趕上壓裂技術(shù)的發(fā)展，支撐劑也應(yīng)當(dāng)在以下幾方面進(jìn)行研究：（1）適應(yīng)水平井壓裂技術(shù)需要，支撐劑的水平運(yùn)移速度實(shí)際情況下會受到裂縫壁面、寬度以及支撐劑濃度的影響，當(dāng)支撐劑粒徑與縫寬的比值較大時，支撐劑濃度發(fā)生變化，或者裂縫壁面潤濕性發(fā)生變化時，支撐劑的運(yùn)移鋪置都會受到影響，無法跟上前置液的速度，導(dǎo)致壓裂效果變差。目前市場上支撐劑的性能已經(jīng)不能達(dá)到這些要求，隨著水平井壓裂技術(shù)的日趨成熟，研發(fā)出性能更優(yōu)、增產(chǎn)效果更好的支撐劑迫在眉睫;（2）降低支撐劑密度，由于低密度支撐劑所受重力小、體積大、浮力大，在縫高的方向沉降速度緩慢，支撐效果明顯，這樣能夠得到的有效裂縫支撐面積也就越大，因此如何在保持優(yōu)質(zhì)性能的條件下研制出低密度的支撐劑也是未來的一個研究方向;（3）要經(jīng)濟(jì)環(huán)保，隨著工業(yè)不斷發(fā)展，工廠生產(chǎn)同時也排出許多固體廢棄物，造成環(huán)境上困擾，可用這些廢棄物來制造支撐劑，節(jié)省成本保護(hù)環(huán)境又緊貼時代可持續(xù)發(fā)展的綠色思想。

結(jié)束語

簡而言之，通過實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)代化發(fā)展背景下，低產(chǎn)油氣井企業(yè)為了能夠促使單井的產(chǎn)量不斷提高，在改造重復(fù)壓裂技術(shù)過程中，最合理的方式及時強(qiáng)制性裂縫轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)。具有較強(qiáng)成功率以及較強(qiáng)適用性的壓裂技術(shù)，不僅保證壓裂操作穩(wěn)定進(jìn)行，而且也是企業(yè)提高產(chǎn)量的重要保證。在此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用過程中，為了得到高質(zhì)量的裂縫轉(zhuǎn)向壓裂效果，在應(yīng)用強(qiáng)制性裂縫轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技過程中，相關(guān)工作人員就必須把控好轉(zhuǎn)向劑的加入速度，確保此項(xiàng)技術(shù)的價(jià)值能夠真正發(fā)揮。

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