煤儲層壓裂輕質陶粒支撐劑粒級配比優化

常曉亮，呂閏生，王 鵬，李 冰，高 琳

(1.永煤煤電(集團)股份有限公司，河南 永城 476600；2.河南理工大學 資源環境學院，河南 焦作 454003；3.河南工程學院 資源與環境學院，河南 鄭州 451191)

煤層氣作為一種重要的非常規天然氣，其高效開發不僅可以緩解中國油氣供給難題，而且可以有效減少煤礦井下瓦斯事故，具有重要的社會意義和經濟意義[1-2]。水力壓裂技術已廣泛應用于煤儲層改造中，壓裂液攜支撐劑一同進入地層充填在煤層裂縫中，對裂縫因應力釋放而閉合起到有效支撐作用，通過對煤儲層壓裂改造，以獲得足夠長度的高導流能力裂縫。因此，支撐劑在煤層裂縫中的鋪置范圍和輸送距離是判斷水力壓裂效果的重要指標[3-4]。支撐劑分為高密度支撐劑和低密度支撐劑，低密度支撐劑從原料制備技術方法可分為低密度陶粒支撐劑和低密度其他類型支撐劑，低密度支撐劑具有沉降速度小、充填效果好、有利于在裂縫中鋪置的特點而被廣泛應用[5-8]。許多學者對常規油氣儲層進行了支撐劑類型、粒徑、鋪砂濃度等參數對裂縫導流能力的影響進行研究，而在煤儲層支撐劑參數對裂縫導流能力和鋪置范圍方面研究相對較少[9-17]。為此，筆者選取潞安礦區煤層氣井，使用新型覆膜輕質陶粒支撐劑，通過模擬不同粒徑下其導流能力和鋪置范圍，以期獲取壓裂支撐劑最優粒級配比，為煤儲層輕質陶粒壓裂設計與導流評價奠定基礎。

1 覆膜輕質陶粒性質

本次實驗選用粒徑為40～60(0.25～0.38 mm)、16～40(0.38～1.00 mm)、12～20目(0.83～1.40 mm)3種規格新型覆膜輕質陶粒，密度小于1.15 g/cm3(40～60目規格陶粒體密度1.18 g/cm3)，在22 MPa壓力下，3種規格的陶粒破碎率不超過10%、15%和21%。普通輕質陶粒和覆膜輕質陶粒物理參數測試結果見表1。為了便于表述，下文中粒徑均用目表示。

表1 不同規格輕質陶粒物理化學性質Table 1 Test results of different partical size of coated light ceramsite

由表1可知，覆膜輕質陶粒的酸溶解度、導流能力均高于普通輕質陶粒，而其圓度、球度、濁度、密度則低于普通輕質陶粒。依據壓裂中支撐劑鋪置范圍和抗壓強度關鍵指標，覆膜輕質陶粒整體性能優于普通輕質陶粒。

2 壓裂裂縫內支撐劑沉降及運移規律

2.1 牛頓流體單顆粒自由沉降速度

單個支撐劑顆粒在靜態、無邊界的牛頓流體中沉降時，會受到自身重力、浮力和阻力作用，支撐劑會一直加速沉降直到受力平衡。當達到動態平衡時，支撐劑會勻速下沉，其自由沉降速度可用下式[18]表示。

式中：vp為單顆粒自由沉降速度，cm/s；g為重力加速度，取值9.8 m/s2；ρs為顆粒密度，g/cm3；ρ為地層流體密度，g/cm3；dp為支撐劑顆粒直徑，cm；Cd為阻力系數。

由于Cd求解困難，Nowotny根據雷諾數提出了3種雷諾數下的自由沉降速度計算公式[18]：

式中：μ為地層流體黏度，Pa·s；Re為雷諾數。

2.2 支撐劑運移模擬

基于牛頓液體單顆粒自由沉降速度理論，以潞安礦區華高63號煤層氣井為例，采用數值模擬軟件模擬了陶粒支撐劑在壓裂過程中的運移狀態，模擬過程中基本參數見表2。

由圖1可知，覆膜輕質陶粒支撐劑的導流能力較強，其造縫能力也較強，覆膜輕質陶粒最終會分布于裂縫高度剖面上，形成砂堤、懸砂區和純液區。砂堤最遠可鋪至120 m，懸砂區最遠可推送至160 m，活性水可達200 m。潞安礦區目前使用的石英砂支撐劑在裂縫高度剖面上的分布如圖2所示，砂堤可運移至60 m，懸砂區可運移至80 m。對比圖1、圖2，覆膜輕質陶粒支撐劑砂堤和鋪砂區范圍遠遠大于石英砂的造縫能力，鋪砂范圍是石英砂的2倍左右。由微地震方法監測獲得研究區華高149井石英砂壓裂后的裂縫半長為89.1 m，與本次模擬結果相近。

圖1 覆膜輕質陶粒支撐劑在縫高上分布剖面Fig.1 Concentration profile of coated ceramsite proppant at crack heights

圖2 石英砂支撐劑在縫高上分布剖面Fig.2 Concentration profile of quartz sand at crack heights

3 覆膜輕質陶粒粒級配比優化

作為煤層氣井壓裂支撐劑，覆膜輕質陶粒相比傳統石英砂具有較大的優勢，為最大限度提高壓裂增透效果，對不同粒級覆膜輕質陶粒進行壓裂模擬預測。

3.1 覆膜輕質陶粒導流能力壓裂模擬

不同粒徑覆膜輕質陶粒支撐劑按表2基本參數進行導流能力實驗，結果如圖3、圖4所示。導流能力是指裂縫傳導(輸送)儲層流體的能力，并以裂縫支撐劑層的滲透率(Kf)與裂縫支撐縫寬(Wf)的乘積(KW)f來表示。實驗結果顯示，無論何種粒徑輕質覆膜陶粒支撐劑，隨著閉合壓力的增大其裂縫導流能力均降低。大粒徑陶粒受閉合壓力影響較大，隨著閉合壓力增大，其導流能力下降較快，說明大粒徑陶粒得不到有效支撐。閉合壓力相同，小粒徑陶粒被壓裂液攜帶距離遠，支撐裂縫強度弱，導流能力低；大粒徑被壓裂液攜帶距離近，支撐裂縫強度強，導流能力高。

圖3 16～40目覆膜輕質陶粒支撐劑導流能力Fig.3 Conductivity of 16-40 mesh lightweight ceramsite

圖4 40～60目覆膜輕質陶粒支撐劑導流能力Fig.4 Conductivity of 16-40 mesh lightweight ceramsite

3.2 不同粒徑覆膜輕質陶粒壓裂模擬

以華高63號煤層氣井為例，采用FracproPT軟件對目標儲層進行壓裂預測，壓裂過程使用的支撐劑為40～60目、16～40目和12～20目的3種不同粒徑的覆膜輕質陶粒，3種粒徑的陶粒支撐劑鋪置面密度及壓裂裂縫導流能力預測結果如圖5所示。

圖5 不同粒徑覆膜輕質陶粒裂縫導流能力Fig.5 Fracture conductivity of different particle size covered lightweight ceramsite

不同粒徑覆膜輕質陶粒模擬結果見表3，由表中可知，40～60目的陶粒粒徑最小，其壓裂裂縫長度、支撐縫長和平均支撐劑密度最大，而導流能力則最低；12～20目的陶粒粒徑最大，壓裂裂縫長度、支撐縫長和平均支撐劑密度最小，而導流能力最高；16～40目陶粒介于其他兩類之間。

表3 不同粒徑覆膜輕質陶粒壓裂效果對比Table 3 Comparison table of fracturing effects with three grain sizes covered lightweight ceramsite

形成上述現象的原因：小粒徑陶粒由于其粒徑小，被壓裂液攜帶的距離最遠，支撐裂縫的強度最弱，導流能力最低；大粒徑陶粒由于粒徑較大，被壓裂液攜帶的距離最近，支撐裂縫強度最強，導流能力最高。對比不同粒徑覆膜輕質陶粒，12～20目覆膜輕質陶粒模擬結果最優，無因次導流能力為1.447。

3.3 不同粒級配比壓裂模擬

分別模擬ω(40～60目)、ω(16～40目)和ω(12～20目)3種粒級陶覆膜輕質粒配比分別為1∶1∶1、1∶6∶2和3∶1∶2的壓裂效果，壓裂模擬預測結果如圖6、圖7所示。

圖6 不同粒徑覆膜輕質陶粒(ω(40～60目)∶ω(16～40目)∶ω(12～20目))配比模擬壓裂時的裂縫導流能力Fig.6 Fracture conductivity of different particle sizes covered lightweight ceramsite configuation

圖7 不同粒徑覆膜輕質陶粒(ω(40～60目)∶ω(16～40目)∶ω(12～20目))配比模擬壓裂時的裂縫支撐劑面密度Fig.7 Fracture proppant concentration for different particle size covered lightweight ceramsite configuation

表4 不同粒級配比壓裂效果對比Table 4 Comparison table of fracturing effects with three sizes ceramsite configuation

由表4可知，粒級配比為1∶6∶2的壓裂效果最好，其壓裂裂縫平均支撐劑面密度最大為5.16 kg/m2，裂縫無因次導流能力最高為1.263，但總裂縫縫長與支撐裂縫縫長最小，分別這320.0 m和287.6 m；粒徑配比為3∶1∶2的壓裂效果最差，由于最小陶粒粒徑所占比例最高，壓裂裂縫長度、支撐縫長最大分別為326.7 m和295.2 m，支撐劑濃度為4.74 kg/m2，導流能力最小為1.049；粒徑配比為1∶1∶1的壓裂效果二者之間。不同配比形成的壓裂差異原因為，粒徑配比為3∶1∶2的陶粒由于其小粒徑陶粒所占比例大，雖然被壓裂液攜帶的距離最遠，但支撐裂縫的強度最弱，導流能力最低；而粒徑配比為1∶6∶2的陶粒由于中等粒度陶粒所占比例大，被壓裂液攜帶的距離較遠，能夠有效填充裂縫，裂縫中支撐劑面密度最高，同時支撐裂縫強度較強，導流能力最高。綜合對比3種粒級配比壓裂模擬效果，粒級配比ω(40～60目)∶ω(16～40目)∶ω(12～20目)為1∶6∶2時，華高63井壓裂模擬效果最優。

4 結論

a.新型覆膜輕質陶粒整體性能優于傳統輕質陶粒，不同粒徑覆膜輕質陶粒支撐劑的裂縫導流能力均隨著閉合壓力的增大而降低；相同粒徑覆膜輕質陶粒在裂縫中形成的砂堤和鋪砂區長度是傳統石英砂的2倍左右。

b.40～60目、16～40目、12～20目3種粒級覆膜輕質陶粒中，12～20目壓裂裂縫長度、支撐縫長和平均支撐劑面密度最小，而導流能力最高；40～60目導流能力最小，16～40目介于二者之間。

c.選取潞安礦區華高63井為壓裂模擬對象，當ω(40～60目)∶ω(16～40目)∶ω(12～20目)覆膜輕質陶粒粒級配比為1∶6∶2時，壓裂效果最好，此時，裂縫縫長320 m，平均裂縫寬度0.672 cm，平均支撐劑面密度為5.16 kg/m2，無因次裂縫導流能力為1.263；當質量配比為3∶1∶2時壓裂隙效果最差，無因次裂縫導流能力為1.049；質量配比為1∶1∶1時裂縫導流能力介于二者之間，為1.113。