新型超低密度支撐劑實驗評價與可行性研究

彭 歡，馬輝運，彭鈞亮，秦 毅，高新平，周玉超

1中國石油西南油氣田公司工程技術研究院2頁巖氣開采與評價四川省重點實驗室

1 研究背景

1.1 深層頁巖氣勘探開發客觀需要

目前頁巖氣重點建產的川南地區一半以上資源量埋深超過3 500 m［1］。隨著儲層深度增加，滑溜水沿程摩阻增大，井口施工壓力增加，施工排量受限，影響支撐劑在裂縫中的運移。對滑溜水和支撐劑開展深入研究，提高滑溜水的攜砂性能，降低體積壓裂施工難度，以便滿足頁巖氣體積壓裂改造需要，使復雜縫網中的裂縫得到有效支撐，提高復雜縫網改造效果。

1.2 滑溜水攜砂性能差

體積壓裂作為頁巖氣效益開發的必要措施之一，發揮著越來越重要的作用。與常規氣藏壓裂不同，頁巖氣體積壓裂通常采用滑溜水作為施工液體［2］，由于滑溜水黏度低、攜砂性能差，導致支撐劑沉降速度快，難以輸送至裂縫深部或復雜縫網各處，容易沉降在近井地帶裂縫底部，形成砂堤，施工結束后裂縫上部重新閉合，最終使得支撐劑分布不均勻，如圖1所示，影響增產改造效果。

圖1 水力裂縫中支撐劑沉降情況示意圖

1.3 常規低密度/超低密度支撐劑存在的不足

一般認為，體積密度對支撐劑類型的分類可以分為四種［3-4］，如表1所示。

表1 體積密度對支撐劑類型的分類

國內外主要采用空心結構或者包裹可水化的高分子材料［5-6］對支撐劑改性，從而提高滑溜水的攜砂能力。采用空心結構降低支撐劑密度，支撐劑在裂縫中的沉降會明顯變慢，但空心結構會使支撐劑抗壓能力降低，裂縫閉合后支撐劑容易變形、破碎，從而導致導流能力降低；采用包裹可水化的高分子聚合物，遇水快速溶脹，增大支撐劑所占體積，從而降低支撐劑整體密度，但裂縫中支撐劑充填層內高分子聚合物若降解不徹底，不僅影響支撐裂縫導流能力，還會對儲層造成傷害。

因此，頁巖氣開發過程中應加強頁巖氣壓裂改造理論、材料、裝備、工藝等方向的攻關與突破，豐富我國頁巖氣開發的增產改造核心技術，進一步完善3 500 m以淺海相頁巖氣勘探開發技術，同時為3 500 m以深頁巖氣壓裂改造提供新的思路和方法，確保頁巖氣開發有序進行。

2 新型超低密度支撐劑技術原理

針對壓裂支撐劑的研究現狀及發展趨勢，探索出了以聚合物為基體，復合無機粒子制備超低密度高強度支撐劑的新思路。

通過懸浮聚合一步法合成了聚苯乙烯/炭黑復合微球作為石油壓裂用低密度支撐劑［7］，研究結果表明：制備的支撐劑圓球度高，形貌規整，改性炭黑粒子在基體中分散均勻，加入改性炭黑粒子后，可以減小支撐劑樣品的密度，并且改性炭黑的加入可以顯著改善支撐劑的力學性能和熱學性能，可以提高支撐劑的耐熱穩定性，在最佳工藝條件下制備的支撐劑樣品熱失重速率明顯下降，玻璃化轉變溫度上升，破碎率明顯下降。

3 新型超低密度支撐劑性能評價

3.1 支撐劑性能實驗評價

根據SY/T 5108—2014《水力壓裂和礫石充填作業用支撐劑性能測試方法》對40/70目新型超低密度支撐劑的密度、圓球度、濁度、酸溶解度、抗破碎率等基本性能進行評價［8］，并與目前頁巖氣壓裂常用40/70目陶粒支撐劑技術參數進行對比，如表2所示。結果表明，40/70目新型超低密度支撐劑各項技術參數均滿足相關行業標準要求，并且與目前頁巖氣壓裂常用40/70目陶粒支撐劑相比，由于新型超低密度支撐劑獨特的技術原理，在密度、酸溶解度、破碎率等方面具有明顯優勢。

表2 支撐劑性能實驗評價及對比

3.2 導流能力實驗評價

根據SY/T 6302—2009《壓裂支撐劑充填層短期導流能力評價推薦方法》，使用依據API標準研制的支撐裂縫導流儀，選用40/70目新型超低密度支撐劑和40/70目陶粒支撐劑進行不同閉合壓力下導流能力的實驗［9］。實驗中支撐劑鋪置濃度設定為10.0 kg/m2，閉合壓力依次設為6.9 MPa、13.8 MPa、27.6 MPa、41.6 MPa、55.2 MPa、69 MPa，實驗流體介質選用蒸餾水，支撐劑導流能力實驗評價結果及對比如圖2所示。由圖2可知，隨著閉合壓力增加，導流能力逐漸降低。總體來看，40/70目新型超低密度支撐劑在不同閉合壓力下的導流能力均略高于陶粒支撐劑的導流能力，具有較好的導流能力。

圖2 支撐劑導流能力實驗評價及對比

3.3 靜態沉降實驗評價

通過評價支撐劑在滑溜水中的靜態沉降速率，可以評價體積壓裂施工停泵后，支撐劑在裂縫中的沉降情況。將加入一定量的支撐劑放入裝有滑溜水的量筒中，記錄支撐劑完全沉降所用時間，支撐劑在壓裂液中的靜態沉降速率＝沉降距離/沉降時間。40/70目新型超低密度支撐劑與目前頁巖氣壓裂常用40/70目陶粒支撐劑的靜態沉降速率見表3。

表3 支撐劑靜態沉降實驗評價及對比

從表3可以看出，由于新型超低密度支撐劑密度和滑溜水密度較為接近，其在滑溜水中的沉降速率極其緩慢，超低密度支撐劑的沉降速率大約為陶粒支撐劑的1/20，壓裂施工結束后水力裂縫閉合時，有利于提高對其在縱向上的有效支撐。

3.4 縫內流動實驗評價

利用支撐劑縫內流動可視化裝置，模擬體積壓裂中一段人工裂縫，使用動力輸送系統將滑溜水和支撐劑以一定速度注入可視裂縫系統，通過可視裂縫系統的透明有機玻璃即可清晰觀察支撐劑在裂縫中的流動狀態以及運移和鋪置狀況［10］。40/70目新型超低密度支撐劑和常用陶粒支撐劑在縫內流動的實驗結果如表4所示。從表4可以看出，40/70目新型超低密度支撐劑通過射孔孔眼進入裂縫后，其沉降速率較低，基本保持水平向前運移，砂堤高度低，在較小的實驗排量下，超低密度支撐劑也能順利進入裂縫中，而目前頁巖氣壓裂常用40/70目陶粒支撐劑通過射孔孔眼后，由于其沉降速率較快，沉降在射孔孔眼附近，形成較高的砂堤，后續支撐劑通過對砂堤進行沖刷、翻滾而逐漸向前推進，大量支撐劑鋪置在近井地帶附近，并且當實驗排量較小時，支撐劑不能通過水平管線進入裂縫中。總體來看，由于新型超低密度支撐劑優異的懸浮性能，壓裂施工過程中能有效地向裂縫深處運移，有利于提高水力裂縫在水平方向上的有效支撐。

表4 支撐劑縫內流動實驗評價及對比

4 效果模擬

為了深入研究新型超低密度支撐劑在形成較長支撐裂縫方面的特點，應用三維壓裂軟件對40/70目新型超低密度支撐劑和40/70目陶粒支撐劑的應用效果進行對比，比較不同支撐劑壓裂后形成的裂縫形態及參數［11-12］。

4.1 氣井基本資料

Y202井是位于四川盆地九奎山構造南翼鞍部的一口評價井，以評價該區域志留系龍馬溪組～五峰組頁巖分布及含氣性。該井完鉆井深3 655 m，完鉆層位奧陶系寶塔組，采用?139.7 mm套管完井，完井方式為射孔完井。儲層物性參數如表5所示。

表5 Y202井儲層物性參數

4.2 壓裂施工裂縫參數預測

選用新型超低密度支撐劑和陶粒支撐劑對Y202井進行壓裂模擬分析。通過FracproPT軟件模擬預測，在滑溜水用量及泵注程序相同條件下，不同支撐劑條件下裂縫的擴展形態較為接近，并且具有相似的裂縫縫長、縫高，但由于支撐劑鋪置結果不同，導致最終裂縫閉合后的縫寬和有效支撐縫長是不同的。采用新型超低密度支撐劑時，超低密度支撐劑在滑溜水中沉降速度慢，容易運移至裂縫深部，最終形成的有效支撐裂縫窄且長，形成的有效支撐半縫長為335 m，有效支撐裂縫寬度為1.2 mm；采用陶粒支撐劑時，由于陶粒支撐劑在滑溜水中沉降速度快，堆積在近井地帶，最終形成的有效支撐裂縫寬而短，形成的有效支撐半縫長為146 m，有效支撐裂縫寬度為5 mm。新型超低密度支撐劑有效支撐裂縫長度為陶粒支撐劑的2.29倍，有利于增加有效的改造體積，從而獲得較好的改造效果。

5 結論

（1）針對深層頁巖氣的滑溜水沿程摩阻增大，施工排量受限，影響支撐劑在裂縫中的運移，結合常規低/超低密度壓裂支撐劑的研究現狀及發展趨勢，調研出了以聚合物為基體，采用懸浮聚合一步法合成了聚苯乙烯/炭黑復合微球，得到復合無機粒子作為超低密度高強度支撐劑的新思路。

（2）通過室內評價實驗，新型超低密度支撐劑與目前常用陶粒支撐劑相比，在密度、酸溶解度、破碎率等方面具有明顯優勢，其中在不同閉合壓力下的導流能力均略高于陶粒支撐劑，靜態沉降速率大約為陶粒支撐劑的1/20，縫內流動實驗表明新型超低密度支撐劑有利于擴大水力裂縫在水平方向上的有效支撐區域。

（3）利用FracproPT壓裂軟件進行模擬分析，新型超低密度支撐劑形成的有效支撐裂縫窄且長，陶粒支撐劑形成的有效支撐裂縫寬而短，新型超低密度支撐劑有效支撐裂縫長度為陶粒支撐劑的2.29倍。

（4）通過室內評價與可行性分析，新型超低密度支撐劑具備現場應用的條件，可在深層頁巖氣井開展現場試驗，進一步論證現場應用效果，同時深化對新型超低密支撐劑的研究與認識。