水力壓裂過程中陶粒支撐劑運移規律及粒級配比優化

張 苗，鄒明俊，呂樂樂，石勇麗，李林記

（1.河南省煤炭地質勘察研究總院，河南 鄭州 450052；2.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045；3.河南省資源環境調查二院，河南 洛陽 471023）

水力壓裂是煤層氣開發常用增產技術。這一技術能將支撐劑輸送到更遠區域，鋪設更大范圍，擴大了有效井眼半徑和煤層氣解吸滲流面積，強化了有效裂隙的支撐。壓力閉合后，儲層中能產生更寬、更有效的裂縫作為流體的運移通道，進而高效開采煤層氣資源[1-3]。在美國，除粉河盆地和圣胡安盆地使用洞穴完井技術外，黑勇士、皮申斯、尤因塔、拉頓、中阿巴拉契亞、北阿巴拉契亞等盆地均使用水力壓裂增產技術，14 000 余口煤層氣井的統計結果表明，90%以上是經水力壓裂改造獲得商業化開采的[4]。我國的沁水盆地、鄂爾多斯盆地等煤層氣開采熱點地區也大都采用水力壓裂技術來達到煤層氣增產效果[5-8]。水力壓裂使用的支撐劑一般是石英砂，普遍具有球度差、表面光潔度低、密度大、抗壓強度低等缺點。支撐劑密度越大，攜砂液的攜砂難度則越高，鋪設面積越小，綜合成本也越大。石英砂作為支撐劑受嵌入堵塞、運移距離及鋪設面積等多因素的影響，壓裂后裂縫的導流能力增幅效果或不甚明顯[9]。輕質陶粒克服了石英砂的缺點，具有密度小、球度高、表面光潔度好，易攜帶、鋪砂均勻及導流能力好等優點[10-14]。低滲儲層區選擇輕質陶粒作為支撐劑，能產生較好的裂縫支撐效果，進而提升導流及產氣能力。基于此，采用陶粒作為支撐劑，收集國內典型煤層氣區塊的壓裂數據，模擬陶粒在壓裂激化過程中的沉降及運移規律，并進行陶粒粒級配比優選，為后期煤層氣的壓裂施工提供理論指導。

1 支撐劑沉降理論

受重力、浮力和阻力的影響，支撐劑顆粒在靜態無邊界的牛頓流體中沉降時會持續加速沉降，當三者達到平衡后勻速下沉。這一自由沉降速度可表示為：

式中：μ 為地層流體黏度，Pa·s。

式（2）為壓裂過程中支撐劑運移的理論模型。基于理論模型，將結合數值模擬軟件對支撐劑的運移及粒徑配比進行模擬。

2 地質背景

沁水盆地高河區地層走向SN-NNE，東高西低，發育有SN 和NNE 向的2 組寬緩褶曲。區內煤層氣井QS01 井的壓裂層位為山西組3 號煤層，壓裂井段527.80～534.80 m，厚7.00 m，最大井斜1.6°，煤層井徑擴大率為90%。QS01 井套管數據見表1。3 號煤層及其頂底板儲層物性參數見表2。

表1 QS01 井套管數據Table 1 Casing data for well QS01

表2 3 號煤層及其頂底板儲層物性參數Table 2 Reservoir parameters for 3# coal seam,roof and floor

3 討 論

3.1 支撐劑運移模擬

基于牛頓流體單顆粒自由沉降理論，采用FracproPT 壓裂設計軟件模擬了陶粒和常規石英砂支撐劑在壓裂后的運移狀態。陶粒壓裂效果模擬時設定陶粒密度1.12 kg/m3，球度0.89。支撐劑運移后會形成砂堤、懸砂區和純液區。陶粒產生的砂堤最遠可至120 m，而懸砂區可推送至180 m。石英砂壓裂效果模擬時設定密度1.63 kg/m3，球度0.65。石英砂產生的砂堤可運移至60 m，而懸砂區可達80 m。陶粒支撐劑在縫高上的質量分數分布剖面如圖1。石英砂支撐劑在縫高上的質量分數分布剖面如圖2。對比圖1 和圖2，石英砂壓裂產生的砂堤和懸砂區范圍明顯小于陶粒支撐劑，故其造縫能力弱于陶粒。基于此，將采用陶粒作為支撐劑進行壓裂模擬。

圖1 陶粒支撐劑在縫高上的質量分數分布剖面Fig.1 Concentration profile in width direction by using ceramsite

圖2 石英砂支撐劑在縫高上的質量分數分布剖面Fig.2 Concentration profile in width direction by using quartz sand

3.2 陶粒性能研究

選取380～1 000 μm 和250～380 μm 2 種陶粒來研究陶粒的支撐效果。對2 種粒徑陶粒的導流能力進行物理實驗，380～1 000 μm 及250～380 μm 輕質陶粒支撐劑導流能力與閉合壓力關系如圖3。結果表明：在閉合壓力相同時，大粒徑陶粒的導流能力遠高于小粒徑陶粒，且隨閉合壓力的增加，2 種粒徑陶粒的導流能力均降低。小粒徑陶粒由于粒徑小，被壓裂液攜帶距離遠，支撐裂縫的強度偏弱，導流能力低；大粒徑陶粒由于粒徑較大，被壓裂液攜帶距離近，支撐裂縫能力高，導流能力強。隨著閉合壓力的增加，380～1 000 μm 陶粒的導流能力下降速度變慢，表明大粒徑陶粒在高閉合壓力下仍能得到有效的支撐。

圖3 380～1 000 μm 及250～380 μm輕質陶粒支撐劑導流能力與閉合壓力關系Fig.3 Relationships between conductivity and closure pressure for ceramsites of 380～1 000 μm and 250～380 μm

3.3 粒徑配比優化

采用FracproPT 壓裂軟件模擬QS01 井在不同粒徑陶粒配比下的壓裂效果，壓裂過程設計了250～380 μm，380～1 000 μm 和830～1 400 μm 3 種粒徑的陶粒。基于研究區支撐劑的粒徑配比經驗，模擬設計的250～380 μm、380～1 000 μm 和830～1 400 μm 3 種陶粒的配比為1∶6∶2，1∶1∶1 和3∶1∶2。

粒徑配比為1∶1∶1 時的壓裂效果模擬如圖4，因其他2 種配比模擬得到的壓裂效果相近，故未給出。3 種粒徑配比下的壓裂效果對比見表3。

表3 3 種粒徑配比下的壓裂效果對比Table 3 Fracture performance comparison for three granularity matching

圖4 粒徑配比為1∶1∶1 的壓裂效果模擬Fig.4 Fracture performance simulation under granularity matching of 1∶1∶1

根據模擬結果，粒徑配比為1∶6∶2 時，平均支撐劑濃度最大，導流能力最強，裂縫縫長與支撐縫長最小；粒徑配比為3∶1∶2 時，裂縫縫長與支撐縫長最大，導流能力最低；粒徑配比為1∶1∶1 時的壓裂效果基本介于其它2 種配比的效果之間。因為粒徑配比為3∶1∶2 時，小粒徑陶粒所占比例較大，支撐劑被壓裂液攜帶距離最遠，支撐裂縫的強度最弱，導流能力最低；粒徑配比為1∶6∶2 時，中等粒度陶粒所占比例最大，支撐劑被壓裂液攜帶距離較遠，能夠有效支撐裂縫，支撐劑質量分數最高，且導流能力最強。因此，在后期壓裂時，最優配比應選擇1∶6∶2（250～380 μm∶380～1 000 μm∶830～1 400 μm）。

4 結 論

1）石英砂壓裂產生的砂堤和懸砂區范圍明顯小于陶粒支撐劑，其造縫能力弱于陶粒。

2）在閉合壓力相同時，大粒徑陶粒的導流能力高于小粒徑陶粒。大粒徑陶粒隨閉合壓力增加導流能力下降速度變慢，表明大粒徑陶粒在高閉合壓力下仍得到了有效的支撐。

3）將250～380 μm、380～1 000 μm 和830～1 400 μm 的陶粒按1∶1∶1，3∶1∶2 和1∶6∶2 進行配比，并分別模擬3 種配比下的導流能力。結果表明，粒徑配比為1∶6∶2 時，平均支撐劑質量分數最大，導流能力最高；粒徑配比為3∶1∶2 時，裂縫長度與支撐縫長最大，導流能力最低；粒徑配比為1∶1∶1 時的壓裂效果基本介于其它2 種配比的效果之間。綜上，本區粒徑配比建議選擇1∶6∶2（（250～380 μm）∶（380～1 000 μm）∶（830～1 400 μm））。