不同粒徑支撐劑組合導流能力變化規律實驗研究

陳慶棟，周際永，陳維余，高雙，宋愛莉，張宸，安恒序

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

隨著低滲、特低滲及其他非常規儲層的不斷動用和開發，水力壓裂作為此類儲層高效改造的重要技術，起到越來越重要的作用[1-3]。在水力壓裂工藝中，形成具有較大滲流能力的支撐裂縫是實現高效改造的重要指標[4-5]。

在壓裂施工效果預測中，需使用到裂縫的導流能力這一關鍵參數[6-8]。在進行壓裂工藝改造中，在施工的不同階段往往會泵入不同粒徑的支撐劑[9-10]，當不同粒徑的支撐劑混合后，其導流能力與單一粒徑的支撐劑相比會產生一定的變化，無法使用單一支撐劑導流能力進行計算[11-12]。

因此需要開展不同粒徑支撐劑組合下的導流能力實驗，以探尋支撐劑組合對其導流能力影響的規律，最終為水力壓裂支撐裂縫導流能力和壓裂效果預測提供重要的基礎參數和指導。

1 支撐劑性能及實驗方法

1.1 支撐劑基本性能參數

實驗共選用了3 種陶粒進行相關物理性能評測實驗，首先根據《壓裂支撐劑性能測試推薦方法》（SY/T 5108—2014）對支撐劑的各項基本性能開展實驗評測，所選用的支撐劑各項指標均符合行業標準，主要參數如表1所示。

表1 實驗用支撐劑基本性能評測結果

1.2 支撐劑導流能力評價實驗方法

實驗方法參照標準《壓裂支撐劑充填層短期導流能力評價推薦方法》（SY/T 6302—2009），實驗使用由API 標準制作的導流槽，導流槽鋪置面積為64.5 cm2。上下活塞、金屬板和導流室均使用不銹鋼材料制作，本實驗所使用的支撐劑導流能力實驗儀型號為FCS-842，由美國巖心公司生產。

2 支撐劑導流能力實驗結果及分析

2.1 支撐劑導流能力實驗

按前文所述實驗方法，對3 種陶粒的導流能力進行了測量，并開展了不同粒徑支撐劑組合下的導流能力測試，實驗鋪砂量均為5 kg·m-2。

支撐劑導流能力測試中，除單項支撐劑導流能力外，還按照質量百分比開展了：50%20/40 陶粒+50%30/50 陶粒、50%30/50 陶粒+50%40/70 陶粒、70%30/50 陶粒+30%40/70 陶粒、50%20/40 陶粒+50%40/70 陶粒、30%20/40 陶粒+70%40/70 陶粒等5 項組合的導流能力測試，實驗結果如圖1所示。

圖1 不同粒徑支撐劑及其組合的導流能力

由實驗結果可知：

1）不同粒徑的陶粒導流能力有較大差別，并且整體上表現為隨著閉合壓力增大，導流能力差別縮小的特點。這是由于在低壓下，大粒徑的支撐劑顆粒間形成的支撐空間更大，具有更強的導流能力。在超過50 MPa 的高閉合壓力下，大粒徑支撐劑更容易產生變形和破碎、堵塞、支撐孔喉變小，進而導致導流能力下降更快，而小粒徑的支撐劑往往具有更好的抗破碎性能，其導流能力隨閉合壓力增大而下降的幅度較小。

2）從不同粒徑支撐劑組合下，可看出整體上也呈現出隨閉合壓力增大而導流能力降低的趨勢，且不同組合的支撐劑導流能力介于該組合的最大最小支撐劑的導流能力區間之內，即有大粒徑支撐劑參與的組合，其導流能力整體上處于更高的水平。

3）從不同粒徑陶粒組合的導流能力來看，50%20/40 陶粒+50%30/50 陶粒、50%20/40 陶粒+50%40/70 陶粒相對比，前者導流能力更偏向于20/40 目陶粒和30/50 目陶粒導流能力的中間值，而后者則更偏向于40/70 目陶粒的導流能力值。這是由于當支撐劑粒徑差別大時，小粒徑支撐劑會處于大粒徑支撐劑之間，使得組合支撐劑的支撐孔喉變小，從而使得其導流能力較低。

4）從不同粒徑陶粒組合的導流能力對比可知，某一粒徑支撐劑占比更高時，則該支撐劑組合的導流能力值更接近于占比更高的支撐劑。以50%30/50陶粒+50%40/70 陶粒、70%30/50 陶粒+30%40/70 陶粒這兩個組合為例，前者導流能力是30/50 目陶粒導流能力的0.79 倍，而后者組合的導流能力則是30/50 目陶粒導流能力的0.86 倍。

2.2 不同粒徑支撐劑組合下導流能力變化規律

為進一步深入分析不同粒徑支撐劑組合下導流能力的變化規律，由A 型支撐劑（導流能力為KWA）和B 型支撐劑（導流能力為KWB）按質量分數分別為m和n進行組合，組合后導流能力為KWH，本文設計了“導流能力保留率ηKW”這一參數，即：

對上文所述5 種組合的導流能力保留率進行計算，結果如圖2所示。

圖2 不同粒徑支撐劑組合的導流能力保留率

由以上不同粒徑支撐劑組合在不同閉合壓力下的導流能力保留率分析結果可知：

1）不同粒徑支撐劑組合在不同閉合壓力下，其導流能力保留率整體上處于一個較為穩定的水平，但各種支撐劑組合的導流能力保留率數值整體上均小于1。

2）從不能閉合壓力對導流能力保留率的影響來看，20/40 目陶粒參與的組合受閉合壓力變化的影響較大，分析是由于20/40 目陶粒導流能力受閉合壓力影響大，而與其他粒徑支撐劑組合后整體上導流能力變化較小，最終表現出導流能力保留率變化較大的特點。

3）當兩種支撐劑粒徑差距較小時，二者進行組合后，其導流能力保留率處于較高的水平，這是由于二者粒徑差距小，匹配度高，進而使得導流能力保持在較高的水平。

4）當兩種支撐劑粒徑差距較大時，即20/40 目陶粒和40/70 目陶粒進行組合，可明顯地觀察出這種組合的導流能力保留率較低，最低值僅為60.91%。這種組合的導流能力保留率在50 MPa 后有上揚趨勢，分析是由于20/40 陶粒在50 MPa 后會產生破碎，導流能力急劇下降，而這種組合的導流能力整體處于較低水平，且隨閉合壓力的變化較小，最終導致導流能力保留率處于較高的水平。

3 結 論

1）支撐劑導流能力與支撐劑粒徑成正相關的關系，在多種支撐劑進行組合時，若要獲得更大的導流能力，則需要有大粒徑的支撐劑參與組合。

2）不同粒徑支撐劑組合后，導流能力介于該組合的最大最小兩種支撐劑的導流能力區間之內。

3）在不同粒徑支撐劑組合時，當某一粒徑支撐劑占比更高時，則該支撐劑組合的導流能力值更接近于占比更高的支撐劑。

4）支撐劑粒徑差別大時，小粒徑支撐劑會處于大粒徑支撐劑之間，使得組合支撐劑的支撐孔喉變小，從而使得其導流能力較低。并且粒徑差別大的組合導流能力保留率較低，受閉合壓力的影響大。因此在礦場壓裂施工中，進行不同粒徑組合時，需充分考慮二者粒徑的匹配性，以實現更好的改造效果。

5）建議下步開展更詳細的不同類型、不同粒徑支撐劑及其組合的導流能力評測實驗，進一步深入探尋支撐劑組合導流能力主要影響因素和變化規律，并基于此導流能力實驗數據開展支撐劑在不同閉合壓力和不同占比下的支撐劑組合導流能力預測數學模型，以實現對導流能力的精確預測，最終為水力壓裂效果預測提供必要的基礎數據支撐。