疏松砂巖地層壓裂充填支撐劑粒徑優(yōu)選

郭天魁，張士誠，王 雷，賀甲元

(1.中國石油大學石油工程學院，北京 102249;2.中石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

疏松砂巖地層壓裂充填支撐劑粒徑優(yōu)選

郭天魁1，張士誠1，王 雷1，賀甲元2

(1.中國石油大學石油工程學院，北京 102249;2.中石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

在疏松軟地層中實施壓裂充填工藝，出砂和支撐劑的嵌入是造成裂縫失效的主要因素，而兩者都與支撐劑的粒徑有密切的關(guān)系。針對金縣油田高滲儲層，設(shè)計模擬裂縫壁面的嵌入與砂侵和裂縫端部的砂侵試驗。在不同壓力下，對兩種不同粒度組成的模擬地層砂進行測試，獲得支撐劑在軟地層中的嵌入程度、不同粒徑支撐劑及其組合下的出砂量、出砂粒徑以及砂侵后的導流能力。結(jié)果表明:在軟地層中，支撐劑的嵌入程度隨支撐劑粒徑的增加而增大，隨地層砂粒度中值的增大而減小;壓裂充填防砂支撐劑粒徑應優(yōu)選為5～9倍的地層砂粒度中值;支撐劑粒徑是地層砂粒度中值的6～9倍時，可形成內(nèi)部砂橋;適合于壓裂充填防砂的支撐劑粒徑組合方案是粒徑為地層砂粒度中值6～9倍的支撐劑與小于6倍的支撐劑體積比為3∶1。

砂巖;壓裂充填;支撐劑;嵌入;導流能力;砂侵

在疏松砂巖地層中實施壓裂充填工藝后，如果支撐劑嚴重嵌入和地層砂大量侵入，充填層的導流能力將會大幅度下降［1-3］，裂縫失效加速，而兩者都與支撐劑的粒徑密切相關(guān)。資料表明［4］，在軟地層中，支撐劑的粒徑對嵌入影響很大，但并未對其進行深入研究。傳統(tǒng)的礫石充填防砂選擇標準Saucier規(guī)則［5］并不適合壓裂充填防砂，目前現(xiàn)場施工時，普遍把標準放大，如6～8倍、7～9倍［6］，甚至更大時效果更好，但仍沒有統(tǒng)一的標準。筆者針對金縣油田實施壓裂充填的兩個疏松砂巖高滲儲層，通過設(shè)計支撐劑在軟地層中的嵌入和裂縫壁面及端部的砂侵試驗，進行支撐劑粒徑優(yōu)選研究。

1試驗

1.1 支撐劑在軟地層中的嵌入和裂縫壁面的砂侵試驗

1.1.1 試驗裝置

試驗充分利用FCES-100型裂縫導流儀，自制疏松砂巖巖板，設(shè)計模擬了地層裂縫壁面的嵌入和砂侵試驗，裝置如圖1所示。室下端3個孔關(guān)閉，重新連接管線，測試12 h短期導流能力。同樣方法，測試其他3個壓力點。

圖1 裂縫壁面嵌入砂侵試驗示意圖Fig.1 Sketch map of experiment on embedment and sand invasion about fracture wall

1.2 裂縫端部的砂侵試驗

1.2.1 試驗裝置

利用FCES-100型裂縫導流儀，按照圖2所示的鋪砂方法鋪置，便可模擬裂縫端部的砂侵。根據(jù)導流室尺寸的設(shè)計，在進水口端半圓的面積上鋪置地層砂，距離測壓孔約5 mm，保證測壓段完全為支撐劑。為準確判斷內(nèi)部砂橋的形成，充填層上下設(shè)為鋼板。

圖2 導流室鋪砂方法Fig.2 Sanding method of conductivity cell

1.1.2 試驗步驟

(1)對0.85～1.18、0.6～1.18、0.425～0.85、0.25～0.425 mm 4種粒徑的Carbo-lite陶粒支撐劑，測試其在15 kg/m2鋪砂濃度、10、20、30、40 MPa壓力下的12 h短期無嵌入導流能力［7］。

(2)按照油田兩個高滲儲層的地層砂粒度組成，配制了兩種模擬地層砂(表1)，兩種模擬地層砂分選好，但粒度中值不同。按照地層條件，在基巖應力20 MPa下壓2 h，制成膠結(jié)非常疏松的巖板。上面鋪置支撐劑，鋪砂濃度為15 kg/m2，支撐劑上面為鋼板，測試12 h短期單側(cè)嵌入導流能力。模擬地層砂1的粒度中值為0.086 mm，分選系數(shù)為1.622;模擬地層砂2的粒度中值為0.132 mm，分選系數(shù)為1.896。

表1 模擬地層砂粒度組成Table 1 Size distribution of simulated formation sand

(3)組裝同樣的導流室，按照圖1所示連接組件，關(guān)閉導流室右側(cè)閥門，首先在10 MPa下讓水從導流室下端的3個進水孔流入，流量為150 mL/ min，維持10 h，將從左側(cè)出水口處流出的水收集、沉淀、過濾，稱其砂的質(zhì)量，篩析獲取出砂粒徑，將導流

1.2.2 試驗步驟

(1)按照圖2的方法鋪置，支撐劑的鋪砂濃度為15 kg/m2，首先在10 MPa下，水流量為150 mL/min維持10 h，將流出的水收集、沉淀、過濾，稱其砂的質(zhì)量，篩析獲取出砂粒徑，最后測試12 h短期無嵌入導流能力。同樣方法，測試其他3個壓力點。

(2)測試不同粒徑支撐劑組合［8-10］即復合壓裂的防砂效果，針對模擬地層砂1，支撐劑粒徑組合分別為(0.6～1.18 mm)∶(0.425～0.85 mm)=3∶1、(0.6～1.18 mm)∶(0.425～0.85 mm)=2∶1、(0.6～1.18 mm)∶(0.25～0.425 mm)=3∶1、(0.425～0.85 mm)∶(0.25～0.425 mm)=3∶1;模擬地層砂2的支撐劑粒徑組合為(0.6～1.18 mm)∶(0.425～0.85 mm)=3∶1，小比例的支撐劑放于進水口端，采用分段鋪置法。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 支撐劑粒徑對嵌入的影響

針對兩種巖板，不同粒徑支撐劑的嵌入程度(嵌入影響程度是指無嵌入與嵌入導流能力的差與無嵌入導流能力的比值)和支撐劑嵌入后的剩余導流能力如圖3所示。由圖3(a)可知，在試驗條件下，即地層砂粒徑相對支撐劑粒徑較小的情況下，支撐劑的嵌入影響程度隨支撐劑粒徑的增大而增大，分析認為小粒徑支撐劑與巖板的接觸點更多，受力面積大，單個支撐劑所承受的閉合應力較小，對軟巖板進行了整體壓實，類似于“活塞推進”，所以嵌入相對較淺，而且由于小粒徑支撐劑的粒間孔隙較小，軟巖板中進入支撐劑充填層的游離地層砂更少，對裂縫的導流能力影響相對小一些。在粒徑和閉合壓力的雙重影響下，剩余導流能力的差距隨閉合壓力的增加而減小(圖3(b))，無嵌入導流能力測試中粒徑為0.85～1.18 mm的支撐劑高于0.6～1.18 mm的，而嵌入后粒徑為0.6～1.18 mm的最終導流能力反而比0.85～1.18 mm的大，因此在優(yōu)選支撐劑粒徑時要考慮不同粒徑對嵌入造成的影響。

圖3 不同粒徑支撐劑的嵌入影響程度和最終導流能力對比Fig.3 Comparison of embedment degree and final conductivity for different size proppant embedment

從圖3也可以看出，針對不同粒度組成的巖板，支撐劑的嵌入程度差別很大。硬度接近的情況下，嵌入程度隨地層砂粒度中值的增加而減小。圖4為0.85～1.18 mm和0.25～0.425 mm支撐劑在軟地層中的嵌入外觀圖。從圖4中可以明顯看出，大粒徑的嵌入更加嚴重。

圖4 支撐劑在疏松砂巖中的嵌入Fig.4 Appearance of proppant embedment in unconsolid sandstone

2.2 裂縫壁面的砂侵試驗結(jié)果分析

2.2.1 出砂量

低閉合壓力下，卡博陶粒的破碎率很低，同時對試驗出砂進行顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)基本為石英砂，如圖5所示，排除破碎陶粒的影響。

表2為出砂量試驗結(jié)果。由表2可知:

(1)對于小粒徑的模擬地層砂1，0.85～1.18 mm和0.6～1.18 mm支撐劑防砂效果很差，出砂量相對較高，兩者的粒徑分別為模擬地層砂1粒度中值的10～14倍和7～14倍，形成的粒間孔隙較大，因此出砂量大。0.6～1.18 mm支撐劑的組分中0.85～1.18 mm的約占60%，可以認為在比例接近10～14倍時防砂效果差。0.425～0.85 mm支撐劑的出砂量相對較小，它的粒徑為地層砂粒度中值的5～10倍。0.25～0.425 mm支撐劑幾乎不出砂，它的粒徑為地層砂粒度中值的3～5倍。

圖5 產(chǎn)出地層砂微觀圖Fig.5 Microgram of sand production

表2 壁面砂侵出砂量測試結(jié)果Table 2 Experimental results of sand production for sand invasion about fracture wall

(2)對于模擬地層砂2，0.85～1.18 mm和0.6 ～1.18 mm支撐劑的粒徑分別為地層砂粒度中值的6～9倍和5～9倍，出砂量不大。0.425～0.85 mm支撐劑的粒徑為地層砂粒度中值的3～6倍，也幾乎不出砂。

2.2.2 出砂粒徑

試驗選用的篩網(wǎng)組合為:0.5－0.45－0.355－0.28－0.224－0.2－0.16－0.1－0.09－0.063 mm。10、20、30、40 MPa下的測量結(jié)果見表3。

表3 壁面砂侵出砂粒徑篩析結(jié)果Table 3 Experimental results of size measurement of sand production for sand invasion about fracture wall

支撐劑的排列結(jié)構(gòu)有正方體和六面體兩種，形成的孔隙直徑(Saucier公式的理論基礎(chǔ))分別為

式中，d1和d2為支撐劑間孔隙直徑。

通常認為在一定的閉合壓力下，支撐劑應以穩(wěn)定六面體結(jié)構(gòu)排列［11］，此時粒徑大于支撐劑粒徑1/5的地層砂無法通過。由表3出砂粒徑分析發(fā)現(xiàn)，只要粒徑小于0.414 2d的地層砂都能穿過，并且從10 MPa到40 MPa隨閉合壓裂的升高，這種大粒徑的顆粒數(shù)越來越少，高倍顯微鏡觀察流出的顆粒為石英砂，非破碎的陶粒。這說明在試驗壓力點下，支撐劑并沒有完全以穩(wěn)定的六面體結(jié)構(gòu)排列，還存在部分的四面體排列結(jié)構(gòu)。試驗中流出的大顆粒極其微量，說明四面體結(jié)構(gòu)比例很小。圖6為地層砂侵入支撐劑孔隙的微觀圖。

圖6 地層砂侵入支撐劑后的微觀圖Fig.6 Microgram of sand invasion

2.2.3 導流能力

防砂效果可從兩個方面判斷:一是把地層砂擋在地層或裂縫內(nèi)，即井筒和井口不產(chǎn)砂;二是采取防砂措施后，出砂較少對油井產(chǎn)量影響不大。前一方面可以通過出砂量判斷防砂效果，后一方面可以通過裂縫導流能力的變化來判斷。圖7為針對模擬地層砂1和2嵌入和壁面砂侵條件下的導流能力對比曲線。

圖7 嵌入與壁面砂侵前后導流能力對比Fig.7 Comparison of conductivity for embedment and sand invasion about fracture wall

由圖7可知，針對模擬地層砂1，隨閉合壓力的增大，0.425～0.85 mm支撐劑的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，其粒徑為地層砂粒度中值的5～10倍。針對模擬地層砂2，0.85～1.18 mm與0.6～1.18 mm支撐劑剩余導流能力較高，出砂量也不大，其粒徑分別為地層砂粒度中值的6～9倍和5～9倍。受軟地層中支撐劑嵌入和砂侵影響，0.6～1.18 mm支撐劑的剩余導流能力高于0.85～1.18 mm的。因此，在嵌入和壁面砂侵條件下，針對模擬地層砂2，支撐劑粒徑優(yōu)選0.6～1.18 mm，約為地層砂粒度中值的5～9倍。

2.3 裂縫端部砂侵試驗結(jié)果分析

2.3.1 出砂量

端部砂侵出砂量測試結(jié)果見表4。由表4可知:

(1)對于小粒徑的模擬地層砂1，0.85～1.18 mm和0.6～1.18 mm支撐劑防砂效果很差，出砂量約為1 g。0.425～0.85 mm支撐劑的出砂量低一個數(shù)量級，0.25～0.425 mm支撐劑出砂很少。不同粒徑支撐劑組合后，防砂效果大大增強。出砂量更接近于單純小粒徑支撐劑的結(jié)果。

(2)對于模擬地層砂2，0.85～1.18 mm和0.6～1.18 mm支撐劑出砂量不大，0.425～0.85 mm出砂量很小，支撐劑組合的防砂效果依然不錯。

(3)模擬地層砂1中0.425～0.85 mm、0.6～1.18 mm與0.425～0.85 mm的組合和模擬地層砂2中0.85～1.18 mm與0.6～1.18 mm支撐劑的試驗結(jié)果顯示，出砂量隨閉合壓力的增加(時間的延長)有逐漸減少的趨勢，這幾種支撐劑粒徑約為地層砂粒度中值的5～10倍、6～9倍、5～9倍，由此可以判斷，在約6～9倍內(nèi)，隨流動時間的延長，在充填層與地層砂接觸的較小范圍內(nèi)形成了內(nèi)部砂橋。試驗的前10 h在高流速沖擊下，很難形成穩(wěn)定的內(nèi)部砂橋［12］，但導流能力測試期間，流量小并且穩(wěn)定，地層砂微粒會逐漸累積形成較穩(wěn)定的內(nèi)部砂橋，在下一個壓力點下，導致出砂量減少。

表4 端部砂侵出砂量測試結(jié)果Table 4 Experimental results of sand production for sand invasion about front end

2.3.2 出砂粒徑

試驗選用同樣的篩網(wǎng)組合，10、20、30、40 MPa下端部砂侵出砂粒徑測量結(jié)果見表5。

表5顯示，針對不同粒徑的支撐劑，基本上都有粒徑小于0.4142d的極其微量的地層砂穿過，證明此壓力點下的確存在小部分的四面體結(jié)構(gòu)。不同粒徑的支撐劑組合后，受接觸端小粒徑支撐劑的影響，防砂效果大大增強，但由于此段較短，效果同單一小粒徑相比要差一些。

表5 端部砂侵出砂粒徑篩析結(jié)果Table 5 Experimental results of size measure of sand production for sand invasion about front end

2.3.3 導流能力

兩種模擬地層砂端部砂侵前后的導流能力對比如圖8所示。由圖8可知，對于模擬地層砂1，砂侵后0.85～1.18 mm和0.6～1.18 mm支撐劑的導流能力大幅下降。0.425～0.85 mm支撐劑的導流能力損失相對不大，隨著閉合壓力的增加逐漸超過0.85～1.18 mm和0.6～1.18 mm支撐劑。0.25～0.425 mm支撐劑的導流能力幾乎不變，但很小。對比可知，V0.6～1.18mm∶V0.425～0.85mm=3∶1時，效果最好，不但出砂量不高，而且導流能力明顯增大，說明前端0.425～0.85 mm支撐劑防砂效果明顯，后端大粒徑支撐劑有效維持了大導流能力的特點。

對于模擬地層砂2，0.85～1.18 mm和0.6～1.18 mm支撐劑的剩余導流能力較高，而且0.6～1.18 mm導流能力稍好一些，出砂也更少。粒徑為地層砂粒度中值3～6倍的0.425～0.85 mm支撐劑，出砂量比前兩者小，但導流能力差很多。V0.6～1.18mm∶V0.425～0.85mm=3∶1時，導流能力與0.6～1.18 mm支撐劑基本一樣，但由于0.425～0.85 mm支撐劑的作用，出砂量和出砂粒徑都有所減小。

圖8 端部砂侵前后導流能力對比Fig.8 Comparison of conductivity for sand invasion about front end

2.4 綜合分析

綜合裂縫壁面的砂侵嵌入和裂縫端部的砂侵試驗可知，由于支撐劑在軟地層中的嵌入隨支撐劑粒徑的增大而增大，粒徑為5～9倍地層砂粒度中值(d50)的支撐劑防砂效果和剩余導流能力綜合最優(yōu)。通過試驗判斷支撐劑粒徑為6～9倍的地層砂粒度中值時，可形成內(nèi)部砂橋。

對于復合壓裂來說，雖然端部砂侵顯示(5～9)d50與9d50以上支撐劑以1∶3的比例組合時效果最好，但由支撐劑在裂縫壁面的嵌入和砂侵試驗可知，復合壓裂中粒徑為地層砂粒度中值10倍以上的大粒徑支撐劑所占的比例較高時，防砂效果很差，所以針對模擬地層砂1，并不適合支撐劑的粒徑組合，而對于模擬地層砂2，粒徑小于6d50與(6～9)d50的支撐劑以1∶3的比例組合時，由于粒徑小于6d50支撐劑的壁面嵌入與砂侵相對于粒徑(6～9)d50支撐劑來說更小，因此可判斷這種組合方式效果很好。

3 結(jié)論

(1)軟地層中，支撐劑的嵌入程度隨支撐劑粒徑的增加而增大。針對不同粒度組成的軟巖板，支撐劑的嵌入差別很大。硬度接近的情況下，嵌入程度隨地層砂粒度中值的增大而減小。試驗中支撐劑在巖板1和巖板2上的嵌入程度相差約40%。

(2)針對模擬地層砂1，試驗優(yōu)選的支撐劑粒徑為0.425～0.85 mm;針對模擬地層砂2，優(yōu)選為0.6～1.18 mm支撐劑，以及0.6～1.18 mm與0.425～0.85 mm支撐劑體積以3∶1組合。

(3)壓裂充填防砂的支撐劑粒徑選為5～9倍地層砂粒度中值較合適。支撐劑粒徑為地層砂粒度中值的6～9倍時可形成內(nèi)部砂橋。適合于壓裂充填防砂的支撐劑粒徑組合為V＜6d50∶V(6～9)d50=1∶3。

(4)閉合壓力低于40 MPa時，支撐劑充填層并沒有完全以穩(wěn)定的六面體結(jié)構(gòu)排列，仍然存在微量的四面體結(jié)構(gòu)。

［1］LACY LL，RICKARDSA R.Embedment and fracture conductivity in soft formation associated with HEC，borate andwater-based fracture designs［R］.SPE 38590，1997.

［2］溫慶志，張士誠，王雷，等.支撐劑嵌入對裂縫長期導流能力的影響研究［J］.天然氣工業(yè)，2005，25(5):65-68.

WENQing-zhi，ZHANG Shi-cheng，WANG Lei，et al.Influence of proppant embedment on fracture long term flow conductivity［J］.Natural Gas Industry，2005，25 (5):65-68.

［3］盧聰，郭建春，王文耀，等.支撐劑嵌入及對裂縫導流能力損害的實驗［J］.天然氣工業(yè)，2008，28(2):99-101.

LU Cong，GUO Jian-chun，WANG Wen-yao，et al.Experimental research on proppant embedment and its damage to fractures conductivity［J］.Natural Gas Industry，2008，28(2):99-101.

［4］LACY LL，RICKARDSA R，BILDEND M.Fracture width and embedment testing in soft reservoir sandstone［R］.SPE 36421，1998.

［5］XIANG Wentao，WANG Pingshuang.Application of bridging theory on saucier gravel to examine the sand control effect［R］.SPE 80450，2003.

［6］TUMAGE K A，PALISCH T T.Overcoming formation damage and increasing production using stackable frac packs and high-conductivity proppants:a case study in the Wilmington Field，Long Beach，California［R］.SPE 98304，2006.

［7］中國石油天然氣總公司.壓裂支撐劑充填層短期導流能力評價推薦方法.SY/T6302-1997中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準［S］.北京:石油工業(yè)出版社，1997.

［8］王雷，張士誠，張文宗，等.復合壓裂不同粒徑支撐劑組合長期導流能力實驗研究［J］.天然氣工業(yè)，2005，25(9):64-66.

WANG Lei，ZHANG Shi-cheng，ZHANG Wen-zong，et al.Experimental research on long term conductivity of the proppant combination with different grain sizes in complex fracturing［J］.Natural Gas Industry，2005，25(9):64-66.

［9］金智榮，郭建春，趙金洲，等.不同粒徑支撐劑組合對裂縫導流能力影響規(guī)律實驗研究［J］.石油地質(zhì)與工程，2007，21(6):88-90.

JINZhi-rong，GUO Jian-chun，ZHAO Jin-zhou，et al.Experimental research on the fracture conductivity influence law of the proppant combination with different grain sizes［J］.Petroleum Geology and Engineering，2007，21 (6):88-90.

［10］金智榮，郭建春，趙金洲，等.支撐裂縫導流能力影響因素實驗研究與分析［J］.鉆采工藝，2007，30(5):36-38，41.

JINZhi-rong，GUO Jian-chun，ZHAO Jin-zhou，et al.Experimental study and analysis for the influence fractors on flow conductivity of fracture proppants［J］.Drilling＆Production Technology，2007，30(5):36-38，41.

［11］宋友貴，紀朝鳳，李懷文，等.壓裂－充填綜合防砂技術(shù)的研究與應用［J］.石油鉆探技術(shù)，1999，27(2):45-47.

SONG You-gui，JI Chao-feng，LI Huai-wen，et al.Development of fracture packing sand controlling technique and its applications［J］.Petroleum Drilling Techniques，1999，27(2):45-47.

［12］王志剛，李愛芬，張紅玲，等.礫石充填防砂井礫石層堵塞機理實驗研究［J］.石油大學學報:自然科學版，2000，24(5):49-51.

WANG Zhi-gang，LI Ai-fen，ZHANG Hong-ling，et al.Experimental study on pore-blocking mechanism in gravel packs of sand control well［J］.Journal of the University of Petroleum，China(Edition of Natural Science)，2000，24(5):49-51.

Selection of proppant size in frac and pack treatment on unconsolid sandstone reservoir

GUO Tian-kui1，ZHANG Shi-cheng1，WANG Lei1，HE Jia-yuan2

(1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Beijing102249，China; 2.Exploration and Production Research Institute，SINOPEC，Beijing100083，China)

For frac and pack in the unconsolid soft formation，sand production and proppant embedment which have a close relationship with proppant size are the important factors leading to fracturing failure.The experiments were carried out by two new measurement methods for simulating proppant embedment and sand invasion about fracture wall and front end on high permeability reservoirs of Jinxian Oilfield.Under different pressure，the experiments on testing two kinds of simulated formation sand with different grain size were carried out，and the proppant embedment degree in the soft formation，the amount and particle size of sand production，the fracture conductivity after sand invasion were obtained.The results show that the embedment degree increases with the increase of proppant size and decreases with the increase of sand size in the soft formation.The proppant size for frac and pack is about 5－9 times the size of sand.When the proppant size is 6－9 times median size of sand，interior sand bridge can form.When the ratio of proppant for 6－9 times the size of sand and proppant less than 6 times the size of sand is 3∶1，the combination is appropriate.

sandstone;frac and pack;proppant;embedment;conductivity;sand invasion

TE 257

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.01.016

1673-5005(2012)01-0094-07

2011－02－23

國家科技重大專項課題(2008ZX05024－003－17)

郭天魁(1984－)，男(漢族)，山東濰坊人，博士研究生，主要從事油氣井增產(chǎn)機制研究。

(編輯 李志芬)