張景臣，張士誠(chéng)，卞曉冰，莊照峰，郭天魁

（1. 英國(guó)Heriot-Watt大學(xué)；2. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院）

0 引言

壓裂充填防砂井在壓裂液返排以及生產(chǎn)過程中由于砂巖膠結(jié)疏松、產(chǎn)出液流速較大等原因?qū)е铝芽p不穩(wěn)定[1-3]。裂縫穩(wěn)定劑是保持裂縫形態(tài)穩(wěn)定的黏性液體，既可以加入支撐劑中通過攪拌形成均勻涂覆層，也可直接注入壓裂后的裂縫中。裂縫穩(wěn)定劑對(duì)于壓裂后保持裂縫形態(tài)穩(wěn)定、維持裂縫導(dǎo)流能力、減少地層砂侵入有重要作用，其主要作用機(jī)理是通過黏性高分子化合物增加支撐劑之間的黏性膠結(jié)作用從而增強(qiáng)裂縫的穩(wěn)定性。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)裂縫穩(wěn)定劑的研究和應(yīng)用較少，雖然有關(guān)于覆膜砂和表面改性材料（SMA）應(yīng)用方面的報(bào)道，但并沒有考慮它們對(duì)不同壓裂液的適應(yīng)性和防砂效果[4-14]。本文通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析不同裂縫穩(wěn)定劑配比下的支撐劑導(dǎo)流能力和支撐劑防砂效果，以及裂縫穩(wěn)定劑與胍膠壓裂液和表面活性劑壓裂液（VES壓裂液）的適配性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)該裂縫穩(wěn)定劑進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)其用量進(jìn)行優(yōu)化，并通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M評(píng)價(jià)疏松砂巖生產(chǎn)過程中裂縫穩(wěn)定劑保持裂縫導(dǎo)流能力效果和防砂性能。

1 裂縫穩(wěn)定劑組分及作用機(jī)理

裂縫穩(wěn)定劑主要包括改性樹脂（主成分為優(yōu)選出的呋喃樹脂）、固化劑、偶聯(lián)劑及其他添加劑。目前各類樹脂材料廣泛應(yīng)用于化學(xué)固砂等領(lǐng)域，其具有線性、網(wǎng)狀、體型等分子結(jié)構(gòu)，相對(duì)分子質(zhì)量大小不一且平均值較低。改性樹脂分子中的強(qiáng)極性基團(tuán)與支撐劑表面極性基團(tuán)有親和作用，可產(chǎn)生物理吸附，向支撐劑表面遷移并強(qiáng)烈黏附在支撐劑表面。地層溫度條件下，改性樹脂在固化過程中分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，黏度增加，固化后改性樹脂在支撐劑表面形成一層帶有一定強(qiáng)度的黏性膜，該黏性膜可輕微降低裂縫導(dǎo)流能力，但能阻止支撐劑顆粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)支撐劑充填裂縫的穩(wěn)定性。固化后的改性樹脂耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和有機(jī)溶劑的侵蝕，在高溫下也很穩(wěn)定。對(duì)不同溫度的儲(chǔ)集層可以調(diào)節(jié)固化劑、偶聯(lián)劑和改性樹脂的比例來調(diào)節(jié)黏性膜的固化程度和速度。

2 裂縫導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

膠結(jié)疏松的淺層砂巖壓裂后裂縫容易失效，裂縫穩(wěn)定劑可應(yīng)用于這類儲(chǔ)集層。根據(jù)渤海地區(qū)某疏松砂巖儲(chǔ)集層物性參數(shù)，選取0.42～0.85 mm（40～20目）卡博陶粒支撐劑作為研究對(duì)象。首先按不同比例均勻混合裂縫穩(wěn)定劑和支撐劑，然后放入模擬地層溫度（60 ℃）的恒溫箱內(nèi)，放置8 h達(dá)到性能穩(wěn)定狀態(tài)，之后采用FCES-100導(dǎo)流儀（見圖1）在模擬地層溫度下進(jìn)行導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)。由于疏松砂巖儲(chǔ)集層地層壓力較低，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定閉合壓力在40 MPa之內(nèi)。采用同樣方法測(cè)定未用裂縫穩(wěn)定劑處理的支撐劑的導(dǎo)流能力，以作對(duì)比。

圖1 導(dǎo)流儀結(jié)構(gòu)圖

由圖 2可見，導(dǎo)流能力隨裂縫穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而變小，因此，在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)導(dǎo)流能力降低值和防砂效果綜合確定穩(wěn)定劑的用量。當(dāng)裂縫穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%時(shí)，隨著閉合壓力增加導(dǎo)流能力與原始支撐劑導(dǎo)流能力差別越來越大；裂縫穩(wěn)定劑用量大于5%之后，裂縫穩(wěn)定劑用量增大所導(dǎo)致的導(dǎo)流能力降低幅度隨閉合壓力增大而減小。根據(jù)導(dǎo)流實(shí)驗(yàn)流出液分析，用量大于5%后，裂縫穩(wěn)定劑會(huì)隨流體排出。推測(cè)此時(shí)支撐劑已經(jīng)被充分包裹，長(zhǎng)期導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)裂縫穩(wěn)定劑的流失。

圖2 不同裂縫穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的裂縫導(dǎo)流能力

定義裂縫穩(wěn)定劑對(duì)支撐劑的傷害率為添加裂縫穩(wěn)定劑后導(dǎo)流能力下降值與原導(dǎo)流能力的比值。加入1%、3%、5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的裂縫穩(wěn)定劑時(shí)，隨著閉合壓力和裂縫穩(wěn)定劑用量的增加，支撐劑導(dǎo)流能力傷害率增大，壓力越高導(dǎo)流能力傷害率增加越快（見圖3）。

圖3 支撐劑導(dǎo)流能力傷害率變化圖

3 裂縫穩(wěn)定劑防砂效果實(shí)驗(yàn)

疏松砂巖儲(chǔ)集層取樣困難，為測(cè)定裂縫穩(wěn)定劑處理過的支撐劑實(shí)際防砂效果，根據(jù)渤海地區(qū)疏松砂巖儲(chǔ)集層粒徑配比配制人造巖心，在對(duì)應(yīng)儲(chǔ)集層溫度壓力條件下固結(jié) 48 h，其膠結(jié)程度與真實(shí)巖心近似相同（見表1）。

表1 疏松砂巖儲(chǔ)集層粒徑配比

在地層溫度下評(píng)價(jià)流動(dòng)狀態(tài)下裂縫的穩(wěn)定性及防砂效果，巖心夾持器從出口到入口依次放置0.25～0.42 mm（60～40目）支撐劑、0.42～0.85 mm卡博陶粒支撐劑（未用裂縫穩(wěn)定劑處理的支撐劑及用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)裂縫穩(wěn)定劑處理后的支撐劑）、人造巖心，以模擬地層砂向支撐劑中的運(yùn)移情況。實(shí)驗(yàn)采用環(huán)壓 5 MPa，入口壓力 3 MPa，出口壓力為大氣壓，從入口泵入柴油，持續(xù)8 h。

圖 4為使用不同裂縫支撐劑情況下地層微粒侵入圖?？梢姡从梅€(wěn)定劑處理過的支撐劑中地層微粒侵入較多。隨著裂縫穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，被處理過的支撐劑表面地層微粒減少。

圖4 不同支撐劑中地層微粒侵入情況

在裂縫穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%之后，地層砂粒侵入狀況顯著減少，裂縫穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)地層砂與支撐劑交界處情況見圖5。

圖5 0.42～0.85 mm支撐劑防砂效果

把不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)裂縫穩(wěn)定劑處理過的 0.42～0.85 mm支撐劑與0.074～0.089 mm（200～160目）侵入砂粒的混合體進(jìn)行分離，計(jì)算地層侵入砂粒占混合體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果見圖6。裂縫穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%時(shí)，侵入砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降很快；當(dāng)裂縫穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%之后侵入砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本不變（見圖6），防砂效果較好。

圖6 0.074～0.089 mm地層侵入砂粒占混合體質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨裂縫穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線

由圖2、圖6分析可知，裂縫穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%時(shí)，低壓下導(dǎo)流能力降低幅度變大，而防砂效果不再改善，綜合評(píng)價(jià)導(dǎo)流能力和防砂效果，推薦選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～5%的裂縫穩(wěn)定劑處理支撐劑。

4 裂縫穩(wěn)定劑與其他壓裂液的適配性

實(shí)際使用過程中要考慮裂縫穩(wěn)定劑與其他液體的適配性，本文選取胍膠壓裂液、表面活性劑壓裂液（VES壓裂液）、破乳劑3種壓裂常用液體進(jìn)行了研究。在60 ℃下將3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)裂縫穩(wěn)定劑處理過的0.42～0.85 mm支撐劑放置8 h，使其達(dá)到性能穩(wěn)定狀態(tài)；考慮到實(shí)際壓裂過程中的液體配比，分別加入 3倍于支撐劑體積的胍膠壓裂液、VES壓裂液、D-60破乳劑，置于60 ℃恒溫箱中反應(yīng)。反應(yīng)完成后，傾斜瓶體，觀察支撐劑開始流動(dòng)時(shí)瓶體的傾斜角度和支撐劑流動(dòng)狀況變化分析反應(yīng)效果。

加入胍膠壓裂液之后，支撐劑粘結(jié)性基本沒有變化，在瓶體傾斜70°左右時(shí)部分支撐劑開始流動(dòng)（見圖7a）。

加入D-60破乳劑之后，1 h左右膠結(jié)穩(wěn)定，液體變渾濁，支撐劑粘結(jié)程度基本沒有變化（見圖7b）。

加入VES壓裂液之后，30 min左右膠結(jié)穩(wěn)定，支撐劑粘結(jié)性大幅降低，從在瓶底部膠結(jié)變?yōu)榭梢宰杂闪鲃?dòng)的散砂體，液體變渾濁（見圖7c）。

圖7 裂縫穩(wěn)定劑處理過的0.42～0.85 mm支撐劑與常用壓裂液體的作用結(jié)果

為模擬壓裂液返排之后支撐劑膠結(jié)情況，過濾得到分別與胍膠、破乳劑、VES壓裂液反應(yīng)后的支撐劑，60 ℃下放置8 h達(dá)到性能穩(wěn)定，而后觀察其膠結(jié)情況，發(fā)現(xiàn)均沒有繼續(xù)變化。

通過以上分析可見，該裂縫穩(wěn)定劑與傳統(tǒng)的胍膠壓裂液和D-60破乳劑適配性較好，但是不適于VES壓裂液。

5 裂縫穩(wěn)定劑保持裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)?zāi)M評(píng)價(jià)生產(chǎn)過程中裂縫穩(wěn)定劑保持裂縫導(dǎo)流能力和防止地層顆粒入侵的效果，以加入3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)裂縫穩(wěn)定劑的情況為例加以說明。

實(shí)驗(yàn)在圖 1導(dǎo)流儀基礎(chǔ)上改進(jìn)，首先放置支撐劑充填層，其上、下部分別放置一層人造巖心，形成夾心層，把夾心層放于圖 1中支撐劑充填層處。而后去除金屬板，并通過活塞上接口加垂直于夾心層的垂向流動(dòng)，流體通過人造巖心進(jìn)入支撐劑。以此模擬地層中流體通過儲(chǔ)集層流入裂縫情況。

由于不易獲得疏松砂巖巖心，并且很難做成與導(dǎo)流室相匹配的形狀，因此根據(jù)實(shí)際疏松砂巖粒徑分布配制人工巖心。對(duì)應(yīng)實(shí)際地層中巖石的粒徑配比見表1。選用0.42～0.85 mm支撐劑（未用裂縫穩(wěn)定劑處理的支撐劑及用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)裂縫穩(wěn)定劑處理后的支撐劑）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)鋪砂濃度15 kg/m2；每側(cè)模擬地層砂厚度5 cm；對(duì)應(yīng)地層壓力15 MPa；導(dǎo)流室面積為65 cm2。結(jié)合疏松砂巖儲(chǔ)集層較高的產(chǎn)量和導(dǎo)流室面積，以0.18 mL/min的流速通過外接口向?qū)Я魇覂?nèi)注入煤油，以模擬真實(shí)儲(chǔ)集層的生產(chǎn)情況。持續(xù)此過程一段時(shí)間并測(cè)試支撐劑導(dǎo)流能力的變化。由圖 8可見，裂縫穩(wěn)定劑在保持裂縫導(dǎo)流能力中作用顯著。未用穩(wěn)定劑處理過的支撐劑中已進(jìn)入大量的地層微粒（見圖9a）?？梢娫趯?shí)際生產(chǎn)過程中會(huì)有大量的地層微粒進(jìn)入支撐劑，堵塞壓裂裂縫，降低裂縫導(dǎo)流能力。裂縫穩(wěn)定劑處理后的支撐劑很好地阻止了地層砂粒的侵入（見圖9b）。

圖8 導(dǎo)流能力隨時(shí)間變化曲線

圖9 地層砂粒侵入0.42～0.85 mm支撐劑情況

6 結(jié)論

針對(duì)疏松砂巖儲(chǔ)集層壓裂后裂縫容易失效的問題，優(yōu)選出一種改性樹脂并首次用作裂縫穩(wěn)定劑，用之對(duì)0.42～0.85 mm（40～20目）卡博陶粒支撐劑進(jìn)行處理。結(jié)合實(shí)際壓裂過程和疏松砂巖儲(chǔ)集層條件，評(píng)價(jià)了裂縫穩(wěn)定劑用量對(duì)導(dǎo)流能力的影響，及裂縫穩(wěn)定劑處理過的支撐劑對(duì)實(shí)際疏松砂巖儲(chǔ)集層的防砂效果，在模擬儲(chǔ)集層溫度條件下評(píng)價(jià)了各種壓裂液與裂縫穩(wěn)定劑的適配性。根據(jù)導(dǎo)流能力和微觀地層微粒侵入現(xiàn)象對(duì)裂縫穩(wěn)定劑用量進(jìn)行了優(yōu)化。

裂縫導(dǎo)流能力隨裂縫穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而變小。當(dāng)裂縫穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于 5%時(shí)，隨著閉合壓力增加導(dǎo)流能力與原始支撐劑導(dǎo)流能力差別越來越大；裂縫穩(wěn)定劑用量大于 5%之后，裂縫穩(wěn)定劑用量增大所導(dǎo)致的導(dǎo)流能力降低幅度隨閉合壓力增大而減小。

當(dāng)裂縫穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%時(shí)，裂縫穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，侵入物質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降較快；裂縫穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%之后侵入物質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本不變。

該裂縫穩(wěn)定劑與傳統(tǒng)的胍膠壓裂液配合使用效果較好，但不適于新型的表面活性劑壓裂液（VES壓裂液）。

經(jīng)綜合評(píng)價(jià)，推薦選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3%～5%的裂縫穩(wěn)定劑處理支撐劑，并使用胍膠壓裂液。

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