魏偉

（中國石化華東油氣分公司石油工程技術研究院，江蘇南京210031）

目前，國外水力壓裂施工主要采用石英砂、陶粒和覆膜支撐劑[1-5]，國內(nèi)水力壓裂施工則主要為陶粒與石英砂支撐劑。支撐劑的密度越大其抗壓強度往往越大，但支撐劑密度越大，支撐劑在隨著壓裂液運移的過程中的沉降速度也會越快，致使支撐劑難以被壓裂液攜帶到裂縫的端部或分支縫內(nèi)，最終無法形成較大的有效改造體積。煤層氣藏具有壓力系數(shù)低、飽和度低、滲透率低、非均質(zhì)性強的特點，煤層節(jié)理、裂縫發(fā)育[6]，導致壓裂液體濾失增加，液體效率降低，支撐劑在近井地帶堆積，進而出現(xiàn)砂堵風險，因此，為了將支撐劑攜帶到裂縫深部，通常采用提高壓裂液體黏度的方式來改善液體攜砂能力，但煤層具有低溫低壓，且吸附能力強的特點[7-8]，高黏度的壓裂液體會對儲層造成更大的損害，所以，延川南煤層氣井通常采用清水壓裂液進行施工。

支撐劑的密度高低對最終的壓裂效果有很大的影響，通過室內(nèi)對比不同類型的支撐劑性能發(fā)現(xiàn)，低密度堅果殼支撐劑較常規(guī)支撐劑，性能相近，但密度更低、價格更便宜，因此，優(yōu)選低密度堅果殼支撐劑，并在現(xiàn)場進行試驗，取得良好效果。

1 低密度堅果殼支撐劑性能評價

1.1 支撐劑沉降速度

流體攜帶微粒的能力是跟微粒在周圍流體中的沉降速度成反比[9-14]。流體為水時，可以通過斯托克斯定律[14-17]算出該液體中的微粒的最終沉降速度，其公式為：

式中：vt為最終沉降速度，m/s；ρp為支撐劑密度，kg/m3；ρf為壓裂液密度，kg/m3；dp為粒徑，m；μf為液體黏度，Pa·s。

根據(jù)斯托克斯定律可知：影響微粒在液體中的最終沉降速度主要有微粒直徑、微粒密度、液體密度、液體黏度等[18-20]。同等壓裂液體系及支撐劑粒徑條件下，支撐劑的密度越大，沉降速度越快，壓裂過程中越容易在近井地帶形成堆積。

室內(nèi)試驗按照石油與天然氣行業(yè)標準SY/T 5108—2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測試方法》的規(guī)定，對常規(guī)石英砂支撐劑和低密度堅果殼支撐劑的物理性能進行評價，實驗結果如表1所示。

表1 支撐劑物理性能測試結果Table1 Physical performance test results of proppant

從物理性能的測試結果來看，低密度堅果殼支撐劑與常規(guī)石英砂支撐劑相比，在相同粒徑下，擁有更低的體積密度，代入式（1）計算發(fā)現(xiàn)低密度堅果殼支撐劑的沉降速度更慢，在水力壓裂時，能夠被壓裂液體輸送到裂縫的更深部或分支裂縫網(wǎng)絡處，獲得更長的支撐裂縫，從而達到更好的產(chǎn)層覆蓋性，增產(chǎn)效果更加明顯。

1.2 支撐劑抗破碎與導流能力

支撐劑作為水力壓裂工藝中的重要材料，對最終的壓裂改造效果起著關鍵的作用，而支撐劑的抗破碎能力與導流能力是評價支撐劑性能的重要指標。支撐劑具有較高的抗破碎能力，才能在地層壓力下形成更少的碎屑與更多的有效體積來維持形成的儲層裂縫，擴大滲流通道，進而提高有效滲流面積。導流能力是評價支撐劑隨壓裂液鋪置在儲層內(nèi)之后，形成有效滲流通道的能力。

1.2.1 支撐劑抗破碎能力

根據(jù)延川南工區(qū)的施工經(jīng)驗，儲層的閉合壓力約為30 MPa，所以室內(nèi)在28 MPa條件下，對2種支撐劑進行抗破碎能力的測試，實驗結果見表2。

表2 支撐劑抗破碎能力室內(nèi)試驗測試結果Table2 Test results of proppant crushing resistance

雖然低密度堅果殼支撐劑的密度比石英砂支撐劑小，但是，由于低密度堅果殼支撐劑的塑性優(yōu)于石英砂支撐劑，在28 MPa壓力下，產(chǎn)生的形變量大于石英砂支撐劑，從而導致支撐劑顆粒之間的接觸面積變大，因此，低密度堅果殼的抗破碎能力優(yōu)于石英砂。

1.2.2 支撐劑導流能力

室內(nèi)使用山東中石大石儀科技有限公司的支撐劑導流能力測試儀，按照石油與天然氣行業(yè)標準SY/T 6302—2019《壓裂支撐劑充填層短期導流能力評價推薦方法》的規(guī)定，在室溫（25℃）條件下，選取閉合壓力范圍為10～35 MPa，在鋪砂濃度為5 kg/m2情況下，用蒸餾水對目數(shù)相同（20/40目）的常規(guī)石英砂和低密度堅果殼支撐劑的導流能力進行測試，實驗結果顯示：在相同的鋪砂濃度、低閉合應力條件下，低密度堅果殼支撐劑的導流能力低于石英砂支撐劑的導流能力；在閉合應力10～20 MPa時低密度堅果殼支撐劑出現(xiàn)明顯破碎，導致導流能力急劇降低，石英砂支撐劑則呈現(xiàn)一個相對較穩(wěn)定的遞減趨勢；在較高閉合壓力時（35 MPa），低密度堅果殼支撐劑和石英砂支撐劑的導流能力則相差較?。▓D1）。

2 低密度堅果殼支撐劑現(xiàn)場試驗

2013年，對Y40井山西組2號煤層（壓裂井段1 420.4～1 425.8 m，視厚5.4 m）實施光套管水力加砂壓裂，加入常規(guī)石英砂支撐劑51.1 m3，其中40/70 目10 m3，20/40 目41.1m3，平均砂比10.7%。前置液量364.0 m3，攜砂液量420.5 m3，頂替液量17.9 m3，累計液量802.4 m3。破裂壓力40.0 MPa，前置液階段排量7～8 m3/min，攜砂液階段施工壓力35.5～37.7 MPa。壓裂施工全程壓力基本平穩(wěn)，停泵壓力28.0 MPa（圖2）。

圖1 不同閉合壓力下支撐劑導流能力對比Fig.1 Comparison of proppant conductivity under different closing pressures

圖2 Y40井全石英砂壓裂施工曲線Fig.2 Fracturing by quartz sand only in well-Y40

Y40井第一次壓裂后投產(chǎn)，日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在300 m3左右，最高日產(chǎn)氣量801.6 m3。

2019年，對Y40井山西組2號煤層（壓裂井段1 420.4～1 425.8 m，視厚為5.4 m）實施光套管水力加砂重復壓裂。選取活性水壓裂液進行造縫，采用低密度堅果殼支撐劑與石英砂支撐劑相結合。前期使用石英砂支撐劑段塞進行降濾，后期階梯式加入低密度堅果殼支撐劑，穿過原有支撐劑帶，形成新裂縫，降低支撐劑在煤層內(nèi)的嵌入效果，從而增加支撐裂縫寬度與長度，有效溝通煤層割理裂隙，提高儲層的滲流能力，增大儲層流體的滲流面積，達到更好的改造效果，增加煤層產(chǎn)氣量。

施工共計加入20/40 目低密度堅果殼支撐劑31 m3，40/70 目石英砂支撐劑5 m3，20/40 目石英砂支撐劑41 m3，平均砂比為11.7%。前置液量為214.0 m3，攜砂液量為660.0 m3，頂替液量為4 m3，累計液量為878 m3。破裂壓力為35 MPa，前置液階段排量為7～8 m3/min，攜砂液階段施工壓力為30～33 MPa。壓裂施工時，前期壓力基本平穩(wěn)，后期支撐劑加入規(guī)模較大，裂縫全部充填，施工壓力上漲明顯，停泵壓力為31 MPa（圖3）。

圖3 Y40井低密度堅果殼與石英砂相結合的支撐劑壓裂施工曲線Fig.3 Fracturing by proppant combined of low-density nut shell with quartz sand in well-Y40

Y40井施工壓力較高，經(jīng)過前置液階段加入低砂比的常規(guī)石英砂細砂進行打磨、降濾后，施工壓力降至30 MPa左右，在實施低密度壓裂支撐劑技術改造階段，壓力波動升高，說明地質(zhì)情況復雜、非均質(zhì)性強，造成施工壓力差異性大。在加入石英砂最后階段，由于加入規(guī)模較大，石英砂在近井地帶堆積形成砂堵，施工較為困難，但形成了較好的主裂縫，達到了預期改造的效果。

Y40井重復壓裂后投產(chǎn)，最高日產(chǎn)氣1 497 m3，日產(chǎn)氣穩(wěn)定在1 200 m3左右，增產(chǎn)900 m3左右。從最終產(chǎn)氣效果來看，采用低密度堅果殼支撐劑進行重復壓裂取得了較好的改造效果。

3 結論

1）低密度堅果殼支撐劑與傳統(tǒng)石英砂支撐劑相比，可以有效降低支撐劑的沉降速度，從而減少支撐劑在近井地帶的堆積，獲得更大的改造范圍。

2）在同樣鋪砂濃度條件下，對比低密度堅果殼支撐劑和傳統(tǒng)石英砂支撐劑，雖然在低閉合壓力下，導流能力弱于傳統(tǒng)石英砂支撐劑，但是在較高閉合壓力下，與傳統(tǒng)石英砂支撐劑擁有相近的導流能力。

3）低密度堅果殼支撐劑相較于傳統(tǒng)石英砂支撐劑價格更加低廉，在一定閉合壓力條件下，能夠獲得更好的導流效果，值得進一步推廣應用。