彭 歡，馬輝運(yùn)，彭鈞亮，秦 毅，高新平，周玉超

1中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院2頁巖氣開采與評價四川省重點實驗室

1 研究背景

1.1 深層頁巖氣勘探開發(fā)客觀需要

目前頁巖氣重點建產(chǎn)的川南地區(qū)一半以上資源量埋深超過3 500 m［1］。隨著儲層深度增加，滑溜水沿程摩阻增大，井口施工壓力增加，施工排量受限，影響支撐劑在裂縫中的運(yùn)移。對滑溜水和支撐劑開展深入研究，提高滑溜水的攜砂性能，降低體積壓裂施工難度，以便滿足頁巖氣體積壓裂改造需要，使復(fù)雜縫網(wǎng)中的裂縫得到有效支撐，提高復(fù)雜縫網(wǎng)改造效果。

1.2 滑溜水?dāng)y砂性能差

體積壓裂作為頁巖氣效益開發(fā)的必要措施之一，發(fā)揮著越來越重要的作用。與常規(guī)氣藏壓裂不同，頁巖氣體積壓裂通常采用滑溜水作為施工液體［2］，由于滑溜水黏度低、攜砂性能差，導(dǎo)致支撐劑沉降速度快，難以輸送至裂縫深部或復(fù)雜縫網(wǎng)各處，容易沉降在近井地帶裂縫底部，形成砂堤，施工結(jié)束后裂縫上部重新閉合，最終使得支撐劑分布不均勻，如圖1所示，影響增產(chǎn)改造效果。

圖1 水力裂縫中支撐劑沉降情況示意圖

1.3 常規(guī)低密度/超低密度支撐劑存在的不足

一般認(rèn)為，體積密度對支撐劑類型的分類可以分為四種［3-4］，如表1所示。

表1 體積密度對支撐劑類型的分類

國內(nèi)外主要采用空心結(jié)構(gòu)或者包裹可水化的高分子材料［5-6］對支撐劑改性，從而提高滑溜水的攜砂能力。采用空心結(jié)構(gòu)降低支撐劑密度，支撐劑在裂縫中的沉降會明顯變慢，但空心結(jié)構(gòu)會使支撐劑抗壓能力降低，裂縫閉合后支撐劑容易變形、破碎，從而導(dǎo)致導(dǎo)流能力降低；采用包裹可水化的高分子聚合物，遇水快速溶脹，增大支撐劑所占體積，從而降低支撐劑整體密度，但裂縫中支撐劑充填層內(nèi)高分子聚合物若降解不徹底，不僅影響支撐裂縫導(dǎo)流能力，還會對儲層造成傷害。

因此，頁巖氣開發(fā)過程中應(yīng)加強(qiáng)頁巖氣壓裂改造理論、材料、裝備、工藝等方向的攻關(guān)與突破，豐富我國頁巖氣開發(fā)的增產(chǎn)改造核心技術(shù)，進(jìn)一步完善3 500 m以淺海相頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)，同時為3 500 m以深頁巖氣壓裂改造提供新的思路和方法，確保頁巖氣開發(fā)有序進(jìn)行。

2 新型超低密度支撐劑技術(shù)原理

針對壓裂支撐劑的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，探索出了以聚合物為基體，復(fù)合無機(jī)粒子制備超低密度高強(qiáng)度支撐劑的新思路。

通過懸浮聚合一步法合成了聚苯乙烯/炭黑復(fù)合微球作為石油壓裂用低密度支撐劑［7］，研究結(jié)果表明：制備的支撐劑圓球度高，形貌規(guī)整，改性炭黑粒子在基體中分散均勻，加入改性炭黑粒子后，可以減小支撐劑樣品的密度，并且改性炭黑的加入可以顯著改善支撐劑的力學(xué)性能和熱學(xué)性能，可以提高支撐劑的耐熱穩(wěn)定性，在最佳工藝條件下制備的支撐劑樣品熱失重速率明顯下降，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度上升，破碎率明顯下降。

3 新型超低密度支撐劑性能評價

3.1 支撐劑性能實驗評價

根據(jù)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》對40/70目新型超低密度支撐劑的密度、圓球度、濁度、酸溶解度、抗破碎率等基本性能進(jìn)行評價［8］，并與目前頁巖氣壓裂常用40/70目陶粒支撐劑技術(shù)參數(shù)進(jìn)行對比，如表2所示。結(jié)果表明，40/70目新型超低密度支撐劑各項技術(shù)參數(shù)均滿足相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，并且與目前頁巖氣壓裂常用40/70目陶粒支撐劑相比，由于新型超低密度支撐劑獨特的技術(shù)原理，在密度、酸溶解度、破碎率等方面具有明顯優(yōu)勢。

表2 支撐劑性能實驗評價及對比

3.2 導(dǎo)流能力實驗評價

根據(jù)SY/T 6302—2009《壓裂支撐劑充填層短期導(dǎo)流能力評價推薦方法》，使用依據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)研制的支撐裂縫導(dǎo)流儀，選用40/70目新型超低密度支撐劑和40/70目陶粒支撐劑進(jìn)行不同閉合壓力下導(dǎo)流能力的實驗［9］。實驗中支撐劑鋪置濃度設(shè)定為10.0 kg/m2，閉合壓力依次設(shè)為6.9 MPa、13.8 MPa、27.6 MPa、41.6 MPa、55.2 MPa、69 MPa，實驗流體介質(zhì)選用蒸餾水，支撐劑導(dǎo)流能力實驗評價結(jié)果及對比如圖2所示。由圖2可知，隨著閉合壓力增加，導(dǎo)流能力逐漸降低。總體來看，40/70目新型超低密度支撐劑在不同閉合壓力下的導(dǎo)流能力均略高于陶粒支撐劑的導(dǎo)流能力，具有較好的導(dǎo)流能力。

圖2 支撐劑導(dǎo)流能力實驗評價及對比

3.3 靜態(tài)沉降實驗評價

通過評價支撐劑在滑溜水中的靜態(tài)沉降速率，可以評價體積壓裂施工停泵后，支撐劑在裂縫中的沉降情況。將加入一定量的支撐劑放入裝有滑溜水的量筒中，記錄支撐劑完全沉降所用時間，支撐劑在壓裂液中的靜態(tài)沉降速率＝沉降距離/沉降時間。40/70目新型超低密度支撐劑與目前頁巖氣壓裂常用40/70目陶粒支撐劑的靜態(tài)沉降速率見表3。

表3 支撐劑靜態(tài)沉降實驗評價及對比

從表3可以看出，由于新型超低密度支撐劑密度和滑溜水密度較為接近，其在滑溜水中的沉降速率極其緩慢，超低密度支撐劑的沉降速率大約為陶粒支撐劑的1/20，壓裂施工結(jié)束后水力裂縫閉合時，有利于提高對其在縱向上的有效支撐。

3.4 縫內(nèi)流動實驗評價

利用支撐劑縫內(nèi)流動可視化裝置，模擬體積壓裂中一段人工裂縫，使用動力輸送系統(tǒng)將滑溜水和支撐劑以一定速度注入可視裂縫系統(tǒng)，通過可視裂縫系統(tǒng)的透明有機(jī)玻璃即可清晰觀察支撐劑在裂縫中的流動狀態(tài)以及運(yùn)移和鋪置狀況［10］。40/70目新型超低密度支撐劑和常用陶粒支撐劑在縫內(nèi)流動的實驗結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，40/70目新型超低密度支撐劑通過射孔孔眼進(jìn)入裂縫后，其沉降速率較低，基本保持水平向前運(yùn)移，砂堤高度低，在較小的實驗排量下，超低密度支撐劑也能順利進(jìn)入裂縫中，而目前頁巖氣壓裂常用40/70目陶粒支撐劑通過射孔孔眼后，由于其沉降速率較快，沉降在射孔孔眼附近，形成較高的砂堤，后續(xù)支撐劑通過對砂堤進(jìn)行沖刷、翻滾而逐漸向前推進(jìn)，大量支撐劑鋪置在近井地帶附近，并且當(dāng)實驗排量較小時，支撐劑不能通過水平管線進(jìn)入裂縫中?？傮w來看，由于新型超低密度支撐劑優(yōu)異的懸浮性能，壓裂施工過程中能有效地向裂縫深處運(yùn)移，有利于提高水力裂縫在水平方向上的有效支撐。

表4 支撐劑縫內(nèi)流動實驗評價及對比

4 效果模擬

為了深入研究新型超低密度支撐劑在形成較長支撐裂縫方面的特點，應(yīng)用三維壓裂軟件對40/70目新型超低密度支撐劑和40/70目陶粒支撐劑的應(yīng)用效果進(jìn)行對比，比較不同支撐劑壓裂后形成的裂縫形態(tài)及參數(shù)［11-12］。

4.1 氣井基本資料

Y202井是位于四川盆地九奎山構(gòu)造南翼鞍部的一口評價井，以評價該區(qū)域志留系龍馬溪組～五峰組頁巖分布及含氣性。該井完鉆井深3 655 m，完鉆層位奧陶系寶塔組，采用?139.7 mm套管完井，完井方式為射孔完井。儲層物性參數(shù)如表5所示。

表5 Y202井儲層物性參數(shù)

4.2 壓裂施工裂縫參數(shù)預(yù)測

選用新型超低密度支撐劑和陶粒支撐劑對Y202井進(jìn)行壓裂模擬分析。通過FracproPT軟件模擬預(yù)測，在滑溜水用量及泵注程序相同條件下，不同支撐劑條件下裂縫的擴(kuò)展形態(tài)較為接近，并且具有相似的裂縫縫長、縫高，但由于支撐劑鋪置結(jié)果不同，導(dǎo)致最終裂縫閉合后的縫寬和有效支撐縫長是不同的。采用新型超低密度支撐劑時，超低密度支撐劑在滑溜水中沉降速度慢，容易運(yùn)移至裂縫深部，最終形成的有效支撐裂縫窄且長，形成的有效支撐半縫長為335 m，有效支撐裂縫寬度為1.2 mm；采用陶粒支撐劑時，由于陶粒支撐劑在滑溜水中沉降速度快，堆積在近井地帶，最終形成的有效支撐裂縫寬而短，形成的有效支撐半縫長為146 m，有效支撐裂縫寬度為5 mm。新型超低密度支撐劑有效支撐裂縫長度為陶粒支撐劑的2.29倍，有利于增加有效的改造體積，從而獲得較好的改造效果。

5 結(jié)論

（1）針對深層頁巖氣的滑溜水沿程摩阻增大，施工排量受限，影響支撐劑在裂縫中的運(yùn)移，結(jié)合常規(guī)低/超低密度壓裂支撐劑的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，調(diào)研出了以聚合物為基體，采用懸浮聚合一步法合成了聚苯乙烯/炭黑復(fù)合微球，得到復(fù)合無機(jī)粒子作為超低密度高強(qiáng)度支撐劑的新思路。

（2）通過室內(nèi)評價實驗，新型超低密度支撐劑與目前常用陶粒支撐劑相比，在密度、酸溶解度、破碎率等方面具有明顯優(yōu)勢，其中在不同閉合壓力下的導(dǎo)流能力均略高于陶粒支撐劑，靜態(tài)沉降速率大約為陶粒支撐劑的1/20，縫內(nèi)流動實驗表明新型超低密度支撐劑有利于擴(kuò)大水力裂縫在水平方向上的有效支撐區(qū)域。

（3）利用FracproPT壓裂軟件進(jìn)行模擬分析，新型超低密度支撐劑形成的有效支撐裂縫窄且長，陶粒支撐劑形成的有效支撐裂縫寬而短，新型超低密度支撐劑有效支撐裂縫長度為陶粒支撐劑的2.29倍。

（4）通過室內(nèi)評價與可行性分析，新型超低密度支撐劑具備現(xiàn)場應(yīng)用的條件，可在深層頁巖氣井開展現(xiàn)場試驗，進(jìn)一步論證現(xiàn)場應(yīng)用效果，同時深化對新型超低密支撐劑的研究與認(rèn)識。