摘要：水力壓裂支撐劑作為一種用來(lái)支撐水力裂縫的關(guān)鍵材料，直接影響到壓裂改造效果和壓裂成功率?；赮S112區(qū)塊相鄰YS112H2、H3、H6、H7等平臺(tái)的壓裂取得的認(rèn)識(shí)，以提產(chǎn)、降本、增效為主要目的，開展石英砂替代陶粒先導(dǎo)試驗(yàn)，助推平臺(tái)低成本高效增產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)通過對(duì)YS112H4平臺(tái)所選取的H1、H3、H5三口井進(jìn)行30余次的壓裂，通過對(duì)100目石英砂、40/70目石英砂、40/70目低密度陶粒的合理分配，使壓裂井的產(chǎn)能盡可能達(dá)到最大。研究結(jié)果表明，采用100目石英砂、40/70目低密度陶粒方案，既能保證最大的日產(chǎn)能和累計(jì)產(chǎn)能，同時(shí)也保證了支撐劑的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)層改造；壓裂施工；支撐劑優(yōu)選

中圖分類號(hào)：TE357.1+2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2024）10-0121-04

Analysis and evaluation of influencing factors of shalereservoir proppant selection after fracturing

GE Jingnan1，LIU Chen1，JIANG Ming1，CHEN Zhao1，SUN Ting2（1. PetroChina Zhejiang Oilfield Company Co.，Ltd.，Hangzhou 310000，China；2. China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China）

Abstract：As a key material used to support hydraulic cracks，hydraulic fracturing proppant directly affects the ef?fect of fracturing transformation and the success rate of fracturing. Based on the understanding obtained by fractur?ing adjacent YS112H2，H3，H6，H7 and other platforms in YS112，with the main purpose of improving production，reducing costs and increasing efficiency，a pilot test of quartz sand replacing ceramic grains was carried out to pro?mote the low-cost and efficient production increase of the platform. In this experiment，more than 30 fracturing ofthe H1，H3 and H5 wells selected by YS112H4 platform were carried out，and the production capacity of the fractur?ing well was maximized through the reasonable allocation of 100 mesh quartz sand，40/70 mesh quartz sand and 40/70 mesh density ceramic particles. The results showed that the use of 100 mesh quartz sand and 40/70 meshlow-density ceramic particles could not only ensure the maximum daily production capacity and cumulative produc?tion capacity，but also ensure the economy of proppant.

Key words：reservoir stimulation；fracturing treatment；proppant selection

支撐劑的性能直接影響壓裂效果的好壞，對(duì)于增產(chǎn)至關(guān)重要。支撐劑的抗破碎能力和導(dǎo)流能力是評(píng)價(jià)支撐劑性能的2個(gè)主要指標(biāo)[1]。目前常用的水力壓裂支撐劑一般為石英砂和陶粒。石英砂的制備過程比較簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性比較好，但是表面的粗糙程度不均勻，從而導(dǎo)致石英砂的導(dǎo)流能力弱于陶粒。同時(shí)石英砂的抗破碎率比較低，所以在相同的閉合壓力下，石英砂抗壓能力更小。陶粒的性能在各方面都要優(yōu)于石英砂，但是由于燒制過程比較繁瑣，經(jīng)濟(jì)性不好。影響支撐裂縫導(dǎo)流能力的因素主要分為人為可控因素和不可控因素2個(gè)方面。而在本實(shí)驗(yàn)中地層條件均為不變量，主要變量為支撐劑粒徑和閉合壓力[2]。為了更好地指導(dǎo)支撐劑的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，本文從支撐劑的類別、支撐劑的組合和壓后評(píng)估出發(fā)對(duì)支撐劑進(jìn)行評(píng)價(jià)優(yōu)選，為支撐劑使用提供理論指導(dǎo)。

1支撐劑的分析與優(yōu)選方案

1. 1支撐劑目數(shù)的影響

天然裂縫的動(dòng)態(tài)開啟寬度主要根據(jù)地應(yīng)力剖面來(lái)判斷，需要考慮最大、最小主應(yīng)力大小差距或者最小主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的大小差距。當(dāng)然，此時(shí)如果采用70～140目的段塞顆粒，需要更多的體積；如果單純采用40～70目的顆粒，則液體仍然能夠透過陶粒封堵層快速濾失，如果采用40～70目與70～140目的混合支撐劑段塞，從理論上說(shuō)封堵效果更好[3]。在不同粒徑組合與鋪砂模式下，隨著大粒徑支撐劑含量的增加，導(dǎo)流能力逐漸增強(qiáng)，正向分段鋪置始終保持最高的導(dǎo)流能力。在施工現(xiàn)場(chǎng)考慮多級(jí)壓裂時(shí)，應(yīng)該先采用低濃度大粒徑支撐劑，再采用高濃度小粒徑支撐劑[4]。

1. 2經(jīng)驗(yàn)公式的建立

為預(yù)測(cè)其他粒徑支撐劑和不同粒徑支撐劑組合的導(dǎo)流能力，降低實(shí)驗(yàn)成本，將實(shí)驗(yàn)獲得的不同粒徑支撐劑導(dǎo)流能力隨閉合壓力變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行公式擬合，得到一套支撐劑導(dǎo)流能力的經(jīng)驗(yàn)公式[5-6]。

若為單一粒徑，則

若為組合粒徑，則

A=F（X1d1max-Yd1min）+F（X2d2max-Yd2min）B=Pm2-Qm+R（3）m=[F（1d1max-d1min）+F（2d2max-d2min）]2

式中：CD表示導(dǎo)流能力，μm2·cm；σ表示有效閉合壓力，MPa；A、B為中間變量；X、Y、P、Q、R表示系數(shù)；F1、F2表示不同粒徑支撐劑比例；dmax表示支撐劑最大粒徑，μm；dmin表示支撐劑最小粒徑，μm。

從不同粒徑支撐劑組合下，可看出整體上也呈現(xiàn)出隨閉合壓力增大而導(dǎo)流能力降低的趨勢(shì)，且不同組合的支撐劑導(dǎo)流能力介于該組合的最大最小支撐劑的導(dǎo)流能力區(qū)間之內(nèi)，即有大粒徑支撐劑參與的組合，其導(dǎo)流能力整體上處于更高的水平[7]。經(jīng)驗(yàn)公式中各系數(shù)值見表1。

1. 3支撐劑優(yōu)選原則

在支撐劑優(yōu)選過程中，除了要保證導(dǎo)流能力達(dá)到要求外，還要盡量減小攜砂液泵入時(shí)的施工難度，減小攜砂液的沉降速率，保證大部分支撐劑進(jìn)入裂縫，起到支撐裂縫的作用。因此確定了如下6條支撐劑的優(yōu)選原則：（1）優(yōu)先選擇符合導(dǎo)流能力要求的支撐劑粒徑或組合；（2）優(yōu)先選擇施工風(fēng)險(xiǎn)小的支撐劑粒徑或組合；（3）優(yōu)先選擇鋪砂濃度較低的支撐劑粒徑或組合；（4）優(yōu)先選擇小粒徑的支撐劑；（5）優(yōu)先選擇小粒徑的支撐劑組合，而非單一的大粒徑支撐劑；（6）優(yōu)先選擇小粒徑支撐劑所占比例大的組合。其中（2）、（3）、（4）、（5）、（6）這5條優(yōu)選原則是為了降低泵入難度，減小支撐劑沉降率以及降低施工成本[8-9]。

1. 4支撐劑組合性能分析

不同粒徑不同密度不同材質(zhì)的支撐劑擁有不同的導(dǎo)流能力，經(jīng)過組合混用應(yīng)符合以下規(guī)律。

（1）不同粒徑的陶粒導(dǎo)流能力有較大差別，并且整體上表現(xiàn)為隨著閉合壓力增大，導(dǎo)流能力差別縮小的特點(diǎn)。在超過50 MPa的高閉合壓力下，大粒徑支撐劑更容易產(chǎn)生變形和破碎、堵塞、支撐孔喉變小，進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)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(dǎo)流能力隨閉合壓力增大而下降的幅度較小[10]；

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

（3）當(dāng)支撐劑粒徑差別大時(shí)，小粒徑支撐劑會(huì)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(dǎo)流能力較低；

（4）從不同粒徑陶粒組合的導(dǎo)流能力對(duì)比可知，某一粒徑支撐劑占比更高時(shí)，則該支撐劑組合的導(dǎo)流能力值更接近于占比更高的支撐劑[11-12]。

2 YS112H4平臺(tái)綜合認(rèn)識(shí)與選型

2. 1實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

YS112H4平臺(tái)采用3口井拉鏈壓裂模式，由于H4-1井和H4-3井優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇長(zhǎng)度相近，具有良好的對(duì)比基礎(chǔ)，具備良好的縮短簇間距和石英砂替代陶粒試驗(yàn)條件，而H4-5井鉆遇多個(gè)小層，且在2818.7 m、4045 m鉆遇2個(gè)斷層，井筒情況較為復(fù)雜，因此H4-1井采用5簇射孔以及石英砂加陶粒的壓裂工藝，H4-3井采用5簇射孔以及全程石英砂的壓裂工藝，H4-5井采用常規(guī)的3簇射孔以及石英砂加陶粒的壓裂工藝。經(jīng)論證YS112H5-5井同時(shí)滿足H4平臺(tái)3口井微地震監(jiān)測(cè)要求，故選擇該井為平臺(tái)監(jiān)測(cè)井。以提產(chǎn)、增效為主要目的，開展石英砂替代陶粒、高密度裂縫完井、提高加砂強(qiáng)度等新技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，推動(dòng)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層體積壓裂技術(shù)發(fā)展，支撐昭通示范區(qū)頁(yè)巖氣高質(zhì)量建產(chǎn)工作。

壓裂液體系以滑溜水為主，現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備線性膠、弱凝膠和鹽酸作為施工復(fù)雜情況處理備用；支撐劑為70/140目粉砂、40/70目石英砂和40/70目陶粒；設(shè)計(jì)施工排量10～14 m3/min，施工壓力不超過90 MPa，采用段塞式+連續(xù)加砂模式；5簇壓裂時(shí)，以單段2230 m3壓裂液，150.3（t 97.0 m3）支撐劑為主體規(guī)模；3簇壓裂時(shí)，以單段1680 m3壓裂液，100.5（t 64.8 m3）支撐劑為主體規(guī)模。

2. 2支撐劑方案的建立與選型

由于YS112H4平臺(tái)的3口實(shí)驗(yàn)井的水平地應(yīng)力差比較小，凈壓力比較大，采用40～70目與70～140目的混合支撐劑作為實(shí)驗(yàn)方案。不同種類不同目數(shù)支撐劑在既定閉合壓力下的導(dǎo)流能力如圖1所示。

由圖1可知，通過計(jì)算和模擬看出，相同目數(shù)

的陶粒和石英砂在導(dǎo)流能力方面，陶粒要遠(yuǎn)大于石英砂。這是得益于低密度陶粒更大的抗壓能力，在相同閉合壓力下給壓裂液提供更大的儲(chǔ)層改造體積。雖然70/140石英砂的導(dǎo)流能力低，但是粒徑越小抗壓越大，可以給支撐劑提供更大的降濾、轉(zhuǎn)向作用。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（1）～公式（3）計(jì)算模擬得到的各粒徑支撐劑導(dǎo)流能力如圖2所示。

由圖2可知，誤差大部分控制在20%以內(nèi)，閉合壓力越大，由經(jīng)驗(yàn)公式得到的支撐劑導(dǎo)流能力誤差越小。40～70陶粒100石英砂和40～70陶粒100陶粒的2種方案在相同閉合壓力的條件下要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于40～70石英砂100石英砂。當(dāng)閉合壓力超過6000 psi時(shí)，閉合壓力越大，40～70陶粒100石英砂方案與40～70陶粒100陶粒方案的導(dǎo)流能力差距越小?？紤]到石英砂和陶粒的經(jīng)濟(jì)性與制取難度，預(yù)測(cè)40～70陶粒100石英砂方案效果更好。

2. 3支撐劑優(yōu)選

YS112H4平臺(tái)最小主應(yīng)力56～69 MPa左右，考慮井底流壓20 MPa，則有效閉合壓力達(dá)到36～49 MPa左右。頁(yè)巖壓裂形成的裂縫寬度較小，特別是支縫和微縫系統(tǒng)，且對(duì)導(dǎo)流能力要求低，多采用小粒徑支撐劑?；锼?dāng)y砂性能較差，為提高支撐劑運(yùn)移距離以及鋪置效果，優(yōu)先考慮低密度支撐劑。綜合以上要求，為實(shí)現(xiàn)各級(jí)裂縫的有效支撐，總體原則采用混合粒徑支撐劑。100目石英砂支撐劑除支撐分支裂縫外，兼具打磨炮眼和近井裂縫的作用，有利于降低施工壓力，而且100目石英砂支撐劑的降濾、轉(zhuǎn)向作用，有利于提高裂縫復(fù)雜程度。40/70目低密陶粒支撐劑用于支撐主裂縫，提高主裂縫導(dǎo)流能力，建立縫網(wǎng)和井筒流動(dòng)通道[14-15]。YS112H4平臺(tái)壓裂用支撐劑主要性能如表2所示。

2. 4支撐劑用量分析

單段砂量與單段液量相關(guān)性不強(qiáng)；100目粉砂用量占支撐劑總用量的43.7%。YS112井區(qū)各段用液量與加砂情況分析如圖3所示。

3壓后測(cè)評(píng)分析

通過對(duì)比3口井的日產(chǎn)能數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，H4-1井的日產(chǎn)能和總產(chǎn)能要大于其他2口井。H4-5井作為對(duì)照組采用3簇射孔，日產(chǎn)能低于5簇射孔的H4-1井與H4-3井。H4-1井與H4-3井分別采用70～140目石英砂、40～70目陶粒與70～140目石英砂、40～70目石英砂。H4-1井的日產(chǎn)能下降速度明顯低于H4-3井，是歸于40～70陶粒的優(yōu)異導(dǎo)流能力，用于支撐主裂縫，建立縫網(wǎng)和井筒流動(dòng)通道。而70～140目石英砂既保證了經(jīng)濟(jì)性，又提供降濾、轉(zhuǎn)向作用，有利于提高裂縫復(fù)雜程度[15-16]。雖然隨著閉合壓力的增大，鋪砂濃度對(duì)導(dǎo)流能力的影響有所下降，但是總體的趨勢(shì)還是鋪砂濃度越大，其對(duì)應(yīng)的導(dǎo)流能力也就越大。組合支撐劑中陶粒占比對(duì)導(dǎo)流能力具有正面影響[17]。

通過試驗(yàn)結(jié)果得出，先小后大組合的支撐劑對(duì)于復(fù)雜裂縫的支撐效果最好，70～140目的支撐劑在復(fù)雜裂縫中有較好的運(yùn)移能力，而40～70目支撐劑主要依靠重力作用進(jìn)入分支縫而形成斜坡狀砂堤；先大后小組合的支撐劑既不利于近井裂縫支撐，也會(huì)影響后期小顆粒支撐劑在分支縫中的運(yùn)移；混合組合支撐劑會(huì)形成分選，呈層疊狀分布，從而限制小顆粒支撐劑的運(yùn)移。YS112H4-1、3、5井模擬日產(chǎn)能對(duì)比如圖4所示。

5結(jié)語(yǔ)

（1）試驗(yàn)通過采用40/70目低密度陶粒、70～140目石英砂，既保證了較高的導(dǎo)流能力，又提高了支撐劑的降濾、轉(zhuǎn)向作用，降低了施工壓力；

（2）現(xiàn)場(chǎng)施工達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，未出現(xiàn)砂堵和丟段情況；

（3）改進(jìn)工藝參數(shù)有提升單井產(chǎn)量效果，如提高加砂強(qiáng)度，縮小裂縫距離；

（4）H4-1井測(cè)試產(chǎn)量可穩(wěn)定在35萬(wàn)m3/天，H4-3井測(cè)試產(chǎn)量可穩(wěn)定在16萬(wàn)m3/d，H4-5井測(cè)試產(chǎn)量可穩(wěn)定在10萬(wàn)m3/d。其中H4-1井無(wú)論是測(cè)試產(chǎn)量還是累計(jì)產(chǎn)量在YS112井區(qū)均屬于最高產(chǎn)井；

（5）今后研究方向，進(jìn)一步探索水力壓裂裂縫監(jiān)測(cè)效果評(píng)價(jià)新技術(shù)，例如水平井套管外光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)等。

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