影响支撑剂长期导流能力的因素分析与探讨_温庆志

温度对支撑剂导 流能力的影响是非常 显著 的, 很多文献中都强调了温度的重要性。G. Spenny 认为, 在一定压力下, 时间和温度这两个基本 因素是导致长期导流能力下降的主要原因, 同时 也指出, 温度对短期导流能力的影响非常小。B. W. Dcdar iel 认为, 以前一些关于支撑剂导流能力 的资料是在环境温度下, 短时间内评价的, 因而比 实际的结果要乐观。让闭合压力的作用时间从 1 小时增加到 18 小时能极大地降低导流能力, 增加 高温作用的时间也能看到导流能力下 降非常之 大; 他还认为, 由于温度升高而导致的导流能力下 降是永久性的, 在温度下降之后也不会恢复。温度 改变流体( 气体、液体) 的粘度和密度, 并在一定条 件下改变支撑剂在液体中的溶解度, 随着时间的 延长这种作用将变得更加明显。试验表明, 导流能 力下降主要发生在前 20 小时, 此时支撑剂被挤压 碎并且重新组合, 降低了支撑剂的孔隙度, 而且破 碎颗粒堵塞了支撑剂的孔隙通道。20 小时后导流 能力下降的主要原因可能是颗粒运移所造成的。
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力增加。提高缝内砂浓度, 必然会加大闭合后的缝
宽, 也就增加了填砂裂缝的导流能力。
3. 2. 5 酸碱性 酸性环境将溶解支撑剂, 使支撑剂承受闭合
压力的能力降低, 同时使得支撑剂粒径变小, 这都
将减小裂缝的有效宽度。Cheung 认为: 不同浓度
的残渣, 这种残渣一是来自胶粉剂中水不溶物, 二 是破胶不完全所致。冻胶压裂液在裂缝壁上, 由于 滤失的作用而形成滤饼, 在此处聚集了大量的残 渣。滤饼和残渣影响流体的通过, 导致导流能力受 到不同程度的伤害。滤饼的存在也将减小裂缝的 有效宽度。如图 2 所示, 由于紧靠缝壁的那一层支 撑剂基本上被滤饼粘在一起, 相邻的那一层支撑 剂相对自由, 比较松散。因此, 导流能力和渗透率 下降的机理是由于滤饼沉积在井壁上而减小了支 撑裂缝的有效宽度。滤饼的伤害作用不完全取决 于支撑剂的类型, 对不同的支撑剂来说都有这种 问题, 主要是通过减少充填层的有效宽度来减小 导流能力的。Alm ond 和 Bland 报告了破胶温度 和破胶机理( 即氧化剂及酶素) , 在不同方式下使 瓜胶、改性瓜胶、纤维素等基础压裂液对于 2040 目砂支撑裂缝的流动伤害起了重要作用。Kim 和 L osacano 试验了 20- 40 目砂在各种压裂液、 多种闭合压力和温度条件下的伤害, 结果表明仅 由 于 压 裂液 残 渣 堵 塞, 导 流 能力 可 降 低 40 60% 。为了减少滤饼及压裂液残渣带来的伤害, 提 高支撑剂的缝内浓度是一个有效的途径。由于裂 缝的导流能力是缝宽与渗透率的体积, 所以在设 计及施工中无论提高缝宽或渗透率都可使导流能
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时间的长短对导流能力的影响是非常之大的, M . G. much 在测试 20- 40 目 Jo rdan 砂导流能力时 得到以下数据, 在 5000psi 闭合压力作用下, 短期 导流能力为 1958md- f t , 温度为 225℃, 经过 100 小时后, 在 5000psi 闭合压力作用下, 最终测得导 流能力下降了 51% , 为 969md- f t 。在 8000psi 闭 合后压力作用下, 砂粒的短期导流能力为 693m d - ft 经过 100 小时后, 导流能力为 211md- f t 下
关键词 支撑剂; 水力压裂; 导流能力; 油气增产
1 引言 水力压裂是油气增产、水井增注的有效措施,
在油田得到了越来越广泛的应用。支撑剂是实现 水力裂缝具有一定导流能力的关键因素。支撑剂 的作用在于泵注停止并且缝内液体排出后保持裂 缝处于张开状态, 地层内流体可以通过高导流能 力的支撑带由裂缝顶端流向井底。支撑剂性能的 好坏直接影响裂缝的长期导流能力, 如何判断和 评价支撑剂的性能, 对压裂施工显得尤为重要, 能 否正确提供支撑剂性能的准确资料, 将是决定压 裂成功与否的关键一环。本文将从支撑剂的颗粒 物性以及环境因素出发, 分析影响支撑剂长期导 流能力的各种因素, 为正确评价和选择支撑剂的
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3 影响支撑剂长期导流能力的因素 影响支撑剂导流能力的因系包括两个方面,
一方面是支撑剂本身的颗粒物性, 另一方面是环 境因素。本文将重点分析地层环境因素对支撑剂 的影响。 3. 1 影响导流能力的支撑剂颗粒物性
性能提供参考作用。 2 支撑剂的分类
支撑剂可分为天然和人造支撑剂, 天然砂包 括石英砂、核桃壳等, 石英砂适合于浅地层, 一般 不能超过 2000 米。国内常用的石英砂主要有兰州 砂、新疆砂、福州砂等。人造支撑剂有陶粒, 烧结铝 矾土等。新出现的第二代人造支撑剂: 树脂包层支 撑剂。这类支撑剂强度大, 在地层条件下能固化、 胶结, 可以防止破碎颗粒造成的地层堵塞, 同时, 树脂包裹层还可以减少地层液体对支 撑剂的腐 蚀, 这类支撑剂具有广泛的运用前景。表 1 反映了 天然和人工支撑剂的性质及矿物组成。
4. 3～9. 5
3. 15～3. 25 3. 6～3. 8
3. 15～3. 17
1 80 2～1 87 0 2 08 2～2 30 7 130～144. 0 1 64 8～1 92 2
3. 5～6. 1 3. 5～5. 0 0. 3～4. 6
最高使用应力 MPa
20. 7～34. 5 55
69～82. 7
支撑剂本身的颗粒物性很大程度上决定了上 期导流能力的大小, 归纳起来有如下几个方面。
( 1) 支撑剂的强度 ( 2) 粒径与粒径分布 ( 3) 质量 ( 4) 圆球度 ( 5) 支撑剂密度 ( 6) 其他因素, 如抗腐蚀等 3. 2 影响支撑剂导流能力的环境因素 国内外一些文献讨论过影响支撑剂导流能力 的各种因素。G. S. P enny 认为, 闭合压力、温度、 嵌入、以及压裂液滤饼、添加剂的性质极大地影响 着支撑剂的导流能力和渗透率。M . G. m uch 通过 实验, 试验了压力、温度、时间、嵌入以及胶结等因 素对导流能力的影响, 并分别就各种因素对导流 能力造成的损害程度进行了分析, 得出了相关的 结论。M . A. P arker 认为, 时间、温度、压力、胶液、 滤饼等因素是评价导流能力时应考虑 的主要因 素, 并且认为, 无论使用哪种支撑剂, 低铺砂浓度 都将由于胶液滤饼的存在而导致导流能力下降, 如果希望获得较高的导流能力, 就必须使用高铺 砂浓度。S. L . co bb 等强调了时间的重要性, 认为 短期导流能力尽管是在较高的压力和温度下, 并 在流体介质中进行评价的, 但也只能是较小程度 甚至是不能说明支撑剂的长期性能, 在较短时间 内, 可以达到适宜的温度和稳定的压力, 但支撑剂 重新结合, 矿物运移以及其他相关的现象却没有 足够的时间来发生。本文将从闭合压力、温度、时 间、支撑剂嵌入、压裂液滤饼、酸碱性、非达西流等 因素入手, 分析各因素对支撑剂长期导流能力的 影响。 3. 2. 1 闭合压力 闭合应力是裂缝闭合所产生的, 由地层传递
滤饼和裂缝中残渣将伤害裂缝渗透率, 减小 导流能力, 目前国内外大量使用水基压裂液, 其中 的成胶剂多数是天然植物粉剂, 如田菁、羟乙基田 菁粉、香豆子粉, 国外常用的是胍粉、羟基丙基胍 粉 ( HPG) , 也有一些合成的如纤维素( CM C) , 聚 丙烯酰胺( PA A) 等。天然植物胶中都有一定数量
表 2
闭合压力 ps i
5 00 0 8 00 0
M . G. much 测试 20- 40 目 Jordan 砂导流能力数据
温度 u
短期 导流能力 md- ft
作用时间 hour
短期导流能力 md- ft
2 25
19 58
10 0
Байду номын сангаас
96 9
2 25
69 3
10 0
21 1
下降百分比 %
51 37
的 HC1/ HF 可明显溶解支撑剂, 因而降低导流能 力。Nor ten- A lcoa 公司未经发表的工作成果提 出, 高硅支撑剂在盐水及高温条件下, 强度将严重
衰减。有试验表明, 在 66℃下, 砂粒支 撑剂放在 100ml 的静态的 HCL / HF 中溶液中, 经 30 分钟 后, 其重量减少了 5 克。这说明酸能够溶解支撑
由此可见, 时间的影响是非常之大的。因而可 以认为短期内测的导流能力并不能代表长期导流 能力。 3. 2. 3 嵌入
如果支撑剂嵌入裂缝缝壁, 有效缝宽将有所 下降, 引起导流能力下降, 同时嵌入还会使地层破 碎产生碎屑, 这些碎屑会堵塞孔隙通道, 引起渗透 率和导流能力降低。嵌入对导流能力的损害是非 常大的, 在 4000psi 闭合压力下, ISP 支撑剂嵌入 岩石 深度 为 0. 001 英寸, 而 当闭合 压力 增加 到 10000psi 时, 每个缝壁嵌入深度为 0. 0016 英寸总 嵌入深度为 0. 0032 英寸, 单独由于嵌入而导致导 流能力下降了 17% 。考虑岩石硬度和闭合压力等 多种因素的作用, 在较软或中硬地层中, 随着闭合 压力的增大, 嵌入将成为损害导流能力的主要因 素之一。 3. 2. 4 滤饼及填砂裂缝中残渣
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温庆志1, 王 强2
( 1. 石油大学, 北京 102249; 2. 胜利油田海洋钻井公司)
摘 要 支撑剂性能的好坏是油田水力压裂能否获得增产效果的关键因素之一, 因此, 正确评 价支撑剂的性能具有非常重要的意义。本文通过查阅大量的国内外文献, 归纳总结了影响支撑剂长 期导流能力的各种因素, 对正确评价支撑剂性能以及合理选择支撑剂具有一定的参考价值。
由于油井的周期性关井, 会产生交变应力, M . ouabdesselam 等人认为, 当交变的压力作用到 支撑剂时, 其导流能力将下降。渗透率受到伤害, 充填缝宽减小, 这些都将在裂缝受到交变载荷时 发生。他们还认为, 支撑剂和地层物质因交变应力 的作用而产生疲劳破坏, 这将导致流体通道坍塌, 支撑剂嵌入岩石, 从而引起支撑剂渗透率和缝宽 下降。 3. 2. 2 温度和时间