压裂液返排试验及返排制度优化研究

＊尹国君 许庆双 范传雷

（中国石油吉林油田油气工程研究院 吉林 138000）

压裂液返排试验及返排制度优化研究

＊尹国君 许庆双 范传雷

（中国石油吉林油田油气工程研究院 吉林 138000）

试验结果显示，合理的返排液体粘度应小于5mPa·s；支撑剂回流主要发生在排液初期；初期合理的返排速度控制在0.2m3/min，控制油嘴不大于3mm；作用在支撑剂有效应力大于6mPa后，返排出砂状况明显降低；若压裂过程加入纤维，可更有效控制支撑剂回流。试验结果对压裂液返排施工具有很好的指导意义。

低渗透；压裂返排；返排液体粘度；返排速度；返排

1.试验装置及材料

裂缝模拟试验装置主要是压裂返排模型：基本尺寸为长350cm，宽120cm，高30cm。

其它配套的试验设备有：恒流柱塞泵（0～1500ml/ min）；液压机（0～150mPa）。

试验材料：支撑剂选用吉林现场20/40目陶粒；模拟试验装置出口端流出36L液体。

2.试验方法

利用裂缝导流能力模拟试验装置，模拟压裂施工的返排过程，通过改变不同的参数条件，分析返排液速度、返排液粘度、作用于支撑剂的有效应力等因素对支撑剂回流的影响程度，为压裂施工合理返排制度优选提供依据。

3.试验操作步骤

(1)支撑剂的铺置

(2)压裂液的制备

(3)测量过程

①将试验装置装载到液压机上，加载试验方案中设计的有效应力，连接好管线；②在大流量恒流柱塞泵上设定流量20ml/min，开通前侧和上下两侧的开关，启动柱塞泵，以小流量将压裂充填模型室充满液体，模拟施工停泵后压裂液和支撑剂在地层中的情况；③将大流量恒流柱塞泵的流量设定为方案设计的相应返排速度，根据不同返排时间，在试验装置出口端收集流出的支撑剂，当返排液量达到设计数值时停泵，返排结束；④沉淀、过滤、烘干、称量回流出来支撑剂质量；⑤完成上述试验步骤后，再进行下一组试验；⑥每组试验重复3次，结果取平均值。

4.试验结果与分析

(1)返排液粘度影响试验分析

铺砂浓度10kg/m2，返排液速度从50ml/min增加到1000ml/min，试验结果如下。

随着返排液粘度的增大，支撑剂回流量增大。相同粘度下的流速越大，回流砂量越大；当粘度在5mpa·s以内，回流量较小；当粘度大于5mpa·s，曲线的斜率增大，粘度影响程度增强，回流量随返排粘度的增大而迅速增多。返排液粘度越大，使得裂缝中压裂液的压力梯度越大，压裂液的粘滞阻力增加，压裂液返排速度越大，压裂液的粘度越高，流动过程中流动阻力就越大，这相当于使支撑剂回流动力增加，使得支撑剂回流量越大。

因此，将5mPa·s粘度定为控制支撑剂回流临界值，返排粘度需控制在5mpa·s以下。

(2)返排液速度影响试验分析

铺砂浓度10kg/m2，返排液速度从50ml/min增加到1000ml/min，返排时压裂液的粘度5mpa·s，作用于支撑剂的有效应力10mPa(作用于支撑剂上的应力)。测量不同返排速度的支撑剂回流量。试验结果如下。

图1 返排液速度对返排影响

从图1中可以看出，随着压裂液返排速度增大，支撑剂总回流量逐渐增大。当返排速度为50ml/min时，总回流量为2．20g，当返排速度增大到1000ml/min时，总回流量达到62．41g，是前者的28．3倍。压裂液返排速度越大，压裂液对支撑剂的拖曳力作用越强，导致回流量越大。压裂液返排速度是影响支撑剂回流的一个决定性影响因素。

随着返排速度的增大，支撑剂回流量增加的幅度增大，影响程度增强。返排速度在50ml/min至100ml/min和300ml/ min至400ml/min，曲线斜率增幅均变化较大，当返排速度大于50ml/min时，曲线斜率增幅较大，100ml/min至300ml/ min，曲线斜率平缓，大于400ml/min时，曲线斜率增幅较大。因此可以确定返排速度300ml/min为控制支撑剂回流的最大临界流量。

(3)不同返排时间段影响试验分析

铺砂浓度10kg/m2，返排液速度500ml/min，其它参数同上。测量不同返排速度的支撑剂回流量。试验结果如图2所示。

图2 返排时间对返排影响

从图2可以看出，支撑剂回流量主要阶段集中在压裂液返排初期，当返排液时间60min内，支撑剂回流量随着时间的增加迅速降低，返排时间超过60min后，随着返排时间增加，支撑剂回流量明显降低。返排时间210min之后，支撑剂回流量几乎为0。分析在返排初期，支撑剂充填层还没有完全压实，因此在返排初期尤其60min内，控制放喷速度可以减少支撑剂返排，后期可提高返排排量。

综上所述，应考虑在压裂液返排初期选用小油嘴控制支撑剂回流，裂缝基本闭合后可考虑返排，在不出砂的前提下，可以适当增大返排速度以实现压裂液尽快返排，减少对地层的伤害。

(4)有效应力影响试验结果分析

铺砂浓度5kg/m2，压裂液返排速度取值为200ml/min，返排液粘度5mpa·s，闭合压力取值0～10mPa，试验结果如下图所示。

图3 返排时间对返排影响

从图3可以看出，随着作用于支撑剂的有效应力的增大，支撑剂总回流量逐渐减小。从图中可以看出当有效应力小于mPa时，支撑剂回流量较大，当有效应力大于6mPa后，200ml/min条件下，回流量从0．86g减小至0．47g，回流量的减小在该点发生跃变，而后随有效应力的增大而近似呈线性减小。在现场压裂返排施工时，应选择作用于支撑剂的有效应力达到6mPa后，再安排返排工作，有利于控制支撑剂的回流量。

(5)加入纤维后的试验结果及分析

铺砂浓度10kg/m3，有效应力6mPa，压裂液粘度20mpa·s采用的返排速度从50ml/min增加到1000lm/min，试验结果如图所示。

从图4中可以看出，返排速度低于300ml/min，没有支撑剂流出，当返排速度大于300ml/min后，仅有几个支撑剂颗粒流出，在返排流速1000ml/min时候，也仅有很少支撑剂流出，说明加入纤维能够很好的控制支撑剂回流。

图4 有效应力对返排影响

试验还发现，其它条件不变，即使返排粘度达到100mpa·s时，也仅有少量支撑剂流出，说明加入纤维能够很好解决粘度较高的返排液的支撑剂回流。

5.结论与建议

(1)压裂液返排速度是影响支撑剂回流的决定性影响因素。初期返排速度应小于50ml/min为宜。

(2)压裂返排液彻底破胶，返排时粘度控制在5mpa·s以下为宜。

(3)支撑剂返出主要在返排初期，返排时间应控制在裂缝基本闭合后，在不出砂的前提下，可以适当增大返排速度以实现压裂液尽快返排。

(4)现场压裂返排施工时，应选择作用于支撑剂的有效应力达到6mPa后，再开始返排，有利于控制支撑剂的回流量。

(5)压裂液中加入纤维，能够极大地降低支撑剂回流。

尹国君（1971～），男，中国石油吉林油田油气工程研究院，研究方向：天然气试采气工艺技术研究与应用。

责任编辑李鹏波）

Study of Fracturing and Flowback Experiment and Flowback System Optimization

Yin Guojun, Xu Qingshuang, Fan Chuanlei
（PetroChia Jilin Oil Field and Oil Gas Engineering Institute, Jilin, 138000）

the test results show that the flowback liquid viscosity should be less than 5mPa·s reasonable; proppant backflow occurs mainly in the discharge period; early reasonable return control in 0.2m3/min speed control nozzle is not greater than 3mm; role in supporting agent effective stress is greater than 6mPa, the reverse flow condition of sand fracturing if reduced obviously; the process of adding fiber, can effectively control the backflow of proppant. The experimental results have a good guiding significance for the flowback of fracturing fluid.

low permeability；fracturing and flowback；flowback fluid viscosity；flowback speed；flowback低渗透储层通常需要压裂才能进行有效开发，其中压裂后滞留在地层、裂缝及井筒液体的返排对压裂的有效开发影响较大。为了防止压裂液对储层污染，一般在压裂施工结束后尽快组织放喷返排工作，如果不当或者压裂裂缝没有闭合，通常会发生支撑剂回流，导致大量的支撑剂回流到井筒，降低裂缝内铺砂浓度，严重情况下会填埋储层，甚至会对地面设备及管汇造成严重损害。针对上述问题，通过室内物理模拟试验研究确定压裂液的返排参数等因素对支撑剂回流的影响规律，进而提出控制支撑剂回流的返排时机和返排制度方案，对压裂液返排施工具有指导意义。

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