高通道压裂非均匀铺砂技术研究进展

浮历沛，张贵才，葛际江，廖凯丽，李侠清

(中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580)



高通道压裂非均匀铺砂技术研究进展

浮历沛，张贵才，葛际江，廖凯丽，李侠清

(中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580)

高通道压裂技术已成为开发非常规油气资源的重要增产措施。非均匀铺砂技术是高导流裂缝通道形成的关键。在系统调研非均匀铺砂技术相关文献的基础上，从工艺技术、压裂液改进技术及支撑剂表面改性技术3个方面，阐述了支撑剂“团簇”的形成、保持与强化技术的最新研究进展。指出非固化树脂聚砂技术和降低电位聚砂技术是实现非均匀铺砂的关键，是未来支撑剂改性的方向，并从支撑剂改性机理、技术优点及现场应用3个方面综述了上述2种支撑剂改性技术。分析了非均匀铺砂技术及支撑剂表面改性技术所存在的问题及发展趋势，以期为国内高通道压裂技术的推广应用提供一种新的思路。

高通道压裂；非均匀铺砂技术；支撑剂表面改性；脉冲加砂；综述

0 引 言

近年来，随着常规油气田的开发相继进入中后期，如何高效地开发致密油、页岩气、致密气、煤层气等非常规油气资源是石油工业面临的一项重要挑战。中国非常规油气资源非常丰富，但勘探开发技术相对落后，成功开采这些油气资源，对降低原油对外依存度、增强国家能源安全具有重要意义。

水力压裂技术是开发非常规油气资源的重要增产措施。提高支撑剂充填层的导流能力是水力压裂设计及研究的重点。前人围绕该问题先后开展了以下工作：①以降低压裂液返排过程中对支撑剂携带作用为目标的高效破胶剂研究；②以改善压裂液返排率降低储层伤害性为目标的高性能助排剂研究；③以增大裂缝几何体积为目标的高强度、低密度支撑剂研究；④以降低支撑剂回流率、保持裂缝形态为目标的支撑剂表面改性技术研究。但其现场增产效果远未达到预期[1-3]。针对裂缝闭合后人工裂缝导流能力较低的问题，斯伦贝谢公司的研究人员在前人研究的基础上，整合了加砂、携砂、射孔、铺砂等技术，于2010年提出了高通道压裂技术。该技术彻底颠覆了通过改善支撑剂充填层导流能力来获得高导流裂缝通道的传统认识，改以往的均匀铺砂为非均匀铺砂，在裂缝中形成多个分散的“砂柱”，使裂缝由“面”支撑变为“点”支撑，在“砂柱”间形成具有无限导流能力的油气运移通道，最大限度地降低油气运移阻力，从而大幅提高油气产量[4]。经过近几年的发展，该技术已成为开发非常规油气资源的重要手段。

非均匀铺砂技术最早由Tinsley于1973年提出，随后Willianm、Fast和Pugh分别在20世纪70年代进行了几次现场试验，但受限于当时的技术，并未实现规模应用[5-9]。作为高通道压裂技术的关键技术，非均匀铺砂技术直接决定着高导流裂缝通道能否形成与长期保持，因此，开展非均匀铺砂技术的研究可为加速高通道压裂技术的推广应用提供一定的理论基础。

1 工艺技术

非均匀铺砂技术的实现主要依赖3种途径：首先，通过采取特定的工艺技术使支撑剂实现“抱团”，在井筒或裂缝中以支撑剂“团簇”的状态运移；其次，通过对压裂液性能的改善，增大其顶替携砂能力，以阻止支撑剂“团簇”在运移过程中受剪切作用而发生分散；最后，通过对支撑剂进行表面改性，赋予其聚砂性能，当压裂液开始破胶后，支撑剂颗粒在裂缝闭合过程中仍能以“团簇”的状态存在[10]。

主要通过以下工艺实现支撑剂“抱团”，并使其以支撑剂“团簇”的状态存在于井筒及裂缝中。首先，通过脉冲加砂技术使支撑剂在地面上即被人为地分为多个支撑剂段塞。 脉冲加砂工艺原理如下：纯净压裂液和含有支撑剂的压裂液分别从2根管线汇入高频转换开关，然后流入泵车组，最后在远高于地层破裂压力的情况下将其注入裂缝[11]。在此过程中，纯净压裂液及含有支撑剂的压裂液在高频转换开关的作用下以较高的转换频率交替注入，在到达井口前形成多个支撑剂段塞。其次，采用特殊的完井工艺使支撑剂段塞进入裂缝前由支撑剂大段塞分隔为体积更小的“团簇”。因为尽管交替注入时能实现高频转换，但所形成的支撑剂段塞中支撑剂含量仍较高，裂缝闭合后可能被“压扁”而形成均匀铺砂。与常规压裂中的连续大段射孔工艺不同，高通道压裂采用多簇射孔工艺[12]。其目的在于可使携砂液在通过套管时形成数量众多且分布较短的进液口。当支撑剂段塞以较高的速度通过射孔段时，通过孔眼的筛分作用，对携砂液实现分流，以多股分散液流的形式注入裂缝，实现支撑剂“团簇”的二次分割。另外，多簇射孔技术还能改善支撑剂在垂向上的分布，有利于增大缝宽。

2 压裂液改进技术

2.1 伴注纤维

鉴于支撑剂回流控制技术中纤维对颗粒有较强的包裹能力，Gillard等[13]提出在含有支撑剂段塞的压裂液中伴注纤维的方法使支撑剂在井筒及裂缝运移过程中保持“团簇”状态。其机理在于纤维的加入能改变支撑剂颗粒的流变学性质，增大砂团的屈服应力，减小支撑剂在压裂液中的沉降速度，防止支撑剂在井筒中分散，同时可降低因储层壁面对支撑剂“团簇”的剪切作用而使砂团分散的风险[14]。另外，纤维形成的相互交错的网络结构对支撑剂颗粒有较好的包裹和束缚作用，在裂缝闭合后，可增强砂柱的稳定性。

纤维对支撑剂颗粒的作用主要是通过物理束缚使支撑剂“抱团”，由于未发生任何化学交联反应，因此对储层伤害不大。王熙指出[15]，由于混砂机及运移过程中的剪切作用，易导致纤维发生断裂，纤维长度的减小会极大地降低其对支撑剂颗粒的包裹和束缚性能。另外，当纤维在地层条件下发生降解时，“砂柱”就失去了束缚，在此情况下若储层应力发生周期变化，则会引起支撑剂回流、油气运移通道减小和裂缝缝宽变小，从而导致裂缝导流能力降低[16]。

2.2 增大压裂液黏度

支撑剂“团簇”在井筒及裂缝中运移时，由于井筒及储层壁面的剪切作用，导致支撑剂“团簇”可能会发生分散，无法形成分散连续的“砂柱”，减少油气运移通道；同时也可能出现支撑剂聚并，段塞消失，导致裂缝闭合时支撑剂以均匀铺砂的形式支撑裂缝。针对纯净压裂液段塞无法很好地分隔支撑剂段塞的问题，Inyang[9]通过大幅提高纯净压裂液的黏度研究了纯净压裂液对携砂液的分隔作用。结果表明，增大纯净压裂液的黏度，使其远高于携砂液的黏度，能够改善纯净压裂液对支撑剂段塞的分隔作用，保证支撑剂在运移过程中以“团簇”形态存在。

3 支撑剂表面改性技术

3.1 非固化树脂聚砂技术

3.1.1 改性机理

Pope[17]早在1987年就已研究将树脂覆膜支撑剂技术用于控制支撑剂回流。经过近几十年的发展，形成了以环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂及糠醛树脂等为覆膜剂的预固化树脂覆膜支撑剂技术和液体树脂覆膜支撑剂技术，在控制支撑剂回流方面均取得了较好的效果。Copper等[18]以水溶性树脂为主剂制备了支撑剂水基表面改性剂，在不添加固化剂的情况下，对支撑剂进行表面改性。通过流动冲砂实验，得出该非固化水溶性树脂仍能达到与可固化树脂覆膜支撑剂相同的支撑剂回流控制性能，另外，依靠非固化树脂的黏性作用，还能有效阻止微粒运移，保持裂缝清洁。Vo等[19]研究了将非固化树脂与可固化树脂复配体系用以处理支撑剂回流及改善充填层的导流能力，由于可固化树脂的引入，支撑剂充填层的导流能力大幅提高。

Nguyen等[20]首先提出使用聚酰胺类非固化树脂对支撑剂进行表面改性处理。该树脂是一种新型可再生的聚酰胺类共聚物(主要成分为脂肪酸与聚胺的共聚物，其分子质量约为50 000 g/mol)，对人体无害，对环境友好。此类共聚物不溶于原油及储层中的其他流体，且具有较好的耐酸碱能力。通过对加入聚酰胺树脂前后压裂液特性的变化进行研究，指出压裂液的流变性并未发生明显改变，此类表面处理剂与压裂液具有较好的配伍性。当表面改性剂涂敷于支撑剂表面后，由于石英砂表面的亲水性，极性主链在支撑剂表面铺展，同时相邻颗粒表面覆膜层的疏水支链相互缠绕，形成浓密的疏水支链“团簇”。此时，相邻的碳原子相互键合，形成独特的“分子钩锁系统”，这样的结构使改性支撑剂呈现内部“抱团”、外部 “吸引”的特性。

非固化树脂涂层在支撑剂颗粒表面的锚定主要依靠3类作用：①静电作用。通常支撑剂带负电，而聚酰胺类树脂带正电，依靠静电作用可使树脂亲水基团在砂粒表面锚定，这种情况通常极易发生，但由于静电作用形成的锚定基团相对较弱，不稳定，易受到外力的影响。②氢键作用。树脂中的极性基团能够与砂粒表面的硅羟基形成氢键，从而牢牢地吸附于颗粒表面，氢键作用强于静电作用力，可得到稳定的覆膜层。③化学键作用。在支撑剂砂粒表面首先涂覆偶联剂，使其包覆于砂粒表面，树脂类改性剂可与偶联剂发生化学反应形成牢固的化学键，此类锚定作用最为稳定，但难点在于优选合适的偶联剂[21-23]。

Vo和Nguyen[24]指出，适用于通道压裂的支撑剂表面改性聚砂剂是指易在石英砂支撑剂表面吸附、覆膜层使颗粒具有一定的黏聚性、在储层温度和压力下不发生硬化或固化的树脂类物质。覆膜支撑剂由于树脂的黏性作用，会使支撑剂牢牢地“抱团”，防止其在随压裂液注入过程中由于剪切作用而发生分散，同时亦可吸附储层中的粉砂微粒。另外，由于其非固化的特性，支撑剂“团簇”还有一定的变形能力，可以有效避免在通过射孔孔眼时发生脱砂。

3.1.2 技术优点

(1) 聚砂性。Inyang[9]使用聚酰胺树脂(支撑剂与树脂的比例为100∶3～100∶6)对粒径为0.425～0.850 mm的石英砂支撑剂进行涂层处理，通过比较不同时刻改性支撑剂在压裂液中悬浮状态下的体积变化，研究聚酰胺树脂覆膜支撑剂在压裂液中的聚集特性，即保持支撑剂“团簇”的性能。利用平板裂缝模型研究了在0.69 MPa下交替注入纯净压裂液和含有改性支撑剂的压裂液时，支撑剂在裂缝中的分布规律，指出脉冲加砂工艺过程中改性支撑剂在裂缝中仍是以“团簇”的状态存在，具有较好的黏聚性能。

随后，通过研究脉冲加砂时改性支撑剂在全尺寸裂缝模型中的运移及分布规律，指出改性支撑剂仍能形成多个相互分离的“团簇”。另外，对比未处理支撑剂在裂缝内的分布，可知非固化树脂覆膜支撑剂在纵向上分布更为均匀，压裂液排出后更有利于保持纵向缝宽。该技术改常规水力压裂的均匀铺砂为非均匀铺砂，在“团簇”间留有一段空间的支撑剂真空带，可大幅降低压裂过程中支撑剂的消耗量，有效地降低压裂费用。

(2) 裂缝自清洁性。Vo[19]等使用可固化树脂和增黏剂以适当比例混合后对支撑剂进行改性，制得具有相当强度且能在运移过程中保持“团簇”的改性支撑剂。由于其表面黏性树脂层的吸附作用，能够有效吸附储层微粒，从而保持裂缝渗流通道的畅通性，即表面改性后的支撑剂赋予充填层优异的自清洁性。同时，畅通的运移通道亦能增大压裂液破胶后的返排率，降低压裂液中聚合物对储层的伤害。

(3) 降低支撑剂性能要求。Inyang等[25]对5种不同性能的支撑剂进行树脂覆膜处理并将其制备成圆柱状砂柱，然后将其按照不同的排布方式放入裂缝导流室中，进行导流能力实验。通过研究闭合压力、缝宽、铺砂浓度、砂柱几何布置方式与裂缝导流能力的关系得出，只要支撑剂“团簇”未发生分散或聚并，并在裂缝闭合后以分散“砂团”的形式充填于裂缝中，则支撑剂在高闭合压力下因发生破碎而产生的影响可以忽略，使用性能相对较差的支撑剂亦能达到相同的导流能力，这对降低压裂成本具有重要意义。同时，Inyang也对低性能支撑剂做了如下定义，即不符合常规水力压裂API标准的支撑剂，主要是指磨圆率低、抗压强度低、粒度分布宽的一些非石英砂类矿石，例如沙漠砂、海滩砂等，此类颗粒通常具有较低的导流能力。

(4) 疏水表面特性。Weaver指出[26]，树脂在支撑剂表面吸附后，由于其极性基团与砂粒表面的硅羟基发生作用，非极性基团向外伸展，会在支撑剂表面形成高分子疏水膜。疏水膜的存在使压裂液中的亲水大分子不易吸附在支撑剂颗粒表面，使压裂液返排更彻底，一定程度上减少了大分子对储层的伤害。另外，Weaver 和Nguyen[27-28]指出，疏水表面能够有效抑制生产流体对支撑剂的侵蚀作用，同时能够有效抑制支撑剂表面发生成岩作用，延长支撑剂在充填层中的使用期限，使裂缝保持长期有效。

3.1.3 现场应用

2013年在埃及Abu Roash油田进行了基于非固化树脂聚砂技术的非均匀铺砂试验。Abu Roash储层为晚白垩纪地层，7个含油层主要为石灰岩，中间包含着页岩夹层。在加砂阶段，将非固化树脂作为压裂液添加剂直接加入携砂液，通过机械搅拌作用使树脂吸附到支撑剂表面，然后与纯净压裂液交替注入井筒。同时，逐级增大携砂液中支撑剂(砂)含量(其中每个砂比下交替注入13个支撑剂段塞)，直至尾追支撑剂段塞时含砂量达到798 kg/m3(支撑剂粒径为1.0～1.7 mm)，以降低近井地带的阻流效应。其中，每个脉冲周期是由10 s的纯净压裂液段塞和30 s的支撑剂段塞构成。分析压裂过程中实时数据可知，脉冲加砂过程中支撑剂段塞的浓度上升较快，并无延迟现象，压力及浓度数据均表明，地面控制系统能够准确地完成阀门的开启和关闭，在非固化树脂的作用下，支撑剂颗粒能在输送过程中以“团簇”状态运行，顺利通过射孔孔眼，并被泵入裂缝。通过分析压裂液返排速率，指出在非固化树脂的聚砂作用下更有助于实现非均匀铺砂，形成高导流裂缝通道。另外，与常规水力压裂相比，采用非固化树脂覆膜改性后的支撑剂用量减少了35%[9]。

3.2 降低电位聚砂技术

3.2.1 改性机理

Kakadjian和Zamora[29]于2007年提出一种全新的支撑剂改性思路。通过使用一种ZPAS体系(Zeta Potential Altering System)对支撑剂进行处理，使其能够在液体环境中自发聚集，当压裂液破胶后迅速自聚形成砂团，由于纯净压裂液的分隔作用，更有利于实现非均匀铺砂。

ZPAS体系主要包括2种成分。其中主剂为一种低分子质量的内盐，当与支撑剂或储层等表面接触时，能够快速地吸附于基质表面。另外，还包含一种渗透性较强的醇类，其作用主要包括2个方面：一是作为主剂的溶剂，二是破坏支撑剂颗粒表面的水膜，使主剂能够快速地完成覆膜[30]。

ZPAS技术的作用机理是：通过改变支撑剂颗粒表面的Zeta电位，使颗粒在液体中的稳定性降低，从而发生聚集。Zeta电位可用来评定胶体体系的稳定性，一般来说，Zeta电位越高，颗粒分散体系越稳定。通常认为水相中颗粒分散稳定性的分界线是+30 mV或-30 mV，即当所有颗粒都带有高于+30 mV或低于-30 mV的Zeta电位时，则该分散体系相对较稳定，若颗粒的Zeta电位在-30～+30 mV时，颗粒分散体系稳定性降低，颗粒会发生聚沉等现象。Singh通过测定ZPAS体系处理前后石英砂支撑剂颗粒Zeta电位的变化，指出ZPAS体系能显著降低砂粒表面电位至-20～+20 mV范围，且随着自聚剂用量的增大而降低。此时排斥力减小，范德华力增大，颗粒表现出絮凝和自聚行为[31]。

2016年Treybig[32]研制了一种基于有机聚合物和酯类物质的第3代无污染ZPAS聚砂剂。该体系为牛顿流体，便于现场施工泵注。同时其赋予改性支撑剂砂团较好的黏弹性，从而使其易于通过孔眼，降低出现端部脱砂的风险。另外，对比分析指出，经该体系改性后的支撑剂具有更强的自聚性能，同时热稳定性可达176 ℃。

3.2.2 技术优点

(1) 自聚性。ZPAS是基于降低颗粒表面Zeta电位赋予支撑剂在液体中的自聚行为。Mason等通过对支撑剂处理前后的微观形貌进行分析(图1)，并未发现类似非固化树脂的黏性物质使支撑剂颗粒黏连聚集，亦无类似纤维束缚支撑剂的框架结构，从微观层面验证了ZPAS改性支撑剂实现聚砂不是依靠黏聚和束缚聚集，而是一种全新的自聚行为。由于支撑剂颗粒间无黏性覆膜层，因而不会对支撑剂充填层的渗透性产生影响。该体系不但能使石英砂支撑剂具有自聚行为，陶粒支撑剂处理后在压裂液中也可自聚，同样煤粉、砂岩颗粒、碳酸盐岩颗粒等储层微粒经ZPAS体系处理后在水中也能表现出很好的自聚性能，可以用来处理储层，防止储层微粒运移所引起的渗透率降低等危害。

图1 改性前后支撑剂表面变化

(2) 重复自聚性。ZPAS改性支撑剂具有较好的重复自聚性，即若将自聚砂柱振散并在液体中放置一段时间后，砂粒能够再次自聚形成砂团。生产过程中流体冲刷及地层应力的变化，会造成支撑剂破碎及运移，导致油气运移通道堵塞，导流能力降低，而再聚性能够使发生运移的颗粒再次自聚形成稳定的结构，对保持支撑剂充填层的导流能力具有重要作用。

(3) 在线制备。该体系具有油水不溶性，但可在水中分散成微小液滴，且极易吸附于砂粒表面，因此，可作为水基压裂液或油基压裂液的添加剂，在添加支撑剂阶段在线使用，简化施工操作，降低成本。通常的使用量为3‰～5‰。如要将在井口聚集的储层微粒推至天然裂缝或裂缝的前端，使其远离井眼，建议用量为6‰～10‰。

(4) 增大充填层的导流能力。ZPAS体系增大充填层导流能力的原因主要体现在以下几个方面：①靠电性作用使颗粒自聚，砂粒间无黏性物质，不影响渗透性；②颗粒在发生自聚时，并不是完全朝着一个方向聚集，因此，在整个聚集体中会形成很多微小聚集体，这些微小聚集体间必定会形成很多的“空穴”孔隙，增大孔隙度；③单分子涂层改善颗粒表面的粗糙度，支撑剂充填层非达西系数降低，压降减小；④自聚重复性能够使支撑剂碎屑及储层微粒重新得到定位，使其不会在低渗透率和低孔隙度区域形成桥塞，并保持裂缝的几何形态；⑤ZPAS涂层能降低支撑剂颗粒的表面张力，并增大接触角，能够降低支撑剂充填层的毛细管压力，增大裂缝的导流能力。

3.2.3 现场应用

2010年在某一区块煤层气井进行了对比试验，其中有13口井采用纤维压裂技术，另外有11口井压裂时使用ZPAS体系对支撑剂进行处理。纤维压裂后平均单井增产6 513.6 m3/d，平均提高了3.4倍，而ZPAS处理的11口井平均单井增产11 186.4 m3/d，平均提高了5.0倍。可以看出，与纤维处理技术相比，降低电位聚砂技术更有利于高通道压裂技术中非均匀铺砂的实现，并可显著提高增产效果。

4 存在问题与发展趋势

由于非均匀铺砂技术可使裂缝闭合后形成以支撑剂“砂柱”为支撑的裂缝，形成具有无限导流能力的油气运移通道的特点，决定了高通道压裂技术能够显著改善水力压裂效果，实现油藏大幅增产。但目前国内对于非均匀铺砂技术的研究和应用处于起步阶段，仍存在一些问题及难点，有必要研究适合国内油藏特性及压裂技术特点的非均匀铺砂技术，主要包括以下几个方面。

(1) 由于高通道压裂技术的现场应用并不广泛，相应的脉冲加砂装置及完井、压裂施工流程并不成熟，现场施工工艺流程可借鉴经验欠缺。因此，应加强对混砂、加砂、返排等方面的施工设备及相关配套工艺的研究，提出切实可行的工艺参数，以期为该技术的规模应用奠定基础。

(2) 通过表面改性使支撑剂具有一定的聚集行为是一种新兴的支撑剂改性技术，然而目前关于支撑剂聚集性能的评价仍以定性观察为主，尤其是对于支撑剂聚集体聚集强度的评价多依赖主观经验判断，尚无定量的评价方法。因此，应根据改性支撑剂的聚砂特性及支撑剂砂团的力学特点，建立统一的定量评价标准体系。

(3) 支撑剂表面改性剂是支撑剂聚砂技术处理的关键，目前改性剂种类单一，适用范围相对狭窄。因此，应根据中国油藏特点，在已有支撑剂改性机理的基础上，研制出适用于不同油藏条件及施工工艺(预覆膜、在线添加、尾追注入等)的支撑剂改性剂。

(4) 在此基础上，开展对具有聚集行为的改性支撑剂在井筒和裂缝中的运移规律、受力数学模型及相应调控方法的研究，完善非均匀铺砂技术优化设计，形成适应国内油藏特点的高通道压裂技术。

5 结论与认识

(1) 经过近几年的发展，高通道压裂技术已经成为开发非常规油气资源的重要增产措施，中国高通道压裂技术的研究和应用虽晚于国外，但发展迅速，在开发低渗透油藏方面已获得了广泛的应用。

(2) 目前非均匀铺砂技术的研究重点主要是脉冲加砂工艺的优化、改善压裂液携砂顶替作用的添加剂的研究、具有聚砂性能的支撑剂表面改性剂的研制。国内大多以脉冲加砂及伴注纤维的方式实现非均匀铺砂，在支撑剂表面改性方面的研究尚属空白。

(3) 非固化树脂聚砂技术和降低电位聚砂技术是支撑剂表面改性方面发展的新技术。该技术能强化支撑剂的非均匀铺置，使裂缝由“点”支撑变为“面”支撑，实现高通道压裂。此外，该技术还可应用于解决支撑剂回流、保持裂缝稳定等方面的问题。因此，非固化树脂聚砂技术和降低电位聚砂技术必将成为未来支撑剂改性研究的新方向。

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编辑 刘兆芝

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.05.001

20160411；改回日期：20160710

国家自然科学基金项目“纳米粒子与表面活性剂的协同效应对提高原油采收率的影响”(51474234)、“开关型气溶性起泡剂的构建及其对二氧化碳驱的调控行为研究”(51574266)；中央高校基本科研业务费专项资金项目“高通道压裂自聚性支撑剂研究”(24720156031A)、“致密油气藏压裂过程中滤饼生成机理研究”(247201506035A)

浮历沛(1988-)，男，2010年毕业于长江大学石油工程专业，现为中国石油大学(华东)油气田开发工程专业在读博士研究生，研究方向为油藏增产及低渗储层改造。

TE357.1；TE39

A

1006-6535(2016)05-0001-07