覆膜砂及其组合支撑剂导流能力实验研究

孟伟 焦国盈 罗雄 解修权

(重庆科技学院石油与天然气工程学院， 重庆 401331)

水力压裂是储层改造的一项重要技术，通过形成具有导流能力的裂缝，从而使油气井获得较高的产能。通常，导流能力越强，压裂效果越好。但是，在后期返排和生产过程中，常有支撑剂回流，从而引起油气井吐砂现象[1-2]。井筒出砂在较大程度上削弱了支撑裂缝的导流能力，甚至会掩埋产层，严重影响油气井的产能产出[3]。目前，覆膜砂可用于控制支撑剂回流和出砂。覆膜砂在地层条件下发生固化作用，增大支撑剂颗粒间的黏结力，阻挡颗粒运移，控制回流和防砂[4]，从而保持良好的导流能力。虽然能够有效地控制支撑剂回流和防止导流能力骤减，但覆膜砂的使用却不同程度地削弱了原支撑裂缝的导流能力，这也是现场应用关注的问题所在。为了更好地指导覆膜砂的现场应用，本次研究利用DL-2000型导流仪开展了覆膜砂及其组合支撑剂的导流能力实验。

1 实验设备及材料

采用DL-2000型导流仪作为实验设备。该导流仪主要由供液系统(恒流泵)、液压控制系统(液压机)、API标准导流室、测量系统等部分组成[5]，其实验测试温度最高为180 ℃，闭合压力测试范围为0～150 MPa，导流能力测量范围为0～2 000 m2·cm。

2 实验原理

一般情况下，实验测试出的流体流速较小，其流动规律满足达西渗流定律[6]。根据达西渗流定律计算导流能力，如式(1)所示：

(1)

式中：Q—— 流量，cm3s；

μ—— 液体黏度，mPa·s；

Δp—— 压差，kPa；

L—— 测压孔距离，cm；

W—— 导流室宽度，cm；

KWf—— 支撑剂导流能力，μm2·cm。

考虑到导流仪使用的是标准导流室[7-8]，其测压孔距离为12.70 cm，导流室宽度为3.81 cm，因此，将该参数代入式(1)，导流能力进一步表达为：

(2)

3 实验方法

设计表1所示实验方案。实验开始前，先预热导流仪，闭合压力校零；同时，利用钢板进行裂缝高度校零。按照实验方案中设计的铺砂质量浓度(10 kgm2)及比例称取支撑剂，将称取的支撑剂装入导流室；利用液压机加压，加载初始闭合压力5 MPa，校正差压传感器和设置导流室温度。当导流室温度达到设定值时，开始按照行业标准《压裂支撑剂充填层短期导流能力评价推荐方法》(SYT6302 — 2009)的要求[9]进行实验，测定支撑剂的导流能力，然后以10 MPa的增量升高闭合压力进行测试，直至完成闭合压力45 MPa的测试。

表1 支撑剂导流能力实验方案

4 实验结果分析

4.1 陶粒与覆膜陶粒导流能力

完成实验并记录陶粒与覆膜陶粒导流能力等数据，其结果如表2所示。据表2中的数据绘制陶粒与覆膜陶粒导流能力曲线，如图1所示。

表2 4070目陶粒与覆膜陶粒导流能力

表2 4070目陶粒与覆膜陶粒导流能力

闭合压力∕MPa陶粒导流能力∕(μm2·cm)覆膜陶粒导流能力∕(μm2·cm)584.0857.801576.8952.312572.6049.033569.4747.154566.3645.14

图1 陶粒与覆膜陶粒导流能力曲线

从图1上可看出，陶粒与覆膜陶粒的导流能力均随闭合压力的增加而逐渐递减。这主要是由于闭合压力增大，致使支撑剂充填层的孔隙体积减小，导致充填层的渗透性减弱；同时，闭合压力的升高加大了支撑剂破碎的可能性，部分破碎的支撑剂颗粒充填于孔隙中，影响了渗流能力，导致支撑剂导流能力降低。但是，在测试的闭合压力范围内，其导流能力递减幅度较小。这主要是受支撑剂性能影响所致，陶粒的抗压强度较高，破碎率低，在高闭合压力下仍能保持良好的导流能力。覆膜陶粒的导流能力小于普通陶粒的导流能力，其平均降低幅度为32%。这是因为，覆膜陶粒是在普通陶粒外面包覆树脂而制成的，而树脂需要占据一定的孔隙空间。

4.2 组合支撑剂导流能力

实验中，将覆膜陶粒和陶粒按不同比例混合制成组合支撑剂，其导流能力测试结果如表3所示。

表3 组合支撑剂导流能力

从表3所示实验数据来看，对于组合支撑剂一，即陶粒和覆膜陶粒按1∶2的数量混合时，其在5 MPa闭合压力下的导流能力为62.39 μm2·cm，当升高闭合压力至45 MPa时，其导流能力递减至52.78 μm2·cm。与原支撑剂导流能力相比，其导流能力介于覆膜陶粒和陶粒的导流能力之间，大约为陶粒导流能力的77%。对于组合支撑剂二，即陶粒和覆膜陶粒按2 ∶1的数量混合时，其在5 MPa闭合压力时导流能力为78.89 μm2·cm，当闭合压力升至45 MPa时，导流能力递减至56.84 μm2·cm。与组合支撑剂一相类似，组合支撑剂二的导流能力也介于覆膜陶粒和陶粒的导流能力之间，大约为陶粒导流能力的90%。

据表3数据绘制组合支撑剂导流能力曲线，如图2所示。可以看出，按导流能力从大到小依次排为陶粒、组合支撑剂二、组合支撑剂一、覆膜陶粒。在相同闭合压力下，组合支撑剂中覆膜陶粒数量占比越高，其导流能力越低。这主要是由于覆膜陶粒外包覆树脂层，树脂会占据一定的孔隙体积，随着覆膜陶粒含量的增多，树脂占据的孔隙体积也越多，从而导致导流能力越低。随着闭合压力的升高，不同组合支撑剂的导流能力递减趋势有所不同。导流能力递减趋势由慢到快依次为组合支撑剂一、覆膜陶粒、陶粒、组合支撑剂二，组合支撑剂的导流能力递减趋势并非随着覆膜陶粒含量的不断增大而逐渐减缓。这主要是由于覆膜陶粒固化时，随着闭合压力升高，部分支撑剂会嵌入覆膜层，从而影响导流能力。但是，覆膜陶粒含量较高时的导流能力递减速度明显慢于覆膜陶粒含量较低时的导流能力递减，覆膜陶粒含量较高，能够在一定程度上延缓导流能力的下降。

图2 组合支撑剂导流能力曲线

5 结 论

(1) 覆膜砂的导流能力随闭合压力的增加而减小，其递减幅度较小。

(2) 在测试的闭合压力范围内，覆膜陶粒的导流能力小于陶粒的导流能力，其值大约为陶粒导流能力的68%。

(3) 覆膜陶粒和陶粒按比例混合形成的组合支撑剂导流能力介于陶粒和覆膜陶粒之间，与组合支撑剂的组成有关。当组合支撑剂中陶粒和覆膜陶粒数量的比例为1 ∶ 2时，其导流能力大约为陶粒导流能力的77%，当组合支撑剂中陶粒和覆膜陶粒数量的比例为2 ∶1时，其导流能力大约为陶粒导流能力的90%。

(4) 对比陶粒和覆膜陶粒按不同比例混合形成的组合支撑剂，其导流能力由大到小依次为陶粒、组合支撑剂二、组合支撑剂一、覆膜陶粒。在相同闭合压力下，组合支撑剂中覆膜陶粒比例越高，其导流能力就越低；组合支撑剂导流能力递减趋势由慢到快依次为组合支撑剂一(陶粒与覆膜陶粒数量之比为1 ∶2)、覆膜陶粒、陶粒、组合支撑剂二(陶粒与覆膜陶粒数量之比为2 ∶1)，当组合支撑剂中覆膜陶粒含量较高时，能够延缓支撑剂导流能力的下降。