压裂覆膜石英砂沉降机理研究及压裂施工排量优化

2022-03-03刘又铭熊廷松代安安丁富寿刘光杰

石油石化节能 2022年1期

刘又铭熊廷松代安安丁富寿刘光杰

（1.青海油田公司钻采工艺研究院；2.青海油田公司采油三厂；3.青海油田公司采油一厂）

近年来，随着世界油气资源品质的劣质化不断加剧，难采储量越来越多。压裂改造是稳产提产的重要技术手段，尤其是对低渗油气藏的开发尤为重要。青海油田具有丰富的低渗储量。在以往的措施改造中，常规的压裂改造主要采用胍胶压裂液体系，在现场施工过程中，胍胶体系存在配液过程复杂、破胶后具有残渣、返排液难处理回收、容易对地层造成二次污染等问题。清水覆膜石英砂压裂是针对低渗难采储量，采用清水、地层水或者返排液携带压裂覆膜石英砂进行压裂改造，省去配液环节、降低劳动强度、减少前期准备时间、节省化工材料、降低二次污染，大大缩短了施工周期、降低了施工成本及环保压力[1]。

1 压裂覆膜石英砂悬砂性能

1.1 性能原理

压裂覆膜石英砂是采用微晶降密技术，微晶降密技术图解见图1。由专用功能高分子树脂制备而成的预固化覆膜支撑剂，与清水混合时膜体降低水体的摩阻并与水发生化学反应，在膜体内外同时生成大量的纳米级的气态小分子，在膜体内的纳米级气体分子能阶段性地推移高分子链节的相对位置引起树脂膜的阶段性膨胀造成颗粒体在清水中的当量直径，而在清水中具有相同或相似结构的众多因素在膜体表面的纳米级气体分子附着在支撑剂颗粒的表面，纳米级小气泡在温度或机械力的作用下可以快速增大扩张直至其相互连接、黏连、贯通形成棉花絮状，这样“多重因素”的叠加和协同就大大地增加了清水“托浮”的相对浮力和降低了支撑剂在水中的相对密度，从而能使压裂覆膜石英砂支撑剂在水中实现“自悬浮”[2-3]。

图1 微晶降密技术图解

1.2 沉降机理研究

当流体与淹没固体作相对运动时，固体所受的流体作用力，一是平行于流动方向的作用在物体上的分力FD，称为阻力；二是垂直于流动方向作用于物体上的分力FL，称为升力。绕流阻力计算公式如下：

式中：CD为绕流阻力系数，其值主要取决于绕流体体型和雷诺系数Re；μ0为液体黏度，mPa·s；A为常数。

小球体CD可按下式计算：

支撑剂在流体（压裂液）中的受力见图2。

图2 支撑剂在流体中受力分析图

球体绕流阻力的计算公式：

式中：d为球体直径，mm；υ0为球体远处流体速度，cm/s；μ为液体黏度，mPa·s。

分析球体微粒（支撑剂）沉降，可计算球星微粒沉降的极限流速：

公式扩展：

颗粒物在液体中的极限流速公式：

式中：ρs与ρ分别为球体和流体的密度，g/cm3。

从公式（6）中可以得出，颗粒物在液体中的下沉速度与颗粒体与液体的视密度差成正比，颗粒物的下沉速率也与颗粒物的当量直径的平方成正比[4-5]。

根据上述（6）公式，对压裂覆膜石英砂、常规石英砂及陶粒进行沉降速率计算，压裂覆膜石英砂在清水中极限流速见表1。

表1 压裂覆膜石英砂在清水中极限流速

从表1中可以看出，压裂覆膜石英砂降速率较常规石英砂降低3.01cm/s，降幅53.18%，较陶粒降低3.96cm/s，降幅59.91%，通过降低压裂覆膜石英砂的密度及提高当量面积，压裂覆膜石英砂在液体中的沉降速率得到了大大的降低，能够在清水中实现自悬浮，达到清水携砂的目的。

2 施工排量优化

2.1 施工排量与管柱下深、支撑剂浓度的关系

不同粒径压裂覆膜石英砂，在不同砂浓度、储层深度以及施工管柱内径下，支撑剂不发生沉降时所需要的排量不一样。根据室内实验测定的支撑剂悬浮性能、沉降速度，结合现场施工管柱的内径不同，储层的埋藏深度不一的情况下，随着砂浓度的提升，所需的施工排量也随之增大[6]。通过室内研究，得出2、3⅟2、油管下70-140目、40-70目、30-50目压裂覆膜石英砂施工排量见表2。

表2 2、3油管下70-140目、40-70目、30-50目压裂覆膜石英砂施工排量单位：m3/min

1）在设计最高砂比25%的情况下，70-140目压裂覆膜石英砂采用2油管在井深达到3000m时，施工排量达到4.31m3/min不会出现沉砂现象，采用3⅟2油管在井深达到3000m时，施工排量达到6.48m3/min不会出现沉砂现象；40-70目压裂覆膜石英砂采用2油管在井深达到3000m时，施工排量达到5.47m3/min不会出现沉砂现象，采用3⅟2油管在井深达到3000m时，施工排量达到7.40m3/min不会出现沉砂现象；30-50目压裂覆膜石英砂采用2油管在井深达到3000m时，施工排量达到6.52m3/min不会出现沉砂现象，采用3⅟2油管在井深达到3000m时，施工排量达到8.20m3/min不会出现沉砂现象[7]。

2）随着砂比和井深的增加，所需排量在不断的增大；同时排量的增幅也在不断增大；排量与砂比、井深变化关系见图3。

图3 排量与砂比、井深变化关系

3）随着粒径和管径的增大，施工排量越来越大，整体呈现上升趋势，在3⅟2管柱下70-140目支撑剂所需的排量较2管柱下30-50目支撑剂所需排量小。说明管径对施工排量影响很大，压裂覆膜石英砂并不适合在大管径管柱或者油管浅下的井施工，比如4⅟2管柱以及水平井等压裂施工，易造成沉砂影响施工质量和施工效率[8]。相同井深下管径、粒径与排量关系图见图4。

图4 相同井深下管径、粒径与排量关系图

2.2 不同区块参数优化

根据不同区块埋藏深度、压裂工艺、管柱下深、管径大小等不同参数，优化出不同区块的施工排量和砂比。储层埋深在800～1600m，常见的井身结构为二开井身结构，套管通天，采用的管柱组合为，油管不浅下，采用的工艺为直井多层多段缝网压裂工艺。压裂管柱组合：3⅟2油管下深至目的层上部50m左右+2油管+一整套封隔器分层+球座至第一层上部。支撑剂：30/50目或20/40目压裂覆膜石英砂，平均砂比25%，最高砂比42%。

根据前期施工排量、砂比与管柱、储层埋深的关系，反推出南翼山区块施工排量及砂比见表3。

表3 南翼山区块施工排量优化

管柱下深在800m、体积砂比达到45%、施工排量大于5.85m3/min时，压裂覆膜石英砂不沉砂，管柱下深在1600m、体积砂比达到45%、施工排量大于8.26m3/min时，压裂覆膜石英砂不沉砂，现场需要提高施工排量确保施工顺利[9-10]。

2.3 其他区块施工参数优化

根据不同区块储层埋藏深度、最高砂比、平均砂比等因素，优化出不同区块清水压裂施工参数。青海油田不同区块清水压裂施工排量优化见表4。

表4 青海油田不同区块清水压裂施工排量优化单位：m3/min

根据单井设计最高砂比45%计算，不同区块由于井深不同，采用的工艺不同，所需施工排量不同，或者清水压裂工艺不适合。清水压裂工艺区块优选见表5。

表5 清水压裂工艺区块优选

2.4 清水压裂设计优化结果

通过室内实验研究及区块优选，压裂覆膜石英砂具备开展现场试验的条件，同时具有以下特性：压裂覆膜石英砂具有一定的悬浮性能；加入一定比例的压裂覆膜石英砂具有一定的降阻性能，能够很好的降低施工摩阻；压裂覆膜石英砂液体滤失大，效率低，在施工过程中采取的措施主要通过提高施工排量弥补压裂液的滤失，防止支撑剂沉降。结合液体体系为地层水/清水/返排液特性，针对不同区块清水压裂的优化结果见表6。