不同粒径支撑剂组合导流能力变化规律实验研究

陈庆栋，周际永，陈维余，高双，宋爱莉，张宸，安恒序

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

随着低渗、特低渗及其他非常规储层的不断动用和开发，水力压裂作为此类储层高效改造的重要技术，起到越来越重要的作用[1-3]。在水力压裂工艺中，形成具有较大渗流能力的支撑裂缝是实现高效改造的重要指标[4-5]。

在压裂施工效果预测中，需使用到裂缝的导流能力这一关键参数[6-8]。在进行压裂工艺改造中，在施工的不同阶段往往会泵入不同粒径的支撑剂[9-10]，当不同粒径的支撑剂混合后，其导流能力与单一粒径的支撑剂相比会产生一定的变化，无法使用单一支撑剂导流能力进行计算[11-12]。

因此需要开展不同粒径支撑剂组合下的导流能力实验，以探寻支撑剂组合对其导流能力影响的规律，最终为水力压裂支撑裂缝导流能力和压裂效果预测提供重要的基础参数和指导。

1 支撑剂性能及实验方法

1.1 支撑剂基本性能参数

实验共选用了3 种陶粒进行相关物理性能评测实验，首先根据《压裂支撑剂性能测试推荐方法》（SY/T 5108—2014）对支撑剂的各项基本性能开展实验评测，所选用的支撑剂各项指标均符合行业标准，主要参数如表1所示。

表1 实验用支撑剂基本性能评测结果

1.2 支撑剂导流能力评价实验方法

实验方法参照标准《压裂支撑剂充填层短期导流能力评价推荐方法》（SY/T 6302—2009），实验使用由API 标准制作的导流槽，导流槽铺置面积为64.5 cm2。上下活塞、金属板和导流室均使用不锈钢材料制作，本实验所使用的支撑剂导流能力实验仪型号为FCS-842，由美国岩心公司生产。

2 支撑剂导流能力实验结果及分析

2.1 支撑剂导流能力实验

按前文所述实验方法，对3 种陶粒的导流能力进行了测量，并开展了不同粒径支撑剂组合下的导流能力测试，实验铺砂量均为5 kg·m-2。

支撑剂导流能力测试中，除单项支撑剂导流能力外，还按照质量百分比开展了：50%20/40 陶粒+50%30/50 陶粒、50%30/50 陶粒+50%40/70 陶粒、70%30/50 陶粒+30%40/70 陶粒、50%20/40 陶粒+50%40/70 陶粒、30%20/40 陶粒+70%40/70 陶粒等5 项组合的导流能力测试，实验结果如图1所示。

图1 不同粒径支撑剂及其组合的导流能力

由实验结果可知：

1）不同粒径的陶粒导流能力有较大差别，并且整体上表现为随着闭合压力增大，导流能力差别缩小的特点。这是由于在低压下，大粒径的支撑剂颗粒间形成的支撑空间更大，具有更强的导流能力。在超过50 MPa 的高闭合压力下，大粒径支撑剂更容易产生变形和破碎、堵塞、支撑孔喉变小，进而导致导流能力下降更快，而小粒径的支撑剂往往具有更好的抗破碎性能，其导流能力随闭合压力增大而下降的幅度较小。

2）从不同粒径支撑剂组合下，可看出整体上也呈现出随闭合压力增大而导流能力降低的趋势，且不同组合的支撑剂导流能力介于该组合的最大最小支撑剂的导流能力区间之内，即有大粒径支撑剂参与的组合，其导流能力整体上处于更高的水平。

3）从不同粒径陶粒组合的导流能力来看，50%20/40 陶粒+50%30/50 陶粒、50%20/40 陶粒+50%40/70 陶粒相对比，前者导流能力更偏向于20/40 目陶粒和30/50 目陶粒导流能力的中间值，而后者则更偏向于40/70 目陶粒的导流能力值。这是由于当支撑剂粒径差别大时，小粒径支撑剂会处于大粒径支撑剂之间，使得组合支撑剂的支撑孔喉变小，从而使得其导流能力较低。

4）从不同粒径陶粒组合的导流能力对比可知，某一粒径支撑剂占比更高时，则该支撑剂组合的导流能力值更接近于占比更高的支撑剂。以50%30/50陶粒+50%40/70 陶粒、70%30/50 陶粒+30%40/70 陶粒这两个组合为例，前者导流能力是30/50 目陶粒导流能力的0.79 倍，而后者组合的导流能力则是30/50 目陶粒导流能力的0.86 倍。

2.2 不同粒径支撑剂组合下导流能力变化规律

为进一步深入分析不同粒径支撑剂组合下导流能力的变化规律，由A 型支撑剂（导流能力为KWA）和B 型支撑剂（导流能力为KWB）按质量分数分别为m和n进行组合，组合后导流能力为KWH，本文设计了“导流能力保留率ηKW”这一参数，即：

对上文所述5 种组合的导流能力保留率进行计算，结果如图2所示。

图2 不同粒径支撑剂组合的导流能力保留率

由以上不同粒径支撑剂组合在不同闭合压力下的导流能力保留率分析结果可知：

1）不同粒径支撑剂组合在不同闭合压力下，其导流能力保留率整体上处于一个较为稳定的水平，但各种支撑剂组合的导流能力保留率数值整体上均小于1。

2）从不能闭合压力对导流能力保留率的影响来看，20/40 目陶粒参与的组合受闭合压力变化的影响较大，分析是由于20/40 目陶粒导流能力受闭合压力影响大，而与其他粒径支撑剂组合后整体上导流能力变化较小，最终表现出导流能力保留率变化较大的特点。

3）当两种支撑剂粒径差距较小时，二者进行组合后，其导流能力保留率处于较高的水平，这是由于二者粒径差距小，匹配度高，进而使得导流能力保持在较高的水平。

4）当两种支撑剂粒径差距较大时，即20/40 目陶粒和40/70 目陶粒进行组合，可明显地观察出这种组合的导流能力保留率较低，最低值仅为60.91%。这种组合的导流能力保留率在50 MPa 后有上扬趋势，分析是由于20/40 陶粒在50 MPa 后会产生破碎，导流能力急剧下降，而这种组合的导流能力整体处于较低水平，且随闭合压力的变化较小，最终导致导流能力保留率处于较高的水平。

3 结 论

1）支撑剂导流能力与支撑剂粒径成正相关的关系，在多种支撑剂进行组合时，若要获得更大的导流能力，则需要有大粒径的支撑剂参与组合。

2）不同粒径支撑剂组合后，导流能力介于该组合的最大最小两种支撑剂的导流能力区间之内。

3）在不同粒径支撑剂组合时，当某一粒径支撑剂占比更高时，则该支撑剂组合的导流能力值更接近于占比更高的支撑剂。

4）支撑剂粒径差别大时，小粒径支撑剂会处于大粒径支撑剂之间，使得组合支撑剂的支撑孔喉变小，从而使得其导流能力较低。并且粒径差别大的组合导流能力保留率较低，受闭合压力的影响大。因此在矿场压裂施工中，进行不同粒径组合时，需充分考虑二者粒径的匹配性，以实现更好的改造效果。

5）建议下步开展更详细的不同类型、不同粒径支撑剂及其组合的导流能力评测实验，进一步深入探寻支撑剂组合导流能力主要影响因素和变化规律，并基于此导流能力实验数据开展支撑剂在不同闭合压力和不同占比下的支撑剂组合导流能力预测数学模型，以实现对导流能力的精确预测，最终为水力压裂效果预测提供必要的基础数据支撑。