基于结构稳定剂的支撑剂高效铺置技术

针对纤维在常规滑溜水中逸出量较高,难以与支撑剂形成纤维-支撑剂簇、作用效果有限等问题,开发出一种结构稳定剂,基于微观结构观察和性能评价室内实验,分析结构稳定剂作用下支撑剂的铺置机理及结构稳定剂对支撑剂铺置规模、裂缝导流能力等的影响。研究表明:结构稳定剂与聚合物、纤维、石英砂之间可形成稳定的纤维-支撑剂团簇,与单纯支撑剂相比,密度降低,体积增大,沉降过程中与液体的接触面积增大,浮力与曳力增加,沉降速度变缓,更易被流体携带进裂缝深处。将纤维及结构稳定剂随支撑剂一起泵入储层可降低纤维逸出率、增加支撑剂在滑溜水中占据的体积,大幅提高支撑剂铺置高度、输送距离及裂缝导流能力,降低支撑剂返排率。实验结果表明,结构稳定剂最佳质量分数为0.3%。致密气、页岩油、页岩气80井次的应用效果证实,结构稳定剂具有较好的适应性,基本能满足该类油气井的提产、降本和防砂需求。

粗糙壁面压裂裂缝内支撑剂运移铺置特征

采用铸模工艺对岩石露头粗糙劈裂裂缝面进行立体重建,搭建大型可视化粗糙裂缝实验装置并开展支撑剂运移实验,研究粗糙壁面裂缝内支撑剂运移铺置的典型特征及其内在机制,分析裂缝倾斜程度、裂缝宽度以及压裂液黏度对支撑剂在粗糙裂缝内运移铺置的影响规律。研究表明:裂缝的粗糙特征会引起流道形状和流体流动模式的改变,导致支撑剂运移时易发生桥接堆积并形成未充填区,携砂液出现窜流、反向流和绕流等多种复杂流动形式,并影响砂丘堆积的稳定性;支撑剂在倾斜粗糙裂缝内具有更高的铺置率,实验中相较于垂直裂缝其铺置率最大增加了22.16个百分点,但砂丘的稳定性差;缝宽减小会加剧支撑剂的桥接堆积并导致更高的泵注压力;增大压裂液黏度能够减轻裂缝面粗糙特征引起的支撑剂桥接堆积。

不同支撑剂组合方式下页岩导流能力实验评价

为了深入了解多粒径支撑剂组合条件下页岩储层导流能力的大小,依据达西定律,采用API支撑剂实验装置,评价分析不同支撑剂质量比例、粒径、铺砂浓度、类型、流体类型、岩性等对导流能力的影响。实验结果表明:随着闭合压力增加,各种支撑剂组合方式下的导流能力都有很大程度下降;相同条件下,铺砂浓度与导流能力呈正相关关系,覆膜砂的导流能力高于石英砂,清水条件下的导流能力高于破胶液,硬度高的页岩储层导流能力高于硬度低的页岩储层;70/140目陶粒+40/70目覆膜砂+30/50目覆膜砂支撑剂组合,在质量比为1∶6∶3时导流能力最优;在高闭合压力下,70/140目陶粒+40/70目覆膜砂+30/50目覆膜砂组合的导流能力,略高于70/140目陶粒+30/50目覆膜砂+20/40目覆膜砂支撑剂组合。可见,对于较软地层采用覆膜砂组合支撑剂,更有利于长期保持较高的导流能力;压裂液选用时更要注重压裂液配方的低伤害性,以提高导流能力。

压裂复杂裂缝中支撑剂输送数值模拟研究

在非常规储层水力压裂施工过程中,水力裂缝容易与天然裂缝交汇形成复杂裂缝,支撑剂的运移和铺置形态直接决定了储层的增产效果。为了研究支撑剂在复杂裂缝中的铺置规律,基于欧拉-欧拉方法建立了支撑剂-压裂液两相流数学模型,并利用复杂裂缝室内实验装置与数值模拟的砂堤铺置形态对比的方式进行了模型验证,结果表明,选取的模型可用于研究滑溜水在复杂裂缝内的携带支撑剂的运移铺置规律。以相似准则为基础,建立了简化的复杂裂缝平板模型,并将砂堤形态参数、砂堤面积进行归一化处理,获得了压裂液排量、黏度、支撑剂粒径、裂缝宽度以及裂缝形态对支撑剂在复杂裂缝中铺置的影响规律。结果表明:增大排量、黏度和减小粒径均有利于支撑剂向裂缝深处运移,并且排量对支缝中的砂堤形态影响最明显,但增大排量不利于支撑剂填充近井地带。缝宽的影响体现在壁面效应,在注入时间相同的情况下,当压裂液黏度从1 mPa·s增加到5 mPa·s时,主缝砂堤的归一化长度平均增加了37.9%,归一化高度平均降低了61.4%。裂缝结构越复杂,所有支缝中的支撑剂铺置面积占比越高,分流作用越大。随着复杂裂缝的支缝数量、级数以及支缝延伸长度的增大,支缝中的砂堤高度与长度均有所降低;相对于T1型裂缝,T3和T5型裂缝中的砂堤长度、高度减小最多。

考虑支撑剂嵌入和地层砂运移的支撑剂指数法

南海东部主要为疏松砂岩储层,含蜡量大,出砂严重,常采用压裂充填技术作为增产防砂一体化措施。支撑剂嵌入以及地层砂运移会对裂缝导流能力产生较大的影响,但现有裂缝设计方法没有考虑这些影响。针对这一问题,提出一种考虑支撑剂嵌入和地层砂运移的支撑剂指数法,通过数值迭代求解,对裂缝几何参数进行优化设计。通过南海东部某口井实例计算发现,设定支撑剂体积为20~30 m^(3),传统支撑剂指数法优化的裂缝宽度为2.2~2.7 cm,裂缝长度为18.0~22.0 m;考虑微粒运移和支撑剂嵌入时,新方法优化的裂缝宽度为3.5~4.2 cm,优化的裂缝长度为11.6~14.2 m。地层砂运移和支撑剂嵌入程度越深,优化的裂缝长度有所下降,优化的裂缝宽度有所增加。新方法考虑地层砂运移、支撑剂嵌入的影响,对储层的压裂充填工艺参数设计具有一定的指导意义。

海相页岩与陆相页岩体积压裂支撑剂敏感性差异机理探讨

页岩体积压裂是储层在地应力与致裂压力联合作用下形成天然裂缝与压裂裂缝相互交错的复杂缝网,现场实践表明这个复杂的缝网破裂演化过程中海相、陆相页岩储层对不同粒径的支撑剂注入具有明显的敏感性差异。通过海陆相页岩露头剖面地质调查、钻井取芯对比分析岩体结构性差异,分析海相、陆相页岩水平井水力压裂施工数据,结合位移间断边界元裂缝网络演化模拟(DFN),揭示海相与陆相页岩体积压裂支撑剂敏感性差异机理。结果表明:陆相页岩呈岩性互层结构,多种岩体结构面发育,具有高度的结构非均质性特征;在相似的工况条件下,支撑剂随高压流体注入陆相页岩储层地面采集压力波动幅度较大,支撑剂对陆相页岩敏感性强于对海相页岩敏感性;海相页岩与陆相页岩岩体结构性差异导致水力压裂过程中的起裂行为、拓展机制、缝网形态的差异化机制,天然裂隙、弱结构面越发育,相同注入条件下压裂液滤失量大缝内净压力越低,水力裂缝平均开度越小;天然裂隙与最大水平主应力夹角越大,水力裂缝沟通天然裂隙之后转向至最大水平主应力方向扩展,转向段裂缝开度越小,容易引起支撑剂聚集沉降,从而造成支撑剂敏感性强。该研究对陆相页岩储层压裂方案优化具有一定现实指导意义。

支撑剂回流对页岩人工裂缝导流能力影响试验

支撑剂回流对页岩人工裂缝导流能力的伤害不容忽视,须对实际应力加载条件下支撑剂回流进行定量表征。利用自主研发的导流能力测试系统,通过添加支撑剂回流腔体模块,实现压裂液返排过程中支撑剂回流的定量表征,在实验室尺度下开展不同应力加载方式(变围压测试和变流压测试)下的页岩人工裂缝长期导流能力对比试验。结果表明:不同应力加载方式对支撑剂破碎量和嵌入量的影响相似,但变围压测试下支撑剂回流量随围压变化维持在约4.46%,与现场支撑剂回流数据不符;变流压测试下支撑剂回流量在流压20 MPa时的支撑剂回流量为20.53%,且随着流压的降低,回流量下降,与现场支撑剂的回流变量变化规律一致;忽略支撑剂的回流会导致对裂缝导流能力伤害率的计算值偏低,不利于制定施工方案;页岩人工裂缝导流能力的准确测试,应采用与实际应力加载更符合的变流压测试方法,以便更好地体现支撑剂回流对导流能力的影响。

深层页岩压裂多级裂缝内支撑剂运移与分布规律

深层页岩天然裂缝与层理缝发育,经体积改造后易形成“主缝+支缝+次微缝”的多级裂缝结构,但受高垂向应力和高水平应力差条件的影响,深层页岩压裂裂缝开度极窄且主次缝开度差异较大。为了明确多级裂缝内支撑剂运移机制与分布规律,搭建了大型可视化支撑剂输送实验系统,研究了泵注排量、液体黏度、支撑剂粒径、支撑剂浓度、裂缝特征参数对支撑剂运移与分布的影响规律,最后基于水电相似原理计算了裂缝整体导流能力并开展了评价分析。研究结果表明:①缝内支撑剂存在多种堆积模式,其形成由流体对支撑剂的携带能力决定;②支撑剂分流效率受多种因素影响,增大排量与减小支撑剂粒径均可提高分流效率;③多级裂缝内,增大排量与压裂液黏度均在一定程度上改善了支撑剂非均匀分布,但裂缝导流能力表现为先增大后减小;④综合支撑剂分流结果与多级裂缝内支撑剂分布规律,推荐坚持“大排量+低黏度”泵注思想,以保证大粒径支撑剂占比,适当混合小粒径支撑剂,构建“近井区高导流+远井区有支撑”的高导流裂缝体。结论认为,基于含多级裂缝的大型可视化支撑剂输送实验系统,全面系统研究了不同条件下多级裂缝内支撑剂运移与堆积的模式,研究成果可为深层页岩压裂泵注工艺参数设计与优化提供理论支撑。

基于油基钻屑制备压裂支撑剂的室内研究

针对热解析后脱油钻屑处理难和处理方式单一的问题,开展了将油基钻屑残渣制备成免烧压裂支撑剂的研究,研究了钻屑与水泥比、CMC添加量、石膏添加量和养护天数共4个因素对免烧压裂支撑剂性能影响。结果表明,在原料配比较优的情况下,制备工艺为钻屑水泥比0.67(质量比),石膏添加量为6%(质量分数),CMC添加量为4%(质量分数),养护时间28 d。该条件下制得的压裂支撑剂颗粒体积密度为1.47 g/cm^(3),视密度为2.52 g/cm^(3),35 MPa下颗粒破碎率为1.57%。经扫描电子显微镜与X射线衍射仪分析发现,此时压裂支撑剂内部结构致密,孔隙封闭,水化产物CaO·SiO_(2)·nH_(2)O凝胶和钙长石类物质有利于提高压裂支撑剂的综合物理性能。为脱油钻屑残渣利用提供新的方向。

非常规储层压裂支撑剂多级裂缝运移和沉降规律

水力压裂过程中支撑剂在裂缝中有效填充是形成高导流裂缝通道的关键。目前,关于支撑剂在裂缝中运移与沉降规律的研究方法多为物理实验或数值模拟,且主要聚焦支撑剂沉降结果,对支撑运移和沉降机理的研究较少。为进一步揭示支撑剂在裂缝中的运移和沉降规律,采用实验与数值模拟结合的方法探究了支撑剂尺寸、注入速度以及压裂液黏度对支撑剂在单一与交叉裂缝中的运移沉降行为的影响。研究结果表明:①支撑剂尺寸主要通过对沉降角的影响决定颗粒运移的分布,支撑剂尺寸越大,颗粒沉降角越大,运移距离越短;②注入速度对砂丘形态影响较大,当注入速度从0.2m/s增加至1.0m/s时,单一裂缝内砂丘有效支撑面积比和最大高度都明显降低,而分支缝内砂丘有效支撑面积比增加34.3%,表现出与单一裂缝中相反的变化趋势;③压裂液黏度主要影响流体携砂能力,随着压裂液黏度增加,主裂缝内砂丘有效支撑面积比降低8.4%,砂丘最大高度下降6.1cm,而在分支裂缝内表现为先增加后降低。结论认为,分支裂缝与主裂缝内支撑剂运移受施工因素影响往往表现出不同变化规律,该研究成果将进一步完善了水力压裂相关理论认识,同时为压裂现场施工设计优化提供了理论支撑。

鄂尔多斯盆地华池区长6/长7段致密储层支撑剂嵌入影响因素实验研究

为了探究长6/长7致密储层的嵌入规律,通过XRD矿物分析仪分析不同岩性矿物成分,采用DL2000酸蚀裂缝导流能力测试仪分析了不同岩石类型、单双层岩板、支撑剂粒径、铺砂浓度以及压裂液对嵌入深度的影响。在嵌入深度计算中,采用将支撑剂筛分的方式,改进了传统嵌入深度的计算方法。通过斯皮尔曼(Spearman)相关性分析,得到了长6/长7嵌入深度影响因素高低的排序。实验结果表明:1)黏土矿物含量增加10%,嵌入深度增加0.005 mm;脆性矿物含量增加10%,嵌入深度减小0.002 mm,黏土矿物对嵌入深度的影响大于脆性矿物;2)双岩板的嵌入量约为单岩板的1.2倍;3)嵌入深度随着支撑剂粒径的增加而增加,其中20/40目(长6)的嵌入深度最大,远远高于长7;4)铺砂浓度增加,嵌入深度减小,在铺砂浓度大于7.5 kg后,嵌入深度变化不大;5)压裂液EM30S对支撑剂嵌入深度影响较小;6)影响长6/长7储层嵌入深度的因素由高到低依次为岩板数量、铺砂浓度、压裂液类型、岩石类型、支撑剂粒径及黏土含量。

考虑支撑剂嵌入的裂缝参数优化方法

基于支撑剂指数法,考虑支撑剂嵌入和微粒运移等因素,以数学迭代等手段对海上疏松砂岩储层压裂充填的裂缝参数优化方法进行了研究。归纳了支撑剂指数法的基本原理,优化了裂缝几何参数、无因次导流能力等,提出了压裂充填裂缝参数优化方法,并进行了案例井计算。结果表明:支撑剂指数为支撑裂缝体积与单井控制油藏体积的比值;微粒运移会降低支撑裂缝渗透率,且在一定范围内,降低程度逐渐增大;支撑剂嵌入会导致支撑层的宽度受损;随着微粒运移和支撑剂嵌入程度加深,最优缝长有所下降,最优缝宽有所增加,而对应实际的增产倍数有所下降;单井计算结果与实际施工一致,该方法对海上疏松砂岩储层压裂充填裂缝参数优化具有一定的指导意义。

一步水热改性石英砂支撑剂及性能研究

为提高石英砂在压裂液中的分散稳定性,采用十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)对传统石英砂表面进行改性。结果表明,CTAC质量分数为0.6%,在80℃中性条件下与石英砂反应120 min,可以使石英砂的沉降速度降低44.85%。改性前后石英砂与水的接触角由28.233°增至87.853°,表明石英砂表面的疏水性有大幅度改善,石英砂颗粒与水分子之间的排斥力增大。表面自由能由83.342 mJ/m^(2)降至22.379 mJ/m^(2),表面自由能降低使系统更加稳定,从能量的角度解释了改性后石英砂沉降速度降低的原因。改性后石英砂的zeta电位是改性前的2倍,石英砂颗粒之间的静电斥力明显增大,从而使颗粒之间不容易聚沉,体系更加稳定。

通道压裂支撑剂缝内分布规律研究

通道压裂是低渗透致密油气藏高效、低成本开发的关键技术,通过采用非连续簇团铺砂的方式,使裂缝中形成具有高导流能力的通道,但目前关于通道压裂的理论研究仍然处于起步阶段.因此,基于计算流体力学建立欧拉-欧拉固液两相流模型,对通道压裂过程中支撑剂的分布状态进行模拟,通过与实验结果进行对比,证明了所建立模型的有效性,并系统研究了不同中顶压裂液(纯压裂液脉冲段)黏度、支撑剂密度、泵注排量对通道压裂通道率的影响.结果表明,中顶压裂液的黏度从1 mPa·s增加到20 mPa·s,通道内平均通道率增加5%;支撑剂密度从1400 kg/m^(3)增加到2000 kg/m^(3)时,缝内通道率减小了7%;排量由3 m^(3)/min增加到7 m^(3)/min时,通道率由28%增加到33.5%后减小到31%.现场应用过程中应使用较高黏度中顶压裂液、较低密度支撑剂和合理的泵注排量以保证裂缝中形成有效支撑通道.

自悬浮支撑剂性能评价关键技术指标探讨

自悬浮支撑剂通过遇水自增粘来降低沉降、提升携砂能力,具有改善铺砂剖面的技术优势。目前按照石油行业标准《水力压裂和砾石充填作业用支撑剂性能测试方法》无法全面表征其性能,给材料评价和优选带来困难。本文设计出自悬浮支撑剂增粘能力测试方法,提出纵向上、下密度比值来定义悬浮率,并研制出相关设备和评价方法,测试结果表明适用性良好,为产品优选和现场应用奠定了基础。

水平井射孔簇内支撑剂分布数值模拟

为研究水平井射孔簇内支撑剂的运移规律,建立了水平井筒几何模型,并采用欧拉双流体模型分析了不同注入流量、压裂液黏度和注入φ(砂粒)对支撑剂运移规律的影响。结果表明,在水平井筒中,支撑剂的分布向趾部偏移。增加注入流速能促进颗粒的分散,但会降低射孔内的均匀性;提高压裂液黏度能减缓颗粒沉降,有助于支撑剂的均匀分布;增加注入φ(砂粒)会增加井筒堵塞风险,因此选择注入φ(砂粒)<10%。此外,雷诺数与归一化标准差呈自然对数关系,较高的雷诺数有助于提高颗粒在射孔流出的均匀性。

非常规油气压裂支撑剂圆度球度快速测定新方法

压裂支撑剂性能对储层水力压裂设计至关重要,其中圆度球度是性能参数的重要指标。对于同一种支撑剂而言,其圆度值和球度值越高,抗破碎能力也越强,支撑剂裂缝导流能力就越大。传统的圆度球度测定主要通过人工目测的传统经验方法实现,主观性较强且效率相对较低。基于光学显微镜成像结合计算机图像技术,提出了一种压裂支撑剂圆度球度的快速测定的新方法,即角点曲率半径均值拟合的圆度算法和多元线性回归拟合的球度算法。检测结果表明,测定方法在Krumbein-Sloss图版上的检测结果与标准模板结果接近,最大误差仅为3.1%;与传统人工目测法的结果进行对比分析,检测结果最大误差仅6%,满足标准要求,同时可以实现大批量的压裂支撑剂圆度球度的快速自动检测,大大降低了实验成本,为现场压裂设计支撑剂性能优选以及降本增效提供技术参考。

基于OpenCV图像处理的支撑剂颗粒圆度和球度检测方法

为提升检测效率和检测精度,提出了基于OpenCV图像处理的支撑剂颗粒圆度和球度检测方法。该方法使用OpenCV算法,综合考虑图像的背景颜色和图像中颗粒的多样性等各种因素的影响,优化处理算法,提高检测有效性和图像处理效率。在检测过程中,新出现的影响因素还可对算法进行优化,具有很好的可调节性。将检测数据与标准模板相比较,结果证明该检测方法具有可行性和有效性,为支撑剂颗粒的圆度和球度检测提供了新路径。

迂曲裂缝内支撑剂运移数值模拟

水力压裂后,储层形成较多的迂曲裂缝,支撑剂在迂曲裂缝中的运移和铺置规律尚不明确,在稠密颗粒流模型的基础上耦合颗粒物料仿真软件,模拟迂曲角度、支撑剂尺寸、注入速率、携砂液密度和支撑剂密度对迂曲裂缝中支撑剂运移和砂堵的影响。结果表明:大多支撑剂会堆积在裂缝第一转折角处,迂曲角度的变化会显著影响支撑剂的运移和砂堵的发生,迂曲角度大,容易发生砂堵且砂堵程度严重;密度大和粒径小的支撑剂发生砂堵时会形成致密的支撑剂堆积,加剧砂堵程度;注入速率大,支撑剂在裂缝中运移距离较远,但注入速度和携砂液密度的增加,会加剧砂堵程度。

粗糙裂缝内支撑剂运移与展布规律数值模拟

粗糙狭窄裂缝壁面造成水力压裂有效裂缝体积减小,极大地影响缝内支撑剂运移与铺置和压裂改造效果。为此,采用Matlab建立自相关高斯分布曲面,并结合分形理论识别分析裂缝粗糙面,采用计算流体动力学—颗粒元(CFD-DEM)双向耦合方法,建立了不同粗糙度的裂缝三维模型,分析了不同支撑剂粒径组合在不同粗糙度缝道内的沉积和运移过程及规律。研究表明:随着缝面由平滑向粗糙变化,支撑剂堵塞明显;在重力作用下小粒径支撑剂(粒径与缝宽比为0.3)具有出更好的运移能力,但难以保证近井端支撑效果;大粒径支撑剂(粒径与缝宽比为0.8)覆盖面积增加158.1%,堵塞于缝口附近,影响后续支撑剂向远处运移,推荐粒径缝宽比为0.4;对于组合粒径加砂方式,推荐采用“先小后大”的注入顺序,以保证支撑剂运移距离和效率。研究结果有助于更好地理解裂缝粗糙度对支撑剂在裂缝中运移的影响,对压裂设计及施工参数优化具有指导意义。