王麗榮，承 寧，劉從平，陳 進(jìn)，潘 元中石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依2中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司采油采氣重點(diǎn)試驗(yàn)室長(zhǎng)江大學(xué)分室，湖北 武漢3長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢

1.引言

水力壓裂壓后返排過(guò)程中往往會(huì)發(fā)生支撐劑回流。支撐劑回流不僅會(huì)使支撐縫長(zhǎng)、縫寬和導(dǎo)流能力下降，影響壓裂改造效果，還會(huì)導(dǎo)致井底沉砂堆積掩埋油氣層，沖蝕刺壞地面管線[1][2][3][4]，影響壓裂和油氣開(kāi)采工作的順利進(jìn)行。

瑪湖油田儲(chǔ)層致密，采用水力壓裂增產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。為確定油井合理的工作制度，避免支撐劑回流給生產(chǎn)帶來(lái)麻煩，針對(duì)性地開(kāi)展支撐劑回流試驗(yàn)研究。

2.支撐劑回流試驗(yàn)

2.1.試驗(yàn)裝置及材料

HXDL-2C型裂縫導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)裝置可以模擬10~120 MPa 閉合壓力下的裂縫導(dǎo)流能力，還能夠開(kāi)展支撐劑回流試驗(yàn)。該裝置配有2個(gè)導(dǎo)流室，可同時(shí)進(jìn)行2路試驗(yàn)，導(dǎo)流室材料為Hastelloy，采用酸作為工作液。系統(tǒng)由導(dǎo)流槽、加熱器、液壓機(jī)、恒流柱塞泵組成，連同位移和差壓傳感器、天平形成一套研究評(píng)價(jià)體系。

試驗(yàn)所使用的API 導(dǎo)流室由標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)流室改裝而成，將標(biāo)準(zhǔn)API 導(dǎo)流室出口接頭卸下，更換為回流專用出口接頭并連接集砂器即可完成改裝。

試驗(yàn)用液體為蒸餾水與胍膠壓裂液(胍膠破膠后黏度小于5mPa?s)。支撐劑為40~70、30~50、20~40目新疆石英砂。

2.2.試驗(yàn)原理

試驗(yàn)旨在模擬裂縫中支撐劑的流動(dòng)狀態(tài)，即壓差作用下克服流體摩擦的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)上述雷諾相似準(zhǔn)則，計(jì)算實(shí)驗(yàn)室與實(shí)際地層裂縫的流量比，實(shí)驗(yàn)室參數(shù)與假設(shè)地層參數(shù)見(jiàn)表1。

Table1.The parameter tableof model and prototype表1.模型與原型參數(shù)表

2.3.試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分為2 部分，試驗(yàn)1~9為正交試驗(yàn)參數(shù)，研究各變量對(duì)支撐劑回流的影響程度排序；試驗(yàn)10~21為現(xiàn)場(chǎng)返排模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

Table2.The design of test parameters表2.試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.4.試驗(yàn)過(guò)程

模擬試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)改變壓裂液返排速度，觀察顯示面板上實(shí)際壓力的變化判斷支撐劑是否發(fā)生回流，具體試驗(yàn)過(guò)程：①按照壓裂液配方，配制壓裂液；②將配制好的壓裂液，加入具塞磨口錐形瓶中，塞緊瓶塞，放入恒溫水浴中(40℃)，測(cè)其黏度；③將鋪置好支撐劑的裂縫模擬試驗(yàn)裝置裝載到液壓機(jī)上，預(yù)先加載一定的壓力使其穩(wěn)定，連接好管線，關(guān)閉進(jìn)液閥和出液閥，打開(kāi)抽真空閥抽真空，加載有效應(yīng)力，開(kāi)始試驗(yàn)；④將平流泵的流量設(shè)定為1mL/min，開(kāi)通模型室前后的閥門，先以小流量將模型室充滿壓裂液，模擬施工停泵后壓裂液和支撐劑在地層中充滿裂縫的實(shí)際情況；⑤等裂縫模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)口端和出口端的流量相等，流動(dòng)穩(wěn)定時(shí)(即認(rèn)為模型室內(nèi)已均勻充滿壓裂液)，拆下抽真空閥，連上回流出口設(shè)備；⑥緩慢增大流量，觀察每一階段軟件操作界面上實(shí)際壓力與導(dǎo)流室出口集砂器中的變化，每階段停留10min，每30s記錄一次數(shù)據(jù)。若兩者變化不大則繼續(xù)增大流量進(jìn)行試驗(yàn)，直到實(shí)際壓力發(fā)生突變，記錄數(shù)據(jù)，停泵；⑦拆卸模型，清洗設(shè)備，重新鋪置支撐劑，配制液體，裝載模型室，改變?cè)囼?yàn)條件，進(jìn)行下一組試驗(yàn)。

3.試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1.正交試驗(yàn)結(jié)果

支撐劑回流試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，可以看出，表中各因素對(duì)支撐劑回流臨界流量的影響程度排序?yàn)椋褐蝿┝?鋪砂濃度>閉合壓力>壓裂液黏度，閉合壓力與壓裂液黏度對(duì)支撐劑回流的影響程度差別不大。

Table3.The result of orthogonal test 表3.正交試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果

將表3中各影響因素的均值繪制成效應(yīng)曲線(圖1)，可以看出當(dāng)支撐劑粒徑變小、壓裂液黏度增大或者鋪砂濃度增大時(shí)，支撐劑回流的臨界流量會(huì)逐漸變小，對(duì)于閉合壓力則出現(xiàn)相反的趨勢(shì)，壓力越高，臨界流量越大。

3.2.現(xiàn)場(chǎng)返排模擬試驗(yàn)分析

設(shè)置2 組試驗(yàn)，10~15號(hào)為黏度為1mPa?s的壓裂液，16~21號(hào)為黏度為10mPa?s的壓裂液。在不同流量階段實(shí)際壓力的變化曲線如圖2所示。以試驗(yàn)10為例，隨著壓裂液返排流量的增大，實(shí)際壓力逐漸減小，支撐劑回流量越來(lái)越大。當(dāng)返排流量小于10mL/min 時(shí)，曲線斜率變化幅度較小，較上一階段壓力減小7%，當(dāng)返排流量大于11mL/min 時(shí)，曲線斜率變化幅度較大，實(shí)際壓力減小了20%。由此可以確定返排流量10mL/min 為控制支撐劑回流的臨界流量。

Figure 1.The effect curve圖1.效應(yīng)曲線圖

Figure 2.The curve of flow rate and actual pressure changes 圖2.流量與實(shí)際壓力變化曲線

4.結(jié)論

1)室內(nèi)模擬試驗(yàn)表明，支撐劑回流臨界流量隨著閉合應(yīng)力的增大而增加，隨著鋪砂濃度的增大，支撐劑回流的臨界流速減小。

2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)返排模擬試驗(yàn)得出，當(dāng)壓裂液破膠后在不同的閉合壓力下(18、22、26MPa)對(duì)應(yīng)的支撐劑臨界流速分別為10、12、14 mL/min，說(shuō)明閉合壓力變大時(shí)支撐劑臨界流速隨之增大。