疏松砂岩地层压裂充填支撑剂粒径优选

疏松砂岩地层压裂充填支撑剂粒径优选
郭天魁;张士诚;王雷;贺甲元
【摘要】在疏松软地层中实施压裂充填工艺,出砂和支撑剂的嵌入是造成裂缝失效的主要因素,而两者都与支撑剂的粒径有密切的关系.针对金县油田高渗储层,设计模拟裂缝壁面的嵌入与砂侵和裂缝端部的砂侵试验.在不同压力下,对两种不同粒度组成的模拟地层砂进行测试,获得支撑剂在软地层中的嵌入程度、不同粒径支撑剂及其组合下的出砂量、出砂粒径以及砂侵后的导流能力.结果表明:在软地层中,支撑剂的嵌入程度随支撑剂粒径的增加而增大,随地层砂粒度中值的增大而减小；压裂充填防砂支撑剂粒径应优选为5～9倍的地层砂粒度中值；支撑剂粒径是地层砂粒度中值的6～9倍时,可形成内部砂桥；适合于压裂充填防砂的支撑剂粒径组合方案是粒径为地层砂粒度中值6～9倍的支撑剂与小于6倍的支撑剂体积比为3∶1.%For frac and pack in the unconsolid soft formation, sand production and proppant embedment which have a close relationship with proppant size are the important factors leading to fracturing failure. The experiments were carried out by two new measurement methods for simulating proppant embedment and sand invasion about fracture wall and front end on high permeability reservoirs of Jinxian Oilfield. Under different pressure, the experiments on testing two kinds of simulated formation sand with different grain size were carried out, and the proppant embedment degree in the soft formation, the amount and particle size of sand production, the fracture conductivity after sand invasion were obtained. The results show that the embedment degree increases with the increase of proppant size and decreases with the increase of sand size in the soft formation. The
proppant size for frac and pack is about 5-9 times the size of sand. When the proppant size is 6-9 times median size of sand, interior sand bridge
can form. When the ratio of proppant for 6-9 times the size of sand and proppant less than 6 times the size of sand is 3 :1, the combination is appropriate.
【期刊名称】《中国石油大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2012(036)001
【总页数】7页(P94-100)
【关键词】砂岩;压裂充填;支撑剂;嵌入;导流能力;砂侵
【作者】郭天魁;张士诚;王雷;贺甲元
【作者单位】中国石油大学石油工程学院,北京102249;中国石油大学石油工程学院,北京102249;中国石油大学石油工程学院,北京102249;中石化石油勘探开发研究院,北京100083
【正文语种】中文
【中图分类】TE257
在疏松砂岩地层中实施压裂充填工艺后，如果支撑剂严重嵌入和地层砂大量侵入，充填层的导流能力将会大幅度下降［1-3］，裂缝失效加速，而两者都与支撑剂的粒径密切相关。

资料表明［4］，在软地层中，支撑剂的粒径对嵌入影响很大，但并未对其进行深入研究。

传统的砾石充填防砂选择标准Saucier规则［5］并不适合压裂充填防砂，目前现场施工时，普遍把标准放大，如6～8倍、7～9倍［6］，甚至更大时效果更好，但仍没有统一的标准。

笔者针对金县油田实施压裂充填的两
个疏松砂岩高渗储层，通过设计支撑剂在软地层中的嵌入和裂缝壁面及端部的砂侵试验，进行支撑剂粒径优选研究。

1.1.1 试验装置
试验充分利用FCES-100型裂缝导流仪，自制疏松砂岩岩板，设计模拟了地层裂
缝壁面的嵌入和砂侵试验，装置如图1所示。

室下端3个孔关闭，重新连接管线，测试12 h短期导流能力。

同样方法，测试其他3个压力点。

1.2.1 试验装置
利用FCES-100型裂缝导流仪，按照图2所示的铺砂方法铺置，便可模拟裂缝端
部的砂侵。

根据导流室尺寸的设计，在进水口端半圆的面积上铺置地层砂，距离测压孔约5 mm，保证测压段完全为支撑剂。

为准确判断内部砂桥的形成，充填层
上下设为钢板。

1.1.2 试验步骤
(1)对0.85～1.18、0.6～1.18、0.425～0.85、0.25～0.425 mm 4种粒径的Carbo-lite陶粒支撑剂，测试其在15 kg/m2铺砂浓度、10、20、30、40 MPa
压力下的12 h短期无嵌入导流能力［7］。

(2)按照油田两个高渗储层的地层砂粒度组成，配制了两种模拟地层砂(表1)，两种模拟地层砂分选好，但粒度中值不同。

按照地层条件，在基岩应力20 MPa下压2 h，制成胶结非常疏松的岩板。

上面铺置支撑剂，铺砂浓度为15 kg/m2，支撑剂
上面为钢板，测试12 h短期单侧嵌入导流能力。

模拟地层砂1的粒度中值为
0.086 mm，分选系数为1.622;模拟地层砂2的粒度中值为0.132 mm，分选系数为1.896。

(3)组装同样的导流室，按照图1所示连接组件，关闭导流室右侧阀门，首先在10 MPa下让水从导流室下端的3个进水孔流入，流量为150 mL/ min，维持10 h，将从左侧出水口处流出的水收集、沉淀、过滤，称其砂的质量，筛析获取出砂粒径，
将导流
1.2.2 试验步骤
(1)按照图2的方法铺置，支撑剂的铺砂浓度为15 kg/m2，首先在10 MPa下，
水流量为150 mL/min维持10 h，将流出的水收集、沉淀、过滤，称其砂的质量，筛析获取出砂粒径，最后测试12 h短期无嵌入导流能力。

同样方法，测试其他3
个压力点。

(2)测试不同粒径支撑剂组合［8-10］即复合压裂的防砂效果，针对模拟地层砂1，支撑剂粒径组合分别为(0.6～1.18 mm)∶(0.425～0.85 mm)=3∶1、(0.6～1.18 mm)∶(0.425～0.85 mm)=2∶1、(0.6～1.18 mm)∶(0.25～0.425 mm)=3∶1、(0.425～0.85 mm)∶(0.25～0.425 mm)=3∶1;模拟地层砂2的支撑剂粒径组合为(0.6～1.18 mm)∶(0.425～0.85 mm)=3∶1，小比例的支撑剂放于进水口端，采
用分段铺置法。

针对两种岩板，不同粒径支撑剂的嵌入程度(嵌入影响程度是指无嵌入与嵌入导流
能力的差与无嵌入导流能力的比值)和支撑剂嵌入后的剩余导流能力如图3所示。

由图3(a)可知，在试验条件下，即地层砂粒径相对支撑剂粒径较小的情况下，支
撑剂的嵌入影响程度随支撑剂粒径的增大而增大，分析认为小粒径支撑剂与岩板的接触点更多，受力面积大，单个支撑剂所承受的闭合应力较小，对软岩板进行了整体压实，类似于“活塞推进”，所以嵌入相对较浅，而且由于小粒径支撑剂的粒间孔隙较小，软岩板中进入支撑剂充填层的游离地层砂更少，对裂缝的导流能力影响相对小一些。

在粒径和闭合压力的双重影响下，剩余导流能力的差距随闭合压力的增加而减小(图3(b))，无嵌入导流能力测试中粒径为0.85～1.18 mm的支撑剂高
于0.6～1.18 mm的，而嵌入后粒径为0.6～1.18 mm的最终导流能力反而比
0.85～1.18 mm的大，因此在优选支撑剂粒径时要考虑不同粒径对嵌入造成的影响。

从图3也可以看出，针对不同粒度组成的岩板，支撑剂的嵌入程度差别很大。

硬
度接近的情况下，嵌入程度随地层砂粒度中值的增加而减小。

图4为0.85～1.18 mm和0.25～0.425 mm支撑剂在软地层中的嵌入外观图。

从图4中可以明显看出，大粒径的嵌入更加严重。

2.2.1 出砂量
低闭合压力下，卡博陶粒的破碎率很低，同时对试验出砂进行显微镜观察，发现基本为石英砂，如图5所示，排除破碎陶粒的影响。

表2为出砂量试验结果。

由表2可知:
(1)对于小粒径的模拟地层砂1，0.85～1.18 mm和0.6～1.18 mm支撑剂防砂效果很差，出砂量相对较高，两者的粒径分别为模拟地层砂1粒度中值的10～14倍和7～14倍，形成的粒间孔隙较大，因此出砂量大。

0.6～1.18 mm支撑剂的组
分中0.85～1.18 mm的约占60%，可以认为在比例接近10～14倍时防砂效果差。

0.425～0.85 mm支撑剂的出砂量相对较小，它的粒径为地层砂粒度中值的5～
10倍。

0.25～0.425 mm支撑剂几乎不出砂，它的粒径为地层砂粒度中值的3～5倍。

(2)对于模拟地层砂2，0.85～1.18 mm和0.6 ～1.18 mm支撑剂的粒径分别为
地层砂粒度中值的6～9倍和5～9倍，出砂量不大。

0.425～0.85 mm支撑剂的
粒径为地层砂粒度中值的3～6倍，也几乎不出砂。

2.2.2 出砂粒径
试验选用的筛网组合为:0.5－0.45－0.355－0.28－0.224－0.2－0.16－0.1－0.09－0.063 mm。

10、20、30、40 MPa下的测量结果见表3。

支撑剂的排列结构有正方体和六面体两种，形成的孔隙直径(Saucier公式的理论
基础)分别为
式中，d1和d2为支撑剂间孔隙直径。

通常认为在一定的闭合压力下，支撑剂应以稳定六面体结构排列［11］，此时粒
径大于支撑剂粒径1/5的地层砂无法通过。

由表3出砂粒径分析发现，只要粒径
小于0.414 2d的地层砂都能穿过，并且从10 MPa到40 MPa随闭合压裂的升高，这种大粒径的颗粒数越来越少，高倍显微镜观察流出的颗粒为石英砂，非破碎的陶粒。

这说明在试验压力点下，支撑剂并没有完全以稳定的六面体结构排列，还存在部分的四面体排列结构。

试验中流出的大颗粒极其微量，说明四面体结构比例很小。

图6为地层砂侵入支撑剂孔隙的微观图。

2.2.3 导流能力
防砂效果可从两个方面判断:一是把地层砂挡在地层或裂缝内，即井筒和井口不产砂;二是采取防砂措施后，出砂较少对油井产量影响不大。

前一方面可以通过出砂
量判断防砂效果，后一方面可以通过裂缝导流能力的变化来判断。

图7为针对模
拟地层砂1和2嵌入和壁面砂侵条件下的导流能力对比曲线。

由图7可知，针对模拟地层砂1，随闭合压力的增大，0.425～0.85 mm支撑剂的优势逐渐显现，其粒径为地层砂粒度中值的5～10倍。

针对模拟地层砂2，
0.85～1.18 mm与0.6～1.18 mm支撑剂剩余导流能力较高，出砂量也不大，其
粒径分别为地层砂粒度中值的6～9倍和5～9倍。

受软地层中支撑剂嵌入和砂侵
影响，0.6～1.18 mm支撑剂的剩余导流能力高于0.85～1.18 mm的。

因此，在
嵌入和壁面砂侵条件下，针对模拟地层砂2，支撑剂粒径优选0.6～1.18 mm，约为地层砂粒度中值的5～9倍。

2.3.1 出砂量
端部砂侵出砂量测试结果见表4。

由表4可知:
(1)对于小粒径的模拟地层砂1，0.85～1.18 mm和0.6～1.18 mm支撑剂防砂效果很差，出砂量约为1 g。

0.425～0.85 mm支撑剂的出砂量低一个数量级，
0.25～0.425 mm支撑剂出砂很少。

不同粒径支撑剂组合后，防砂效果大大增强。

出砂量更接近于单纯小粒径支撑剂的结果。

(2)对于模拟地层砂2，0.85～1.18 mm和0.6～1.18 mm支撑剂出砂量不大，
0.425～0.85 mm出砂量很小，支撑剂组合的防砂效果依然不错。

(3)模拟地层砂1中0.425～0.85 mm、0.6～1.18 mm与0.425～0.85 mm的组
合和模拟地层砂2中0.85～1.18 mm与0.6～1.18 mm支撑剂的试验结果显示，出砂量随闭合压力的增加(时间的延长)有逐渐减少的趋势，这几种支撑剂粒径约为地层砂粒度中值的5～10倍、6～9倍、5～9倍，由此可以判断，在约6～9倍内，随流动时间的延长，在充填层与地层砂接触的较小范围内形成了内部砂桥。

试验的前10 h在高流速冲击下，很难形成稳定的内部砂桥［12］，但导流能力测试期间，流量小并且稳定，地层砂微粒会逐渐累积形成较稳定的内部砂桥，在下一个压力点下，导致出砂量减少。

2.3.2 出砂粒径
试验选用同样的筛网组合，10、20、30、40 MPa下端部砂侵出砂粒径测量结果
见表5。

表5显示，针对不同粒径的支撑剂，基本上都有粒径小于0.4142d的极其微量的
地层砂穿过，证明此压力点下的确存在小部分的四面体结构。

不同粒径的支撑剂组合后，受接触端小粒径支撑剂的影响，防砂效果大大增强，但由于此段较短，效果同单一小粒径相比要差一些。

2.3.3 导流能力
两种模拟地层砂端部砂侵前后的导流能力对比如图8所示。

由图8可知，对于模
拟地层砂1，砂侵后0.85～1.18 mm和0.6～1.18 mm支撑剂的导流能力大幅下降。

0.425～0.85 mm支撑剂的导流能力损失相对不大，随着闭合压力的增加逐
渐超过0.85～1.18 mm和0.6～1.18 mm支撑剂。

0.25～0.425 mm支撑剂的导流能力几乎不变，但很小。

对比可知，V0.6～1.18mm∶V0.425～0.85mm=3∶1
时，效果最好，不但出砂量不高，而且导流能力明显增大，说明前端0.425～0.85 mm支撑剂防砂效果明显，后端大粒径支撑剂有效维持了大导流能力的特点。

对于模拟地层砂2，0.85～1.18 mm和0.6～1.18 mm支撑剂的剩余导流能力较高，而且0.6～1.18 mm导流能力稍好一些，出砂也更少。

粒径为地层砂粒度中值3～6倍的0.425～0.85 mm支撑剂，出砂量比前两者小，但导流能力差很多。

V0.6～1.18mm∶V0.425～0.85mm=3∶1时，导流能力与0.6～1.18 mm支撑剂基本一样，但由于0.425～0.85 mm支撑剂的作用，出砂量和出砂粒径都有所减小。

综合裂缝壁面的砂侵嵌入和裂缝端部的砂侵试验可知，由于支撑剂在软地层中的嵌入随支撑剂粒径的增大而增大，粒径为5～9倍地层砂粒度中值(d50)的支撑剂防砂效果和剩余导流能力综合最优。

通过试验判断支撑剂粒径为6～9倍的地层砂粒度中值时，可形成内部砂桥。

对于复合压裂来说，虽然端部砂侵显示(5～9) d50与9d50以上支撑剂以1∶3的比例组合时效果最好，但由支撑剂在裂缝壁面的嵌入和砂侵试验可知，复合压裂中粒径为地层砂粒度中值10倍以上的大粒径支撑剂所占的比例较高时，防砂效果很差，所以针对模拟地层砂1，并不适合支撑剂的粒径组合，而对于模拟地层砂2，粒径小于6d50与(6～9)d50的支撑剂以1∶3的比例组合时，由于粒径小于6d50支撑剂的壁面嵌入与砂侵相对于粒径(6～9)d50支撑剂来说更小，因此可判断这种组合方式效果很好。

(1)软地层中，支撑剂的嵌入程度随支撑剂粒径的增加而增大。

针对不同粒度组成的软岩板，支撑剂的嵌入差别很大。

硬度接近的情况下，嵌入程度随地层砂粒度中值的增大而减小。

试验中支撑剂在岩板1和岩板2上的嵌入程度相差约40%。

(2)针对模拟地层砂1，试验优选的支撑剂粒径为0.425～0.85 mm;针对模拟地层砂2，优选为0.6～1.18 mm支撑剂，以及0.6～1.18 mm与0.425～0.85 mm
支撑剂体积以3∶1组合。

(3)压裂充填防砂的支撑剂粒径选为5～9倍地层砂粒度中值较合适。

支撑剂粒径为地层砂粒度中值的6～9倍时可形成内部砂桥。

适合于压裂充填防砂的支撑剂粒径组合为V＜6d50∶V(6～9)d50=1∶3。

(4)闭合压力低于40 MPa时，支撑剂充填层并没有完全以稳定的六面体结构排列，仍然存在微量的四面体结构。

【相关文献】
［1］LACY LL，RICKARDSA R.Embedment and fracture conductivity in soft formation associated with HEC，borate andwater-based fracture designs［R］.SPE 38590，1997. ［2］温庆志，张士诚，王雷，等.支撑剂嵌入对裂缝长期导流能力的影响研究［J］.天然气工业，2005，25(5):65-68.
WENQing-zhi，ZHANG Shi-cheng，WANG Lei，et al.Influence of proppant embedment
on fracture long term flow conductivity［J］.Natural Gas Industry，2005，25 (5):65-68. ［3］卢聪，郭建春，王文耀，等.支撑剂嵌入及对裂缝导流能力损害的实验［J］.天然气工业，2008，28(2):99-101.
LU Cong，GUO Jian-chun，WANG Wen-yao，et al.Experimental research on proppant embedment and its damage to fractures conductivity［J］.Natural Gas Industry，2008，
28(2):99-101.
［4］LACY LL，RICKARDSA R，BILDEND M.Fracture width and embedment testing in soft reservoir sandstone［R］.SPE 36421，1998.
［5］XIANG Wentao，WANG Pingshuang.Application of bridging theory on saucier
gravel to examine the sand control effect［R］.SPE 80450，2003.
［6］TUMAGE K A，PALISCH T T.Overcoming formation damage and increasing production using stackable frac packs and high-conductivity proppants:a case study in the Wilmington Field，Long Beach，California［R］.SPE 98304，2006.
［7］中国石油天然气总公司.压裂支撑剂充填层短期导流能力评价推荐方法.SY/T6302-1997中华
人民共和国石油天然气行业标准［S］.北京:石油工业出版社，1997.
［8］王雷，张士诚，张文宗，等.复合压裂不同粒径支撑剂组合长期导流能力实验研究［J］.天然
气工业，2005，25(9):64-66.
WANG Lei，ZHANG Shi-cheng，ZHANG Wen-zong，et al.Experimental research on long term conductivity of the proppant combination with different grain sizes in complex
fracturing［J］.Natural Gas Industry，2005，25(9):64-66.
［9］金智荣，郭建春，赵金洲，等.不同粒径支撑剂组合对裂缝导流能力影响规律实验研究［J］.石油地质与工程，2007，21(6):88-90.
JINZhi-rong，GUO Jian-chun，ZHAO Jin-zhou，et al.Experimental research on the fracture conductivity influence law of the proppant combination with different grain sizes ［J］.Petroleum Geology and Engineering，2007，21 (6):88-90.
［10］金智荣，郭建春，赵金洲，等.支撑裂缝导流能力影响因素实验研究与分析［J］.钻采工艺，2007，30(5):36-38，41.
JINZhi-rong，GUO Jian-chun，ZHAO Jin-zhou，et al.Experimental study and analysis for the influence fractors on flow conductivity of fracture proppants［J］.Drilling＆Production Technology，2007，30(5):36-38，41.
［11］宋友贵，纪朝凤，李怀文，等.压裂－充填综合防砂技术的研究与应用［J］.石油钻探技术，1999，27(2):45-47.
SONG You-gui，JI Chao-feng，LI Huai-wen，et al.Development of fracture packing sand controlling technique and its applications［J］.Petroleum Drilling Techniques，1999，
27(2):45-47.
［12］王志刚，李爱芬，张红玲，等.砾石充填防砂井砾石层堵塞机理实验研究［J］.石油大学学报:自然科学版，2000，24(5):49-51.
WANG Zhi-gang，LI Ai-fen，ZHANG Hong-ling，et al.Experimental study on pore-blocking mechanism in gravel packs of sand control well［J］.Journal of the University of Petroleum，China(Edition of Natural Science)，2000，24(5):49-51.。