油水井增产增注技术第五章

1、第五章 支撑剂 第五章 支撑剂 一、 支撑剂简介 二、 裂缝导流能力及伤害 三 、 支 撑 剂 运 移 四、 支撑剂测试 1. 基本术语 l支撑缝宽(propped fracture width):裂缝闭合在支撑剂上的 宽度，mm； l支撑缝长(propped fracture length):裂缝闭合在支撑剂上 的长度，m； l裂缝导流能力（fracture conductivity):在闭合应力条件下 的支撑缝宽与支撑剂渗透率的乘积，达西.厘米 m2.cm； l无因次裂缝导流能力（dimensionlessfracture conductivity):裂缝导流能力与储层有效渗透率和支撑裂缝

2、半长的 乘积之比，无单位； l砂液比（砂比）： 支撑剂的砂堆体积与携砂液体积之比，%。 1. 基本术语 l支撑剂浓度（proppant concentration）： 支撑剂的质量 与携砂 液体积之比，kg/m3； l支撑剂铺置浓度（proppant displacement concentration）： 单位裂缝面积铺置的支撑剂的质量，kg/m2； l加砂强度（sand proportion）： 裂缝单位长度上的平均加 砂体积， m3/m l压裂液效率（efficiency of fracturing fluid）： 停泵时的 压裂液造缝体积与泵入储层压裂液总体积之比，%。 2. 支撑剂（

3、proppant）作用 l 分隔开并有效支撑裂缝的两个壁面，使压裂施工 结束后裂缝始终能够得到有效支撑，需维持良好的 裂缝面渗流与裂缝导流能力。 l 裂缝渗透率比地层渗透率大几个数量级。支撑剂 设计需获得支撑剂的类型及其在闭合应力下的状态， 支撑剂的性能评价指标以及支撑裂缝导流能力的影 响因素。 3. 支撑剂性能 强度高：保证在高闭合压力下不破碎，并有效支撑裂缝。 粒径均匀、园球度好：支撑剂粒径均匀可提高支撑剂的承压 能力及渗透性。 目前使用的 支 撑 剂 颗 粒 直 径 通 常 为 0.45-0.9mm( 即40/20目)。 杂质少：杂质将堵塞支撑裂缝孔隙，降低裂缝导流能力。压裂砂中的杂质

4、是指混在砂中的碳酸盐、长石、 铁的氧化物及粘土等矿物质；一船用酸溶解度 来衡量存在于压裂砂中的碳酸盐、长石和氧化铁含量； 用浊度来衡量存在于压 裂砂中的粘土、淤泥或无机物质微粒的含量。 密度低：体积密度小于2000kg/m3，以利于压裂液输送并有效充填裂缝。 化学稳定：高温盐水中呈化学惰性，不与压裂液及储层流体发生化学反应， 避免污染支撑裂缝。 4. 支撑剂的类型 脆性支撑剂：脆性支撑剂是指支撑剂硬度较大，在闭合压力作用下 不易变形的支撑剂，主要有石英砂和陶粒。 特点: 硬度大，变形小，在高闭合压力下易破碎； 种类：石英砂，人造陶粒（中强度，高强度） 韧性支撑剂：韧性支撑剂是在较高闭合压力作用

5、下相对容易变形但 不易破碎的支撑剂。如树脂包层砂(超级砂)、核桃壳等。 特点: 变形大，承压面积大，高闭合压力下不易破碎。 种类：预固化树脂包层砂 ，固化树脂包层砂。 5. 树脂包层支撑剂的优点 树脂薄膜包裹起来的砂粒，增加砂粒间的接触面积，提高 了抵抗闭合压力的能力。 树脂薄膜可将压碎的粉砂包裹起来，减少微粒间的运移与 堵塞孔道的机会，从而改善了填砂裂缝导流能力。 树脂包层砂总的体积密度较低，便于悬浮，降低对携砂液 的要求。 树脂包层支撑剂具有可变形的特点，使其接触面积有所增 加，防止支撑剂在软地层的嵌入。 第五章 支撑剂 一 、 支 撑 剂 简 介 二、 裂缝导流能力及伤害 三 、 支 撑

6、 剂 运 移 四 、 支 撑 剂 测 试 1. 支撑剂导流能力 l支撑裂缝导流能力(fracture conductivity):支撑剂在储层 闭合压力作用下通过或输送储层流体的能力，通常以支撑裂缝 渗透率kf与裂缝宽度wf的乘积表示，单位为m2cm。 l短期导流能力：对支撑剂试样由小到大逐级加压， 且在每 一压力级别逐级加压测得的导流能力。 主要用于评价和选择支 撑剂。 l长期导流能力：将支撑剂置于某一恒定压力和规定的试验 条件下，考察支撑缝导流能力随时间的变化情况。用于压裂效 果评价。 1. 支撑剂导流能力 导流能力单位为m2cm；渗透率单位为m2； 2.支撑剂在闭合压力下 硬岩石硬岩石软

7、岩石软岩石 没闭合压力没闭合压力 施加闭合压力施加闭合压力 没闭合压力没闭合压力 施加闭合压力施加闭合压力 砂粒砂粒软支撑剂软支撑剂硬支撑剂硬支撑剂 破碎破碎 变变 形形 微小嵌入微小嵌入 砂粒砂粒软支撑剂软支撑剂 硬支撑剂硬支撑剂 破碎和嵌入破碎和嵌入变形变形比较大的嵌入比较大的嵌入 2.支撑剂在闭合压力下 支撑剂嵌入岩层： 如果支撑剂硬度大于岩石硬度，支撑剂将 嵌入裂缝壁面，从而减小支撑裂缝宽度，降低裂缝导流能力。 支撑剂被压碎： 如果支撑剂硬度小于岩石硬度，且支撑剂的 抗压强度小于其受到的闭合压力，则支撑剂将被压碎。这不仅减 小了支撑裂缝宽度，而且由于支撑剂破碎后相互嵌入也降低了支 撑裂

8、缝渗透率，从而降低了裂缝导流能力。 支撑剂受压变形：对于韧性支撑剂，在闭合压力作用下韧性 支撑剂首先变形而增加了承压面积，从而提高了支撑剂的承压能 力而不破碎。因此，采用韧性支撑剂虽然减小了支撑剂裂缝宽度， 但不存在破碎的微粒，所以仍有相对较高的裂缝导流能力。 3.导流能力影响因素 支撑剂支撑剂 压裂液压裂液 裂缝几何形态和产裂缝几何形态和产 出液出液 尺寸尺寸 圆度圆度 裂缝闭裂缝闭 合压力合压力 时间时间 温度温度温度温度 凝胶类型和浓度凝胶类型和浓度 附加流体损失附加流体损失 交联剂类型交联剂类型 破胶剂类型和浓度破胶剂类型和浓度 裂缝宽度裂缝宽度 在高速率和多相流在高速率和多相流 条件

9、下减少非达西条件下减少非达西 或紊流流体的渗透或紊流流体的渗透 率率 3.导流能力影响因素 剩余裂缝导流能力定义 （1）裂缝导流能力受闭合压力影响 裂缝导流能 力与闭合压 力相关，设 计时应采用 最小的生产 压力值选择 支撑剂 裂缝闭合应力裂缝闭合应力 剩余裂缝导流能力剩余裂缝导流能力 高强度支撑剂高强度支撑剂 高质量砂高质量砂 低质量砂低质量砂 （2）裂缝导流能力受滤饼影响 滤饼会降低油气流入，但由于可流动的压裂面太大，一般可忽略滤饼影 响。流入主要是有支撑剂的导流能力决定。 允许流动的有允许流动的有 效裂缝宽度效裂缝宽度 裂缝闭合压力裂缝闭合压力 软地层裂缝面软地层裂缝面 嵌入地层嵌入地层

10、 初始有效裂初始有效裂 缝宽度缝宽度 滤饼滤饼 （3）铺砂浓度影响 支撑剂铺置浓度定义为单位裂缝面积上的支撑剂质量，反映 支撑剂在裂缝面上的排列层数或者说支撑裂缝宽度。 尽管单层局部支撑有最大的裂缝导流能力，但在现场难以实 现，而且单层铺砂容易压碎或嵌入； 多层支撑剂不仅可以减少 破碎率或因嵌入带来的不利影响，而且增加了支撑裂缝宽度，从 而提高裂缝导流能力。 裂缝导流能力随铺砂浓度增加而增加。 裂缝中铺砂浓度一般应大于5.0kg/ m2，并与储层渗透率和 裂缝长度相匹配。在高闭合压力下，应排列5-8层支撑剂才能取 得较好的效果。 （3）铺砂浓度影响 剩余裂缝导流能力剩余裂缝导流能力 支撑剂浓度

11、支撑剂浓度 （4）破胶剂浓度影响 剩余裂缝渗透率剩余裂缝渗透率 过硫酸铵破乳剂浓度（过硫酸铵破乳剂浓度（1b/1000gal）。）。 压裂液组成压裂液组成:40 1b/1000gal HPG聚合物和硼酸盐交联剂的混合物。聚合物和硼酸盐交联剂的混合物。 （5）温度影响 导流能力随温度增高而降低，当温度超过 50C，影响更大；闭合压力越高，这种影响越大。 而且颗粒越大，温度对裂缝导流能力的影响越小。 对于直径0.28-0.45毫米(40/60目)石英砂，基 本不存在温度影响。 （6）压裂液影响 l目前使用的绝大多数压裂液是属于水基天然植物胶类型， 如田菁粉、胍胶等，它们本身含有一定数量的残渣，从而

12、降低 支撑带渗透率。 l对于胍胶压裂液， 残渣含量取决于成胶剂浓度、破胶剂类 型及浓度。残渣在形成滤饼过程中起了积极作用，它本身就是 降滤剂，但残渣对裂缝导流能力的影响不可忽视。 l压裂后，压裂液破胶返排，但仍有部分破胶较差的压裂液 及残渣滞留在支撑带孔隙中，以及压裂液在缝壁形成的滤饼， 都会导致导流能力下降。 （6）压裂液影响 压裂液对导流能力影响压裂液对导流能力影响 压裂液种类 裂缝导流能力保持系数 % 生物聚合物95 泡沫压裂液80-90 聚合物乳化液65-85 有机冻胶45-70 线形溶胶45-55 羟丙基胍胶10-50 （7）时间影响 长期导流能力随时间而逐渐下降，一般经 过10-2

13、0d后趋于稳定。不同支撑剂在不同流 体介质中的长期导流能力并不相同。预测水力 压裂井的生产动态时，必须考虑裂缝的长期导 流能力。 （8）流动因素 l High rate (non-Darcy or turbulent) flow effects. These can be particularly important when stimulating gas wells. l Multiphase flow effects (as observed during oil production). l Gradual “clean up” (reduction in water saturati

14、on from the fracturing fluid in the near-fracture formation). This leads to a long term increase in the effective permeability of this formation situated next to the hydraulic fracture. This process can take many months after hydraulically fracturing a low permeability formation. l 高速率（非达西或紊流）流影响。在气

15、井增产措施中显得尤为重要。高速率（非达西或紊流）流影响。在气井增产措施中显得尤为重要。 l 多相流的影响。（在生产井中较为常见）。多相流的影响。（在生产井中较为常见）。 l 分步洗井（减少近压裂地层中压裂液的饱和水）。这使得水力压裂地层附分步洗井（减少近压裂地层中压裂液的饱和水）。这使得水力压裂地层附 近的有效渗透率长期持续增加。这一环节会从水力压裂附近是低渗透时期近的有效渗透率长期持续增加。这一环节会从水力压裂附近是低渗透时期 持续好几个月。持续好几个月。 第五章 支撑剂 一 、 支 撑 剂 简 介 二、 裂缝导流能力及伤害 三、 支撑剂运移 四、 支撑剂测试 三、 支撑剂运移 水力裂缝中支

16、撑剂铺置主要受压裂液滤失及运移影响： 1. 支撑剂对压裂液流变性的影响； 2. 对流（重力流）； 3. 支撑剂在压裂液中运移。 井筒井筒 裂缝的上边界裂缝的上边界 裂缝的下边界裂缝的下边界 液体液体 注砂早期注砂早期注砂晚期注砂晚期 1. 支撑剂对压裂液流变性影响 一般来讲携砂液的粘度slurry比仅有压裂液时的粘度base要 高，Nolte（1988）发现对幂律流体可以用牛顿流体的关系描 述： 式中，fv 支撑剂体积百分数； fvM 流动砂浆最大百分比。 2. 对流 l流体间对流是由于密度较大的流体在密度较小的流体下流动，或 密度较小的流体在密度较大的流体上流动造成的。在水力压裂中，当 高密

17、度砂浆泵注在前面泵入阶段的流体中（前置液）下流动，会造成 对流，从而影响携砂。 lVnwin和Hammond（1995）以及Smith和Klein（1995）发现 如果泵入过量前置液，泵注结束后流体流动可能会引起对流直至前置 液滤失掉。如果缝宽较大，对流影响更大。然而由于低杨氏模量的地 层一般是高渗的，这种情况下端部脱砂设计和停泵后滤失快可有效地 避免对流。 3.支撑剂在裂缝中运移 水力压裂的核心是形成满足导流能力要求的填砂裂 缝，支撑剂在裂缝的沉降影响到填砂裂缝几何尺寸和裂 缝导流能力。 支撑剂运移： 支撑剂沉降； 沉降式分布； 悬浮式分布。 （1）支撑剂沉降 l 自由沉降： 单个颗粒在无限

18、流体介质空间内的沉降。 l 干扰沉降：颗粒群在有限流体空间内的沉降。 1. 单颗粒自由沉降 颗粒在流体中沉降时受力 ）颗粒的重力； ）流体对颗粒的浮力； ）颗粒在流体中下降运动时所产生的阻力。 （1）支撑剂沉降 重力： 浮力： 阻力： （1）支撑剂沉降 CD与雷诺数有关，雷诺数与Up有关。不同的雷诺数可求得相应的速度值。 （1）支撑剂沉降 干扰沉降 l 支撑剂浓度的影响； l 壁面的影响； l 颗粒形状的影响。 干扰沉降 干扰沉降(Novoty公式) l 支撑剂浓度对沉降速度的影响（粒间干扰， UH UP ） 当NRe 2时， 当2NRe500时， 当NRe 500时， 干扰沉降 其它干扰沉降

19、公式 . . . 壁面影响 UH=FwUP, , Fw-壁面拉拽系数 当NRe 1: 当NRe 100 : 当1NRe100 : 插值 （2）支撑剂在裂缝中分布 a.全悬浮分布：指压裂液粘度足以把支撑剂完全悬浮起来，在整 个施工过程中没有支撑剂的沉降，停泵后支撑剂充满整个裂缝内， 因而携砂液到达的位置就是支撑裂缝的位置。 b.沉降式分布：由于剪切和温度等降解作用，压裂液在裂缝内的 携砂性能并不能达到全悬浮，在裂缝延伸过程中，部分支撑剂随 携砂液一起向缝端运动，另一部分则可能沉降下来。 （2）支撑剂在裂缝中分布 沉降式分布 支撑剂沉降速度、砂堤堆起高度等都与裂 缝参数(长、 宽、 高)有关。沉降

20、式分布： 裂缝高度上的分布 平衡流速/平衡高度计算 砂堤堆起速度 平衡时间 （2）支撑剂在裂缝中分布 沉降式分布 1） 裂缝高度上的分布 平衡状态下，垂直裂缝剖面上由下向上支撑剂分布可以 分为四个区域： 区域：沉降下来的砂堤，砂堤的高度为平衡高度； 区域：在砂堤面上的颗粒滚流区； 区域：悬浮区，虽然颗粒都处于悬浮状态，但不是均 匀的， 存在浓度梯度； 区域：无砂区。 （2）支撑剂在裂缝中分布 沉降式分布 在平衡状态下增加地面排量，则、与区均将变薄， 区则变厚；如果流速足够大，区可能完全消失。再进一步增 加排量，缝内的浓度梯度剖面消失，成为均质的悬浮流。 （2）支撑剂在裂缝中分布 沉降式分布 2

21、)平衡流速 l 平衡流速定义式为： l 砂堤的平衡高度： （2）支撑剂在裂缝中分布 沉降式分布 2)平衡流速 l 汤姆斯解法：利用颗粒自由沉降速度与阻力速度的比值，先得到阻 力速度，再利用此阻力速度求出平衡流速。 l 定义式： l 牛顿液体： （2）支撑剂在裂缝中分布 沉降式分布 l 非牛顿液体： 层流： 阻力速度与平衡流速的关系可用下二式表示： 紊流： （2）支撑剂在裂缝中分布 沉降式分布 l我国矿场上常以砂比(小数或百分数)表示加砂浓度，砂比是砂堆 体积与压裂液体积之比，此时砂液混合物的密度将是： l垂直缝是以井轴为对称的两条相等的缝，则进入单翼缝中的流 量，应为地面总排量的一半。 （2）

22、支撑剂在裂缝中分布 沉降式分布 3)砂堤的堆起速度 砂堤的堆起速度与缝中的实际流速和平衡流速的速度差有关。当 缝中流速达到平衡流速时，砂堤停止增高， 处于平衡状态，因此： C值为砂子与压裂液的体积比，即砂比S。 （2）支撑剂在裂缝中分布 沉降式分布 4)平衡时间 假设砂堤达到平衡高度的95， 就认为已经达到平衡高度，此时函数: 所以： （2）支撑剂在裂缝中分布 沉降式分布 1. 支撑剂在缝高度上的分布 携带支撑剂的液体进入裂缝后，固体颗粒主要受到水平方向液体 携带力、垂直向下重力以及向上浮力的作用，当颗粒相对于携带液有沉 降运动时，还会受到粘滞阻力作用。 l液体的流速逐渐达到使颗粒处于悬浮状态

23、的能力，此时颗粒停 止沉降，这种状态称为平衡状态。 l平衡时的流速称为平衡流速，即携带颗粒最小流速。在此流速 下，颗粒沉积与卷起处于动平衡状态。 （2）支撑剂在裂缝中分布 全悬浮分布 1）裂缝内砂比与地面砂比 l裂缝内的砂浓度(裂缝内砂比)：是指单位体积裂缝内所含支撑剂 的质量。 l裂缝闭合后的砂浓度(铺砂浓度)：指单位面积裂缝上所铺的支撑 剂质量。 l地面砂比有两种不同的定义方法：单位体积混砂液中所含的支 撑剂质量；支撑剂体积与压裂液体积之比。 （2）支撑剂在裂缝中分布 全悬浮分布 2）单元滤失 在t时间内从此单元含砂液中滤失的体积百分数为： （2）支撑剂在裂缝中分布 全悬浮分布 滤失后的缝内砂浓度为： 由公式看出，要求缝内保持一定的砂浓度(相当于一定的导 流能力)时， 地面砂浓度随着注入单元体积而变化。 l 以注入单元体积数S代替n,则 l 从缝的前端向井底进行计算时，用(ST -S)代替指数S: （2）支撑剂在裂缝中分布 全悬浮分布 l 由于滤失速度是随时间