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1、SPE135502 页岩储层支撑剂选择及其对压裂效果的影响一、摘要自从引入水力压裂，人们就试图建立室内试验参数，帮助现场操作人员和服务公司进行支撑剂的优选，以适应现场需求。其中一个典型的例子就是开发了支撑剂的“长期导流能力实验”。虽然对于模拟井下条件的支撑剂状态是一个巨大的飞跃，但是仍然对许多影响支撑剂有效性的因素描述不够，例如：1. 裂缝内的支撑剂碎屑的产生和运移2. 支撑剂对循环应力变化的抵抗能力3. 裂缝面的支撑剂嵌入4. 裂缝内支撑剂回流和支撑剂充填层的重新铺置5. 井下支撑剂的结垢目前大多数支撑剂的选择都是根据支撑剂的标准导流能力（要求高导流能力）以及其价格和实用性。这些看似合理的方
2、法，却可能冒着忽略或者过低估算其他井下临界条件的风险。为了更好定义特定应用条件下最有效支撑剂的组成，就需要给出不同页岩层完井条件对支撑剂的影响。对于各种支撑剂的选择条件下的生产历史进行分析。为了更好的了解支撑剂对产量的影响，需要进行一系列在地层条件下的支撑剂实验。这些实验将给出这些因素（例如，支撑剂碎屑、循环应力、嵌入、回流以及结垢）对支撑剂性能带来的影响，从而解释和佐证支撑剂现场应用的结果。二、简介本文对美国目前热点的3个地区的许多压裂现场施工结果进行了回顾包括：（1）阿肯色州(美国中南部的州，Arkansas)的Fayetteville页岩；（2）北达科他(Dakota，美国过去一地区名,
3、 现分为南、北达科他州，Noth Dakota应该为北达科他) 的 Bakken页岩；（3）路易斯安那北部的Haynesville 页岩, (美国南部的州名Louisiana)。对这些地区的油藏特点、支撑剂类型、压后产量进行了调查分析。本文对支撑剂的研究就是利用了来自这三个地区的结果。在Fayetteville页岩压裂用的是无包裹的压裂砂（UFS），Bakken页岩压裂用的是树脂包裹砂（CRCS）、无包裹的轻质陶粒（LWC）、树脂砂。Haynesville页岩压裂用的是轻质陶粒和树脂砂。根据3个地区的油藏和储层的特点，本文假设 CRCS颗粒与颗粒间的连接应该能够提供较高的井下裂缝导流能力（FC
4、），保障单井压后较高产量。为了验证这个假设，利用每个地区储层的岩心样品进行了常规的长期导流能力实验。目的是更为精确的模拟地层温度、压力、流体、岩石属性条件下的支撑剂性能。在Fayetteville页岩中除了进行支撑剂碎屑的生成和运移研究，也进行支撑剂回流研究。同时也引进了有效导流能力（EC）实验。有效导流能力实验是模拟井下条件时裂缝内流体高速流动引起的支撑剂的碎屑、运移和引起裂缝渗透率降低的支撑剂性能的评价方法，是更为接近真实状况的一种实验方法。在Bakken页岩对支撑剂的碎屑、支撑剂嵌入进行研究，最后对Haynesville页岩的支撑剂填充层在循环应力下的重新铺置、支撑剂嵌入、结垢进行调查分
5、析。我们在这3个地区，就这些影响因素对井下裂缝导流带来在综合影响以及对压后单井产量的影响进行了调查。在室内实验、文献调研和与服务公司的操作人员讨论的基础上，我们给出了在各各地区影响裂缝导流（FC）的各种因素的权重。统计分析了每个页岩地区的单井压后产量和所用的支撑剂类型，并进行了对比分析。然后计算了裂缝的导流能力关系（FCC），并量化了单井产量和裂缝导流能力之间的关系。分析表明，三个地区在支撑剂类型、更接近真实情况的（储层状态）实验条件下进行的支撑剂的性能测试结果与压后产量间有着一定的关系。研究也证明树脂砂（CRCS）好于无包裹的压裂砂（UFS）和轻质陶粒（LWC）。三、选择支撑剂的因素研究3.
6、1支撑剂碎屑的生成和运移支撑剂碎屑是闭合应力引起的支撑剂颗粒破碎而所产生的细小微粒。这些颗粒降低了裂缝的孔隙度和渗透率。支撑剂的碎屑是引起支撑剂导流能力降低的主要原因。Coulter等人（1972）计算出5%的支撑剂破碎会降低62%的裂缝导流。这个结果与Lacy等人（1977）年的研究结果5%的碎屑降低54%的裂缝导流能力相近。当支撑剂碎屑向井筒运移时，他们可能进一步降低裂缝的导流。Nolte（1988）提出裂缝闭合在支撑剂上的应力等于储层的最小就地应力。王（2005）可以通过计算裂缝压力梯度乘以射孔段中深计算裂缝闭合在支撑剂上的应力。随着地层温度的升高和裂缝闭合应力的增加，支撑剂开始破碎并生
7、成碎屑。破碎的支撑剂颗粒降低了裂缝的宽度，降低了流体向井筒的流动速度。这些颗粒在支撑剂充填层中运移，降低支撑剂的渗透率和导流。如API RP-56, API RP-58, API RP-60以及ISO 13503-2等用来测量支撑剂的碎屑（Freeman等人，2009）是标准化实验通常是在不模拟潮湿和热条件下建立起来的。这些实验都是在干支撑剂、环境温度和闭合应力条件下两分钟时间内进行的。没有一个是模拟现实就地条件下进行的，无法代表井下的状态。Diep（2009）和Freeman等（2009）描写并修改了API/ISO破碎实验，采用更接近实际井下状态的实验条件。使用这样过程显著增加了支撑剂不合格
8、的情况。与标准过程相比（Freeman等人，2009）用这个修改的过程进行轻质陶粒破碎实验，碎屑出现的比例提高了5倍。图1是典型轻质陶粒碎屑产生的照片，Palisch等（2009）认为用不同修改后的破碎实验程序可以比50小时的导流能力实验低1%还要多。他们的破碎实验表明，在其他修改破碎实验条件下，湿环境与50小时导流能力实验条件下产生的碎屑百分比相近。图1 扫描电镜照片（SEM）（404x）40/80目轻质陶粒，湿、热环境下支撑剂破碎实验（10000psi）我们用与Freeman等人（2009）相似的过程进行不同支撑剂的湿、热条件下的破碎实验。在标准破碎实验前，支撑剂被放置在井下条件下24小时
9、。结果表明，树脂砂产生的碎屑较少。见图2，树脂陶粒可以使得颗粒保持在支撑剂内部，而不发生运移，降低了支撑剂的渗透率。图2通过CRCS在一个湿，热破碎实验（10000psi）后的计算机X射线轴向分层造影扫描的支撑剂碎屑图。同时也给出了颗粒和颗粒间通过树脂涂层的连接。3.2支撑剂充填层循环应力实验对比支撑剂时，时常没有注意到一个因素，那就是在闭合压力变化下的支撑剂性能的改变。井下加在支撑剂上的循环应力可能导致支撑剂的失效。这些可能发生在诸如因修井、连接一个地面管线或者因为地面管线的能力而导致的关井而引起的裂缝上的应力的循环变化，而且在支撑剂的寿命里面可能发生好几次。这些变化的压力或者应力会使得支撑
10、剂运移或支撑剂充填层者重新铺置，导致裂缝宽度的降低，并且还伴随着支撑剂破碎和支撑剂回流。这些变化都会使得支撑剂更多的暴露在比常规实验或者标准导流实验模拟的更为极端的条件下。Holditch等人（1992）提出，重复的循环应力将显著增加支撑剂破碎率，降低支撑剂的导流及裂缝的宽度。Kim等人（1987）认为因为关井使得裂缝导流和裂缝宽度变低，从而使得压裂井产量较低。Freeman等人（2009）报道了仅4个应力循环，LWC支撑剂碎屑的百分比就提高近10倍，提高到了22.6%。Rickards等人（1998）认为作用在砂上的循环应力增加了碎屑出现的比例，而且降低了支撑剂的导流。Lacy等人（1998
11、）认为因为关井，每个应力循环后都将增加支撑剂的嵌入，降低裂缝宽度。因为加在支撑剂上压力的变化（循环应力），时常会使无包裹砂及陶粒支撑剂失效。CRCS通过颗粒间形成的连接，灵活的网格系统使得应力在支撑剂充填层内部重新分布，进而阻止了循环应力对支撑剂带来影响。这些强大的支撑剂充填层是对抗循环应力最好的解决方案。支撑剂仍然保持着完整无缺的状态，对烃类保持着通路。对于无包裹支撑剂，循环应力显著增加了支撑剂碎屑，使支撑剂失效。对于预固化的RCS（PRCS）循环应力增加了颗粒失效的比例，但这个比例比无包裹情况要低。CRCS的颗粒间的连接阻止了应力所带来的变化。Vreeburg等人（1994）提出循环应力提
12、高了支撑剂回流的比例， CRCS在无侧限抗压强度80psi能够经受至少25个循环应力，并且没有支撑剂产出。Anderson等人（2002）给出了CRCS甚至在30个循环应力后仍然能够防止支撑剂回流。Rickards等人（1998）得出在支撑剂中加入树脂珠后降低了循环应力对支撑剂导流的影响。3.3有效导流能力Barree等人（2003）得出最大导流能力是标准方法测定的导流能力，实际的裂缝导流比这个值低的多。支撑剂导流应该考虑所有的在井下条件下的带来的影响。常用标准导流能力来预测单井压后产量。在低速2ml/min（0.1ft3/D每孔）进行的常规导流能力实验没有模拟实际的井眼条件。这种方法测量导流
13、没有在支撑剂上施加真正的可以产生支撑剂碎屑、运移的条件。McDaniel等人（1992）得出低速常规导流能力实验掩盖了支撑剂失效并且随之产生的碎屑的运移的情况。本文也表明随支撑剂导流能力实验中测试流体流速增加，支撑剂渗透率由于碎屑运移而显著降低。高压、高温和高流速导致支撑剂运移，并严重降低了裂缝的导流能力。由于方程中没有引入碎屑带来的影响，因此标准导流能力不能准确代表井下真实的裂缝导流能力。即使通过长期导流能力实验也无法表征有效导流能力。长期导流能力实验虽然能够模拟井筒温度、闭合应力、以及湿环境对支撑剂导流的影响，但是，无论失效支撑剂产生的碎屑还是储层裂缝表面产生的碎屑，长期导流能力实验在碎屑
14、运移方面的做的都很差。Gidley等人（1995）提出在导流能力实验中随流速增加，碎屑运移可使UFS支撑剂渗透率降低74%，LWC支撑剂渗透率降低23%，而PRCS却仅降低10%。湿、热条件下破碎实验包括湿、热环境提供的更为接近实际井下状态的条件，可以对碎屑的影响进行测量，使得测量的导流结果的更准确。温度、湿度和压力更接近井下实际状态，因此更易产生支撑剂碎屑。因为当测量导流能力时，引入了支撑剂碎屑，从而使得测量的支撑剂性能将更为准确。湿、热破碎实验清晰描绘了某种类型的支撑剂可降低井下条件下支撑剂失效的趋势。它并不应该比长导实验提供更好的颗粒失效的结果。假设湿、热条件下的破碎实验和导流实验是相同
15、的时间内进行的，并且每个实验中采用一样的温度和应力。关键是在长期导流能力实验程序中把标准导流转换为有效导流。如果实验程序中没有引入循环应力或者达到引起碎屑运移的流速，将会较大程度上过高估计导流能力测量结果。如果实验采用了循环应力、提高了液体流速并考虑了支撑剂的嵌入影响，那么测量的导流能力结果将与井下条件下的实际结果更为近井。这里假设在形成裂缝和支撑剂充填层铺置时压裂液没有被明显破坏支撑剂性能。为了进行井下条件下支撑剂碎屑的对支撑剂性能带来的影响研究，用Coulter等人（1972）出版了标准导流能力计算有效导流能力的方法。并提出5%的碎屑将降低62%的支撑剂导流能力。碎屑的产生、运移对支撑剂导
16、流能力有直接影响。一旦方程中引入碎屑的影响因素，支撑剂的性能就发生显著变化。图3说明了在更为接近井下实际状态的碎屑运移如对导流的影响，实际状态明显低于标准导流的测试结果。CRCS通过减小支撑剂生成碎屑，降低支撑剂碎屑运移增加了有效导流能力。图3 用Coulter等人（1972）提供的方法利用降低标准导流能力计算有效导流能力3.4支撑剂回流和重新铺置Vreeburg等人（1994）提出压裂井支撑剂回流导致高的操作成本、较高的施工安全风险、以及采用预固化无人平台。我们只能通过应用CRCS的预防支撑剂回流。支撑剂回流是单井产量降低、设备损坏，关井（因修井需要）的主要原因。无包裹或者预固化的RCS能够随着生产的进行回流到井筒中，见图4。流速越高，回流的可能性越大。图4 无包裹或预固化RCS在生产过程中裂缝中可能出现的支撑剂回流示意图回流可能破坏井下设备和地面设备。在水平井中，无包裹支撑剂的回流能在水平段滞留下来。所有
