微支撑剂运移及其沉降规律研究

Research on Micro-Proppant Transportation and Its Settling Law

摘要: 针对页岩以及致密油气储层进行水力压裂后，形成的微细裂缝难以得到有效支撑，造成压裂后增产效果不明显且产量下降速度过快的问题，提出使用微支撑剂对微细裂缝进行支撑。通常在致密油气与页岩油气的开发中不需要较高的裂缝导流能力，小粒径的微支撑剂即可满足导流要求。同时，小粒径微支撑剂成本较低且容易获取，能够达成经济开发的目的，并且由于微支撑剂粒径小，在滑溜水中分散开时可以表现出一定的悬浮性，在支撑裂缝时受到支撑剂沉降的影响较小，不易出现由于支撑剂提前沉降导致的支撑剂铺置效果不理想或铺置距离较短的问题，为此开展了微支撑剂在压裂液中的沉降性能评价。结论指出：微支撑剂与常规支撑剂相似，随着压裂液粘度的增大，微支撑剂的沉降速率会明显变慢；在相同粘度下，随着砂浓度的增大，主缝与分支缝的铺置高度与铺置面积都有所增大。

Abstract: Aiming at the problem that the microfractures formed after hydraulic fracturing of shale and tight oil and gas reservoirs are difficult to effectively support, resulting in the ineffective increase of production after fracturing and the rapid decline of production, it is proposed to use micro-proppant to support the microfractures. Usually, in the development of tight oil and gas and shale oil and gas, high fracture inflow capacity is not required, and small particle size micro-proppant can meet the inflow requirements. At the same time, small particle size micro-proppant cost is low and easy to obtain. It can achieve the purpose of economic development. Due to the small particle size of micro-proppant, when dispersed in the slick water can show a certain degree of suspension. When supporting the fracture, the settling of micro-proppant has less influence. It is not easy to encounter problems such as poor proppant placement effect or short placement distance caused by premature settling of the proppants. For this reason, the evaluation of the settlement performance of micro-proppant in fracturing fluid was carried out. It was concluded that, similar to conventional proppant, the settling rate of micro-proppant would be obviously slowed down with the increase of the viscosity of fracturing fluid; under the same viscosity, with the increase of sand concentration, the laying height and laying area of the main and branch seams were increased.

1. 引言

水力压裂技术是非常规油气储层用于提高采收率常用的增产措施[1] [2]-[5]，通过压裂工艺形成复杂裂缝之后，需要依靠不同尺寸的支撑剂对裂缝进行有效支持，使其拥有较高的导流能力以供油气流动[6]。但在低孔低渗致密储层中，在压裂过程中会产生较多的微裂缝形成的复杂缝网，这些裂缝的缝宽很小，常规尺寸的支撑剂(例如30/50目支撑剂、40/70目支撑剂、70/140目支撑剂)不能进入这些微裂缝并进行有效支撑，随着开采进度的推进，裂缝内压力逐渐降低，这些微裂缝随着开采时间慢慢闭合，油气产出便会逐渐降低[7]。因此，为了保证天然裂缝以及人工缝网的高导流能力，我们进行了微支撑剂相关的研究工作。

2. 实验方法

2.1. 单个支撑剂静态沉降理论

单颗的支撑剂颗粒在牛顿流体中发生静态沉降时，受到多种因素的影响[8]，支撑剂会在重力、浮力以及流体与支撑剂之间的阻力等多种作用力的影响下，支撑剂发生沉降直至达到某一平衡状态[9]。当支撑剂受到主要的重力、浮力和阻力影响下达到动态平衡时，支撑剂会以一个匀速下降的趋势运动，由此得到单颗支撑剂颗粒在牛顿流体中的沉降表达式为：

$v_p={\left[\frac{4g\left({\rho }_s-\rho \right)d_p}{3C_d\rho }\right]}^{\frac{1}{2}}$ (1)

式中，$v_p$ ——单颗粒自由沉降速度，cm/s；

g——重力加速度，m/s²，其值为9.8；

${\rho }_s$ ——颗粒密度，g/cm³；

$\rho$ ——地层流体密度，g/cm³；

d_p——支撑剂颗粒直径，cm；

C_d——阻力系数。

随着压裂液粘度的增大，壁面效应修正系数越来越小，且曲线的间距越来越大，表明随着压裂液粘度增大，壁面效应的影响增大，但影响幅度减小[10]。

2.2. 动态输砂原理

随着缝内流速的增大，支撑剂水平运移速度增大，缝内流速较小时基本呈线性增大趋势，表明支撑剂的水平运移速度小于缝内流体的流速；当缝内流速增加到一定值时，由于支撑剂与裂缝壁面碰撞更加频繁，导致支撑剂水平运移速度减小，与缝内流速相比要小得多，通过回归得出支撑剂水平运移速度与缝内流速的关系式为[11]：

$v_h=-2.65v_0^2+1.4815v_0-0.0196$ (2)

式中，$v_h$ ——支撑剂水平运移速度，m/s；

$v_0$ ——缝内速度，m/s。

3. 实验方案

3.1. 静态沉降实验方案

量取100 mL清水并按比例称取200/600目微支撑剂，加入250 mL烧杯中，再称取疏导剂加入该烧杯中，采用搅拌器在转速(300 ± 5) r/min条件下搅拌，加入0.1 mL稠化剂，计时搅拌2 min后，停止搅拌，迅速将烧杯中砂液混合物倒入100mL量筒中，开始计时，观察并记录5 min时沉降石英砂对应的堆积体积，持续观察拍照记录实验现象[12]。

配方：微支撑剂 + 0.1%稠化剂(低粘) + 疏导剂(配液用水：自来水)。

采用200/600目微支撑剂开展了8组静态沉降实验[13]，实验方案见表1。

Table 1. Static Settling Experiment Program

表1. 静态沉降实验方案

序号	微支撑剂尺寸	液体类型	混合液用量	疏导剂	砂比	压裂液量
1	200/600目	清水	100 ml	/	10%	500 ml
2	200/600目	清水	100 ml	0.1%	10%	500 ml
3	200/600目	低粘(0.1%)	100 ml	/	10%	500 ml
4	200/600目	低粘(0.1%)	100 ml	0.1%	10%	500 ml
5	200/600目	中粘(0.14%)	100 ml	/	10%	500 ml
6	200/600目	中粘(0.14%)	100 ml	0.1%	10%	500 ml
7	200/600目	高粘(0.2%)	100 ml	/	10%	500 ml
8	200/600目	高粘(0.2%)	100 ml	0.1%	10%	500 ml

3.2. 动态输砂实验

动态输砂实验采用玻璃平板装置开展，模拟施工时的支撑剂输送[14] [15]-[17]，观察支撑剂在透明玻璃缝中的运移和沉降情况。所用系统见图1，系统参数见表2。

Figure 1. Flatbed experiment system

图1. 平板实验系统

Table 2. Parameters of flatbed experimental system

表2. 平板实验系统参数

名称	功能	型号规格
铺置装置系统	泵注动力	功率：0.75 kw，最大排量：0.8 m^3
90˚直角分支裂缝装置	裂缝模型	主缝：800 × 10 × 200 mm (长 × 宽 × 高) 分支缝：400 × 10 × 200 mm (长 × 宽 × 高)

主要实验步骤为：

(1) 在配液罐中配制压裂液；

(2) 将携砂液混合流体注入到各级裂缝系统中，确保其充满并进行循环；

(3) 将配制好的压裂流体转移到混砂罐中，依据砂比添加支撑剂并充分混合，以获得携砂液；

(4) 启动数据记录及视频监控；

(5) 开启注入泵，依据实验要求的排量将携砂液输送至裂缝；

(6) 注入完成后，停止泵送，待支撑剂在裂缝内沉降后，打开出口阀进行排空；

(7) 进行实验数据的收集和分析；

(8) 清洗实验装置，结束实验。

采用平板实验装置，完成了不同砂比微支撑剂在不同粘度压裂液中的输送实验。实验方案见表3。

Table 3. Dynamic sand transport experimental program

表3. 动态输砂实验方案

序号	排量	支撑剂类型	支撑剂目数	支撑剂量	压裂液粘度	液量
1	30 Hz	微支撑剂	200/600目	5%	清水	4 L
2	30 Hz	微支撑剂	200/600目	5%	低粘(0.1%)	4 L
3	30 Hz	微支撑剂	200/600目	5%	中粘(0.14%)	4 L
4	30 Hz	微支撑剂	200/600目	5%	高粘(0.2%)	4 L
5	30 Hz	微支撑剂	200/600目	10%	清水	4 L
6	30 Hz	微支撑剂	200/600目	10%	低粘(0.1%)	4 L
7	30 Hz	微支撑剂	200/600目	10%	中粘(0.14%)	4 L
8	30 Hz	微支撑剂	200/600目	10%	高粘(0.2%)	4 L
9	30 Hz	微支撑剂	200/600目	15%	清水	4 L
10	30 Hz	微支撑剂	200/600目	15%	低粘(0.1%)	4 L
11	30 Hz	微支撑剂	200/600目	15%	中粘(0.14%)	4 L
12	30 Hz	微支撑剂	200/600目	15%	高粘(0.2%)	4 L
13	30 Hz	微支撑剂	200/600目	20%	清水	4 L
14	30 Hz	微支撑剂	200/600目	20%	低粘(0.1%)	4 L
15	30 Hz	微支撑剂	200/600目	20%	中粘(0.14%)	4 L
16	30 Hz	微支撑剂	200/600目	20%	高粘(0.2%)	4 L

4. 实验结果和分析

4.1. 微支撑剂静态沉降实验结果

Table 4. Results of static settlement experiments

表4. 静态沉降实验结果

流体类型	沉降时间，min
	有疏导剂	无疏导剂
清水	9.5	14
低粘	35	42
中粘	45	56
高粘	60	71

清水(a)、清水疏导剂(b)、低粘(c)、低粘疏导剂(d)、中粘(e)、中粘疏导剂(f)、高粘(g)、高粘疏导剂(h)。

Figure 2. Final settlement diagram of static settlement experiment

图2. 静态沉降实验最终沉降图

沉降时间是指砂浆倒入量筒开始到液体中的微支撑剂全部沉降且沉积体积不再变化为止[18]。最终沉降情况见图2。由图2可知，微支撑剂在不同粘度液体下的沉降观察到的外观情况比较相似，其他方面并无明显区别。微支撑剂在清水、低粘、中粘和高粘液体中的沉降时间见表4和图3。在静态沉降实验中，不同粘度条件下，含疏导剂的微支撑剂沉降时间均大于无疏导剂的微支撑剂沉降时间，说明疏导剂的添加能延长微支撑剂的沉降时间，这有利于微支撑剂在裂缝深处的高效输运。同时，随着粘度的增加，微支撑剂的沉降时间也随之逐渐增加，说明粘度的增加也能增大微支撑剂的沉降时间。

Figure 3. Result diagram of static settlement experiments

图3. 静态沉降实验结果图

最终沉降体积见表5和图4。由结果可知，随着压裂液粘度的增加，最终沉降体积增加，但增加幅度不大。同时，疏导剂的加入会均匀分散支撑剂，引起最终沉降体积减少，但降低幅度小[19]。

Table 5. Final settlement volume of micro-proppant in different liquids

表5. 微支撑剂在不同液体中最终沉降体积

流体类型	沉降体积，ml
	有疏导剂	无疏导剂
清水	11.4	11.2
低粘	15.7	14.3
中粘	15.8	14.6
高粘	15.2	14.3

Figure 4. Final settlement volume diagram of micro-proppant in different liquids

图4. 微支撑剂在不同液体中最终沉降体积图

4.2. 动态输砂实验结果

通过动态输砂实验结果分析，下图(见图5~8)以5%砂比微支撑剂为例，在不同粘度压裂液中的动态输砂效果下的最终铺置形态效果。可以看出，200/600目微支撑剂在不同条件下的最终铺置形态大致相同，受压裂液粘度的影响较小。但受到压裂液粘度的影响，压裂液的悬浮性在不同粘度压裂液中有所不同。

Figure 5. Final laydown morphology of 5% micro-support in clear water conditions

图5. 5%微支撑剂在清水条件下的最终铺置形态

Figure 6. Final layup morphology of 5% micro-proppant under low viscosity fracturing fluid conditions

图6. 5%微支撑剂在低粘压裂液条件下的最终铺置形态

Figure 7. Final layup morphology of 5% micro-proppant under medium viscous fracturing fluid conditions

图7. 5%微支撑剂在中粘压裂液条件下的最终铺置形态

Figure 8. Final layup morphology of 5% micro-proppant under high viscosity fracturing fluid conditions

图8. 5%微支撑剂在高粘压裂液条件下的最终铺置形态

如图9，在相同粘度下，由于微支撑剂砂浓度的增加，其在主缝和分支缝的铺置高度均有所增加。在相同粘度的条件下，随着砂浓度的升高，微支撑剂在主缝中的铺置高度均呈现总体上升的趋势，与主缝相似，在相同粘度的条件下，随着砂浓度的升高，微支撑剂在分支裂缝中的铺置高度均呈现总体上升的趋势[20]。

Figure 9. Laydown height

图9. 铺置高度

如图10，在相同粘度下，随着微支撑剂砂浓度的增加，微支撑剂在主缝中的铺置面积也随之增加，且在分支缝的铺置面积与主缝一致，也随着砂浓度的增加而增加。在相同粘度条件下，随着砂浓度的升高，在10%、15%和20%砂浓度条件下，微支撑剂在主缝的铺置面积总体也呈现上升趋势[21]。

Figure 10. Laydown area

图10. 铺置面积

微支撑剂在水中沉降符合斯托克斯沉降规律，随着粒径增大，其沉降速度增加；随着砂比增大微支撑剂沉降速度减小，在砂比达到0.6时，沉降速度接近0；在粗糙裂缝内，随着粗糙度增加，支撑剂沉降速度减小；同时发现微支撑剂的沉降速度不受水平流速的影响[22] [20] [21]。

5. 结论

(1) 200/600目微支撑剂的静态沉降时间在十几分钟的范围内，随着液体粘度的增加，微支撑剂的沉降时间增大。

(2) 疏导剂可以增强微支撑剂在液体中的分散性，增大沉降时间。

(3) 不同粘度的液体携带微支撑剂时微支撑剂在平板裂缝中均呈矩形分布。

(4) 200/600目微支撑剂在不同条件下的最终铺置形态大致相同，受压裂液粘度的影响较小。但受到压裂液粘度的影响，压裂液的悬浮性在不同粘度压裂液中有所不同。

(5) 随着携带液粘度的增加，微支撑剂在平板裂缝中的分布面积增大。

基金项目

重庆科技大学研究生创新计划项目“微支撑剂压裂支撑剂运移及分布研究”(项目编号：YKJCX2320123)；重庆科技大学大学生创新计划项目“微支撑剂渗流能力实验研究”(项目编号：2024201007)。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。