新型自悬浮压裂支撑剂的应用

黄博，熊炜，马秀敏，张雪，王蓉

（中国石化华东分公司石油工程技术研究院，江苏南京210031）

新型自悬浮压裂支撑剂的应用

黄博，熊炜，马秀敏，张雪，王蓉

（中国石化华东分公司石油工程技术研究院，江苏南京210031）

目前常规的水力压裂一般由冻胶压裂液和支撑剂两部分组成，压裂施工流程复杂，冻胶残渣对地层伤害大，施工成本较高。新型自悬浮支撑剂压裂技术利用支撑剂表面可水化分子涂层的溶胀、润滑、增黏作用，实现支撑剂与压裂液合二为一的突破，简化施工流程，减少储层伤害，降低压裂成本。对新型自悬浮支撑剂的自悬浮、溶胀、防膨、破胶性能及裂缝导流能力等进行了室内实验研究，并进行了自悬浮支撑剂压裂技术矿场试验。研究结果表明，自悬浮支撑剂压裂工艺技术降本增效效果显著，具有良好的应用前景。

自悬浮支撑剂；可水化分子涂层；压裂支撑剂；水力压裂

目前低渗透储层压裂采用的方式主要是配制压裂液，然后由压裂液携带支撑剂进入地层，进行储层改造[1-3]，施工工艺比较复杂。使用的压裂液以冻胶压裂液为主，该种压裂液通过在水中加入大量的增稠剂（水溶性高分子）增加其自身的黏弹性，因此，存在压裂成本较高、储层伤害严重等不足[4-6]。自悬浮支撑剂综合了压裂液和普通支撑剂的特性，在油气田压裂改造的过程中，采用自悬浮支撑剂代替传统压裂支撑剂，利用清水代替传统压裂液，实现压裂作业中携砂液增稠剂的零添加，进而省去常规压裂的配液过程和设备，同时，增稠剂的去除也降低了压裂对储层的伤害以及压裂成本。通过室内实验，对自悬浮支撑剂的性能进行了分析评价，并对自悬浮支撑剂压裂技术进行矿场试验，降本增效效果显著。

1 技术原理

自悬浮支撑剂由硬质骨料（即传统支撑剂）和表面的可水化分子两部分组成。自悬浮支撑剂综合了压裂液和普通支撑剂的特性，但也绝不是压裂液和传统支撑剂的简单结合。表面的可水化分子遇水快速溶胀，在支撑剂内核周围形成稳固的水化层，如图1所示。水化层的出现降低了支撑剂在水中的密度，增加了支撑剂之间的润滑性。与此同时，支撑剂表面少量有机分子伸展于水溶液中，增加了水的黏度。两者的协同作用，使得自悬浮支撑剂不借助增稠剂就能轻易地在清水中长时间悬浮。

图1 自悬浮支撑剂技术原理Fig.1Technical principles of self suspending proppant

2 性能分析

2.1 自悬浮性能

自悬浮支撑剂与传统支撑剂最主要的区别就是其自身可以不借助增稠剂在清水中悬浮。实验分析了自悬浮支撑剂在常温以及加热状态下，悬浮起来以及完全沉降下去所需要的时间，分析结果如表1所示。

表1 自悬浮支撑剂自悬所需时间Table 1Suspension time of self suspending proppant

从实验结果分析可知，砂比越高，自悬浮支撑剂悬浮起来所需的时间越短，完全沉降所需的时间越长，加热状态比常温状态下自悬浮支撑剂悬浮起来所需的时间短，完全沉降下来所需要的时间也比常温状态下所需的时间短。

将35%砂比自悬浮支撑剂液体在75℃加热条件下进行动态搅拌，动态悬浮情况如图2所示。

图2 自悬浮支撑剂动态悬浮Fig.2Dynamic suspension of self suspending proppant

从动态悬浮的实验结果看出，自悬浮支撑剂在剪切状态下的悬浮性能良好。

2.2 溶胀性能

自悬浮支撑剂与普通支撑剂相比，之所以能在清水中悬浮，一个主要的原因就是是其表面的涂层在水中可以溶胀，形成稳固水化层，从而使支撑剂体积增大，密度减小。室内研究了自悬浮支撑剂在不同水质水中的体积溶胀情况，分析其悬浮性能在不同水质中的不同，实验结果如表2所示。

表2 自悬浮支撑剂在不同水质的水中的体积溶胀倍数Table 2Volume swell multiples of self suspending proppant in different water quality

从实验结果可以看出，自悬浮支撑剂在低矿化度水中的溶胀性能很好，随着矿化度的增加，自悬浮支撑剂的溶胀体积倍数减小，自悬浮性能变差。

2.3 防膨性能

自悬浮支撑剂表面涂层含有特殊的化学物质，与普通支撑剂相比，其在水中溶胀后，具有一定的防膨性能。实验研究黏土分别在清水、自悬浮支撑剂溶液以及防膨剂中的膨胀率，分析自悬浮支撑剂的防膨性能，结果如表3所示。

从实验结果可以看出，自悬浮支撑剂溶液砂的防膨率为52.2%，防膨效果良好，在现场施工时，可以减少防膨剂的用量，甚至不用额外添加防膨剂。

表3 自悬浮支撑剂防膨性能Table 3Anti-swelling properties of self suspending proppant

2.4 基液黏度

取35%砂比压裂液砂子沉降后的上部液体进行基液黏度分析，在常温下测得其黏度为60 mPa·s，在70℃条件下，其黏度为50 mPa·s。

2.5 破胶性能

将35%砂比的自悬浮支撑剂在70℃的实验条件下，加入0.03%的过硫酸铵，分析其破胶后的性能，并与浓度为0.40%的瓜胶压裂液破胶情况进行对比，结果如表4所示，破胶前后压裂液形态如图3所示。

图3 破胶前后自悬浮支撑剂压裂液形态对比Fig.3Form contrast before and after gel breaking of self suspending proppant

表4 自悬浮支撑剂破胶后性能Table 4Performance after gel breaking of self suspending proppant

从实验结果分析可知，自悬浮支撑剂在破胶后黏度较低，破胶较彻底。

2.6 导流能力

自悬浮支撑剂液固一体化技术提高了支撑剂的悬浮能力，但自身通过传统破胶剂的破胶作用后也保持了较高的导流能力。图4给出了20/40目自悬浮支撑剂破胶后在不同闭合压力下对水相和油相的导流能力，并与传统支撑剂进行了对比。

图420 /40目支撑剂导流能力对比Fig.4Conductivity contrast of 20/40 mesh self suspending proppant

从图4可以看出，自悬浮支撑剂与传统支撑剂经过破胶处理后，无论对油相还是水相的导流能力几乎没有差别。

2.7 其它理化性能

自悬浮支撑剂的其它理化性能如表5所示。

3 现场试验

自悬浮支撑剂现场施工可直接用清水加砂，用较低的排量注入，能有效控制缝高，较好地解决部分井低排量加砂难等问题。

自悬浮支撑剂压裂技术作为新型的压裂方法在苏北某油井以及湖南某气井试验均取得成功。

3.1 油井压裂试验

试验井为苏北油田阜三段一口直井，压裂层段为2 373.3～2 376.7 m，层厚3.4 m。压裂层段测井解释为差油层，孔隙度为20.1%，渗透率为50.5×10-3μm2。压裂施工排量为2.4～2.6 m3/min，用液量为153.87 m3，20/40目自悬浮支撑剂10.39 m3，压后日增油6.87 t，综合含水3%，产量为该区块平均产量的3倍，如图5所示。

表5 自悬浮支撑剂理化性能Table 5Physical and chemical properties of self suspending proppant

图5 苏北某油井自悬浮支撑剂压裂压后生产曲线Fig.5Production curves after fracturing by self suspending proppant of some oilfield in North Jiangsu

3.2 气井压裂试验

试验井为一口水平定向探井，最大井斜位于977.1 m，井斜67.2°，直井段0～420.40 m（井斜角0°～1.49°），增斜段420.40～763.94 m（井斜角2.64°～59.8°），水平段763.94～1 411 m（井斜角57.7°～67.2°）。压裂施工分5段进行酸压加砂压裂，压裂施工排量为2.6 m3/min，用酸液400 m3，活性水582.6 m3，20/40目自悬浮支撑剂75 m3，压后日产气量增加约600 m3。

如果利用线性胶携带传统支撑剂（陶粒或者树脂覆膜砂）的压裂工艺对此气井进行压裂，携带75 m3支撑剂需要胶液750 m3（按砂比10%计算）。每立方米线性胶（增稠剂含量0.3%）的配置价格按500元，携带自悬浮支撑剂的活性水（助排剂含量0.2%）按100元计算，则利用自悬浮支撑剂进行压裂施工直接节省的压裂液成本为：750×500-（702.6-120）×100= 316 740（元）。

4 认识

1）自悬浮支撑剂压裂技术实现了压裂液与支撑剂合二为一的突破，增稠剂的去除，减少了压裂对储层的伤害，简化了施工流程，降低了压裂成本。

2）自悬浮支撑剂各项性能良好，现场试验表明其经济效益以及工艺效果突出，实现压裂作用对储层的微伤害，可以在常规油气田以及页岩气的开采中推广应用。

[1]姜瑞忠，蒋廷学，汪永利，等.水力压裂技术的近期发展及展望[J].钻采工艺，2004，26（4）：52-53.

[2]刘让杰，张建涛，银本才，等.水力压裂支撑剂现状及展望[J].钻采工艺，2003，26（4）：31-32.

[3]董国庆，路军都，杨福成，等.低渗透小断块油田改善开发效果的主要措施[J].内蒙古石油化工，1999，25（3）：158-160.

[4]刘彦学，王宝峰，刘建坤.压裂液对低渗砂岩气藏的水敏性伤害实验研究[J].石油钻探技术，2013，41（1）：70-72.

[5]邝聃，李达，白建文，等.低渗致密砂岩气藏低伤害压裂技术研究与应用[J].石油天然气学报，2013，35（1）：149-151.

[6]林启才，张士诚，潘正富.川西侏罗系低渗气藏压裂增产措施中地层损害研究[J].天然气工业，2005，25（7）：86-88.

（编辑：严骏）

Application of novel self suspending fracturing proppant

Huang Bo,Xiong Wei,Ma Xiumin,Zhang Xue and Wang Rong
(Petroleum Engineering Technology Research Institute,East China Company,SINOPEC,Nanjing,Jiangsu 210031,China)

The current conventional hydraulic fracturing generally composed of gel fracturing fluid and proppant,and the fracturing construction process is complex.Gel residue on the formation damage is serious,and the cost of construction is high.The novel self suspending proppant fracturing realized the combination of the proppant and the fracturing fluid by the role of swelling,lubrication and tack producing of the water molecular coating on proppant surface,which simplify the construction process,reduce the reser⁃voir damage and reduce the fracturing cost.The suspension property,swelling property,anti swelling properties,gel breaking per⁃formance and fracture conductivity of the novel self suspending proppant were studied in the laboratory.The fracturing technology was also tested in field.The research results show that the self suspending proppant fracturing technology has obvious effects on de⁃creasing cost and increasing efficiency and great prospect of application and extension.

self suspending proppant,water molecular coating,fracturing proppant,hydraulic fracturing

TE357.12

A

2014-10-27。

黄博（1986—），女，助理工程师，采油工艺。