压裂支撑剂回流影响因素及控制措施

陶祖文 蒲 杨 杨乾隆 赵国彬 但伟成

（1.中石化西南石油工程有限公司井下作业分公司，四川 德阳 618000；2.中国石化西南油气田分公司石油工程监督中心，四川 德阳 618000；3.中国石油长庆油田分公司第十采油厂，甘肃 庆阳 745100）

0 引言

加砂压裂是低渗油气藏开发评价和增储上产必不可少的技术措施［1-3］。随着压裂技术的发展，“高砂比、造宽缝”更易实现，但同时支撑剂回流问题也更加突出。支撑剂回流将引起储层伤害、设备损坏等问题，进而影响油气井产能。一方面支撑剂回流出砂会产生裂缝表皮效应，降低近井筒附近的导流能力，甚至使支撑剂堆积井底掩埋油气层；另一方面，压裂后地层出砂冲蚀井筒、地面管线、油嘴以及分离器等设备，对生产设施造成严重破坏。目前，支撑剂回流可归结为两种类型：①压裂返排过程中的支撑剂回流；②压裂后油气井在生产过程中的支撑剂回流。针对上述两种情况而言，重点是做好压裂后返排过程中支撑剂回流预防及控制措施的研究［4-6］。

1 支撑剂回流实验

支撑剂回流是指裂缝中的支撑剂在流体的携带作用下从裂缝中进入井筒的现象。针对支撑剂回流现象，调研了相关研究实验，总结了影响支撑剂回流的主要因素。相关物理模拟实验如下所述。

1）圆管-射孔模型实验［7］：采用不锈钢管预充填支撑剂，然后用实验流体使其饱和。实验开始后，逐渐增加流体流速，直到发现装置末端的集砂器中出现支撑剂为止。该实验方法研究了临界流速对于支撑剂回流的影响，但不能模拟缝宽变化和闭合压力变化对临界流速的影响。

2）狭槽模型实验［8］：预先将狭槽调到一定宽度，再将支撑剂和压裂液的混砂浆从左端孔眼泵入狭槽中充填裂缝，然后利用水力锚给支撑剂充填层施加一定的闭合压力，实验开始后从右端入口处逐渐增加泵入速度，直到发现有支撑剂流出。该实验方法可以研究不同支撑剂颗粒尺寸、裂缝宽度以及地层闭合压力条件下的临界流速。

3）API 线性流动岩芯夹持器模型实验［9］：在模拟裂缝闭合地层压力和温度下，研究不同流速和支撑缝宽时支撑剂发生回流的临界点。Gidley、Sparlin以及Bratli等［10-11］的研究结果认为，支撑剂填充层在裂缝缝口将形成半球状的砂堤，并且砂堤受压裂液的剪切力和裂缝闭合压力共同作用。此时，压裂液的流速越大，砂堤越容易遭到破坏，进而引起支撑剂发生回流。同时，Romero 等人［12-16］的研究结果表明，缝宽与支撑剂粒径的比值是影响支撑剂回流的另一个重要因素。即当缝宽与支撑剂粒径的比值小于6时，支撑剂充填层是稳定的；随着缝宽与支撑剂粒径的比值从6增加到16，临界返排流速减少；对于相同的缝宽与支撑剂粒径的比值，在闭合压力为6.89 MPa时的临界流速远比闭合压力为0时所对应的临界流速大。

综合上述实验研究，可以将影响支撑剂回流的因素概括为以下3 类［17-18］：①支撑剂性质，如密度、圆度、球度、体积等；②作用在支撑剂上的流体性质及其流速，包括密度、黏度、温度、流变性等；③裂缝的性质，包括闭合度、闭合压力、裂缝倾角等。以上因素将直接影响和决定作用在支撑剂颗粒上的力，包括拖拽力、浮力、重力、颗粒之间摩擦力等，从而引起支撑剂充填层发生松动、失稳、回流。

2 支撑剂回流模型

针对上述支撑剂回流的影响因素，目前国内外已经建立了一系列支撑剂回流预测模型。具体概括为以下4类。

1）经验模型［19-20］，包括Stimlab 模型和PFW 模型。该类模型利用大量实验数据统计结果建立，如式（1）和式（2）所示：

式中，Vf为支撑剂回流时流体临界流速，m／s；dp为支撑剂平均粒径，m；Cp为支撑剂单位面积内的浓度，kg／m2；μf为流体黏度，mPa·s；SGp为支撑剂所受重力，N；C0为黏聚力系数，无因次；C1为闭合压力系数，无因次。

2）理论模型［21-22］，在厄根公式基础上利用“最小流动化速度”原理建立模型，如式（3）所示。该模型未考虑闭合压力的影响，仅适用于无闭合压力作用或闭合压力极低的情况。

式中，εmf为临界流化孔隙度，%；ρp为支撑剂密度，g／cm3；ρf为流体密度，g／cm3；φs为支撑剂颗粒圆球度，常量。

3）半理论半经验模型［23-24］，基于达西定律，采用临界回流压降梯度作为判断依据建立模型，如式（4）所示。该模型修正了闭合压力对支撑剂回流的影响，但是缝宽比大于6时，支撑剂发生回流的临界压降梯度为0，不具备抵抗流体作用的能力。

式中，kf为填充层渗透率，mD。

4）数值模型［25-26］，Clifton 基于有限元算法，建立了支撑剂回流预测数值模型，Roman和Asgian等人采用离散单元法模拟了支撑剂在充填层中的颗粒受力运动。二者对比，离散元方法更能反映支撑剂颗粒真实的运动特征。

综合上述4种支撑剂回流模型，基于离散元方法对支撑剂颗粒运动过程进行仿真模拟更具比较技术优势：①支撑剂回流影响因素和表征参数较多，仿真研究逐项验证更加便捷；②室内实验和理论研究，难以描述复杂工况条件下各影响因素和表征参数的变化规律。

3 支撑剂回流仿真

在室内实验基础上，通过逆向工程生成压裂后岩板物理模型，利用威远区块页岩相关参数，基于物质平衡原理，采用计算流体力学（CFD）与离散单元方法（DEM）耦合并行计算方法［27］，对模拟地层裂缝条件下20／40 目中密度陶粒支撑剂在近井筒附近的回流过程进行了仿真研究并列出参数设置（表1），仿真研究结果如图1～图4所示。

表1 裂缝中支撑剂回流模拟参数表［28-30］

图1 返排速度6 m／s时近井筒支撑剂展布图

图2 返排速度8 m／s时近井筒支撑剂展布图

图3 返排速度10 m／s时近井筒支撑剂展布图

图4 返排速度12 m／s时近井筒支撑剂展布图

仿真结果表明，6 m／s 低返排流速下液体返排速度与支撑剂回流量成正比；当返排速度达到8 m／s时，支撑剂颗粒开始在近井筒附近形成砂桥，继续增大返排速度至10 m／s对支撑剂回流具有明显的削弱作用；当返排速度达到12 m／s时，砂桥开始逐渐破坏和解体，继续增大返排速度对支撑剂回流具有促进作用。在此基础上，统计了模拟过程中支撑剂回流颗粒数量与返排速度之间的关系（图5）。

图5 返排速度对支撑剂颗粒回流数量的影响图

因此，压裂后期进行放喷排液时，需要优化排液制度，选择合理的油嘴尺寸，进而将返排速度控制在一个合理的范围内，以此降低支撑剂回流浓度。

4 支撑剂回流控制

目前，常用的支撑剂防回流控制技术包括以下6个方面。

1）裂缝强制闭合技术［31-32］，在压裂结束后不等地层裂缝自然闭合，用一定直径的喷嘴以较高的返排速度控制放喷，使裂缝内的支撑剂还未沉降到裂缝底部或未完全沉降时就被裂缝壁面夹住，从而使支撑剂最大限度地停留在裂缝内，减少支撑剂回流。

2）分段破胶技术［33-34］，在压裂施工过程中分阶段逐步增加破胶剂的用量，有效控制压裂液的破胶顺序与破胶时间，达到缩短排液周期，减少支撑剂回流和地层污染的目的。

3）高效表面活性剂技术［35-36］，采用高表面活性剂技术改善压裂液的表面性质，以降低返排液与储层界面的张力，减小地层毛细管力，从而达到快速返排的目的。

4）树脂包裹支撑剂技术［37-40］，将树脂包裹支撑剂通过尾追置于近井段裂缝内，支撑剂在裂缝闭合且地层温度快速恢复后能够转化为玻璃球，与周围相同的树脂包裹支撑剂胶结，在裂缝缝口形成一道网状屏障，有效防止支撑剂回流。

5）纤维充填技术［41-43］，在压裂液中加入纤维，纤维与支撑剂颗粒间相互作用形成空间网状结构，从而达到控制支撑剂回流的目的。

6）可变形支撑剂技术［44-45］，将树脂和惰性填充物包裹形成可变性支撑剂，支撑剂在一定闭合压力下将发生变形，以此稳定和锁住周围的支撑剂，从而增强整个支撑剂填充层抗流动的能力，达到控制支撑剂回流的目的。

在综合考虑以上控制措施的基础上，页岩气井放喷作业过程中需要兼顾保证临界携液流速和防止水合物生成，通过优化排液制度和选择合理的油嘴尺寸防止支撑剂回流。为此开展了相应的矿场试验（图6）。

图6 油嘴尺寸对支撑剂回流浓度的影响图

矿场试验结果表明，威远地区页岩气井压裂后开井放喷测试压力为50～55 MPa，采用1～7 mm 油嘴控制放喷，支撑剂回流浓度随着油嘴尺寸增加而增加；当采用8～9 mm 油嘴控制放喷，支撑剂回流浓度随着油嘴尺寸增加而较小；采用10～11 mm 油嘴控制放喷，支撑剂回流浓度随着油嘴尺寸增加而增加。以上矿场试验结果与支撑剂回流仿真实验结果在支撑剂回流趋势上是一致的。

5 结论与展望

针对压裂支撑剂回流影响因素及控制措施，结合CFD-DEM仿真研究和油嘴尺寸优化矿场试验，得到了以下结论和认识。

1）影响压裂支撑剂回流的因素，概括为支撑剂性质、作用在支撑剂上的流体性质及其流速、裂缝的性质，其中临界返排流速是影响支撑剂回流的主要因素。

2）采用CFD-DEM 方法能够研究复杂工况条件下各因素对支撑剂回流的影响规律，并从矿场试验得到印证。

3）在保证临界携液流速和防止水合物生成的基础上，合理优选油嘴尺寸是减少支撑剂回流的有效控制措施。