水力压裂单缝中常用压裂液携砂性能评价

水力压裂是油气藏增产的一项重要技术手段,其目的是在地层内形成一条高导流能力的填砂裂缝,支撑剂在裂缝中沉降所形成的砂堤形态决定着压裂增产效果。针对中国理论研究较多但实验研究缺乏的现状,利用大型可视裂缝模拟装置进行支撑剂沉降模拟实验,通过对比分析砂堤形态以及支撑剂颗粒的沉降速度与水平运移速度,对现场常用的滑溜水、线性胶、纤维和交联4种压裂液进行携砂性能评价。结果表明:滑溜水压裂液形成的砂堤短而高,其携砂性能最差;交联压裂液形成的砂堤长而低,且最平缓,携砂性能最好;线性胶压裂液与纤维压裂液携砂性能介于两者之间;支撑剂颗粒在4种压裂液中的水平运移速度分别占液体流速的78%,85%,91%和95%,沉降速度由高到低分别为滑溜水压裂液、线性胶压裂液、纤维压裂液和交联压裂液。因此现场应根据储层的实际情况以及所需裂缝的类型选择合适的压裂液。     

页岩气藏压裂支撑剂沉降及运移规律实验研究

页岩气资源储量巨大,但由于页岩渗透率低,往往需要压裂才能有效开采。滑溜水压裂有利于形成复杂的裂缝网络,是中外页岩储层压裂改造首选的压裂液体系。由于滑溜水粘度低,携砂能力差,增加了滑溜水压裂的风险。中国在该领域的研究尚处于起步阶段,尤其对滑溜水携砂支撑剂沉降及运移规律的研究更少,同时缺乏必要的实验手段。为此,设计了裂缝模拟装置,通过实验模拟了施工排量、缝宽、支撑剂粒径、压裂液粘度和砂比等参数对裂缝内支撑剂沉降和运移规律的影响,获得不同参数下支撑剂的沉降速度和水平运移速度,分析了各因素的影响规律,并求解了各因素对支撑剂沉降速度和水平运移速度的修正系数。结果表明,随着缝内流速和压裂液粘度的增大,支撑剂沉降速度减小,水平运移速度增大;随着支撑剂粒径与缝宽比值和砂比的增大,支撑剂沉降速度和水平运移速度均减小。     

滑溜水携砂性能动态实验

为了研究支撑剂密度对滑溜水携砂性能的影响,自主设计了大型可视平板裂缝模拟系统,使支撑剂在裂缝中的动态沉降、砂堤形态可视化。运用该装置研究了不同支撑剂密度下滑溜水的携砂性能及支撑剂在裂缝中的沉降运移规律。实验结果表明,随着实验时间延长,砂堤高度逐渐增加,但增幅减缓;随着支撑剂密度减小,砂堤变平缓,砂堤的高度降低,堤峰向深处运移,且砂堤向裂缝深部推进速度增大,更多的支撑剂沉降在裂缝深部;支撑剂密度增大对沉降速度影响较大,对水平运移速度影响较小。研究结果可为支撑剂沉降运移动态研究及支撑剂优选提供参考。     

超临界CO2压裂缝内支撑剂运移规律

为了优化超临界CO₂压裂工艺技术和施工参数,考虑超临界CO₂压裂液中支撑剂颗粒之间相互作用,采用欧拉-拉格朗日方法中的多相质点网格方法,建立超临界CO₂压裂缝内支撑剂运移数学模型,通过室内水力压裂支撑剂运移物模实验验证模型准确性,进行超临界CO₂压裂缝内支撑剂运移规律计算和分析。研究表明:未增黏CO₂由于黏度低,携砂效果极差,优化其他参数对携砂效果影响不大;CO₂黏度增加到2.5 mPa·s即可有效提高携砂效果,采用超轻支撑剂与细尺寸颗粒组合,携砂效果与增黏到10 mPa·s效果相差不大;优化支撑剂密度比尺寸对携砂效果提高更为明显;增大排量可以提高携砂效果,但排量继续增大,其携砂效果变化较小;流体滤失对CO₂携砂效果影响变化不大。该研究为解决CO₂携砂性能差的问题提供了技术支撑,对超临界CO₂压裂设计优化及现场施工具有重要指导意义。      

页岩储层新型清洁滑溜水压裂液体系

滑溜水压裂液体系以其低摩阻、低伤害等特点,在页岩气储层压裂施工过程中得到了广泛的应用,而由于其自身黏度较低导致携砂能力较差,为达到施工设计的加砂量就需要大幅增加滑溜水压裂液的用量,从而增大了压裂施工的成本。为解决滑溜水压裂液携砂能力差的问题,开发出一套新型清洁滑溜水压裂液体系,该体系主要由高效低分子量减阻剂FJZ-2和新型聚合物乳液增黏剂FZN-1组成,体系综合性能评价结果表明,无论在室温还是80℃条件下,体系均具有良好的降阻效果;在80℃、170 s~(-1)条件下剪切90 min后,体系的黏度仍在20 m Pa·s以上,具有良好的耐温抗剪切能力;在一定的应力和频率扫描范围内,体系的储能模量G'一直高于耗能模量G",说明该压裂液体系具有良好的黏弹性能;支撑剂在该压裂液体系中的沉降速度明显低于常规滑溜水压裂液,而不同砂比条件下支撑剂的沉降时间均远远高于常规滑溜水压裂液,说明该压裂液体系具有良好的携砂能力;另外,该压裂液体系的其他性能指标均能满足滑溜水压裂液的技术指标要求。矿场应用效果表明,S-1井压裂施工过程顺利,最高砂比可达25%以上,最大降阻率达到70%以上,压裂施工效果明显。     

滑溜水压裂裂缝内砂堤形成规律

页岩气压裂施工规模大,常采用摩阻较低、容易沟通天然裂缝的滑溜水作为压裂液,但滑溜水黏度低,携砂能力差。采用透明平行板垂直裂缝物理模型,对滑溜水压裂过程中支撑剂在裂缝中的铺置过程进行了模拟。记录不同时刻砂堤的几何形态,时砂堤的形成规律进行分析。根据实验结果,将砂堤形成过程分为3个阶段,并分别给出了每阶段砂堤形态的计算公式。将支撑剂沉降模型、平衡高度计算模型及砂堤形态计算模型相结合,编制了计算程序,程序计算结果与实验数据有较好的一致性,可为滑溜水压裂设计及施工提供一定的指导。     

支撑剂在清洁压裂液中的沉降规律

清洁压裂液中支撑剂的运移和铺置对压裂效果有重要影响,目前对这方面基于理论研究和矿场试验的较多,而室内实验研究较少。利用透明平行板裂缝充填模拟装置,对4个影响支撑剂沉降规律的因素进行了研究。结果表明:黏度越大,沉降速度越小;压裂液携砂性能随排量的增加、支撑剂密度的减小呈线性规律增长;砂液比对沉降速度影响较小;其中3个主因素对压裂液携砂能力的影响程度从大到小依次为清洁压裂液黏度、支撑剂密度和砂液比。认清支撑剂沉降规律可进一步提高压裂井施工参数的合理性。     

气悬浮支撑剂技术在长庆致密气压裂中的应用

滑溜水压裂液对致密储层伤害较低,但携砂能力弱,难以实现高砂比、长距离携砂,造成支撑缝面积远低于改造缝面积。通过气悬浮支撑剂技术,对支撑剂表面进行特殊改性,使其具有吸附气泡的能力,吸附气泡后的支撑剂体积密度大幅降低,运移能力大幅增强。室内实验表明,经气悬浮剂改性的20/40目及以下粒径的支撑剂,在常温、常压、黏度为15 mPa·s的滑溜水中可100%悬浮,观察2 h无沉降。动态输砂实验表明支撑剂在裂缝中呈整体均匀铺置,高温高压条件下气泡仍能对支撑剂有效悬浮。岩心伤害实验表明,破胶液和含气悬浮剂的破胶液对岩心渗透率的伤害率接近,且均低于10%,说明气悬浮剂不会对储层带来明显的附加伤害。该气悬浮支撑剂压裂技术在长庆油田鄂尔多斯盆地东部致密砂岩气藏开展了7口井先导实验,以黏度9～15 mPa·s的滑溜水在5 m³/min排量下施工,压后产量为邻井常规压裂的1.2～1.9倍。气悬浮支撑剂将对压裂液黏度的需求从40～80 mPa·s的线性胶降至10 mPa·s左右的滑溜水,大幅降低了对压裂液黏度的依赖,从而降低了储层伤害,同时增加裂缝铺置效率,有利于提高单井产量及开发效益。     

不同进口位置下支撑剂铺置规律及其数值模拟研究

滑溜水压裂技术以大排量、大液量的方式向地层泵注携砂液,最终可以在压裂储层中形成填充有支撑剂的有效人工裂缝。通过对支撑剂颗粒进行受力分析,建立其沉降的速度公式,并结合固液两相流的运动机理,建立了支撑剂输送的数学模型。基于现有装置,研究了不同进口位置组合对滑溜水压裂液携砂运移规律的影响,并利用Fluent软件的欧拉模型对铺砂形态进行数值模拟。结果表明:Ⅰ-Ⅱ型进口组合最有利于主缝进口端的铺砂,支撑剂铺置率高,且砂堤平衡高度前缘距离较小。实验与模拟结果的吻合度高,可为压裂施工提供理论帮助。     

滑溜水压裂液携砂稳定剂性能研究

滑溜水压裂是国外致密油气开发重要的增产措施,压裂液体系携砂性是压裂过程重要的性能之一。本文对现用延长气田滑溜水压裂液聚合物体系中加入携砂稳定剂,筛选了携砂稳定剂类型,优化了携砂稳定剂加入量,研究结果表明,5NS携砂稳定剂效果最佳,在压裂液聚合物浓度为0.1%时,加入0.2%的携砂稳定剂,携砂效果最佳。     

超临界二氧化碳射流中的颗粒跟随及影响因素

超临界二氧化碳射流具有破岩速度高、门限压力低等优势,加入磨料颗粒形成超临界二氧化碳磨料射流,将取得更高的冲蚀切割效率。为研究超临界二氧化碳磨料射流可行性,采用数值模拟方法,对比分析了单个颗粒在超临界二氧化碳等流体射流中的运动特征,揭示了流体温度、磨料粒径对颗粒跟随运动的影响规律。结果表明,与相同条件下在水与压裂液射流中相比,磨料颗粒在超临界二氧化碳射流中运动规律相似,但初始滑脱速度较大、跟随能力较弱,获得的喷射速度与撞击靶件壁面速度较高,表明超临界二氧化碳具有良好的颗粒携带能力;流体温度升高、磨料粒径增大均会使颗粒滑脱速度增大、削弱跟随运动效率,但同时也降低了喷嘴外流场中颗粒所受运动阻力,显著提高了喷射速度与撞击壁面速度。由此可知,对于石英、陶粒等常用磨料材质,在常规储层温度(60~140℃)与粒径范围(20~70目)内,超临界二氧化碳磨料射流可有效形成并进行高效冲蚀切割作业。     

超临界CO2水平环空携砂试验研究

为明确超临界CO₂在水平段环空的携砂性能,分析关键施工参数对其携砂性能的影响,根据相似原理设计了超临界CO₂水平环空携砂试验装置,试验研究了超临界CO₂注入质量流量、砂比、出口压力和流体温度对砂粒在水平环空中运移的影响。试验结果表明:超临界CO₂能够以悬浮输送的方式在水平环空内有效携砂,增大其质量流量,会增强环空内流体的紊流强度,进而提高悬浮携砂效果;在较高砂比下,水平环空底部更容易出现砂床,使过流面积减小,从而使砂粒运移速度增大;在相同注入条件下,环空内砂粒运移速度随出口压力升高而降低,但降低幅度逐渐减小;在合理温度范围内提高流体温度,有利于减少环空内砂粒的堆积。研究结果可为超临界CO₂钻井和超临界CO₂压裂优化设计关键施工参数提供参考。      

纳米变黏滑溜水黏弹携砂机理与渗吸性能

纳米变黏滑溜水作为一种具有良好携砂性能和渗吸置换作用的新型压裂液体系,已成功应用于长庆油田页岩油体积压裂施工,现场试验结果表明其具有良好的携砂性能以及增产效果,40 %砂比条件下加砂过程压力平稳,压裂施工完成后单井日产油量可达11.31 t,但其携砂机理与渗吸性能尚不明确。因此对现场使用浓度的纳米变黏滑溜水与常规EM30S可交联滑溜水体系进行室内实验研究,通过动态携砂运移、透射电镜（TEM）、流变性能评价以及储层温压条件下的带压渗吸等实验方法,揭示了纳米变黏滑溜水的携砂机理并评价了其渗吸性能。实验结果表明,滑溜水弹性模量与黏性模量的交点值反映了滑溜水溶液的携砂性能,交点值越小,其弹性携砂性能越强;相同黏度下的纳米变黏滑溜水CNI体系黏弹模量交点值仅为0.0741 Hz,远低于现场用滑溜水EM30S的0.181 Hz,致使其静态和动态弹性携砂性能远高于EM30S;电镜结果表明纳米乳液与变黏滑溜水存在强化缔合结构是滑溜水的弹性携砂性能增强的主要原因。此外,带压渗吸实验结果显示,纳米变黏滑溜水具有良好的渗吸置换性能,能够置换出页岩纳米孔隙中的原油,整体采收率可达36 %;其中,不同孔隙类型的采收率排序依次为:介孔>微孔>宏孔。      

缩扩管内携砂压裂液的压力损失实验与数值模拟

携砂压裂液在缩扩管内形成的湍流流动和颗粒群动力学耦合是产生压力损失的根源。通过建立实验系统，研究了携砂胍胶压裂液在缩扩管内的压力损失，得到了缩扩管降阻比随流量、变径比增加呈指数下降，并随支撑剂质量浓度（砂比）增大呈线性增加的变化规律，拟合出了携砂胍胶压裂液在缩扩管内的降阻比计算公式。考虑非牛顿流体的湍流流动和颗粒群碰撞、堆积的动力学耦合，建立了缩扩管内携砂压裂液固液两相耦合的数值分析模型和计算方法，其数值模拟结果与实验得到的压力损失误差均不大于10%，验证了数值模型和计算方法的准确性。经数值模拟研究表明：缩径和扩径端面区域存在流体速度大于颗粒速度以及高颗粒碰撞率和滞逸率现象，扩径端面存在较大旋涡区，且随支撑剂质量浓度增加旋涡流速增大；当支撑剂质量浓度从0增加到700 kg/m³（砂比56%）时，缩扩管压力损失的增加幅度达15%，与实验得到的16%基本一致，其中突缩管和突扩管压力损失的增加幅度分别为22%和12%。     

酸性交联压裂液性能对比研究

对比研究了羧甲基胍胶和聚合物类酸性压裂液的性能,主要包括基液黏度、交联性能、携砂性能、破胶性能。研究表明:与聚合物基液相比,相同浓度下羧甲基胍胶基液的表观黏度及零剪切黏度更大;当pH值为5~6时,两者交联效果较佳,羧甲基冻胶黏度更大。采用Ostwald-Dewaele方程描述冻胶黏度与剪切速率的关系,并计算出交联冻胶的稠度系数。研究表明:羧甲基冻胶稠度系数明显大于聚合物稠度系数;在携砂性能方面,聚合物冻胶弹性模量更大,支撑剂沉降速度更小,携砂性能更好;在破胶性能方面,与羧甲基胍胶相比,聚合物冻胶破胶后残渣更低,对储层的伤害更小。     

致密碳酸盐岩储层复合缝网酸压技术研究及矿场实践——以大牛地气田下古生界马五5碳酸盐岩储层为例

大牛地气田下古生界马五₅碳酸盐岩储层为低孔、低渗致密储层,储层丰度低,天然裂缝发育,常规酸压技术改造体积有限,水平井投产后产量递减快,稳产难度大。针对这些问题,分析了大牛地气田下古生界马五₅碳酸盐岩储层岩石脆性指数特征,开展了复合缝网酸压技术研究,采用“大排量前置液造缝+大规模胶凝酸缝网酸压+后置支撑剂保持裂缝导流能力”的设计思路,将水力加砂压裂与胶凝酸酸压复合,并优选复合缝网酸压线性胶前置液体系、胶凝酸体系及组合支撑剂体系,优化复合缝网酸压施工排量、施工液体用量比例及支撑剂用量等施工参数。矿场实践表明,该技术对大牛地气田下古生界马五₅碳酸盐岩致密储层具有较好的适用性和显著的改造效果,对大牛地气田下古生界气藏的大规模建产意义重大。     

页岩气CO_2泡沫压裂技术

页岩气开发过程中不仅要注重产量的突破,还应加强对节水/无水压裂等技术的攻关,以确保水资源紧缺地区页岩气开发的有序进行。为此,比较了CO_2泡沫压裂与滑溜水压裂、其他节水/无水压裂技术的特点与优势,认为CO_2泡沫压裂技术能大幅减少用水量,通过增加施工排量和规模可弥补其在改造体积方面与滑溜水压裂所存在的差距,设备改造要求、混注工艺、施工难度较其他节水/无水压裂低,安全风险小;分析了CO_2泡沫压裂液物理特性,由于CO_2相态变化复杂,储层条件下处于超临界状态的CO_2,与水基压裂液形成CO_2泡沫;研究了CO_2泡沫压裂施工设备及工艺技术,认为在施工设备、分段工艺、施工步骤、安全保障方面,增加了液态CO_2泵注流程,需考虑CO_2的特殊性,制定相应的施工保障、安全预防措施。此外,还调研了CO_2泡沫压裂在美国Ohio和Lewis、加拿大Monteny、延长油田页岩气开发中的应用情况,发现其增产改造效果明显。所取得的研究成果为四川盆地页岩气的压裂改造提供了新的思路和方法,也为水资源紧缺地区页岩气开发提供了重要的技术储备与补充。     

超临界CO2压裂技术现状与展望

以水基压裂液开发非常规油气过程中所面临的问题为背景,总结了超临界CO₂压裂技术的独特优势、技术特点、工艺流程及其作业机制。全面分析了超临界CO₂压裂技术的起源、超临界CO₂压裂岩石起裂机制、缝内携砂规律、井筒流动与控制、压裂设备及现场试验等研究发展现状,得到了当前阻碍该技术工业化应用的关键问题,并给出了相应对策。针对超临界CO₂压裂岩石起裂机制的研究多为现象性描述,未来应重视理论分析与模拟实验相结合,给出定量评价方法;超临界CO₂缝内携砂能力的研究除了加强增黏剂方向的攻关力度外,研发纳米纤维实现物理增黏、开发新型低密度支撑剂、提高施工设备技术参数等也是有益的工作。未来超临界CO₂压裂技术将逐渐由直井单层压裂向水平井多级压裂发展并与连续油管拖动压裂相结合,逐渐满足页岩气、煤层气、致密砂岩气等非常规油气的规模化开发需求。     

超临界CO2压裂技术现状与展望

以水基压裂液开发非常规油气过程中所面临的问题为背景，总结了超临界CO₂压裂技术的独特优势、技术特点、工艺流程及其作业机制。全面分析了超临界CO₂压裂技术的起源、超临界CO₂压裂岩石起裂机制、缝内携砂规律、井筒流动与控制、压裂设备及现场试验等研究发展现状，得到了当前阻碍该技术工业化应用的关键问题，并给出了相应对策。针对超临界CO₂压裂岩石起裂机制的研究多为现象性描述，未来应重视理论分析与模拟实验相结合，给出定量评价方法；超临界CO₂缝内携砂能力的研究除了加强增黏剂方向的攻关力度外，研发纳米纤维实现物理增黏、开发新型低密度支撑剂、提高施工设备技术参数等也是有益的工作。未来超临界CO₂压裂技术将逐渐由直井单层压裂向水平井多级压裂发展并与连续油管拖动压裂相结合，逐渐满足页岩气、煤层气、致密砂岩气等非常规油气的规模化开发需求。