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
2、的方法,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
3、国过去一地区名, 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
4、粒间的连接应该能够提供较高的井下裂缝导流能力(FC) ,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
5、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
6、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3.1 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
7、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
8、)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(10000p
9、si)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。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
10、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
11、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)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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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。所有这些都会导致昂贵的修理和洗井费用。支撑剂回流也会引起近井导流能力的损失
18、,并且降低井筒与储层的连通性。如果对CRCS 应用得当,则可固化支撑剂充填层,通过 CRCS 的颗粒间的连接避免支撑剂回流(图 5) 图 5 裂缝内 CRCS 支撑剂固化后颗粒和颗粒间的连接避免了支撑剂回流 SEM(651x)这些支撑剂颗粒会在裂缝闭合后,在储层温度和闭合压力综合作用下连接在一起。Browne 等人( 2003)提出与其他防止支撑剂回流的方法相比,在提高产量方面 CRCS 是最有效的防止支撑剂回流的手段。Anderson 等人(2002)给出了在南得克萨斯州某高温、高流速的气井中 CRCS 防止支撑剂回流的应用结果。Peard 等人(1991)提出在AWP(Olmos)油田与无
19、包裹支撑剂完井相比 CRCS 可防止支撑剂回流,提高油产量。Johnson 等人( 2005)得出在 Permian Basin 低温井利用 CRCS 可阻止支撑剂回流。许多研究人员在实验室进行如何防止支撑剂回流的评估实验。Parker 等人(1999)在支撑剂内加入树脂,并为了模拟裂缝条件对支撑剂的侵蚀,把临界流体流速提高了 20 倍。Nguyen 等人( 2003)的实验内容和结果是,当把 CRCS 放在一个 API 导流单元中,甚至在高流速和应力循环条件下 CRCS 仍然能够防止支撑剂受到破坏和回流。Weaver 等人(1999)给出了在支撑剂中加入树脂,并大幅度提高临界流速进行射孔的模
20、型。Vreeburg等人(1994)得出 CRCS 无侧限抗压强度 80psi 能够经受至少 25 个循环应力,并且没有支撑剂从模型中出来。Anderson 等人(2002)给出,在一个 API 导流实验单元中,甚至在 30.个应力循环后 CRCS 仍能阻止支撑剂回流。在支撑剂回流后,保持在裂缝内的支撑剂将重新铺置(图 6)直到裂缝闭合。这将影响裂缝的宽度和裂缝与井筒的连通性,降低烃向井筒的流动能力。此外,被支撑剂支撑的微裂缝可能完全闭合。Volk 等人(1981)得出在页岩储层单层内支撑剂的作用范围降低 50%,裂缝会因为嵌入而闭合。CRCS 有颗粒和颗粒间的连接可阻止支撑剂颗粒在层内发生运
21、移,保持裂缝的支撑状态使裂缝完全开启。这些连接提高了支撑剂充填层的强度,增强了裂缝的流动能力,提高了井的增产有效期。 (Nguyen 等 2008)图 7 给出了普通支撑剂与只用CRCS 组成的一个固体充填层支撑剂裂缝的示意图。 图 6 无包裹支撑剂重新分布降低了裂缝宽度,并且导致微裂缝发生闭合图 7 普通支撑剂样品与在井下条件下仅有 CRCS 组成的固体充填层样品3.5 支撑剂嵌入另外一个降低裂缝宽度的严肃的问题就是支撑剂嵌入问题。如图 8 所示,支撑剂会嵌入裂缝表面,尤其在较软的页岩储层。支撑剂的嵌入会降低裂缝的宽度和降低裂缝的导流(Penny 等,1987)CRCS 与无包裹的支撑剂相比
22、嵌入储层较少,因为 CRCS 颗粒间的连接在一起组成了一个固体支撑剂充填层,重新分布闭合应力,而降低支撑剂的嵌入。Penny等提出在裂缝内树脂包裹砂重新分布应力状态,可降低支撑剂的嵌入。本文给出了 CRCS的嵌入剖面,值得注意的是这个剖面与无包裹的砂和陶粒不同,因为沿着岩心面的支撑剂粘合在一起,所以嵌入的较少。在相同的尺寸下,陶粒的嵌入坑是 CRCS 嵌入坑的宽度和深度的 5 倍。.图 8 支撑剂嵌入裂缝表面降低裂缝宽度和导流此外与支撑剂嵌入相关的是储层碎屑的产生、运移并引起裂缝导流能力损失的问题。见图 9。Lacy 等(1997)提出因为支撑剂嵌入,储层碎屑严重破坏支撑剂包裹。他们提供的资表
23、明 5%的储层碎屑降低近 54%的支撑剂导流。Weaver 等(1999)和 Blauch 等(1999)给出了储层碎屑能够降低 96%支撑剂导流。在井眼应力条件下,当支撑剂嵌入裂缝表面时储层会产生细小的颗粒。LaFollette 等(2009)给出了 Haynesville 页岩岩心在暴露在破碎的裂缝流体中,布氏硬度降低了超过 73%。这种软的页岩曾将增加支撑剂的嵌入降低支撑剂的导流。 图 9 SEM 照片(514x)红圈内因为颗粒嵌入而散裂的储层碎屑3.6 井下支撑剂结垢在一种地球化学作用下,井下裂缝中支撑剂会结垢或者岩化。LaFollette 等(2010)得出在 Haynesville
24、 页岩储层出现陶粒表面结垢现象,并且 Haynesville 页岩储层比非Haynesville 页岩的储层所用的陶粒的强度降低了近一半。Weaver 等(2008)得出陶粒和铁铝氧石支撑剂因为支撑剂结垢,可损失 90%的渗透率。本文也得出当陶粒和铁铝氧石支撑剂处于在井下裂缝条件时,支撑剂溶解并随后在支撑剂间的孔隙空间内再矿化成为像粘土一样的铝硅酸盐矿物。铝来自陶粒或铁铝氧石支撑剂,硅酸盐来自储层。与储层颗粒相似这些水晶矿物将堵塞支撑剂的孔隙,降低支撑剂的孔隙度和渗透率,降低裂缝的导流能力。这些一般在较浅的极端的储层条件下缓慢出现,如页岩。但是,在许多页岩储层发现在高温高压条件下加速了这个过程
25、。Weaver 等人(2009)提出在储层条件下铁铝氧石支撑剂颗粒强度降低到 70%。Weaver 等人(2008)得出在支撑剂表面涂上树脂可以降低支撑剂的结垢,树脂涂层提高了一个不易被水沾湿的层阻止水溶解支撑剂表面而结垢。Weaver 等(2005)得出陶粒支.撑剂结垢能够导致支撑剂渗透率的显著损失,树脂包裹支撑剂可降低支撑剂表面的结垢,改善长期导流能力,表现在改善产量递减的速度方面。Underdown 等人(1985)提出与砂和铁铝氧石支撑剂相比,树脂涂层支撑剂在高温中性 PH 值的水中质量没有变化。Weaver等(2006)提出陶粒支撑剂结垢,而树脂包裹支撑剂可阻止结垢发生。室内实验表明
26、,在模拟井下环境时,树脂涂层支撑剂不结垢,而没有包裹的陶粒支撑剂则形成了堵塞孔隙的矿物垢。树脂在颗粒表面形成了一个保护层阻止了水与支撑剂表面的反应并防止了在支撑剂孔隙空间内形成结垢堵塞孔隙的现象发生。 。随着暴露时间的增加,垢慢慢的会显出它的影响,产量会因这种有害的影响下降速度加快。图 10 给出了结垢实验的结果。LWC 支撑剂结了垢,而 CRCS 表面却没有,实验的条件是 300F( 148.89 ) ,15 天,压力3000psi( 20.68MPa) ,Haynesville 页岩岩心,模拟 Haynesville 地层水。 图 10 LWC 表面形成的结垢(左)CRCS 表面却没有结垢
27、(右) 。红色圈内是 LWC 表面的洞,绿圈内为 LWC 和储层空间间的结垢。3.7 裂缝导流能力裂缝导流能力取决于支撑剂的渗透率和支撑裂缝的宽度。 (Barree 等,2003)影响支撑剂充填层渗透率的因素包括支撑剂碎屑、储层因嵌入而形成的碎屑及支撑剂结垢。随着每种因素的增加支撑剂的渗透率都会降低。影响支撑剂充填层宽度的因素包括嵌入,支撑剂回流,压裂液滤饼带来的伤害。支撑剂充填层的宽度也会随着这些因素数量的增加而降低。压后产量模拟时,各种储层因素中起决定作用的是裂缝的导流能力。在支撑剂充填层保持高导流能力对长期提高单井产量起到决定性的作用。这可以通过降低有害因素达到保持高导流能力的目的。表
28、1 中给出了一个实例。例子中针对每个区域井产量,对影响裂缝导流能力的关系每个因素的权重进行了赋值。压裂作业主要的区别是所用支撑剂类型。因为不同的支撑剂导流对应不同的单井产量。我们用一个相关因子 来代替未知因素,例如支撑剂回流、充填层的重新铺置和支撑剂碎屑。关系式中未考虑非达西流,多相流,多相非达西流,重力和粘度差异和油藏流动能力(Barree 等,2003) 。.四、页岩实例分析4.1 Fayetteville 页岩对 Fayetteville 页岩压裂方案进行了综合分析,并就岩心资料与服务公司和压裂作业公司员工进行了很多次的探讨。一般选择支撑剂的因素如支撑剂碎屑、回流和充填层的重新铺置都与
29、Fayetteville 页岩压裂有关。Fayetteville 页岩是 Arkoma 盆地的一部分。该页岩分布是从阿肯色州(Arkansas)边部的俄克拉荷马州(Oklahoma )到密西西比河(Mississippi) 。厚度从 150ft300ft ,储层含有大量的二氧化硅和碎屑沉积。Fayetteville 页岩的核心区是是阿肯色州怀特郡,Fayetteville 页岩覆盖约 4000 平方公里。井深 15007000ft ( 457.2 2133.6m) ,一般水平段长度30004000ft ( 914.4 1219.2m) 。井底温度 100150F ( 37.78 65.55 )
30、 ,平均的闭合压力 6000psi(FG=1.1psi/ft, 折合 41.37MPa)或者更低。井初始产量平均 13MMcf/天( 2.838.49104m3/day) ,且较其他页岩储层产量降低较慢。大多数井都是水平井,且进行 610 段的压裂。压裂中一般用的滑溜水,支撑剂约300000400000lbm(136.08 181.44 吨 ),砂浓度 0.12.2lbm/gal ( 11.98 263.62kg/m3) ,排量 80100bbl/min ( 12.72 15.90m3/min) 。先前考虑到 Fayetteville 页岩储层和岩石的特点认为只需要用 UFS 支撑剂就够了。文
31、献调研结果表明应该对支撑剂的碎屑和运移和支撑剂充填层的重新铺置进行研究,进一步改善压裂效果。此外,油田的报告表明支撑剂回流在整个地区都是个问题。这导致单井产量很低。基于这三个因素,Fayetteville 页岩压裂如果应用 CRCS 应该能降低作业费用。进行了模拟 Fayetteville 页岩储层条件和完井过程的 40/70 目 UFS、40/70 目 CRCS 的室内对比实验,并进行了相关文献的调研。进行了 13 口井生产的资料对比,分析Fayetteville 页岩压裂中应用的两种类型支撑剂对产量的影响。4.1.1 压后产量对比(1)FRCS 与 UFS对阿肯色州怀特郡的 13 口井的压
32、裂作业进行了对比。所有井都具有相似的特点和完井工艺。7 口井是 100%的 40/70 目 UFS,其他 6 口是则在后期尾追 10%的 40/70 目 CRCS 支撑剂。平均的 CRCS 支撑剂体积约 400000lbm/井(40000lbm 每段) (折合每井 181.44 吨,每段约 18.14 吨,如果按照体积密度 2.0kg/m3 计算,则每段加砂约 9m3) 。平均四个月的累计产气量对比结果表明,用 CRCS 作为支撑剂的井的产量比用 UFS 的高出 26%(如果每井产量 2.838.49104m3 计算,则单井约提高了 0.73 2.2104m3) 。见图 11。用 CRCS 的
33、花费增加的每口井的费用在前两个月就可以收回。降低了支撑剂的回流和洗井(清洗反吐支撑剂)所用的时间。.图 1140/70 目 CRCS 与 40/70 目 UFS 对 Fayetteville 页岩产量影响对比图4.1.2 支撑剂碎屑在湿、热条件下进行了一个 40/70 目 CRCS 与 40/70 目 UFS 破碎率对比实验。实验压力 5000psi( 34.47MPa) ,实验温度 200F( 93.33 ) 。实验结果为 40/70 目 UFS 破碎率 8.8%,而 40/70 目 CRCS 破碎率为 0,对比结果见图 12。 图 12湿热条件下 40/70 目 CRCS 与 40/70
34、目 UFS 实验结果对比4.1.3 有效导流能力基于 Coulter 等人( 1972) ,压力 5000psi( 34.47MPa) 条件下,8.8%的破碎率,UFS的有效导流能力从 483md-ft( 14.72Dcm) 降低到了 112md-ft( 3.41 Dcm) ,降低了77%。CRCS 的导流能力没有变化。因此有效导流能力仍然是标准导流能力,622md-ft( 18.96 Dcm) ,见图 13。.图 13 40/70 目 CRCS 与 40/70 目 UFS 有效导流与标准导流能力对比4.1.4 支撑剂回流与作业的服务公司和压裂作业公司员工探讨结果表明,对 Fayettevil
35、le 页岩水平段支撑剂回流现象较为普遍。这种回流是近井筒流速高引起的,同时也是因为生产时裂缝没有完全闭合在支撑剂填充层上造成的。因此时常需要特殊的地面设备和连续油管清洗出砂段,这时还无法及时知道支撑剂回流对井下裂缝的导流和产量的影响。4.1.5 支撑剂的重新铺置Fayetteville 页岩地区压裂作业是成功的,因为压裂沟通了天然裂缝,并在作业过程中生成了附加的微裂缝或者分支缝。40/70 目支撑剂(平均粒径 0.32mm)能够支撑这些微裂缝,改善井筒裂缝的导流。室内实验表明大量的 CRCS(大于 90%)能够把储层岩心样品粘合在一起。这些特点降低了生产过程中微裂缝闭合和支撑剂重新铺置的可能性
36、。但是,尚不知道支撑剂重新铺置对井下裂缝导流能力及对产量的影响。4.1.6 裂缝导流能力关系Fayetteville 页岩裂缝导流能力关系方程:PI=EC/ 4CRCS 与 UFS 井的四个月的产量是 EC(有效导流能力)和其他未知因素()的方程。这些未知因素包括支撑剂的回流和充填层的重新铺置。26%(316%10% )/ 4对于 Fayetteville 页岩导流能力关系, 4=1.2,见表 1。表 1 Fayetteville 页岩裂缝的导流能力关系支撑剂类型因素 UFS CRCS 区别 备注支撑剂类型 100% 10% 10% *尾追 10%CRCS,90%UFS有效导流能力 222md
37、-ft 924md-ft 316% 2500psi,UFS=6.7% 碎屑,CRCS 0% 碎屑增产量(PI) 26% 4 个月累产对比结果.4.2 Bakken 页岩Bakken 页岩是油页岩,位于 Williston 中部,占地约 200000 平方公里,在萨斯喀彻温省蒙大纳北达科他州。Bakken 被分为三个部分,上下储层为中部为砂质页岩分割开。在美国 Bakken 井的垂直深度 10000ft( 3048m) ,水平段 850010000ft ( 2590.8 3048m) ,闭合压力最高 9500psi( 65.50MPa) ,取决与深度和位置。最近的压裂设计是用滑溜水和线性胶混合,
38、随后采用交联液体系。典型井是采用2530 压裂段或者更多。排量 3040bbl/min(4.77 6.36m3/min) ,压力60008000psi ( 41.37 55.16MPa) 。一般每段支撑剂体积平均75000100000lbs ( 34.02 45.36 吨) ,前面为 40/70 目,后段尾追 20/40 目砂。对应新的水平段,操作人员对不同的支撑剂进行了实验,寻求有效的经济完井措施。在 2009 年早期以前 UFS 和 LWC 是最普通的支撑剂。Wiley 等(2004)报道用在 Bakken 完井用 CRCS,确保超过 6500psi( 44.82MPa) 闭合压力时的裂缝
39、导流能力。对 Bakken 的 16 口井压后产量进行分析,此外进行了与这些井相关的支撑剂碎屑和嵌入研究。4.2.1 压后产量对比CRCS 与 UFS对北达科他州 Dunn 和 McKenzie 郡的利用 CRCS 和 UFS 作业的 16 口的井的产能进行了对比。其中 5 口用的是 CRCS,其余的 11 口用的是 UFS。所有井垂直深度、水平段长度、完井技术相近。第个月的累计产量,用 CRCS 井作为支撑剂的井比用 UFS 做支撑剂的井高23%(用 CRCS 井累计产量 11666bbl,约折合 1854.75m3,平均日产 61.82 m3。用 UFS 的井累计产量 9453bbl,约折
40、合 1502.91m3,平均日产 50.09m3) 。2 个月末的累计平均产量CRCS 提高到了 35%(用 CRCS 井累计产量 24995bbl,约折合 3973.89m3,平均日产 66.23 m3。用 UFS 的井累计产量 18480bbl,约折合 2938.09m3,平均日产 48.96m3) ,见图 14。 图 14 Bakken 页岩 20/40CRCS 与 20/40UFS 产量对比4.2.2 支撑剂碎屑在湿、热条件下进行 CRCS,LWC ,UFS 三种样品的支撑剂破碎实验。实验结果见图.15。CRCS 碎屑最低,其次是 LWC。 图 15 湿热条件下 20/40 目 CRC
41、S,LWC,UFS 破碎实验对比4.2.3 支撑剂嵌入直到目前,Bakken 储层的支撑剂嵌入研究仍无文献报道。Loeffeler(2010)提出了Bakken 储层支撑剂嵌入的问题。图 16 给出了 Bakken 岩心的支撑剂嵌入的实验结果。Bakken 储层岩心实验表明,LWC 是 CRCS 支撑剂嵌入的 2.5 倍。我们也可以通过平均的颗粒直径和每个支撑剂的嵌入深度,确定在支撑剂嵌入过程中储层产生的碎屑的数量(图17) 。支撑剂嵌入过程中储层产生的碎屑的数量 CRCS 比 LWC 和 UFS 少的多。 图 16 275F,8500psi,Bakken 页岩 20/40 目 CRCS,LW
42、C ,UFS 嵌入深度 图 17 275F,8500psi,Bakken 页岩 20/40 目 CRCS,LWC,UFS 嵌入深度实验中参数的储层碎屑.4.2.4 裂缝导流能力关系Bakken 页岩裂缝导流能力关系方程是:PI=(EC/ 2)+PECRCS 井与 UFS 井的两个月产量是 EC(有效导流能力) 和 PE(支撑剂嵌入) 和其他未知因素 2 的方程,这些因素包括支撑剂回流,充填层重新排列和支撑剂碎屑。35%(88%/ 2)+9%对于 Bakken 页岩导流能力关系, 2=3.4,见表 2。表 2 Bakken 页岩导流能力关系支撑剂类型因素 UFS CRCS 差值 备注有效导流能力
43、(EC)- 两个月平均应力2017md-ft( 61.48Dcm)3796md-ft( 115.7Dcm)88%4000psi( 27.58MPa) ,UFS=3.6%碎屑,CRCS=0.5%碎屑支撑剂嵌入(PE)- 储层应力下的最大宽度5524 微米 6008 微米 9%因为用 CRCS 后支撑剂嵌入量的降低,裂缝宽度增加(压力从40008500psi ( 27.58 58.60MPa) 相同变化)增产量( PI) 35% 两个月平均累计产量差4.3 Haynesville 页岩Haynesville 页岩位于东北部的路易斯安那州,并且延伸至东得克萨斯州和南部阿肯色州。Haynesville
44、 是页岩气储层,测量深度 1400018000ft ( 4267.2 5486.4m) ,垂直深度1000013000ft ( 3048 3962.4m) ,水平段位移 4000ft( 1219.2m) 或者更长。闭合压力900012000psi ( 62.05 82.74MPa) ,井底温度 325F( 162.78 ) 或者更高。因为高温高压,使得该储层成为北美最深的页岩储层之一。如何改善 Haynesville 页岩压裂效果一直受到关注。设计主要用的液体是滑溜水,1015 段的压裂段,施工排量 80bbl/min( 12.72m3/min) ,平均小粒径支撑剂300000400000lb
45、m ( 136.08 181.44 吨) 。也有用线性胶混合滑溜水进行注入的,并采用大粒径支撑剂尾追。一般情况分段越多,支撑剂量越大产量越高。对 Haynesville 页岩的 16 口井的压后产量进行分析。同时对这些井的循环应力、支撑剂嵌入、碎屑及有效导流对支撑剂填充层的影响也进行了研究。4.3.1 压后产量对比CRCS 与 LWC所有井都是路易斯安那州 DeWoto Parish 的压裂井,并具有形同的特征,完井技术、.压裂段数及支撑剂体积。11 口是用 40/80 目 LWC 支撑剂,而 5 口井用 40/70 目的 CRCS支撑剂。用 CRCS 支撑剂的井 5 个月的产量比用 LWC
46、提高 28%。产量用支撑剂的泵注量进行标准化处理,用 CRCS 井的值提高 15%,见图 18。图 19 给出了 CRCS 及 LWC 井每磅支撑剂增加的 5 个月平均的累计产量,盒装图也给出了每个支撑剂类型对产量的影响。每个盒子数据变化范围为 1/4。5 个月的时间内,用CRCS 井与 LWC 产量有高度的一致性。 图 18 Haynesville 页岩用 40/70CRCS 和 40/80LWC 做支撑剂的 5 个月的产量对比结果 图 19 Haynesville 页岩用 40/70CRCS 和 40/80LWC 做支撑剂的 5 个月的产量对比结果(盒装图)4.3.2 支撑剂充填循环应力阻
47、力对 CRCS,LWC ,UFS 循环应力后支撑剂产生的碎屑进行测量,图 20 给出了这些实验的结果。实验结果表明,CRCS 产生的碎屑最低,其次是 LWC。为了确定粒径的分布,对这些碎屑进行筛分。图 21 给出了小于 100 目的百分比。CRCS 没有小于 100 目的颗粒。UFS 小于 100 目的支撑剂占 56.2%,LWC 小于 100 目的占 71.3%。小于 100 目支撑剂更易运移,降低大粒径支撑剂填充层的渗透率。.图 20 40/70 目 CRCS,40/80 目 LWC,40/70 目 UFS 的循环应力实验结果 图 21 循环应力实验小于 100 目支撑剂的量4.3.3 支
48、撑剂的嵌入在实验过程中,我们发现 40/80LWC 支撑剂嵌入 Haynesville 岩心 202 微米。40/80LWC 的平均粒径是 308 微米。40/80 目 LWC 在 1lbm/ft2( 4.88kg/m2) 的支撑宽度是3151 微米。40/80 目 LWC 因为支撑剂嵌入降低的裂缝宽度 2747 微米,降低了 12.8%。如图 22 所示,Haynesville 岩心实验表明, 40/80 目的 LWC 是 40/70 目 CRCS 嵌入深度的两倍。我们用每个实验的平均粒径和嵌入深度确定储层碎屑的量(见图 23) 。40/80 目的 LWC 比 40/70 目 CRCS 所产
49、生的碎屑要多。图 24 所示是 40/80 目 LWC 支撑剂嵌入Haynesville 页岩岩心的照片,图 25 是 40/70 目 CRCS 支撑剂嵌入 Haynesville 页岩岩心的照片。.图 22 Haynesville 页岩 40/70 目 CRCS 及 40/80LWC 支撑剂嵌入深度, 3 天时间,温度 300F,压力10000psi图 23 Haynesville 页岩 40/70 目 CRCS 及 40/80LWC 支撑剂嵌入实验产生的储层碎屑,3 天时间,温度 300F,压力 10000psi 图 24 40/80 目 LWC 在 Haynesville 页岩的嵌入照片,注意红色圆圈内的支撑剂完全嵌入了岩心.图 25 Haynesville 页岩的嵌入结果对比,左面为 40/80 目 LWC,右面为为 40/70 目 CRCS4.3.4 裂缝导流能力关系Haynesville 页岩的裂缝导流能力关系是:PI=(EC/ 5)+PECRCS 井与 UFS 井的五个月末累计产量是 EC 和 PE 和其他未知因素 5 的方程,这些因素包括支撑剂回流,充填层重新排列和支撑剂碎屑。15%(-8%/ 5