CN115217459A - 一种支撑高效铺置及防砂实验设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种支撑高效铺置及防砂实验设计方法，涉及石油压裂技术领域，其技术方案要点是：包括以下步骤：步骤一、使用多尺度缝宽模拟实验装置进行多尺度缝宽通过实验，得出纤维和缝宽的最佳配伍；步骤二、基于不同砂比，测得纤维加量对纤维沉降时间的影响；步骤三、在步骤二的基础上，基于不同砂比，设计纤维和不同结构稳定剂加量的实验，测得结构稳定剂加量对支撑剂沉降高度的影响；步骤四、结合步骤一和步骤三，得到纤维、支撑剂、缝宽的合理配伍。
Description
技术领域
本发明涉及石油压裂技术领域，更具体地说，它涉及一种支撑高效铺置及防砂实验设计方法。
背景技术
目前，体积压裂形成复杂裂缝网络提高储层改造效果的同时，伴随出现低粘滑溜水不具备悬浮和远距离输送支撑剂能力不足的问题，测试返排及生产过程中易出现支撑剂回流。传统纤维压裂采用瓜胶冻胶用以提升纤维与支撑剂之间的紧密性，纤维与支撑剂、液体的配伍性好，纤维、支撑剂、瓜胶冻胶混合液泵入地层，纤维缠绕支撑剂，提高支撑剂在人工裂缝中的运移距离及稳定性，提高有效支撑缝长及临界出砂流速，从而减少了支撑剂的失稳和回流。然而，体积压裂主要采用低粘滑溜水作为溶剂，纤维在支撑剂中逸出率高至50％，影响了纤维提高支撑剂输送距离及防砂效果。同时，目前的体积压裂工艺忽略了纤维与支撑剂、裂缝形态的配伍性，导致现场工艺施工效果不明显。本发明基于结构稳定剂提高低粘滑溜水中纤维与支撑剂的配伍性，实验研究了纤维尺寸与缝宽的匹配性，根据纤维对支撑剂沉降时间的影响优选纤维加量，结构稳定剂对支撑剂和纤维混合体的铺置高度的影响优选结构稳定剂浓度，为体积压裂支撑剂高效铺置及防砂技术的现场应用提供了一套理论设计依据。
发明内容
本发明的目的是提供一种支撑高效铺置及防砂实验设计方法，解决传统纤维防砂工艺忽略了纤维与支撑剂、裂缝形态的配伍性，导致现场工艺实施效果不明显。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种支撑高效铺置及防砂实验设计方法，包括以下步骤：步骤一、使用多尺度缝宽模拟实验装置进行缝宽和纤维的配伍实验，得出纤维和缝宽的合理配伍；步骤二、基于不同砂比，测得纤维加量对纤维沉降时间的影响；步骤三、在步骤二的基础上，基于不同砂比，设计纤维和不同结构稳定剂加量的实验，测得结构稳定剂加量对支撑剂沉降高度的影响；步骤四、结合步骤一-步骤三，得到纤维、支撑剂、缝宽的合理配伍。
本方案的原理：多尺度高密度缝体积压裂储层改造，形成人工裂缝复杂，尤其常规支撑剂难以进入微裂缝，拌注纤维能够增强支撑剂的悬浮能力，但是笼统拌注纤维可能适当其反的效果，长纤维存在堵塞缝口的现象，针对性的设计纤维类型能够提高支撑剂的进入各级裂缝，实现各级裂缝的全支撑，同时结构稳定剂的拌注能够增加纤维与支撑剂的网络结构，提高悬浮能力，加强支撑剂纵向沉降高度，防止压后支撑剂回流。
进一步，所述步骤一具体为：(1)基于不同类型及规格的纤维配制携砂液；(2)使用多尺度缝宽模拟实验装置模拟出不同宽度的缝宽；(3)将携砂液倒入多尺度缝宽模拟实验装置中，连接加压；(4)观察泵压变化，记录多尺度缝宽模拟实验装置出口排液时长及排液情况；(5)基于(4)得出不同类型及规格的纤维与不同缝宽的合理配伍。有益效果：针对不同储层体积压裂形成不同缝宽，通过优化纤维类型，保证支撑剂达到在高悬浮能力的同时，纤维未堵缝口，从达到支撑剂的高效铺置。
进一步，所述步骤二具体为：(1)配置不同砂比、不同纤维加量的混砂液，将混砂液摇晃均匀；(2)将混砂液倒入容器内，记录支撑剂在容器中的完全沉降的时间。有益效果：精细化优选纤维加注浓度，确保纤维与支撑剂能够形成团簇状，增加悬浮能力。
进一步，所述步骤三具体为：基于步骤二，配置包括纤维、不同砂比和不同结构稳定剂加量的混合液，将混合液摇晃均匀；将混合液倒入容器中，记录随着时间变化，支撑剂的沉降高度的变化。有益效果：结构稳定剂能够增强纤维、支撑剂之间的耦合作用，提高支撑剂稳固能力，增加支撑剂铺置高度。
进一步，所述基于步骤二具体为：选取不同砂比支撑剂沉降时间最长的纤维浓度。有益效果：不同纤维浓度加量下悬砂能力不同，纤维加量越多，可以有效增加支撑的悬浮能力，同时经济成本考虑，优选纤维的加注浓度。
进一步，所述不同类型及规格的纤维是指不同长度、直径、抗拉强度、密度的纤维。有益效果：不同储层体积压裂形成不同缝宽，长纤维与支撑呈团簇状，难以通过微裂缝，从而形成暂堵效果，降低支撑剂的有效运移，同时要保持纤维具有较好的分散性，韧性以及一定的强度。
进一步，所述结构稳定剂为灰褐色液体，密度1.00-1.20g/cm3，固相含量≥8％。有益效果：结构稳定剂提高纤维和支撑剂网络结构强度，支撑剂呈团簇运移，同时增加支撑剂铺置高度。
进一步，所述多尺度缝宽模拟实验装置包括竖向设置的储料筒和横向安装在储料筒内底部的承压板，所述承压板中部设有开口向下的出料口。有益效果：模拟支撑剂通过缝宽，承压板开口向下，携砂液在驱动及重力作用下通过缝口，同时避免了水平摆放，支撑剂通过缝口时提前发生大量沉降，减少数据误差。
进一步，所述出料口宽度范围为1-6mm。有益效果：覆盖不同储层压裂形成的裂缝网络，实现对各区块各类储层中试验支撑剂高效铺置及防砂工艺。
综上所述，本发明具有以下有益效果：与传统纤维防砂工艺相比，通过本实验方法，进行纤维、支撑剂、缝宽的配伍性实验，解决了传统纤维防砂工艺忽略了纤维与支撑剂、裂缝形态的配伍性，提高支撑剂高效铺置和防砂效果；并且纤维携砂能够进入不同开度的裂缝，扩大裂缝体支撑展布范围，实现不同级别和尺度裂缝远端支撑，纵向上支撑剂铺置高度变高，形成高导流渗流通道，根据支撑剂临界出砂流速优化现场返排制度，防止在排液及生产过程中发生大规模的支撑剂回流，导致地面流程、管线冲蚀破坏严重，影响安全生产及单井产量。
附图说明
图1是本发明实施例1中1-3mm纤维通过1mm缝宽(左)和4-6mm纤维通过1mm缝宽(右)的实验对比示意图；
图2是本发明实施例1中1-3mm纤维在不同浓度及不同砂比下的沉降时间对比图；
图3是本发明实施例1中1-3mm纤维在0.3％的加注浓度下，在不同砂比和纤维稳定剂加量下的支撑剂堆积高度对比图；
图4是本发明实施例1中4-6mm纤维在不同纤维浓度及不同砂比下的纤维沉降时间对比图；
图5是本发明实施例1中4-6mm纤维在0.5％的加注浓度下，在不同砂比和结构稳定剂加量下的纤维堆积高度对比图；
图6是本发明实施例1中多尺度缝宽模拟实验装置的剖视图；
图7是本发明实施例1中多尺度缝宽模拟实验装置的立体图；
图8是本发明实施例1中多尺度缝宽模拟实验装置中承压板俯视图。
图中：1、储料筒；2、承压板；3、出料口。
具体实施方式
以下结合附图1-8对本发明作进一步详细说明。
本方案所用结构稳定剂由以下方法制备而成：将1.0kg高岭土、0.1kg氯化钾和93.2kg水混合搅拌形成均匀浆液，搅拌的同时，加入5.0kg氮掺杂改性氧化石墨烯、0.2kg十二烷基苯磺酸钠、0.2kgAPG0814、0.1kgN-酰基谷氨酸盐，最后加入0.2kg聚丙烯酰胺，充分搅拌得到结构稳定剂。
本方案实施例所用多尺度缝宽模拟实验装置如图6-8所示。
本发明提供的技术方案具体包括以下步骤：
步骤一：准备清水，在搅拌状态下将纤维放入在清水中进行预分散，再依次加入降阻剂、支撑剂，继续保持搅拌状态，记为A溶液。将A溶液倒入多尺度缝宽模拟实验装置，加盖密封后连接加压，观察泵压变化，记录多尺度缝宽模拟实验装置出口排液时长和排液情况。记录缝宽Y下排液时间较短的纤维长度H。
步骤二：在广口瓶中准备清水，保持搅拌状态下加入降阻剂、不同浓度的H长度的纤维，支撑剂，在不同砂比下，分别摇晃广口瓶，倒出，记录纤维沉降时间，记录时间拐点的纤维浓度Q。
步骤三：保持相同纤维浓度Q，控制稳定剂浓度为单一变量进行与上述步骤二相同的交叉实验，记录稳定剂浓度拐点P。
步骤四：根据步骤一-步骤3，得出当缝宽为Y时，压裂施工应当选用H长度的纤维，并且，将纤维浓度控制在Q，稳定剂浓度控制再P。
其中，支撑剂用量占液体体积的5％-15％，纤维用量占支撑剂质量的0.1％-0.5％，降阻剂用量占液体体积的0.1％，加压控制压力在0-60Mpa。
实施例1
一种支撑高效铺置及防砂实验设计方法，包括以下步骤：
步骤一、纤维与缝宽配伍实验
1、针对页岩气复杂缝网纤维通过1mm缝宽实验。
(1)选取3000ml的玻璃烧杯，加入2500ml的清水，使用恒速搅拌器(转速，700r/min)先将1.13g1-3mm纤维(占支撑剂质量的0.3％)在清水中预分散、7.5ml降阻剂(占液体体积的0.3％)，375g70/140目石英砂支撑剂(占液体体积的10％)，搅拌时间2min。
(2)将模拟裂缝装置放入多尺度缝宽模拟实验装置中，设置裂缝宽度1mm，将搅拌均匀的混合液倒入中间容器，保证倾倒干净，无残留，放入活塞，加盖密封后连接加压，观察泵压变化，记录多尺度缝宽模拟实验装置出口排液时长和排液情况。
(3)依次采用与(1)和(2)相同的方法，区别在于：清水中加入1.13g4-6mm纤维(占支撑剂质量的0.3％)，加压后观察泵压变化，记录多尺度缝宽模拟实验装置出口排液时长和排液情况。
2、针对页岩气、致密气纤维通过4mm缝宽实验
(1)采用与上述(1)(2)(3)相同的方法，区别在于：模拟裂缝宽度4mm，加压后，观察泵压变化，记录多尺度缝宽模拟实验装置出口排液时长和排液情况。
实验结果见表1所示。
表1不同纤维类型通过不同缝宽实验结果
结论：由表1可以看出，1-3mm纤维可通过1mm、4mm的缝宽；4-6mm纤维堵塞1mm的缝宽，可通过4mm的缝宽。由图1可以看出，1-3mm纤维可以通过1mm缝宽，4-6mm纤维堵塞1mm缝宽，因此不同储层形成的复杂裂缝网络要针对性的优选纤维类型，以页岩气为例，实现1mm微缝支撑选择1-3纤维，针对4mm的宽缝选择4-6mm的纤维。
步骤二，纤维与支撑剂、结构稳定剂的配伍实验
1、1-3mm纤维及其结构稳定剂加注浓度设计
(1)选取500ml的玻璃制广口瓶，加入400ml的清水，使用恒速搅拌器(转速，700r/min)加入0.4ml降阻剂(占液体量的0.1％)，分别做纤维浓度0.1％、0.3％、0.5％(占支撑剂质量的10％)，砂比5％，10％、15％(占液体量的10％)的正交试验，支撑剂70/140目石英砂，搅拌时间2min，将含有混砂液的广口瓶用双手上下摇晃，力度适当，能够将混砂液摇晃均匀，摇晃时间1min，将广口瓶的混砂液倒入500ml的量筒中，保证广口瓶内倾倒干净，无残渣残留。记录纤维在量筒中的完全沉降的时间。纤维沉降时间见图2。
结论：70/140目石英砂随着砂比及拌注1-3mm纤维浓度的增加，纤维沉降时间也逐渐增加，纤维拌注浓度拐点在0.3％，纤维最佳加注浓度为0.3％。
(2)选取500ml的量筒，选取上述(1)中不同砂比支撑剂中在量筒中沉降时间最长的纤维浓度0.3％，分别做稳定剂结构浓度0.1％、0.3％、0.5％(占支撑剂质量的10％)，砂比5％，10％、15％(占液体量的10％)的正交试验，记录支撑剂堆积高度随时间变化极小时的对应时间点。支撑剂堆积高度见图3所示。
结论：70/140目石英砂随着砂比及拌注纤维稳定剂浓度的增加，纤维和支撑剂的堆积高度也逐渐增加，纤维稳定剂拌注浓度拐点在0.3％，纤维稳定剂最佳加注浓度为0.3％。
2、6mm纤维及其结构稳定剂加注浓度设计
(1)选取500ml的玻璃制广口瓶，加入400ml的清水，使用恒速搅拌器(转速，700r/min)加入0.4ml降阻剂(占液体量的0.1％)，分别做纤维浓度0.1％、0.3％、0.5％(与支撑剂质量的占比)，砂比10％，20％、30％(与液体量的占比)的正交试验，支撑剂70/140目石英砂，搅拌时间2min，将含有混砂液的广口瓶用双手上下摇晃，力度适当，能够将混砂液摇晃均匀，摇晃时间1min，将广口瓶的混砂液倒入500ml的量筒中，保证广口瓶内倾倒干净，无残渣残留。记录纤维在量筒中的完全沉降的时间，确定纤维沉降高度随时间变化极小时的对应时间点。纤维沉降时间见图4所示。
结论：70/140目石英砂随着砂比及拌注6mm纤维浓度的增加，纤维沉降时间也逐渐增加，纤维拌注浓度拐点在0.5％，纤维最佳加注浓度为0.5％。
(2)选取500ml的量筒，选取上述(1)中所得不同砂比支撑剂中在量筒中沉降时间最长的纤维浓度0.5％，分别做结构稳定剂浓度0.1％、0.3％、0.5％(与支撑剂质量的占比)，砂比10％，20％、30％(与液体量的占比)的正交试验，纤维堆积高度随时间变化极小时的对应时间点，纤维堆积高度见图5所示。
结论：70/140目石英砂随着砂比及拌注纤维稳定剂浓度的增加，纤维堆积高度也逐渐增加，纤维稳定剂拌注浓度拐点在0.5％，纤维稳定剂最佳加注浓度为0.5％。
综上所述，当缝宽为1mm时，压裂选用1-3mm纤维，其中，纤维浓度控制在0.3％，稳定剂浓度控制再0.3％；当缝宽为4mm时，压裂选用4-6mm纤维，其中，纤维浓度控制在0.5％，稳定剂浓度控制在0.5％。
铺置效果和防砂效果论证实验
1、铺置效果论证
实验一：分别量取100mL清水加入到9个250mL烧杯中，并记录为1#-9#烧杯；分别取0.1mL降阻剂加入1#-9#烧杯中，控制砂比10％，选取1－3mm纤维，同时分别称取浓度0.1％、0.2％、0.3％的纤维与0.1％、0.2％、0.3％浓度的稳定剂，做正交试验，待石英砂完全沉降，读出石英砂的堆积体积，结果如表2所示。
表2砂比10％下不同纤维及稳定剂参数下的支撑剂堆积高度对比
实验二：分别量取100mL清水加入到9个250mL烧杯中，并记录为1#-9#烧杯；分别取0.1mL降阻剂加入1#-9#烧杯中，控制砂比30％，选取4－6mm纤维，同时分别称取浓度0.3％、0.4％、0.5％纤维与0.3％、0.4％、0.5％浓度的稳定剂，做正交试验，待石英砂完全沉降，读出石英砂的堆积体积，结果如表3所示。
表3砂比30％下不同纤维及稳定剂参数下的支撑剂堆积高度对比
通过对比10％砂比及30％砂比不同浓度的纤维及稳定剂加量下支撑剂堆积高度，选用1-3mm纤维时，砂比10％，选用1-3mm纤维时，纤维浓度0.3％，稳定剂浓度0.3％，支撑剂堆积高度最高；选用4-6mm纤维时，30％砂比，纤维浓度0.5％，稳定剂浓度0.5％，支撑剂堆积高度最高。
2、防砂效果论证
根据铺砂浓度7.5Kg/m2，计算样品的面积为65.4cm2；单次样品使用量＝铺砂浓度x样品的面积x样品密度，70/140石英砂计算出单次样品用量72g。
具体操作步骤为：
实验三：准备400ml清水，加入0.1％降阻剂，0.5％4-6mm的纤维，0.5％结构稳定剂，搅拌2min，分散均匀后加入砂比15％支撑剂，搅拌1min后将样品封口进行90℃水浴破胶1小时，彻底破胶后用200目筛网进行过滤，保证样品内无大面积的水残留，将混有纤维的支撑剂进行称重装袋，每袋72g。
实验四：准备400ml清水，加入0.1％降阻剂，砂比15％支撑剂，搅拌1min后将样品封口进行90℃水浴破胶1小时，彻底破胶后用200目筛网进行过滤，保证样品内无大面积的水残留，将纯支撑剂进行称重装袋，每袋72g。
将实验三和实验四所的压裂液用以进行API导流实验，测定不同闭合压力下实验模型单缝内支撑剂回流的临界流速，如表4所示。
表4支撑剂回流临界出砂流速
| 闭合压力，MPa | 2 | 5 | 10 | 15 | 30 |
| 实验三(ml/min) | 250 | 351 | 398 | 600 | 790 |
| 实验四(ml/min) | 97 | 158 | 250 | 462 | 530 |
由实验三与实验四的支撑剂回流临界出砂流速结果对比：15％砂比伴注0.5％浓度纤维，0.5％浓度稳定剂比未加注纤维和结构稳定剂的实验四的临界出砂流速大幅度上升，低闭合压力下提高了近2.5倍，高闭合压裂力提高了1.5倍，具有显著的进步。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (9)
1.一种支撑高效铺置及防砂实验设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、使用多尺度缝宽模拟实验装置进行缝宽和纤维的配伍实验，得出纤维和缝宽的合理配伍；步骤二、基于不同砂比，测得纤维加量对纤维沉降时间的影响；步骤三、在步骤二的基础上，基于不同砂比，设计纤维和不同结构稳定剂加量的实验，测得结构稳定剂加量对支撑剂沉降高度的影响；步骤四、结合步骤一-步骤三，得到纤维、支撑剂、缝宽的合理配伍。
2.根据权利要求1所述的一种支撑高效铺置及防砂实验设计方法，其特征在于，所述步骤一具体为：(1)基于不同类型及规格的纤维配置携砂液；(2)使用多尺度缝宽模拟实验装置模拟出不同宽度的缝宽；(3)将携砂液倒入多尺度缝宽模拟实验装置中，连接加压；(4)观察泵压变化，记录多尺度缝宽模拟实验装置出口排液时长及排液情况；(5)基于(4)得出不同类型及规格的纤维与不同缝宽的合理配伍。
3.根据权利要求1所述的一种支撑高效铺置及防砂实验设计方法，其特征在于，所述步骤二具体为：(1)配置不同砂比、不同纤维加量的混砂液，将混砂液摇晃均匀；(2)将混砂液倒入容器内，记录支撑剂在容器中的完全沉降的时间。
4.根据权利要求1所述的一种支撑高效铺置及防砂实验设计方法，其特征在于，所述步骤三具体为：基于步骤二，配置包括纤维、不同砂比和不同结构稳定剂加量的混合液，将混合液摇晃均匀；将混合液倒入容器中，记录随着时间变化，支撑剂的沉降高度的变化。
5.根据权利要求4所述的一种支撑高效铺置及防砂实验设计方法，其特征在于，所述基于步骤二具体为：选取不同砂比支撑剂沉降时间最长的纤维浓度。
6.根据权利要求2所述的一种支撑高效铺置及防砂实验设计方法，其特征在于，所述不同类型及规格的纤维是指不同长度、直径、抗拉强度、密度的纤维。
7.根据权利要求1所述的一种支撑高效铺置及防砂实验设计方法，其特征在于，所述结构稳定剂为灰褐色液体，密度1.00-1.20g/cm3，固相含量≥8％。
8.根据权利要求1所述的一种支撑高效铺置及防砂实验设计方法，其特征在于，所述多尺度缝宽模拟实验装置包括竖向设置的储料筒和横向安装在储料筒内底部的承压板，所述承压板中部设有开口向下的出料口。
9.根据权利要求8所述的一种支撑高效铺置及防砂实验设计方法，其特征在于，所述出料口宽度范围为1-6mm。
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