聚合物涂层镁质-石英陶粒支撑剂的时间依赖充填层导流能力与水力压裂设计

《Geosciences》：Time-Dependent Proppant Pack Conductivity and Hydraulic Fracture Design

　　

专业术语翻译 支撑剂选型需要理解更大的抗破碎性是否能在持续加载下转化为更好的流动性能。将短期破碎测试与名义16/20和20/40目级配的聚合物涂层镁质-石英陶粒支撑剂在54.3 MPa和86 °C条件下持续60小时的导流能力和渗透率测量进行了比较。在68.95 MPa下，16/20和20/40的破碎质量分数分别为8.88%和2.27%。经过60小时后，两种充填层分别保持了其初始导流能力的81.4%和77.7%，以及初始渗透率的77.9%和80.7%。因此，20/40目级配更高的抗破碎性和渗透率保持率并未延伸至导流能力保持率。由于导流能力也取决于充填层厚度，仅凭渗透率保持率并不能决定导流能力保持率。将初始导流能力视为常数会高估其在60小时时的值，对16/20高估22.9%，对20/40高估28.7%。一项使用记录处理数据的独立模型重新计算说明了操作条件如何影响预测的裂缝几何形态和空间平均导流能力。

论文解读文章

1. 研究背景与科学问题

在水力压裂作业中，支撑剂的选择至关重要，它直接影响着人工裂缝的长期导流能力，从而决定了油气井的增产效果和最终采收率。传统的支撑剂筛选标准主要依赖于短期破碎率测试，认为抗破碎能力更强的支撑剂能够在储层闭合应力下维持更好的孔隙结构，从而保持较高的导流能力。然而，这种基于短期静态测试的假设忽略了支撑剂充填层在长时间、高温、高压以及流体接触等复杂井下环境下的动态演变过程。已有研究表明，支撑剂的长期导流能力下降不仅源于颗粒破碎产生的细粉堵塞孔喉，还受到颗粒重排、嵌入裂缝壁面、局部压实以及岩石-流体相互作用等多种机制的综合影响。因此，单纯依据短期破碎率来预测长期导流能力存在显著的不确定性。

本研究旨在检验一个核心假设：即对于同一种材料，具有更低破碎质量分数的支撑剂级配，在持续载荷下是否能同时保持更高比例的初始渗透率和导流能力。研究人员选取了聚合物涂层镁质-石英陶粒支撑剂的两种名义级配（16/20目和20/40目），通过对比它们在短期破碎测试中的表现与在模拟储层条件（54.3 MPa，86 °C）下持续60小时的导流能力和渗透率变化，来评估不同评价指标之间的关联性，并量化使用恒定初始参数进行设计所带来的误差。这项研究的科学意义在于揭示了支撑剂选型中一个被忽视的关键点：抗破碎性与导流能力保持率并非简单的正相关关系，这为更精确的水力压裂设计提供了实验依据和理论指导。

2. 主要关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：

1. 1.
   短期破碎测试：在液压试验机上进行，目标应力在1分钟内达到并保持2分钟，测试应力分别为34.47、51.71和68.95 MPa，通过筛分测定破碎质量分数。
2. 2.
   长期导流能力测试：使用改进的线性流动池，基于ISO 13503-5:2006标准，在2 wt% KCl溶液、5 mL/min流速、86 °C和54.3 MPa最终法向应力下进行60小时连续监测，获取导流能力和渗透率随时间的变化数据。
3. 3.
   物理性质表征：依据GOST R 51761-2013标准，测定了样品的体积密度、酸溶解度、粒度分布（使用SWING 200振筛机）以及颗粒球形度和圆度（Krumbein-Sloss图表）。
4. 4.
   现场案例模型计算：利用一口下白垩统砂岩-粉砂岩储层的实际压裂施工数据（包括泵注程序、压力历史、诊断性小型压裂测试等），分别采用设计输入和实际记录数据进行模型重新计算，对比两者在预测裂缝几何形态和导流能力上的差异。

3. 研究结果

3.1 物理性质与颗粒破碎

两种级配的体积密度均值均为1.41 g/cm³，酸溶解度分别为5.95%（16/20）和4.73%（20/40），均低于8%的阈值。在68.95 MPa下，16/20目级配的平均破碎质量分数为8.88%，而20/40目仅为2.27%。这表明在短期静态破碎测试中，20/40目级配表现出更强的抗破碎能力。研究人员对破碎数据进行了指数拟合，并外推至54.26 MPa（长期导流测试应力），得到16/20和20/40的破碎率分别为3.86%和1.00%。

3.2 60小时导流能力测试期间的变化

经过60小时持续加载后，16/20目级配的导流能力保持率为81.4%，而20/40目为77.7%；但在渗透率保持率方面，20/40目（80.7%）却高于16/20目（77.9%）。这一结果表明，两个级配在导流能力和渗透率保持率上的排序出现了反转。研究人员指出，由于导流能力（C_f）等于渗透率（k_f）乘以充填层厚度（w），因此渗透率保持率与导流能力保持率的差异源于充填层厚度的变化。通过代数推导，16/20和20/40在60小时时的厚度比分别为1.045和0.963。

3.3 设计与后处理模型重新计算

使用实际泵注数据和压力历史进行模型重新计算后，井筒处的裂缝高度从100米降至93米（-7.0%），平均缝宽从5.44毫米降至4.45毫米（-18.2%），最大支撑半长从195米增至213米（+9.2%）。面积加权导流能力从55.18 mD·m变为56.74 mD·m（+2.8%），而有效导流能力则从50.39 mD·m显著增加至62.27 mD·m（+23.6%）。这说明操作条件的改变会显著影响预测的裂缝几何形态和导流能力的空间分布与平均值。

3.4 使用初始流动特性的影响

如果将初始导流能力C_f(0)作为常数用于整个60小时的设计周期，会导致对60小时终点值的显著高估：对于16/20目级配，高估22.9%；对于20/40目级配，高估28.7%。对于渗透率，相应的高估值分别为28.4%和23.9%。

4. 讨论与结论总结

讨论部分：本研究的核心发现是，对于所测试的两种聚合物涂层镁质-石英陶粒支撑剂级配，短期破碎率排名与长期导流能力保持率排名并不一致。尽管20/40目级配在短期测试中破碎率更低，但其导流能力保持率反而低于破碎率更高的16/20目级配。这表明，支撑剂选型不能仅依赖于单一的短期破碎率指标。研究人员通过对比归一化导流能力和渗透率，推断出充填层厚度的动态变化是导致两者差异的关键因素。此外，研究还指出，实验室测试条件（如流体类型、温度、铺砂浓度）与现场实际情况存在巨大差异，例如与使用地层水和岩板的Yan等人研究相比，本研究的导流能力保持率要高得多，这凸显了将实验室结果应用于现场设计时需要谨慎。模型重新计算的结果也证实，使用更符合实际的施工数据会显著改变预测的裂缝导流能力分布。

研究结论翻译：

对于所测试的两个名义样品——聚合物涂层镁质-石英陶粒支撑剂，短期破碎率和60小时导流能力保持率的排名是不同的。在68.95 MPa下，20/40目的破碎质量分数为2.27%，16/20目为8.88%。在54.3 MPa和86 °C条件下经过60小时后，20/40目级配保留了较少的初始导流能力（77.7%对比81.4%），但保留了更多的初始渗透率（80.7%对比77.9%）。较低的细粉生成量本身并不能确定哪个级配对两种流动特性都有更好的保持率。时间依赖的导流能力和渗透率必须与充填层厚度一致地赋值。在所测试的条件下，将初始导流能力作为常数会使其60小时的值被高估，对16/20目高估22.9%，对20/40目高估28.7%。在独立的现场实例中，使用泵注和压力数据进行重新计算使面积加权导流能力增加了2.8%，有效导流能力增加了23.6%，反映了预测的导流能力分布及其空间平均方式的变化。