一种在水力压裂过程中考虑凝胶降解情况来确定压裂液返排率的方法

《Scientific Reports》：Method for determining the flowback rate of fracturing fluid considering gel degradation during hydraulic fracturing

　　

摘要

压裂返排液在煤层气储层开发中起着关键作用，但目前现场返排速率仍多依据操作经验确定，因此难以在不同井眼中推广应用。为突破仅基于现场经验的局限，本研究建立了一个基于力学原理的参数化框架，用于估算水力压裂后的允许返排速率范围。该模型考虑了压裂液在压裂后的粘度特性，并根据压裂前后作用于煤粉和支撑剂的力平衡关系，确定了颗粒移动的临界条件。该方法无需为单个井段建立经验关联式，而是采用可测量的参数或文献中已有的数据，包括颗粒尺寸与密度、流体密度与粘度、压裂压力差、润湿相饱和度以及接触力学系数等。研究以两口煤层气井的现场参数作为示例，验证了该方法的可行性，并分析了计算得到的操作范围是否与实际现场返排速率相符。计算结果表明，在压裂前，支撑剂的临界返排速率介于3.6至498立方米/天之间；压裂后则介于36至890立方米/天之间。而使煤粉开始移动的最小速率会随颗粒尺寸增大而上升。敏感性分析表明，颗粒半径、压裂后的压力差、颗粒密度、流体粘度以及润湿相饱和度是影响返排速率的主要因素：颗粒越大、密度越高，所需的返排速率就越高；而流体粘度越大，则会因增加阻力而降低返排速率。压裂过程中毛细力有助于颗粒移动，而压裂完成后摩擦力则成为主要的阻碍力量。由于本研究未进行新的实验室返排实验，该模型并未经过完全的实验验证，但其可靠性得益于透明的参数设定、基于文献的系数值、与已有返排速率的大致对比以及系统的敏感性分析。所提出的方法为选择既能保证快速清理效果又能维持长期裂缝导流性能的返排速率提供了实用的筛选工具，可应用于煤层气及其他支撑压裂作业中。