陶粒砂段塞颗粒大小的考虑因素
段塞是陶粒砂具有削减多裂缝条数与封堵天然裂缝以降低滤失的多重作用。因此,不仅要考虑段塞颗粒能够通过主裂缝和进入多裂缝中冗余裂缝的可能性,还要考虑进入天然裂缝的可能性,还要考虑进入天然裂缝的可能性。
1、满足削减多裂缝中部分裂缝的需要
计算多裂缝中单裂缝的宽度时,需要知道理想条件下裂缝宽度、裂缝条数与计算时的注入量。
(1)理想裂缝条件下裂缝宽度的计算。这需要准确掌握地层应力剖面、泵注程序参数等。需要明确的是,由于段塞主要应用在前置液阶段,压裂规模以前置液的实际规模为参考。
(2)等效裂缝条数的计算。主要根据测试压裂来确定等效裂缝条数;或者先根据实际净压大小与理想净压大小的对比来判断多裂缝的条数,再根据理想宽度计算出多裂缝中单个裂缝的宽度。
计算实例:以石炭系硬地层为例,假设实际净压大小为10MPa,理想裂缝延伸净压大小为2.2MPa,则等效裂缝条数为9.69条,理想裂缝宽度为3mm,则实际的单裂缝条数为9.69条,理想裂缝宽度为3mm,则实际的单裂缝宽度为0.85mm,而40~70目的段塞颗粒,按照40目颗粒考虑,大小为0.45mm,按照体积浓度10%来计算,则裂缝的宽度最小为0.98mm。因此,这种情况下40~70目颗粒偏大,而使用小一级的颗粒能够满足削减多裂缝的需要。考虑实际裂缝系统的复杂性与裂缝宽度之间的个性差异,一般来说,在净压力小于6MPa时,采用40~70目陶粒能够起到较好的封堵作用。当净压增大时,应概算一下多裂缝的宽度,一般采用小一级的颗粒,包括70~100目或者70~140目的比较好。
当不能有效封堵时(此时使用段塞后,净压并不能大幅度下降),主压裂的加砂规模、最高砂比、颗粒大小都需要控制。
2、满足封堵天然裂缝以降低滤失的需要
封堵天然裂缝以降低滤失是段塞技术的主要功能,这里需要估算天然裂缝的动态开启宽度。
在裂缝两边开启的天然裂缝,尤其是裂缝的行进途中开启的天然裂缝,其对应闭合应力都比较大,至少大于闭合应力。因此,裂缝狭窄,开度小,需要比较小的颗粒才能封堵。也就是说,小颗粒的段塞降滤效果比较好,此时尤其指粉陶或细陶。下面主要讨论40~70目颗粒与70~140目颗粒的选择问题。
当滤失比较大时,说明与陶粒砂水力裂缝有一定夹角的天然裂缝已经开启,此时天然裂缝朝更广阔的地层深处扩展,造成更大的滤失。但滤失的绝对大小与裂缝的宽度没有必然的联系。只要开启的天然裂缝能够沟通大的天然裂缝网络、压裂液,滤失就能够增加,如图2所示。因此,不能够根据滤失的大小直接判断天然裂缝的开启宽度。
笔者认为,天然裂缝的动态开启宽度主要根据地应力剖面来判断,主要需要考虑最大、最小主应力大小差距或者最小主应力与垂直主应力的大小差距。
第一种情况:当水平地应力相差比较小时,或者水平最小主应力与垂向的应力相差不大,则天然裂缝的宽度比较大。此时,采用比较大(40~70目)的封堵颗粒比较好,较大的颗粒能够迅速累积在裂缝的缝口,从而避免天然裂缝的继续延伸,避免浪费更多的40~70目封堵颗粒,也能够迅速达到封堵降滤的效果。这种地应力结构在克拉美丽气田的沉积环境中能够很容易遇见。这与净压力比较大(3~6MPa)时,采用40~70目颗粒来削减阻力多裂缝的工艺方法是一致的。也就是,40~70目颗粒不仅能够封堵天然裂缝来降低滤失,也能够封堵部分阻力多裂缝中的裂缝来降低流动阻力。当然,此时如果采用70~140目的段塞颗粒,需要更多的体积;如果单纯采用40~70目的陶粒砂颗粒,则液体仍然能够透过陶粒封堵层快速滤失,如果采用40~70目与70~140目的混合支撑剂段塞,从理论上说封堵效果更好。
第二种情况:水平应力对比比较大或者水平最小主应力与垂向的应力对比比较大。此时,如果天然裂缝存在且能够开启,且造成一定的滤失,则天然裂缝的宽度比较狭窄(相对于第一种情况),此时,采用比较小的颗粒才能封堵。比如采用70~140目的颗粒封堵效果比较好,而采用较大的40~70目颗粒则可能因为进不到天然裂缝内而导致效果不好。
当然,当滤失比较大时,可能伴随净压力比较大(3~6MPa)的情况,主要是由于近井裂缝起裂的复杂性,多裂缝可能存在于近井地带。此时,用40~70目来削减阻力多裂缝比较有效,而封堵天然裂缝用70~140目有效,这是一个矛盾。此时可着眼于降滤,使用较小陶粒砂颗粒的70~140目段塞,它对于削减阻力多裂缝仍有一定的效果,能封堵较窄的阻力缝。
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