通道壓裂支撐劑運(yùn)移規(guī)律試驗(yàn)

趙振峰, 張彥軍, 王建麾, 曲占慶, 郭天魁, 呂明錕

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院,陜西西安 710021; 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島 266580)

通道壓裂是近幾年出現(xiàn)的能夠大幅度提高裂縫導(dǎo)流能力的壓裂方法[1-6],通過在裂縫橫向和縱向上形成非均勻鋪置的纖維與支撐劑團(tuán)塊,使得裂縫閉合在團(tuán)塊上,團(tuán)塊之間形成無(wú)限導(dǎo)流能力的通道[7]。目前相關(guān)研究主要集中在通道壓裂導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)方面[8-10],用于支撐劑運(yùn)移試驗(yàn)的模擬裝置大部分是兩側(cè)光滑的平行玻璃板[11-12],忽略實(shí)際地層的粗糙壁面,這對(duì)研究通道壓裂的支撐劑鋪置規(guī)律存在局限性。通過自主研制的帶有粗糙壁面和濾失孔的大型可視化支撐劑運(yùn)移模擬裝置進(jìn)行試驗(yàn),產(chǎn)生與傳統(tǒng)光滑平行板模型完全不同的支撐劑與纖維團(tuán)塊鋪置形態(tài),通過改變各項(xiàng)參數(shù)研究直縫和直縫與分支縫組合下的通道壓裂支撐劑鋪置形態(tài),優(yōu)選施工參數(shù),指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的通道壓裂施工設(shè)計(jì)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

大型可視化支撐劑運(yùn)移模擬裝置通過在平行板一側(cè)粘貼不同粒徑和數(shù)量的石英砂并開一定數(shù)量的濾失孔,分別模擬裂縫的粗糙壁面和濾失(圖1),在裂縫形態(tài)和參數(shù)上更加真實(shí)地模擬地層裂縫;在一條長(zhǎng)5 m的主縫(縫寬5 mm)兩側(cè)分別設(shè)置了30°、45°、150°、135°、90°、水平、斜水平7種分支縫(縫寬3 mm),每條分支縫長(zhǎng)1 m,在模型尺度上也更加接近真實(shí)地層;通過控制分支縫出口的閥門確定分支縫中是否進(jìn)液參加試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行不同的裂縫組合,基本能滿足目前對(duì)復(fù)雜裂縫的研究。通過在入口處設(shè)置可轉(zhuǎn)動(dòng)的具有不同射孔數(shù)目的套筒模擬地層射孔。

設(shè)備由控制模塊、混合攪拌模塊、動(dòng)力模塊、裂縫模塊和回收處理模塊組成?？刂颇K可以控制攪拌、泵注排量、實(shí)時(shí)記錄入口和各裂縫模塊出口的排量數(shù)據(jù);動(dòng)力模塊由大功率電機(jī)和螺桿泵組成,能夠提供5.4～18.9 m3/h的排量;可調(diào)節(jié)的大段射孔和3～7個(gè)射孔的不同射孔模式;可通過更換不同寬度的密封條改變裂縫的寬度。

裝置的主要優(yōu)勢(shì)在于單側(cè)模擬地層的粗糙度和濾失。目前相關(guān)研究獲得的試驗(yàn)結(jié)果大多是大團(tuán)的纖維和支撐劑混合,在團(tuán)塊內(nèi)部存在小面積通道,并且在裂縫上部明顯出現(xiàn)未充填區(qū)域。大型可視化支撐劑運(yùn)移模擬裝置通過引入地層的粗糙度和濾失,在試驗(yàn)過程中由于濾失孔的存在和粗糙的裂縫壁面,纖維會(huì)滯留在濾失孔和壁面凸起的部位,之后在滯留部位會(huì)逐漸形成支撐劑和纖維均勻混合的團(tuán)塊,這些團(tuán)塊隨機(jī)分布在整個(gè)裂縫中(圖2),當(dāng)裂縫閉合在這些支撐劑團(tuán)上時(shí),團(tuán)塊之間的無(wú)支撐區(qū)域會(huì)部分保持張開,形成高速液流通道。

圖1 大型可視化支撐劑運(yùn)移裝置Fig.1 Large visualized proppant transport simulation device

1.2 試驗(yàn)原理

由于試驗(yàn)設(shè)備的尺度與實(shí)際地層裂縫的尺度存在較大差異,所以采用相似原理使模擬流動(dòng)與實(shí)際流動(dòng)保持相似關(guān)系,保證試驗(yàn)的實(shí)用性和科學(xué)性。

由于本設(shè)備模擬的是已經(jīng)張開裂縫中的支撐劑運(yùn)移鋪置情況,所以忽略壓力及其他對(duì)支撐劑運(yùn)移影響較小的力,只考慮重力及黏性力的作用,相似關(guān)系滿足雷諾數(shù)相等和弗勞德數(shù)相等,表達(dá)式分別為

(1)

(2)

式中,ωn和ωm分別為真實(shí)裂縫和模擬裂縫的寬度,m;ρn和ρm分別為實(shí)際壓裂液和試驗(yàn)用壓裂液密度,kg/m3;μn和μm分別為施工用和試驗(yàn)用壓裂液黏度,mPa·s;g為自由落體加速度,m/s2;ln和lm分別為實(shí)際和試驗(yàn)用支撐劑粒徑,m。

由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目p寬與實(shí)際裂縫縫寬相等,所用的壓裂液密度、黏度、支撐劑粒徑也與現(xiàn)場(chǎng)相同,所以只須保證模型中液體的流速和實(shí)際裂縫中的流速相同即可,由此可得:

(3)

式中,Qn為實(shí)際施工排量,m3/min;Qm為試驗(yàn)排量,m3/h;H為實(shí)際裂縫縫高,m;h為試驗(yàn)裝置縫高,m。

1.3 試驗(yàn)方法與材料

采用大型可視化支撐劑運(yùn)移模擬裝置,試驗(yàn)之前在攪拌釜中進(jìn)行纖維和一定黏度的壓裂液的配置,之后開泵進(jìn)行泵注并且每隔25 s向攪拌釜中加10 kg的支撐劑,對(duì)裂縫模塊中支撐劑的鋪置過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的圖片采集,直到壓裂液泵注完畢。此后對(duì)采集的照片進(jìn)行后處理,利用MATLAB進(jìn)行通道率的計(jì)算并分析結(jié)果。

試驗(yàn)材料包括粒徑為0.64、0.45、0.32 mm的陶粒支撐劑,6 mm聚酯纖維,羥丙基胍膠。

2 通道壓裂支撐劑運(yùn)移鋪置規(guī)律

通道壓裂中支撐劑是與纖維結(jié)合形成團(tuán)塊在裂縫水平和垂直方向上不均勻鋪置,所形成的的通道呈網(wǎng)狀分布,具有很大的隨機(jī)性,難以進(jìn)行精確描述。采用通道率[13]這一評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)合通道形態(tài)、數(shù)量、大小以及連通性等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。

2.1 通道壓裂直縫支撐劑鋪置規(guī)律

油田現(xiàn)場(chǎng)通道壓裂大多在直縫中進(jìn)行,了解直縫中通道壓裂支撐劑的鋪置規(guī)律,對(duì)于通道壓裂施工參數(shù)的優(yōu)化具有重要意義。在直縫通道壓裂的試驗(yàn)中,進(jìn)行不同壓裂液黏度、纖維比例(纖維質(zhì)量與壓裂液體積的比值)、施工排量、支撐劑質(zhì)量濃度、支撐劑粒徑5部分試驗(yàn)。

圖2為不同壓裂液黏度下的4組試驗(yàn)結(jié)果及通道率數(shù)值,液流由左向右。圖2由3塊長(zhǎng)1 m高0.6 m的裂縫模塊拼接而成,可以看到纖維與支撐劑結(jié)合形成的團(tuán)塊和團(tuán)塊之間未被占據(jù)的通道,不同條件下形成的團(tuán)塊的數(shù)量、通道的寬度形態(tài)和連通情況不同。

圖2 不同壓裂液黏度下直縫通道壓裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Experimental results of straight channel fracturing under different fracturing fluid viscosity

從通道率的數(shù)值來(lái)看,隨著壓裂液黏度的升高通道率數(shù)值有先減小后增大的趨勢(shì),黏度從5 mPa·s升高到20 mPa·s的過程中支撐劑與纖維團(tuán)塊逐漸增多,并且團(tuán)塊在縫高跟縫長(zhǎng)方向的分布逐漸均勻;團(tuán)塊與團(tuán)塊之間的通道連通性變好。在黏度繼續(xù)升高到50 mPa·s時(shí),裂縫中僅存在少量團(tuán)塊,整個(gè)裂縫幾乎全部為液流通道,裂縫得不到有效支撐。黏度為20 mPa·s時(shí)裂縫的通道率為70.41%,除近井存在大量未被支撐劑團(tuán)塊占據(jù)的區(qū)域外,裂縫其他區(qū)域均出現(xiàn)分布均勻的支撐劑團(tuán)塊,團(tuán)塊與低黏(5 mPa·s)相比,白色團(tuán)塊減少,團(tuán)塊中的支撐劑含量上升;中等黏度(10 mPa·s)時(shí)團(tuán)塊在距井筒1.6 m之后才逐漸分布均勻,而黏度升高到20 mPa·s時(shí)在距井筒1.3 m之后團(tuán)塊就逐漸分布均勻。

壓裂液黏度對(duì)通道壓裂支撐劑團(tuán)塊的分布影響比較大,過低的黏度會(huì)使支撐劑過早沉降與纖維不能均勻混合導(dǎo)致團(tuán)塊中纖維含量過高,不利于支撐裂縫;過高的黏度則不利于纖維和支撐劑在裂縫中的滯留,形成的團(tuán)塊較少;適當(dāng)?shù)酿ざ?20 mPa·s)利于支撐劑團(tuán)塊在近井地帶的填充。

如圖3所示,進(jìn)行不同纖維比例下的3組對(duì)比試驗(yàn)。隨著纖維比例的增加通道率數(shù)值減小,裂縫中團(tuán)塊數(shù)量增多;纖維比例為1 kg/m3時(shí),裂縫在1.6 m之后才形成明顯包裹纖維的支撐劑團(tuán)塊,并且即使在裂縫末端,所形成的的團(tuán)塊數(shù)量也有限,存在大片無(wú)支撐劑區(qū)域,這種大面積的通道會(huì)在地層壓力作用下閉合,壓裂的效果有限;纖維比例為3 kg/m3時(shí),裂縫的通道率下降,在近井地帶就產(chǎn)生大量團(tuán)塊,但團(tuán)塊大部分為白色的純纖維堆積而成,這種團(tuán)塊既不能有效支撐地層,也會(huì)對(duì)壓開的裂縫造成傷害;在1.6 m之后的裂縫中才出現(xiàn)明顯含支撐劑的團(tuán)塊,但團(tuán)塊中白色區(qū)域仍然比低纖維比例時(shí)要多;纖維比例為2 kg/m3時(shí),裂縫中在約1.3 m處形成較均勻的支撐劑團(tuán)塊,雖然團(tuán)塊中纖維比例較1 kg/m3時(shí)高,但是形成的纖維團(tuán)塊要多。

圖3 不同纖維比例下直縫通道壓裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experimental results of straight channel fracturing under different fiber concentrations

綜合上述試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)裂縫中團(tuán)塊的數(shù)量和團(tuán)塊中纖維的含量與纖維與支撐劑的比例有很大關(guān)系,在纖維與支撐劑的比值為2%時(shí),所形成的支撐劑團(tuán)塊的數(shù)量和團(tuán)塊中纖維含量達(dá)到一個(gè)較合適的值。

圖4為不同施工排量下的試驗(yàn)結(jié)果。通道率隨排量增大而增大,排量從4 m3/h增大到6 m3/h,通道率增幅為20%。從支撐劑團(tuán)塊分布和通道形態(tài)來(lái)看,4 m3/h時(shí)團(tuán)塊數(shù)量最多并且在裂縫長(zhǎng)度和高度方向的分布較大排量時(shí)均勻,團(tuán)塊中支撐劑含量明顯高于大排量時(shí);隨著排量增加,裂縫中團(tuán)塊數(shù)量減少,團(tuán)塊之間通道寬度增大,通道之間連通性變好,但近井地帶團(tuán)塊分布較少;排量進(jìn)一步增加,支撐劑團(tuán)塊往裂縫上部或下部聚集,中部形成很寬的流道,造成大片的無(wú)支撐區(qū)域。綜合分析,排量對(duì)于通道壓裂中團(tuán)塊分布的影響較大,小排量有利于支撐劑與纖維的結(jié)合,并在近井地帶形成分布均勻支撐劑含量高的團(tuán)塊;適當(dāng)?shù)脑黾优帕坑欣趫F(tuán)塊之間形成連通性較好的通道。

圖5為不同支撐劑質(zhì)量濃度下的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。圖5表明,隨著支撐劑質(zhì)量濃度的增大,通道率逐漸減少。團(tuán)塊中支撐劑的比例變化不大,這說(shuō)明纖維與支撐劑的比例(質(zhì)量比)在小于4%時(shí),也就是單純?cè)黾又蝿┑挠昧?對(duì)團(tuán)塊中支撐劑的比例影響不大;但在支撐劑質(zhì)量濃度為300 kg/m3時(shí)裂縫中明顯出現(xiàn)下部以支撐劑為主、上部纖維含量較高的團(tuán)塊,裂縫中部出現(xiàn)較寬的未支撐區(qū)域,這是由于在壓裂過程中支撐劑質(zhì)量濃度過高導(dǎo)致在裂縫底部形成一定高度的砂堤,導(dǎo)致液流向上轉(zhuǎn)向在裂縫中部沖出較大流動(dòng)通道,團(tuán)塊則向上聚集,隨著試驗(yàn)后續(xù)支撐劑的減少,砂堤被沖走,流動(dòng)通道進(jìn)一步變寬。

圖4 不同排量下直縫通道壓裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental results of straight channel fracturing under different displacement

圖5 不同支撐劑質(zhì)量濃度下直縫通道壓裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results of straight channel fracturing under different proppant mass concentrations

3種支撐劑質(zhì)量濃度情況下都在距井筒1 m處形成較大的分布較均勻的團(tuán)塊,這說(shuō)明支撐劑質(zhì)量濃度對(duì)支撐劑團(tuán)塊在裂縫長(zhǎng)度方向上的分布影響不大,但對(duì)于支撐劑團(tuán)塊在裂縫高度方向上的分布有較大影響。

圖6為不同粒徑支撐劑的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。其通道率的數(shù)值變化不大,但在支撐劑粒徑由0.32 mm增加到0.64 mm的過程中,裂縫通道率上升,在大粒徑的試驗(yàn)中,裂縫中形成的團(tuán)塊支撐劑的含量很少,大部分為純纖維團(tuán)塊。這是因?yàn)槟壳笆褂玫? mm長(zhǎng)度的纖維在裂縫中不能與大粒徑支撐劑配伍形成纖維與支撐劑均勻混合的團(tuán)塊,支撐劑主要在裂縫底部形成砂堤,由于上部純纖維團(tuán)塊的形成導(dǎo)致砂堤不能穩(wěn)定存在,形成如圖6(b)和(c)所示裂縫底部存在高度不均勻的砂堤,裂縫中上部形成絕大部分為纖維的團(tuán)塊。這種鋪置形態(tài)在裂縫閉合時(shí)不能有效支撐裂縫,僅裂縫底部砂堤可以保證裂縫開啟,壓裂效果較差。

所以通道壓裂時(shí)纖維長(zhǎng)度與支撐劑粒徑之間的組合配伍對(duì)于通道壓裂效果有影響。

圖6 不同支撐劑粒徑下直縫通道壓裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of straight channel fracturing under different proppant sizes

2.2 通道壓裂直縫與分支縫組合條件下支撐劑鋪置規(guī)律

針對(duì)具有分支縫的裂縫中通道壓裂時(shí)支撐劑的運(yùn)移鋪置情況,開展具有不同角度分支縫情況下的通道壓裂試驗(yàn),分析施工排量、支撐劑粒徑、黏度、纖維比例和分支縫角度對(duì)通道壓裂支撐劑運(yùn)移的影響。

施工排量、支撐劑粒徑、黏度和纖維比例等因素對(duì)分支縫存在的直縫的影響規(guī)律與直縫單獨(dú)存在時(shí)相似,主要分析分支縫的加入所產(chǎn)生的與主縫單獨(dú)存在時(shí)不同的現(xiàn)象。

圖7為不同黏度下直縫與30°分支縫組合(主縫在距入口1 m處)時(shí)裂縫中支撐劑鋪置形態(tài)。

分支縫存在下的主縫中支撐劑的鋪置與主縫單獨(dú)存在時(shí)的差別主要體現(xiàn)在由于分支縫的分流作用,使分支縫之后的主縫流量降低,導(dǎo)致后續(xù)團(tuán)塊數(shù)量增多,體積變大。在20 mPa·s下單直縫與存在分支縫的組合裂縫主縫通道率對(duì)比中,在距入口0～1 m處其通道率分別是80.23%和72.77%,而在1～2 m處通道率則分別為62.15%和40.47%,2～3 m處通道率分別為63.03%和52.55%,分支縫存在時(shí)主縫的通道率明顯低于單主縫存在時(shí)的通道率。由于分支縫處于主縫1 m處的位置,所以這種差距在距入口1 m之后尤為明顯。

分支縫中支撐劑團(tuán)塊數(shù)量明顯多于主縫,黏度為10、20和30 mPa·s時(shí)主縫的平均通道率分別為55.26%、67.82%和75.98%,分支縫的通道率分別為40.33%、40.54%和50.65%。可以看出,在不同壓裂液黏度下分支縫的通道率明顯低于主縫,一般在27%～40%,從團(tuán)塊的顏色看,團(tuán)塊中支撐劑的含量也明顯高于主縫。這主要是因?yàn)榉种Эp的縫寬小,纖維在其中滯留較容易,另外由于液流進(jìn)入分支縫需要轉(zhuǎn)向,液流與分支縫壁面沖擊之后使纖維滯留機(jī)會(huì)和支撐劑與纖維結(jié)合的機(jī)會(huì)增多。

圖8為不同角度下分支縫與主裂縫組合通道壓裂的試驗(yàn)結(jié)果。其中30°、150°分支縫位于主縫距入口1 m處,45°、135°分支縫位于距主縫入口2 m處。

圖9為分支縫通道率隨角度的變化曲線。從圖9可以看出,分支縫角度從大于30°之后,通道率就一直保持一個(gè)較高的水平,從圖8也可以看出,分支縫角度為45°和135°時(shí)支撐劑團(tuán)塊在分支縫中呈零星狀分布,沒有像主縫中出現(xiàn)大團(tuán)的纖維團(tuán)塊。

圖7 不同黏度下直縫與30°分支縫組合通道壓裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results of combined channel of straight fracture and 30° branch fracture under different viscosity

圖8 不同角度分支縫與主裂縫組合下通道壓裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results of channel fracturing under combination of main fracture and branch fracture at different angles

圖9 分支縫通道率隨角度的變化關(guān)系Fig.9 Relationship between branch channel rate and angle

結(jié)合分支縫在試驗(yàn)中的流量數(shù)據(jù)看,試驗(yàn)中45°和135°分支縫中排量較小,存在分支縫入口堵塞的現(xiàn)象,這一點(diǎn)在試驗(yàn)后清理設(shè)備時(shí)也得到證明。在分支縫角度為150°時(shí),雖然分支縫團(tuán)塊形態(tài)與主縫相似,但是從通道率數(shù)值和團(tuán)塊中支撐劑含量偏少等現(xiàn)象可以看出,分支縫入口也發(fā)生了部分纖維堵塞,由于距主縫入口較近,所以堵塞程度低。

3 結(jié) 論

(1)壓裂液黏度能顯著影響支撐劑團(tuán)塊在裂縫長(zhǎng)度方向上的分布,過高的壓裂液黏度和過低的壓裂液黏度都不利于通道壓裂的效果。

(2)纖維比例直接影響裂縫中團(tuán)塊數(shù)量,但形成的團(tuán)塊中支撐劑的比例則與纖維與支撐劑的比例有關(guān),試驗(yàn)優(yōu)選纖維與支撐劑的質(zhì)量比為2%。

(3)小排量有利于支撐劑與纖維的結(jié)合,并在近井地帶就形成分布均勻支撐劑含量高的團(tuán)塊;適當(dāng)?shù)脑黾优帕坑欣趫F(tuán)塊之間形成連通性較好的通道。

(4)支撐劑質(zhì)量濃度對(duì)支撐劑團(tuán)塊在裂縫長(zhǎng)度方向上的分布影響不大,但對(duì)于支撐劑團(tuán)塊在裂縫高度方向上的分布有較大影響。

(5)分支縫存在時(shí)由于分支縫的分流,會(huì)使分支縫之后的主縫中流量變小,產(chǎn)生類似于排量減小的效果;過大的分支縫角度容易在分支縫入口處產(chǎn)生纖維的堵塞,距井筒越遠(yuǎn)的分支縫越容易產(chǎn)生這種現(xiàn)象。

(6)在各種參數(shù)下支撐劑團(tuán)塊在近井地帶分布都較少,所以通道壓裂施工時(shí)應(yīng)該采取尾部追砂來(lái)解決近井地帶無(wú)支撐的問題。