壓裂多級(jí)裂縫內(nèi)動(dòng)態(tài)輸砂物理模擬實(shí)驗(yàn)研究

吳峙穎， 路保平， 胡亞斐， 蔣廷學(xué)

（1. 中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2. 中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

隨著致密油氣藏、非常規(guī)油氣藏的深入開發(fā)，水力壓裂技術(shù)已成為開發(fā)該類油氣藏的核心技術(shù)之一。水力壓裂的目的是在儲(chǔ)層中形成具有高導(dǎo)流能力的人工裂縫，針對(duì)致密油氣藏、非常規(guī)油氣藏要盡可能形成復(fù)雜程度高的多級(jí)裂縫系統(tǒng)，而支撐劑是形成高導(dǎo)流裂縫的核心載體，壓裂過(guò)程中支撐劑的運(yùn)移及鋪置規(guī)律是影響壓裂改造效果的重要因素之一[1–5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)壓裂過(guò)程中支撐劑的運(yùn)移及鋪置規(guī)律進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究[6–9]。實(shí)驗(yàn)裝置從小型裂縫模擬裝置發(fā)展為平行板模擬裝置，目前主要采用可視化平行板物理模擬裝置，裝置規(guī)模相對(duì)較小，裂縫長(zhǎng)度一般為2～4 m，裂縫級(jí)數(shù)相對(duì)較少，多以單一直縫為主，對(duì)于帶分支縫的多級(jí)裂縫的模擬研究相對(duì)較少[10–14]，導(dǎo)致目前針對(duì)多級(jí)裂縫系統(tǒng)中的支撐劑運(yùn)移和沉降規(guī)律認(rèn)識(shí)不清，壓裂方案針對(duì)性不強(qiáng)。

針對(duì)以上問(wèn)題，筆者采用自主研制的多尺度裂縫系統(tǒng)有效輸砂模擬實(shí)驗(yàn)裝置，開展了壓裂液黏度、支撐劑類型、注入排量、砂比等因素對(duì)多級(jí)裂縫系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)輸砂規(guī)律和砂堤分布形態(tài)影響的模擬實(shí)驗(yàn)，給出了不同實(shí)驗(yàn)條件下各級(jí)裂縫中的砂堤剖面高度，為壓裂液、支撐劑優(yōu)選及壓裂施工參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 大型物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置

為了研究多級(jí)裂縫內(nèi)支撐劑的運(yùn)移及鋪置規(guī)律，基于裂縫中流體流動(dòng)相似原理，中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院自主研制了多尺度裂縫系統(tǒng)有效輸砂大型物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，可以模擬壓裂過(guò)程中不同排量下的流體流動(dòng)。利用該裝置可進(jìn)行壓裂過(guò)程中壓裂液黏度、支撐劑粒徑、注入流量和砂比等對(duì)各級(jí)裂縫中支撐劑運(yùn)移及鋪置影響的實(shí)驗(yàn)研究。

該實(shí)驗(yàn)裝置主要由主控系統(tǒng)、配液混砂系統(tǒng)、裂縫模擬系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)等組成。主控系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、控制面板、安全報(bào)警系統(tǒng)等組成，用來(lái)控制裝置各部分的安全運(yùn)行。配液混砂系統(tǒng)主要由配液罐、混砂罐、加溫裝置、攪拌系統(tǒng)、螺桿泵和流量計(jì)等組成，實(shí)現(xiàn)壓裂液的快速配制、加溫保溫、混砂及攜砂液的均勻注入。裂縫模擬系統(tǒng)主要由裂縫主體系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和流量計(jì)等組成，用來(lái)模擬儲(chǔ)層裂縫系統(tǒng)。循環(huán)系統(tǒng)主要由循環(huán)泵、相應(yīng)管閥件等組成，用來(lái)泵入攜砂液并進(jìn)行循環(huán)。數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)主要由流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、高速高清攝像機(jī)、模型控制軟件和數(shù)據(jù)處理軟件等組成，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以采集數(shù)據(jù)和視頻，并進(jìn)行處理。

大型物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置的工作溫度為0～90 ℃，工作壓力為0～0.2 MPa，模擬排量為0～15 m3/min。根據(jù)壓裂施工過(guò)程中的射孔密度、孔徑和排量等參數(shù)，按照流體線速度相似原理，設(shè)計(jì)了4套射孔模擬套件，具體參數(shù)見表1。

表 1 各射孔模擬套件孔眼參數(shù)Table 1 Tunnel parameters of perforation simulation kits

2 多級(jí)裂縫動(dòng)態(tài)輸砂實(shí)驗(yàn)

考慮人工壓裂裂縫縫長(zhǎng)與縫高的比及實(shí)際縫寬，以及壓裂施工時(shí)壓裂液的黏度、支撐劑的粒徑、排量和砂比等施工參數(shù)，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案。

2.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1.1 裂縫參數(shù)設(shè)置

各級(jí)裂縫參數(shù)參考?jí)毫讶斯ち芽p縫長(zhǎng)與縫寬比設(shè)定，模擬的裂縫系統(tǒng)如圖1所示。其中，主裂縫長(zhǎng)度4.80 m，縫高0.50 m，縫寬10.0 mm；一級(jí)分支縫縫長(zhǎng)1.00 m，縫高0.50 m，縫寬5.0 mm；二級(jí)分支縫縫長(zhǎng)0.50 m，縫高0.50 m，縫寬2.0 mm；各級(jí)裂縫與上一級(jí)裂縫的夾角為60°。

圖 1 模擬裂縫示意Fig.1 Schematic diagram of fracture simulation

2.1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)參考常規(guī)壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工情況，考慮壓裂施工時(shí)的壓裂液、支撐劑、排量和砂比等，選用低黏、中黏和高黏3種黏度的清潔壓裂液體系，支撐劑選用30/50目、40/70目和70/140目等3種粒徑的陶粒，根據(jù)不同壓裂液黏度設(shè)定砂比，制定實(shí)驗(yàn)方案，研究不同參數(shù)下攜砂液在多級(jí)裂縫中的輸砂情況（見表2）。

表 2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Table 2 Experimental scheme design

參考?jí)毫熏F(xiàn)場(chǎng)施工排量，根據(jù)裂縫中流體流動(dòng)相似原理設(shè)定實(shí)驗(yàn)排量。本文模擬壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工排量為4.0和6.0 m3/min，計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)設(shè)定加砂泵頻率分別為13.84和19.86 Hz。參考常規(guī)壓裂射孔參數(shù)，射孔模擬套件選用表1中的2號(hào)套件。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

主要實(shí)驗(yàn)步驟為：1）在配液罐中配制壓裂液；2）將壓裂液注入到多級(jí)裂縫系統(tǒng)中，使其充滿裂縫系統(tǒng)并循環(huán)；3）將配液罐中的壓裂液注入到混砂罐中，按砂比加入支撐劑并攪拌均勻，配制好攜砂液；4）啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及視頻拍攝系統(tǒng)；5）開啟注入泵，按實(shí)驗(yàn)要求排量將攜砂液注入裂縫系統(tǒng)中；6）注入結(jié)束后，停泵，待裂縫系統(tǒng)中支撐劑完全沉降后，打開裂縫系統(tǒng)出口端閥門進(jìn)行排空；7）采集并處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；8）清洗實(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

3 動(dòng)態(tài)輸砂規(guī)律分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了壓裂液黏度、支撐劑粒徑、注入排量和砂液比等因素對(duì)各級(jí)裂縫中支撐劑沉降規(guī)律和砂堤剖面高度的影響，并測(cè)量了各級(jí)裂縫中砂堤剖面的高度。

3.1 壓裂液黏度對(duì)輸砂規(guī)律的影響

在40/70目支撐劑、排量6.0 m3/min、砂比10%的條件下，采用低黏壓裂液和中黏壓裂液攜砂時(shí)，各級(jí)裂縫中的砂堤剖面高度如圖2所示。

圖 2 不同壓裂液黏度條件下各級(jí)裂縫中的砂堤剖面高度Fig.2 Profile height of proppant in different scaled fractures under different viscosity of fracturing fluid

從圖2可以看出，在低黏、中黏壓裂液條件下，主裂縫中砂堤的最高高度分別為18.0和11.0 cm，最低高度分別為6.0和4.0 cm，平均高度分別為13.5和6.4 cm；一級(jí)分支縫中砂堤的最高高度分別為15.0和11.0 cm，最低高度分別為10.0和6.0 cm，平均高度分別為12.3和7.9 cm；二級(jí)分支縫中砂堤的最高高度分別為14.0和10.0 cm，最低高度分別為4.0和4.0 cm，平均高度分別為9.1和6.5 cm。

以上研究表明，壓裂液黏度越高，其攜砂能力越強(qiáng)，支撐劑更多地被輸送至裂縫深處，砂堤剖面高度越小，且這種趨勢(shì)在主裂縫中更加明顯。

3.2 支撐劑粒徑對(duì)砂堤剖面的影響

在低黏壓裂液、模擬排量4.0 m3/min、砂比10%的條件下，40/70目和70/140目支撐劑在各級(jí)裂縫中的砂堤剖面高度如圖3所示。

從圖3可以看出，采用40/70目、70/140目支撐劑時(shí)，主裂縫中砂堤的最高高度分別為17.0和12.0 cm，最低高度分別為5.0和5.0 cm，平均高度分別為14.4和8.4 cm；一級(jí)分支縫中砂堤的最高高度分別為15.0和12.0 cm，最低高度分別為14.0和8.0 cm，平均高度分別為14.8和10.7 cm；二級(jí)分支縫中砂堤的最高高度分別為14.0和12.0 cm，最低高度分別為6.0和7.0 cm，平均高度分別為8.5和9.8 cm。

圖 3 不同粒徑支撐劑在各級(jí)裂縫中的砂堤剖面高度Fig.3 Profile height of proppant with different particle sizes in different scaled fractures

以上研究表明，支撐劑粒徑越小，壓裂液對(duì)其攜帶能力越強(qiáng)，支撐劑更多地被輸送至裂縫深處，砂堤剖面高度越小，且這種趨勢(shì)在主裂縫中更加明顯。

3.3 排量對(duì)砂堤剖面的影響

在中黏壓裂液、40/70目支撐劑、砂比15%的條件下，排量為4.0和6.0 m3/min時(shí)，各級(jí)裂縫中砂堤剖面高度如圖4所示。

圖 4 不同排量條件下各級(jí)裂縫中的砂堤剖面高度Fig.4 Profile height of proppant in different scaled fractures under different flow rates

從圖4可以看出，排量為4.0和6.0 m3/min時(shí)，主裂縫中砂堤的最高高度分別為17.0和16.0 cm，最低高度分別為6.0和4.0 cm，平均高度分別為12.0和10.7 cm；一級(jí)分支縫中砂堤的最高高度分別為17.0和15.0 cm，最低高度分別為10.0和10.0 cm，平均高度分別為13.2和13.0 cm；二級(jí)分支縫中砂堤的最高高度分別為14.0和14.0 cm，最低高度分別為6.0和4.0 cm，平均高度分別為10.2和6.6 cm。

以上研究表明，排量越大，壓裂液的攜砂能力越強(qiáng)，支撐劑越容易被輸送至裂縫深處，砂堤剖面高度越小，對(duì)中大粒徑支撐劑的影響更加明顯。

3.4 砂比對(duì)砂堤剖面的影響

在中黏壓裂液、70/140目支撐劑、排量6.0 m3/min的條件下，砂比為5%和20%時(shí)，各級(jí)裂縫中砂堤剖面高度如圖5所示。

圖 5 不同砂比條件下各級(jí)裂縫中的砂堤剖面高度Fig.5 Profile height of proppant in different scaled fractures under different proppant concentrations

從圖5可以看出，砂比為5%和20%時(shí)，主裂縫中砂堤的最高高度分別為4.0和12.0 cm，最低高度分別為1.0和3.0 cm，平均高度分別為2.3和8.9 cm；一級(jí)分支縫中砂堤的最高高度分別為3.0和13.0 cm，最低高度分別為1.0和11.0 cm，平均高度分別為1.6和12.3 cm；二級(jí)分支縫中砂堤的最高高度分別為1.0和12.0 cm，最低高度分別為0.5和5.0 cm，平均高度分別為0.7和9.0 cm。

以上研究表明，砂比越高，砂堤剖面高度越大，且分支縫中砂堤高度的增大幅度大于主裂縫。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）利用研制的多尺度裂縫系統(tǒng)有效輸砂大型物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，開展了多級(jí)裂縫動(dòng)態(tài)輸砂物理模擬實(shí)驗(yàn)，分析了不同條件下多級(jí)裂縫系統(tǒng)中支撐劑的輸送及沉降規(guī)律，定量評(píng)價(jià)了各因素對(duì)輸砂規(guī)律的影響，為壓裂液及支撐劑優(yōu)選、施工參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)。

2）壓裂時(shí)采用低黏度壓裂液攜帶小粒徑支撐劑支撐微小分支縫，中黏度壓裂液攜帶中粒徑支撐劑支撐次級(jí)裂縫或主裂縫中部位置，高黏度壓裂液攜帶大粒徑支撐劑支撐主裂縫或縫口，有利于壓裂液與支撐劑相互匹配，裂縫中支撐劑均勻合理分布，提高裂縫有效支撐率。

3）采用等密度單一粒徑支撐劑，在不同砂比下進(jìn)行了不同黏度清潔壓裂液的動(dòng)態(tài)輸砂規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究，未考慮壓裂液類型、密度和混合粒徑支撐劑等情況，且模擬壓裂施工排量較低，存在一定局限性。

4）可參照文中思路及方法，進(jìn)一步探索不同壓裂液體系、不同密度壓裂液、混合粒徑支撐劑和高排量等條件下多級(jí)裂縫系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)輸砂規(guī)律，為體積壓裂方案設(shè)計(jì)和施工參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。