變黏滑溜水裂縫內(nèi)攜砂運(yùn)移特征研究

任偉，張寶巖，王賢君，張浩，吳浩兵

變黏滑溜水裂縫內(nèi)攜砂運(yùn)移特征研究

任偉1,2，張寶巖1,2，王賢君1,2，張浩1,2，吳浩兵1,2

（1. 中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163000； 2. 黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163000）

滑溜水在裂縫中的攜砂運(yùn)移規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)滑溜水壓裂實(shí)踐有重要意義。采用可視化平行板裂縫模擬裝置，測(cè)試了不同注入?yún)?shù)組合的輸砂剖面。結(jié)果表明，造縫滑溜水+70～140目支撐劑+8%砂比時(shí)，滑溜水?dāng)y砂能力好，裂縫入口端未出現(xiàn)砂堤，支撐劑對(duì)裂縫的充填不充分；在低黏滑溜水+40～70目支撐劑+15%砂比和高黏滑溜水+20～40目支撐劑+20%砂比條件下，裂縫填砂量較大，深部裂縫砂堤較高，但裂縫入口處充填差；隨著施工排量的增加，幾種組合模式均表現(xiàn)出砂堤前緣距入口距離增大，前緣高度減小，平衡高度變化不大的情況。注入組合是影響砂堤形態(tài)的重要因素，不同注入?yún)?shù)組合模式對(duì)應(yīng)的砂堤形態(tài)和表征參數(shù)相差較大，現(xiàn)場(chǎng)需對(duì)組合模式進(jìn)行優(yōu)化，提高入口處裂縫的導(dǎo)流能力。

滑溜水； 運(yùn)移規(guī)律； 前緣位置； 平衡高度； 砂堤形態(tài)

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

大型可視化平行板裂縫模擬裝置如圖1所示，其規(guī)格為3.000 m×0.500 m×0.004 m（通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)資料反饋，一般認(rèn)為水力壓裂形成的裂縫寬度為0.004 m，為模擬裂縫真實(shí)情況，設(shè)定裂縫寬度為0.004 m），江蘇迪航新能源科技有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，由6塊裂縫單元組裝而成；DV?Ⅲ ULTRA旋轉(zhuǎn)黏度儀，BROOKFIELD 公司生產(chǎn)；304不銹鋼離心泵2臺(tái)，排量分別為18、8 m3/h，上海人民機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)；SKISIA攪拌電機(jī)3臺(tái)，轉(zhuǎn)速為0～1 680 r/min，廈門伊詩(shī)圖電氣有限公司生產(chǎn)；混砂罐3具，規(guī)格為直徑0.8 m、高1.5 m，帶錐形下開(kāi)口，江蘇中寧塑業(yè)有限公司生產(chǎn)；壓力表、流量傳感器、5個(gè)調(diào)頻器，由江蘇沭陽(yáng)縣東方電子元件廠生產(chǎn)。

圖1　大型可視化平行板裂縫模擬裝置主體結(jié)構(gòu)

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

1.3 室內(nèi)排量與現(xiàn)場(chǎng)排量的轉(zhuǎn)換方法

室內(nèi)排量與現(xiàn)場(chǎng)排量的計(jì)算存在差異。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果能更直觀地反映實(shí)際情況，達(dá)到指導(dǎo)滑溜水壓裂施工設(shè)計(jì)的目的，需要將室內(nèi)測(cè)試排量轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場(chǎng)排量。

若壓裂液在室內(nèi)平行板裂縫中流速與地層裂縫實(shí)際流速相同，則實(shí)驗(yàn)管道中的流量與地層裂縫中流量轉(zhuǎn)換公式推導(dǎo)過(guò)程為：

式中，為壓裂液在室內(nèi)平行板裂縫中的流速，m/s；為室內(nèi)流量，m3/h；為平行板裂縫縫寬，mm；為平行板裂縫高度，mm；為壓裂液在地層裂縫中的實(shí)際流速，m/s；為地層裂縫中的流量，m3/min；為地層裂縫縫寬，mm；為地層裂縫高度，mm。

2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

（1）打開(kāi)總電源，啟動(dòng)操控臺(tái)，將所有數(shù)據(jù)清零。（2）檢查管路，確保實(shí)驗(yàn)用管線上的所有閥門均處于對(duì)應(yīng)狀態(tài)。（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，在混砂罐內(nèi)加水至設(shè)計(jì)高度，同時(shí)啟動(dòng)攪拌電機(jī)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，緩慢加入稱取的聚合物粉末，待聚合物溶脹2 h測(cè)其黏度。（4）按設(shè)計(jì)用量稱取支撐劑并加入儲(chǔ)液罐中，保持?jǐn)嚢桦姍C(jī)一直攪動(dòng)，使壓裂液與支撐劑混合均勻，控制轉(zhuǎn)速，預(yù)防支撐劑堵塞。（5）將攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置并調(diào)好焦距、定焦；通過(guò)調(diào)頻器設(shè)定調(diào)控離心泵至設(shè)計(jì)排量，啟動(dòng)“大型可視化平行板裂縫模擬系統(tǒng)”。（6）開(kāi)啟離心泵，通過(guò)水罐循環(huán)，排出管路氣體；調(diào)整閥門，實(shí)現(xiàn)攜砂罐排砂內(nèi)循環(huán)，確保一次性泵砂；打開(kāi)攝像機(jī)錄制攜砂液輸送過(guò)程。（7）調(diào)閥門泵砂，當(dāng)支撐劑鋪置形態(tài)穩(wěn)定時(shí)關(guān)閉離心泵、閥門和攝像機(jī)。（8）用清水大排量清洗裂縫、管路，直到無(wú)支撐劑殘留。（9）對(duì)攝制錄像進(jìn)行圖像處理，獲取有關(guān)砂堤形態(tài)。（10）設(shè)定下一個(gè)實(shí)驗(yàn)排量，重復(fù)（5）-（9）步驟直至一套實(shí)驗(yàn)方案完成。

3 實(shí)驗(yàn)方案

為了比較分析不同黏度滑溜水、不同規(guī)格石英砂在不同砂比下砂體在裂縫內(nèi)的堆積形態(tài)、充填效果，設(shè)計(jì)了表1所示實(shí)驗(yàn)方案。

表1　裂縫內(nèi)單一粒徑支撐劑裂縫充填效果實(shí)驗(yàn)方案

4 結(jié)果與分析

4.1 造縫滑溜水+70～140目粉砂

圖2為方案1在裂縫內(nèi)充填穩(wěn)定時(shí)的形態(tài)。

圖2　造縫滑溜水+70～140目石英砂時(shí)4個(gè)排量下的砂堤形態(tài)

由圖2可知，排量為5.1、6.6、7.4、8.2 m3/min對(duì)應(yīng)的砂堤前緣距入口距離分別為25.0、37.0、47.0、50.0 cm；各排量下對(duì)應(yīng)的砂堤平衡高度約占裂縫高度的2/5，即20.0 cm左右；砂堤前緣離滑溜水入口近，砂堤高度低，隨著砂堤前緣距入口距離的增加，砂堤高度明顯增加，大約在砂堤前緣距入口距離100.0 cm后，砂堤高度變化不大，總的形態(tài)差別不大，但呈現(xiàn)多個(gè)凹凸面。分析認(rèn)為，隨砂子的沉降堆積，砂堤高度增加，致使裂縫可流動(dòng)面減小，此截面的線性流速增大，對(duì)緊隨其后的砂堤有沖刷作用，致使砂堤高度變小，流速變小，砂子的沉降相對(duì)加大，砂堤高度再次增加，如此重復(fù)，便形成多個(gè)凹凸頂面。在支撐劑規(guī)格與砂比、壓裂液黏度相同的情況下，隨排量增加，壓裂液線速度增大，支撐劑沉降達(dá)到平衡所需時(shí)間變長(zhǎng)，平衡高度變小，砂堤前緣距入口距離增加。

圖3為造縫滑溜水+70～140目石英砂在排量為7.4 m3/min時(shí)不同時(shí)刻的砂堤形態(tài)。由圖3可知，支撐劑進(jìn)入裂縫后快速充滿整個(gè)裂縫，并有小量支撐劑開(kāi)始下沉，以后部居多，前端較少；隨時(shí)間和注入量增加，支撐劑的沉降量慢慢變大，5 min后砂堤前緣約在51.0 cm，砂堤高度在12.0～13.0 cm，有少量的凹凸面；10 min后砂堤前緣距入口距離變化不明顯，但砂堤高度有一定程度增加，為16.0～17.0 cm，凹凸面開(kāi)始變大；15 min后砂堤前緣距入口距離增加緩慢，約在48.0 cm處砂堤高度增加到20.0 cm，砂堤后面的凹凸面變得平緩，基本處于動(dòng)平衡狀態(tài)，砂堤前緣和高度變化不明顯，但前部存在明顯凹凸，與入口前部受到的流體沖擊大有關(guān)；20 min后砂堤前緣距入口距離約為47.0 cm，砂堤高度基本在20.0 cm波動(dòng)，砂堤凹凸面進(jìn)一步變小，凹處充填更多石英砂；入口前部受注入滑溜水沖擊，砂堤呈斜切面，后部基本平行，高度基本穩(wěn)定，達(dá)到平衡高度。

圖3　造縫滑溜水+70～140目石英砂在7.4 m3/min排量下不同時(shí)刻的砂堤形態(tài)

造縫滑溜水+70～140目石英砂在上述4個(gè)排量下未在入口端出現(xiàn)砂堤，砂堤平衡高度為20.0 cm左右，并且整體沉砂量少。分析認(rèn)為，盡管造縫滑溜水黏度較低，但由于石英砂的粒徑小，且有較大排量或流速，造縫滑溜水具備較好的攜帶能力，導(dǎo)致支撐劑對(duì)裂縫的充填不夠飽滿充分，單純使用粉砂級(jí)粒徑具有局限性。在致密油氣或頁(yè)巖油氣體積壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工后期，需要添加大粒徑和高砂比支撐劑，以防出現(xiàn)“包餃子”現(xiàn)象，避免裂縫端口流動(dòng)能力過(guò)低。

4.2 低黏滑溜水+40～70目小粒徑石英砂

圖4為方案2在裂縫內(nèi)達(dá)到平衡砂堤高度時(shí)的裂縫充填形態(tài)。

圖4　低黏滑溜水+40～70目小粒徑支撐劑在不同排量下的砂堤形態(tài)

由圖4可知，在排量為5.1 m3/min時(shí)，砂堤前緣高度為10.5 cm，砂堤平衡高度為10.0～30.0 cm，砂堤前部平衡高度小，后部較大，砂堤頂部存在6個(gè)凹凸面；在排量為6.6 m3/min時(shí)，砂堤前緣高度為6.5 cm，砂堤平衡高度在7.5～32.0 cm，砂堤前部平衡高度小，后部較大，砂堤頂部有4個(gè)凹凸面，后面頂部凹凸幅度?。辉谂帕糠謩e為8.2、10.5 m3/min時(shí)，隨排量增大，砂堤前緣高度進(jìn)一步降低，砂堤平衡高度略有降低，甚至不變，維持在32.0 cm左右，砂堤前部的平衡高度變小，而后部趨于平坦，盡管砂堤頂部也有少量凹凸面。砂堤前緣高度和砂堤前部平衡高度隨排量增大而降低，分析認(rèn)為與攜砂液入口端的排量增大、流體流動(dòng)拖拽力增大有關(guān)；隨排量增大，砂堤中、后部的平衡高度變化不大，甚至更平坦，凹凸面較少，與理論上平衡高度減小、頂部凹凸明顯不一致，原因在于攜砂液是循環(huán)使用的，與攜砂液在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的高速攪拌剪切實(shí)驗(yàn)有關(guān)，一定程度上降低了攜砂液的黏度，實(shí)測(cè)結(jié)果證實(shí)存在這種現(xiàn)象，但對(duì)其進(jìn)行定量分析具有一定難度。

圖5為低黏滑溜水+40～70目小粒徑石英砂在排量為8.2 m3/min時(shí)的砂堤形成過(guò)程。由圖5可知，注入滑溜水?dāng)y砂液5 min后，砂堤前緣距入口距離大約為37.5 cm，砂堤前緣高度極小，大約為1.0 cm，在砂堤前緣距入口距離81.0 cm處達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定高度，約為28.5 cm，砂堤頂面存在明顯凹凸面；10 min后砂堤前緣距入口距離為12.5 cm，前緣尖端細(xì)小，但砂堤前緣明顯前移，砂堤前緣高度基本在81.0 cm處達(dá)到平衡，約為32.0 cm，砂堤后部相對(duì)變得平緩；15 min后砂堤整體前移，前緣進(jìn)一步前移到入口端，砂堤高度小，只有少量石英砂沉積，砂堤平衡高度基本穩(wěn)定在32.0 cm左右，砂堤頂部比較平緩，上部攜砂液流速快而穩(wěn)定；20 min后砂堤整體向前稍有移動(dòng)，砂堤前緣高度有所增加，但前緣的充填很不充分。

圖5　低黏滑溜水+40～70目小粒徑支撐劑在8.2 m3/min排量下砂堤形成過(guò)程

從方案2的砂堤形成看，達(dá)到了平衡砂堤，排量越大，砂堤前緣距入口距離越大，前緣高度越小，砂堤平衡高度越小，但是這種現(xiàn)象不是很明顯；大排量注入低黏滑溜水?dāng)y砂液，普遍存在砂堤前緣高度過(guò)小的情況，現(xiàn)場(chǎng)施工中容易下沉，裂縫在入口處閉合，嚴(yán)重降低裂縫導(dǎo)流能力，需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整砂比、支撐劑規(guī)格、排量等，通過(guò)“尾追”措施，減小其影響。

4.3 高黏滑溜水+20～40目大粒徑石英砂

采用相同方法進(jìn)行方案3的攜砂充填裂縫形態(tài)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，其變化趨勢(shì)、規(guī)律與前述的造縫滑溜水+70～140目粉砂和低黏滑溜水+40～70目小粒徑石英砂的情況基本一致，區(qū)別在于砂堤前緣距入口距離、前緣高度、平衡砂堤高度等參數(shù)的具體值稍有不同；當(dāng)排量足夠大時(shí)，砂堤前緣距入口距離和平衡高度明顯變小，對(duì)裂縫的充填不利，表明實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中，需要對(duì)排量、攜砂液黏度、砂比和支撐劑規(guī)格等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得好的裂縫充填形態(tài)，達(dá)到較好的裂縫導(dǎo)流效果。

圖6　高黏滑溜水+20～40目大粒徑支撐劑在不同排量下的砂堤形態(tài)

圖7　高黏滑溜水+20～40目大粒徑支撐劑在8.2 m3/min排量下的砂堤形成過(guò)程

4.4 裂縫充填形態(tài)主要參數(shù)對(duì)比

3種注入?yún)?shù)組合模式、不同排量下，砂堤前緣距入口距離、前緣高度及達(dá)到平衡砂堤時(shí)的高度如表2所示。

表2　滑溜水?dāng)y砂液充填裂縫形態(tài)參數(shù)比較

由表2可以看出，在一種具體注入模式下，普遍表現(xiàn)出隨排量增大，砂堤前緣距入口距離增大，而前緣高度減小，平衡高度變化不大；不同注入?yún)?shù)組合模式對(duì)前緣位置的影響比較明顯，模式1在4個(gè)排量下砂堤前緣距入口距離大，入口端沒(méi)有支撐劑，這與排量較大、支撐劑粒徑小、砂比較低有密切關(guān)系，造縫滑溜水的拖拽力比較大，現(xiàn)場(chǎng)施工容易形成“包餃子”，需要進(jìn)行“尾追”措施；模式2的前緣位置在入口處，沉積有砂，隨排量增大，前緣高度變化明顯，當(dāng)前緣高度僅有1.5 cm時(shí)，入口處導(dǎo)流能力很低，近似“包餃子”，需要進(jìn)行“尾追”；模式3的砂堤前緣距入口距離變化明顯，當(dāng)排量較小時(shí)，砂堤前緣在入口處，前緣高度和砂堤的平衡度較為理想，當(dāng)排量增加到一定程度，如9.8 m3/min時(shí)，盡管支撐劑粒徑大、砂比高，但由于攜砂液具有較高黏度，配合合適的排量，也形成了砂堤前緣距入口距離大、前緣高度小的情況，入口處砂堤形態(tài)差，同樣需要進(jìn)行“尾追”措施，補(bǔ)強(qiáng)入口處的砂埋形態(tài)。可見(jiàn)，排量需要優(yōu)化，多個(gè)施工參數(shù)更需要進(jìn)行組合優(yōu)化。從表2還可以看出，支撐劑粒徑大、砂比高有利于提高支撐劑對(duì)裂縫的充填效果，但不是簡(jiǎn)單采用這種組合模式就能滿足要求；不同注入?yún)?shù)組合模式形成的砂堤形態(tài)不同，而且差異較大，表明注入模式是影響砂堤形態(tài)的重要方面；非常規(guī)改造大液量施工，排量比較大，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)難以滿足。砂堤前緣在入口處，前緣高度比較大時(shí)，施工后期需要采取“尾追”措施。壓裂施工過(guò)程中無(wú)論是提高砂比還是增大支撐劑粒徑，或者適度降低排量，都需要考慮改善入口處支撐劑的填充程度。

5 結(jié) 論

（1）高黏滑溜水+大粒徑+高砂比形成的砂堤前緣距入口距離相對(duì)最小，平衡砂堤大，充填較為充分。

（2）不同組合模式對(duì)砂堤形態(tài)影響明顯，表征砂堤的特征參數(shù)相差較大，在設(shè)計(jì)施工方案時(shí)有必要對(duì)組合模式進(jìn)行優(yōu)化，其中排量的優(yōu)化是一個(gè)重要方面。

（3）非常規(guī)油氣藏大規(guī)模改造時(shí)，排量大，易形成前緣距入口距離大、前緣高度小，出現(xiàn)“包餃子”現(xiàn)象，有必要在施工后期采取“尾追”等措施，提高入口處的裂縫導(dǎo)流能力。

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Sand?Carrying Migration Characteristics of Variable?Viscosity Slick Water in Fracture

Ren Wei1,2， Zhang Baoyan1,2， Wang Xianjun1,2， Zhang Hao1,2， Wu Haobing1,2

（1.Oil Production Engineering Research Institute of PetroChina Daqing Oilfield Co.， Ltd.， Daqing Heilongjiang 163000，China；2.Heilongjiang Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Stimulation and Injection，Daqing Heilongjiang 163000， China）

The sand?carrying migration law of slick water in fractures is of great guiding significance to the practice of slick water fracturing.Sand transport profiles with different injection parameter combinations were tested by a visual parallel plate fracture simulator.The results show that the sand?carrying capacity of the slick water is favorable under the combination of slick water for fracturing +70～140 mesh proppant +8% sand ratio.In this case,no sand banks are observed at the fracture inlets,and the proppant does not fill the fractures adequately,under the combinations of low?viscosity slick water +40～70 mesh proppant +10% sand ratio and high?viscosity slick water +20～40 mesh proppant +20% sand ratio, the amount of sand filling fractures is large, and the sand banks in deep fractures are high,while the filling at fracture inlets is poor.With the increase in construction displacement, the various combination modes all exhibit growing positions of the front edges of the sand banks, decreasing heights of front edges, and insignificant changes in balance heights. Injection combination is an important aspect affecting the sand bank pattern. The sand bank patterns and characterization parameters corresponding to different injection parameter combination modes vary greatly. Therefore, the combination mode needs to be optimized on site to improve the conductivity of fractures at the inlet.

Slick water； Migration law； Front edge position； Balance height； Sand bank pattern

TE357.1

A

10.3969/j.issn.1006?396X.2022.02.004

1006?396X（2022）02?0022?07

2021?03?10

2021?04?23

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“松遼盆地致密油開(kāi)發(fā)示范工程”資助項(xiàng)目(2017ZX05071)。

任偉（1986?），男，碩士，工程師，從事油氣藏增產(chǎn)改造技術(shù)及提高油氣采收率方面研究；E?mail：249688960@qq.com。

張寶巖（1990?），男，碩士，工程師，從事油氣藏增產(chǎn)改造技術(shù)及提高油氣采收率方面研究；E?mail：369499907@qq.com。

（編輯 王戩麗）