壓裂輸砂與返排一體化物理模擬實驗研究

吳春方，劉建坤，蔣廷學，吳峙穎，侯 磊

(1.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，北京 100101；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

0 引 言

隨著致密油氣藏、非常規油氣藏的深入開發及技術發展，水平井分段壓裂技術已成為該類油氣藏開發最重要、最廣泛、最有效的核心技術之一，其目標是形成高導流能力的裂縫，而支撐劑則是形成高導流能力裂縫的核心載體，在壓裂過程中所形成的砂堤剖面對導流能力有著重要的影響[1-3]。在壓裂后返排過程中要防止支撐劑的回流[4-9]，支撐劑回流會造成砂堤剖面的改變，從而降低裂縫的導流能力，回流嚴重時會直接引起地層出砂，導致井底沉砂堆積掩埋油氣層，沖蝕刺壞地面測試管線，影響油氣測試及后期的開采[10-11]。

國內外學者對于壓裂過程中支撐劑的運移和鋪置規律在理論和實驗方面進行了大量的研究[12-26]，但目前實驗裝置大多采用平行玻璃板進行實驗，無法模擬儲層溫度、閉合壓力和壓裂液濾失等重要參數，且對于壓裂后支撐劑的回流及所造成的砂堤剖面的改變并沒有進行相關研究。采用可視化的物理模擬實驗裝置，模擬地層溫度、閉合應力和液體濾失條件下，壓裂和返排過程中裂縫內支撐劑的輸送、沉降及支撐劑回流情況，定量、直觀地得到不同條件下支撐劑由裂縫入口端向遠端的運移情況及支撐劑回流后最終形成的砂堤剖面，為壓裂施工參數優化，壓裂液體系優選、支撐劑類型優選及壓裂后返排制度的制訂提供依據和指導。

1 大型物理模擬實驗裝置

1.1 裝置原理及技術參數

實驗采用自主研發的“YF-I型”壓裂輸砂及返排一體化大型物理模擬裝置，可模擬儲層溫度、閉合壓力、液體濾失等條件，開展輸砂和返排過程中不同縫寬、液體黏度、排量、支撐劑粒徑等條件下裂縫中支撐劑的運移、沉降及回流情況。該裝置設計基于裂縫中流體線速度相似原理，模擬壓裂裂縫中的流體流動，主要技術參數見表1。

表1 大型物理模擬實驗裝置主要技術參數

1.2 裝置主要組成及功能

該裝置主要由液體注入系統、裂縫模擬系統、模型加壓濾失系統、模型加熱保溫系統、數據監測及處理系統和安全保護系統等組成。液體注入系統主要由液體配制及攪拌混合裝置、液體加溫保溫裝置、螺桿泵、流量計及相應管閥件組成，實現壓裂液的快速配制、加溫及攜砂液的均勻注入。裂縫模擬系統主要由左端支撐板、裂縫左側板、裂縫移動右側板、高強度透明復合平板、承載拉桿、裂縫移動右側板伸縮機構等組成，模擬儲層實際裂縫。模型加壓濾失系統主要由裂縫壁濾失口(18個)、縫端濾失口(3個)、閉合壓力加載系統、濾失背壓系統、濾失液反推系統等組成，通過裂縫壁濾失口調節模擬裂縫的實際濾失情況，并實現對裂縫施加閉合壓力。模型加熱保溫系統主要由電加熱片及保溫套組成，實現實驗過程中對裂縫模擬系統的加熱及保溫。數據監測及處理系統主要由壓力監測系統、壓差監測系統、流量監測系統、視頻采集系統、模型控制及數據處理軟件等組成，實現在實驗過程中對儀器的整體控制、實驗參數及視頻的采集、數據的實時處理及回放等。安全保護系統主要由安全泄壓閥及安全預警系統組成，保障實驗安全。

2 壓裂輸砂與返排實驗

2.1 實驗方案

壓裂輸砂及返排實驗方案見表2。由表2可知：方案Ⅰ是采用低黏壓裂液，在相同的注入排量和砂液比、不同粒徑支撐劑和縫寬條件下，研究攜砂液在裂縫中的輸砂及壓裂后支撐劑回流情況，共9組實驗；方案Ⅱ是在方案Ⅰ基礎上，采用中黏壓裂液，其他實驗條件不變，研究攜砂液在裂縫中的輸砂及壓裂后支撐劑回流情況，共9組實驗；方案Ⅲ是在方案Ⅰ基礎上，在6 mm縫寬條件下，改變低黏壓裂液注入排量，其他實驗條件參數不變，分析攜砂液注入排量對輸砂及支撐劑回流的影響，共3組實驗；方案Ⅳ是在方案Ⅱ基礎上，在6 mm縫寬條件下，改變中黏壓裂液注入排量，其他實驗條件不變，分析攜砂液注入排量對輸砂及支撐劑回流的影響，共3組實驗。

4個方案中模擬裂縫閉合壓力為8 MPa，壓裂液溫度均為70 ℃，壓裂液濾失速率為1～3 L/min，壓裂液平均砂液比為6%，返排液均采用低黏壓裂液(3 mPa·s)；輸砂實驗階段攜砂液注入液量為36 L，返排實驗階段返排液量為36 L。

表2 輸砂及返排實驗方案

2.2 實驗步驟

實驗步驟主要包括：①采用液體配制及攪拌混合裝置配置好實驗用攜砂液；②調整裂縫寬度到實驗要求縫寬；③打開螺桿泵，以實驗要求流量從模型縫口端向裂縫中注入攜砂液，注入過程中流量計實時監測注入流量；④注入同時，打開縫端及裂縫壁濾失口，模擬液體注入過程中裂縫的實際濾失情況，同時通過調整閉合壓力加載系統對裂縫施加閉合壓力；⑤注入過程中，通過數據監測及處理系統，實時監測并控制縫寬、閉合壓力、注入流量、累計注入液量、濾失量，視頻采集系統實時采集砂堤沉降及變化過程的影像；⑥注入結束后，停泵并關閉所有濾失口及注入閥門，保持裂縫寬度、閉合壓力及縫內壓力，使支撐劑自由沉降60 min，模擬關井；⑦關井結束后，倒換流程，打開縫端濾失口，打開縫口返排口，啟動螺桿泵，從縫端濾失口注入返排液；⑧返排過程中，返排液注入流量以6.0 L/min起步，并以0.5 L/min為階梯逐漸增至12.0 L/min，然后在12.0 L/min下繼續注入至返排設計排量，觀察在不同返排流量下縫內支撐劑回流及砂堤改變情況，并在返排口回收返排液及回流出的支撐劑；⑨當返排液量達到實驗要求后，停泵結束實驗，稱量返排液體積及返出支撐劑量。

3 實驗結果與分析

3.1 縫寬對砂堤剖面影響

圖1為縫寬對砂堤剖面的影響。由圖1a可知：輸砂階段，不同粒徑支撐劑的輸送和運移對縫寬的敏感性不同。小粒徑支撐劑(70～100目)對縫寬敏感性較差，不同縫寬條件下，不同粒徑支撐劑在縫長方向上形成的砂堤剖面相似，大多數支撐劑都被液體攜帶至裂縫遠端；對于中粒徑支撐劑(40～70目)和大粒徑支撐劑(30～50目)，縫寬較小時(3 mm)，縫內流速更快，支撐劑更易攜帶至裂縫遠端，沉降砂堤剖面更低；而縫寬大于6 mm后，隨著縫寬增加，縫內流速降低，支撐劑沉降砂堤剖面在縫長方向整體變低，且多數支撐劑沉降在裂縫近端，但沉降后砂堤剖面較為相似。

圖1 縫寬對裂縫內40～70目支撐劑砂堤剖面的影響

由圖1b可知，返排階段，相同粒徑支撐劑在充分返排后，砂堤剖面發生了明顯的改變，其中，返排入口處砂堤變化最為明顯。這是因為在縫寬較小時(3 mm)，因縫內液體流速較大，即使裂縫內壓裂液黏度較低(3 mPa·s)，支撐劑也非常容易被卷起而向裂縫入口處回流，同時因支撐劑的自然沉降，使得返排口附近的支撐劑大幅減少，而距離返排口一段距離后支撐劑堆積高度比返排前更高；隨著縫寬的增大，縫內液體流速減小，支撐劑回流現象減弱，支撐劑在返排口附近留存，在返排流量穩定后重新形成平衡砂堤。實驗結果說明：縫寬對輸砂時小粒徑支撐劑的輸送和運移影響相對較小，對大粒徑支撐劑的輸送運移影響較大；縫寬對返排時不同粒徑支撐劑的回流影響均較大。

3.2 液體黏度和支撐劑粒徑對砂堤剖面影響

圖2為液體黏度和粒徑對砂堤剖面的影響。由圖2a可知，輸砂階段，壓裂液黏度和支撐劑粒徑對支撐劑輸送和運移的影響非常明顯。壓裂液黏度由3 mPa·s增至10 mPa·s時，不同粒徑支撐劑的砂堤剖面發生了很大的改變，70～100目支撐劑的砂堤高度由最高18.2 cm降至8.6 cm，40～70目支撐劑的砂堤高度由最高11.0 cm降至2.3 cm；壓裂液黏度為3 mPa·s時，支撐劑粒徑由30～50目減小至70～100目時，砂堤剖面平均高度由12.6 cm降至4.0 cm，約為原來的1/3；壓裂液黏度為10 mPa·s時，支撐劑粒徑由30～50目減至70～100目時，砂堤剖面平均高度由5.3 cm降至1.2 cm，約為原來的1/5。實驗結果說明，壓裂液黏度越大，其攜砂性能越好，不同粒徑支撐劑更多地被輸送至裂縫深處，粒徑越小的支撐劑，輸送得越遠。壓裂時采用低黏度壓裂液攜帶小粒徑支撐劑封堵縫端或支撐分支縫，中黏度壓裂液攜帶中粒徑支撐劑支撐裂縫中部位置，高黏度壓裂液攜帶大粒徑支撐劑支撐縫口，使得整個裂縫縫長方向上的砂體剖面均勻合理，大大提高裂縫支撐效率和導流能力。

圖2 液體黏度和粒徑對支撐劑砂堤剖面的影響(縫寬為6 mm)

由圖2b可知：充分返排后，砂堤剖面發生了明顯的變化，砂堤剖面高度越高，返排時支撐劑回流越明顯，隨著支撐劑在回流時的沉降，裂縫中部的砂堤高度相應增加；支撐劑粒徑越小，由裂縫回流出的支撐劑量越多，相應的出砂量越多，使得裂縫縫口支撐劑剖面高度降低。實驗結果說明，放噴時，應控制油嘴的大小，防止裂縫端部或分支縫中的小粒徑支撐劑因返排流速過高而回流，降低裂縫導流能力。

3.3 排量對輸砂及返排的砂堤剖面影響

圖3為注入排量和返排排量對砂堤剖面的影響。

圖3 注入排量和返排排量對支撐劑砂堤剖面的影響(黏度為10 mPa·s)

由圖3a可知，輸砂階段，在相同裂縫寬度、壓裂液黏度及砂液比等條件下，注入排量由9.0 L/min增至12.0 L/min時，不同粒徑支撐劑的砂堤剖面高度均有所降低，40～70目支撐劑砂堤剖面高度由最高9.4 cm降至2.3 cm，30～50目支撐劑砂堤剖面高度由最高12.2 cm降至8.6 cm，而70～100目支撐劑因幾乎均已輸送至裂縫遠端，砂堤高度降低不明顯。實驗結果說明，注入排量越大，支撐劑越容易輸送至裂縫遠端，對于中大粒徑支撐劑該影響更明顯。

由圖3b可知：與上述其他返排影響因素情況相似，砂堤剖面在返排階段發生了明顯的變化，因部分支撐劑回流出砂，整個砂堤面積小于輸砂階段砂堤面積；返排排量為9.0 L/min時，30～50目和40～70目支撐劑除了在返排口附近減少外，砂堤剖面高度在距返排口20～30 cm處升高明顯，而返排排量提高至12.0 L/min時，支撐劑除了在返排口減少外，因排量升高而回流出砂，砂堤剖面高度升高并不明顯。實驗結果說明，返排過程中，一定要注意控制返排排量或放噴油嘴的大小，避免支撐劑回流出砂。

3.4 支撐劑出砂臨界流速及回流分析

由返排實驗可知，裂縫內支撐劑砂堤剖面在返排過程中分3個階段，表現出不同的特征，主要包括：砂堤表面支撐劑緩慢運移階段、砂堤形態改變階段以及平衡砂堤形成階段。

表3為砂堤表面支撐劑緩慢運移階段不同縫寬及攜砂液黏度條件下出砂臨界流速變化情況。

表3 不同縫寬及攜砂液黏度條件下出砂臨界流速

由表3可知，砂堤表面支撐劑緩慢運移階段：在不同縫寬下，不同粒徑支撐劑均存在一個支撐劑出砂臨界流速，當返排流速達到支撐劑出砂臨界流速時，砂堤表面支撐劑開始出現緩慢移動現象。通過分析返排參數可知：支撐劑粒徑越小，支撐劑出砂臨界流速越小，隨著支撐劑粒徑變大，支撐劑出砂的臨界流速也變大，當縫寬為6 mm、壓裂液黏度為3 mPa·s時，100目支撐劑的出砂臨界流速為6.45 L/min，而30～50目支撐劑的出砂臨界流速為7.81 L/min，小粒徑支撐劑在返排階段更易出現支撐劑回流現象，存在出砂風險；返排液黏度對出砂臨界流速影響較大，返排液黏度越大，支撐劑出砂臨界流速越小，當縫寬為6 mm、返排液黏度為3 mPa·s時，40～70目支撐劑出砂臨界流速為7.38 L/min，返排液黏度為10 mPa·s時，40～70目支撐劑出砂臨界流速為6.65 L/min；縫寬對支撐劑出砂臨界流速有一定的影響作用，縫寬越小，單位面積裂縫內返排流速越高，支撐劑出砂臨界流速越小，支撐劑更易發生運移及回流。

砂堤形態改變階段：隨著返排流速的增加，砂堤表面的支撐劑流速不斷增大，返排液中攜帶的支撐劑明顯增多，裂縫中的支撐劑向返排出口方向開始大量回流堆積，并在出口處返出大量支撐劑，砂堤剖面隨之發生明顯改變。

平衡砂堤形成階段：隨著返排液持續注入到一定量后，返排入口及入口近端處的大量支撐劑被運移堆積到縫口或隨著返排液排出裂縫，裂縫中支撐劑回流量隨之會漸漸穩定甚至變少，砂堤形態變化也將趨于穩定直至達到新的砂堤形態，此時又形成新的平衡砂堤。

4 結 論

(1) 研制了“YF-I型”壓裂輸砂及返排一體化物理模擬實驗裝置，開展了壓裂液輸砂、支撐劑運移及返排一體可視化實驗，給出了不同條件下支撐劑在壓裂和返排過程中形成的砂堤剖面，初步揭示了在壓裂和返排過程中支撐劑的運移及回流規律；支撐劑運移、沉降及回流特性與壓裂液黏度、支撐劑粒徑、注入排量、返排排量及裂縫寬度等因素密切相關；輸砂過程中壓裂液黏度對砂堤剖面影響最大；返排過程中返排液黏度與支撐劑粒徑的配合對砂堤剖面影響明顯，對裂縫內導流能力有著較大的影響。

(2) 實驗模擬了壓裂和返排全階段支撐劑的運移、沉降和回流情況，揭示了不同階段裂縫內砂堤剖面的變化情況，為支撐劑類型優選、壓裂液體系優化、壓裂施工參數優化和壓后返排制度的制訂提供了依據。

(3) 不同黏度返排液、不同粒徑支撐劑和不同縫寬均有相應的出砂臨界流速，返排過程中返排排量和放噴油嘴大小的控制應以返排流速低于臨界出砂流速為前提。

(4) 研制的模擬實驗裝置采用裂縫內流體線速度相似原理，能較客觀地模擬輸砂過程縫口前端和返排過程返排口前端的砂堤剖面情況，但受模擬裝置的限制，不能完全模擬整個裂縫內支撐劑的運移、沉降和回流情況，需繼續開展大型物理模型、全尺寸裂縫模擬實驗裝置的研制和實驗，特別是開展多尺度分支縫縫內支撐劑的運移和回流規律研究，為目前頁巖氣體積壓裂各階段施工和返排參數的制訂提供翔實的依據和指導。