體積壓裂支撐劑縫內沉降規律實驗研究

劉俊辰，彭 歡，高新平，劉桓竭，王 良，周玉超

（1四川頁巖氣勘探開發有限責任公司2中國石油西南油氣田公司工程技術研究院3頁巖氣開采與評價四川省重點實驗室4中國石油西南油氣田公司開發事業部）

劉俊辰等.體積壓裂支撐劑縫內沉降規律實驗研究.鉆采工藝，2019，42（5）：39-42

隨著頁巖氣藏勘探開發的深入，體積壓裂作為頁巖氣藏效益開發的必要措施之一，發揮著越來越重要的作用［1-3］。頁巖氣藏體積壓裂通常采用滑溜水，由于滑溜水黏度低、攜砂性能差，支撐劑容易沉降在水力裂縫底部［4-5］。隨著砂堤高度的增加，裂縫內滑溜水過流面積減小，液體流速將逐漸增大，當液體流速增大到可以使支撐劑達到動態懸浮時，此時砂堤高度為平衡高度，導致平衡高度以上的裂縫頂部無支撐劑充填［6-8］，降低了復雜縫網的導流能力，影響頁巖氣藏體積壓裂的改造效果。因此，支撐劑在水力裂縫中的沉降規律、鋪置情況對體積改造的成功與否具有重要作用。目前壓裂支撐劑在縫內的沉降規律、鋪置情況的研究主要為理論方面［9-10］，室內工程模擬評價實驗研究開展較少，因此有必要開展壓裂支撐劑縫內沉降規律實驗研究。采用支撐劑縫內流動可視化裝置，定量研究體積壓裂中不同施工排量、支撐劑類型、支撐劑泵注程序對支撐劑沉降規律的影響，為頁巖氣藏體積壓裂支撐劑優選、施工參數優化提供有力的技術支撐。

一、實驗方法研究

1.實驗裝置

支撐劑縫內流動狀態可視化實驗裝置主要由供液和泵送系統、混砂系統、動力輸送系統、可視裂縫系統、液體回收系統、數據采集與控制系統6部分組成，其中可視裂縫系統的縫寬為6 mm、長度為6 000 mm、高度為600 mm，動力輸送系統最大排量為200 L／min，可完成體積壓裂支撐劑縫內沉降規律工程模擬實驗。

該裝置模擬體積壓裂中一段人工裂縫，使用動力輸送系統將攜砂液以不同速度注入可視裂縫系統，通過可視裂縫系統的透明有機玻璃即可清晰觀察壓裂液或攜砂液在裂縫中的流動狀態以及支撐劑運移和鋪置狀況。

2.實驗方法

2.1 實驗材料的選擇

選擇目前頁巖氣藏體積壓裂中常用的滑溜水體系、40／70目陶粒支撐劑，其中滑溜水、支撐劑性能參數分別如表1、表2所示。

表1 頁巖氣壓裂用滑溜水性能參數表

表2 頁巖氣壓裂用40／70目陶粒支撐劑性能參數表

2.2 實驗排量的確定

實驗依照雷諾相似性原理，把體積壓裂現場施工排量折算為實驗裝置中可視裂縫系統的縫內流速，計算公式如下：

式中：ve—室內實驗排量，m3／min；vf—現場排量，m3／min；hf—水力裂縫高度，m；wf—水力裂縫寬度，mm；he—可視裂縫系統中裂縫的高度，m；we—可視裂縫系統中裂縫的寬度，mm。

2.3 實驗過程的記錄

利用數據采集與控制系統中高分辨率錄像機進行實驗過程的拍攝，記錄不同實驗條件下整個實驗過程中的支撐劑縫內沉降規律。

3.實驗方案

開展了不同排量、支撐劑類型（體積密度）、支撐劑泵注程序對支撐劑沉降規律的影響，方案見表3。

表3 體積壓裂支撐劑縫內沉降運移規律實驗方案

二、實驗結果及分析

1.排量對支撐劑沉降規律的影響

體積壓裂通常采用大液量、大排量對頁巖氣藏進行改造。在總支撐劑量及支撐劑濃度相同的情況下，開展不同排量對支撐劑沉降規律的影響研究，實驗中排量為40 L／min、60 L／min、80 L／min時，分別對應現場施工排量6 m3／min、8 m3／min、12 m3／min。不同排量砂堤最終形態如圖1所示。排量40 L／min時砂堤平衡高度440 mm；60 L／min時砂堤平衡高度為420 mm；80 L／min時，砂堤平衡高度為390 mm。隨著排量增大，顆粒水平運移速度增加，砂堤從而變得更為平緩，并有向裂縫深處運移的趨勢，排量過低時，支撐劑無法輸送到裂縫深處。在現場施工過程中，為了形成更長且有效的支撐裂縫，應在條件允許的范圍內盡量提高施工排量，但排量增大會導致砂堤平衡高度降低、縫口附近支撐劑濃度低，不利于在縫口處形成高導流能力的支撐裂縫。

圖1 不同排量下支撐劑鋪置形態

2.支撐劑類型對支撐劑沉降規律的影響

體積壓裂利用支撐劑對人工裂縫進行有效支撐，從而保證改造效果。在相同的總支撐量、排量情況下，開展不同支撐劑類型對支撐劑沉降規律的影響研究。不同支撐劑密度砂堤最終形態如圖2所示。隨著支撐劑密度降低，顆粒水平運移速度降低，其中支撐劑密度為1.8 g／cm3時砂堤平衡高度為450 mm；支撐劑密度為1.65 g／cm3時砂堤平衡高度為430 mm；支撐劑密度為1.5 g／cm3時砂堤平衡高度為420 mm。砂堤平衡高度降低，砂堤從而變得更為平緩，與排量增加類似，也有支撐劑向裂縫深處運移的趨勢，總體來看，支撐劑密度對支撐劑沉降規律的影響與排量對支撐劑沉降規律的影響變化趨勢相反，并且支撐劑密度對支撐劑沉降規律的影響小于排量對支撐劑沉降規律的影響。在現場施工過程中，為了形成更長且有效的支撐裂縫，應在滿足支撐劑抗壓強度的條件下盡量使用低密度支撐劑，可使支撐劑輸送到裂縫深處。

圖2 不同支撐劑密度下支撐劑鋪置形態

3.支撐劑泵注程序對支撐劑沉降規律的影響

為滿足頁巖氣井體積壓裂改造的需要，采用斜坡式加砂、段塞斜坡式加砂泵注支撐劑。不同泵注程序砂堤最終形態如圖3。在相同的總支撐劑量、排量情況下，不同支撐劑泵注程序對砂堤形態有顯著影響。全程均勻加砂中，砂堤高度增長較為迅速，采用斜坡式加砂時，由于泵注初期支撐劑濃度較低，導致砂堤高度初期增加較為緩慢；采用斜坡式加砂，在泵注后期，支撐劑濃度變大，導致縫口處支撐劑濃度增加，可以形成有效支撐裂縫。相對于全程斜坡式加砂，采用段塞式斜坡加砂時，無支撐劑的液體對砂堤沖刷作用更強，可將支撐劑運輸到裂縫深處，縫口附近和裂縫深處都形成較好的支撐裂縫。

圖3 不同支撐劑泵注程序下支撐劑鋪置形態

三、支撐劑縫內沉降規律影響因素敏感性分析

為了解支撐劑縫內沉降規律對3個因素的敏感性，應用敏感性分析方法，對影響支撐劑縫內沉降規律的3個影響因素進行分析，并對3個因素之間的敏感程度進行比較。

敏感性分析是系統分析中分析系統穩定性的一種方法［11-12］。設有一系統，其系統特性P主要由n個因素a＝｛a1，a2，…，an｝所決定，P＝f（a1，a2，…，an）。在某一基準狀態a*＝｛，…，an*｝下，系統特性為P*。分別令各因素在其各自的可能范圍內變動，分析由于這些因素的變動，系統特性P偏離基準狀態P*的趨勢和程度，這種分析方法稱為敏感性分析。

首先定義無量綱形式的敏感度函數和敏感度因子。即將系統特性P的相對誤差δP＝｜ΔP｜／P與參數ak的相對誤差δak＝｜Δak｜／ak的比值定義為參數ak的敏感度函數Sk（ak），如式（2）：

式中：P—系統特性；ΔP—系統特征P對ak的敏感性，無量綱；ak—在某一基準狀態下的因素值；Δak—參數ak的絕對誤差。

在｜Δak｜／ak較小的情況下，Sk（ak）可近似的表示為：

式中：Sk（ak）—敏感度函數，表示系統特性P的相對誤差和參數ak的相對誤差的比值。

由式（3）可繪出ak的敏感函數曲線Sk-ak。取，即可得到參數ak的敏感度因子：

式中：Sk*—參數ak的敏感因子，是一組非負實數，無量綱。

系統特性，即支撐劑縫內沉降規律，用砂堤平衡高度和支撐劑輸送距離的比值表征，進行敏感性分析的參數為：排量、支撐劑類型、支撐劑泵注程序。觀察支撐劑最終鋪置的形態，用曲線擬合的方法，建立砂堤平衡高度和支撐劑輸送距離的比值與排量、支撐劑類型、支撐劑泵注程序3個參數的函數關系，從而得到敏感度函數，然后計算敏感度因子。經過分析，得到了各參數敏感度值，如表4所示，按大小排序，依次為排量、支撐劑泵注程序、支撐劑類型。

表4 壓裂支撐劑縫內沉降規律影響因素敏感度因子

四、結論

（1）采用支撐劑縫內流動可視化裝置，定量研究體積壓裂中支撐劑沉降規律，為頁巖氣藏體積壓裂支撐劑優選、施工參數優化提供實驗支撐。

（2）隨著排量增大，顆粒水平運移速度增加，砂堤平衡高度降低，砂堤從而變得更為平緩，并有向裂縫深處運移的趨勢。在現場施工過程中，為了形成更長且有效的支撐裂縫，應在條件允許的范圍內盡量提高施工排量。

（3）隨著支撐劑密度降低，砂堤平衡高度降低，砂堤從而變得更為平緩。在現場施工過程中，為了形成更長且有效的支撐裂縫，盡量使用低密度支撐劑，可以使支撐劑輸送到裂縫深處。

（4）采用段塞式斜坡加砂時，無支撐劑的液體對砂堤沖刷作用更強，可將支撐劑運輸到裂縫深處，在縫口附近和裂縫深處形成較好的支撐裂縫。

（5）應用敏感性分析方法，對支撐劑縫內沉降規律的影響因素敏感性大小排序，依次為排量、支撐劑泵注程序、支撐劑類型。