張潦源 ，曲占慶 ，呂明錕 ，郭天魁 ，劉曉強 ，王旭東

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257000）

0 引言

針對致密儲層采用滑溜水壓裂工藝，可形成較為復(fù)雜的裂縫，且儲層傷害小，成本低。該工藝被廣泛應(yīng)用于頁巖油氣和致密油氣的開采中［1-3］，但由于滑溜水低黏的特性，它對支撐劑的攜帶能力不強，支撐劑運移距離短，易沉降，裂縫的支撐長度和分支縫的充填效果不理想［4］。為明確支撐劑在復(fù)雜裂縫中的運移規(guī)律及支撐效果，潘林華等［5］通過開展大尺度復(fù)雜裂縫支撐劑運移及展布評價實驗，測試了次裂縫角度、注入排量、加砂質(zhì)量濃度、支撐劑組合、壓裂液黏度等對支撐劑運移及展布的影響；溫慶志等［6-7］通過小型復(fù)雜裂縫裝置，研究了不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中支撐劑的運移規(guī)律，得出支撐劑在不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主裂縫中運移距離的大小排序；肖勇軍等［8］對不同支撐劑組合的導(dǎo)流能力進行了研究；Alotaibi等［9-10］利用具有2級分支縫的平行板裝置（考慮粗糙度的影響），研究了支撐劑在復(fù)雜裂縫中的運移情況，提出了砂堤高度比例等參數(shù)來量化最終砂堤形態(tài)，得出支撐劑進入分支縫更依賴于主縫中砂堤高度的認(rèn)識；張礦生等［11］通過可視化平行板裝置研究了不同支撐劑組合在直縫中的運移規(guī)律。

目前的研究主要明確了施工參數(shù)及裂縫形態(tài)對支撐劑運移的影響規(guī)律，對于常用支撐劑組合注入方式的研究較少。實驗所使用設(shè)備多為小型，且忽略壁面粗糙及濾失影響，缺少對近井帶砂堤形態(tài)的評價方法。為此，本文通過大型可視化復(fù)雜裂縫顆粒運移鋪置模擬裝置（考慮壁面粗糙度和濾失的影響），對不同支撐劑組合在復(fù)雜裂縫中的運移情況進行了實驗研究，提出了評價近井砂堤形態(tài)的主要參數(shù)，且結(jié)合砂堤平衡高度等參數(shù)，形成了砂堤定量化評價的參數(shù)體系，弄清了不同支撐劑組合在復(fù)雜裂縫中的運移規(guī)律和效果。

1 實驗

1.1 設(shè)備

大型可視化復(fù)雜裂縫顆粒運移模擬裝置［12-13］由混合注入系統(tǒng)、裂縫系統(tǒng)、回收過濾系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。裂縫系統(tǒng)是裝置中最重要的部分，主裂縫長5.0 m、高0.6 m、寬5.0 mm，主裂縫兩側(cè)連接有角度分別為30°，45°，90°，135°，150°的分支縫，以及水平、60°斜水平的分支縫，每條分支縫長 1.0 m、高0.6 m、寬3.0 mm（見圖1a）；通過在平行板一側(cè)開濾失孔來模擬濾失，粘連一定數(shù)量的石英砂，來模擬粗糙壁面（見圖1b，1c。圖1c中右圖為左圖內(nèi)小區(qū)域的放大）；射孔套筒安裝在裂縫入口處，通過轉(zhuǎn)動，可調(diào)節(jié)射孔密度（見圖1d）。該模擬裝置在尺寸及模擬條件上更接近真實裂縫，可模擬壓裂施工造縫之后攜砂液注入過程中支撐劑的運移鋪置情況。

圖1 大型可視化復(fù)雜裂縫顆粒運移模擬裝置示意

1.2 方案設(shè)計

壓裂液采用滑溜水，支撐劑為常規(guī)陶粒。采用不同支撐劑組合注入，目的是為了發(fā)揮小顆粒支撐劑易運移的特點，支撐遠(yuǎn)端裂縫和分支縫，利用大顆粒支撐劑易沉降的特點，來改善近井帶裂縫的支撐。相關(guān)研究表明，在裂縫中先注入的支撐劑會沉降在近井帶裂縫中，后注入的支撐劑向裂縫深部運移［14-16］。因此，有學(xué)者提出了在施工前期注入大顆粒支撐劑，致使其沉降在近井帶裂縫中，以改善近井帶裂縫的支撐效果，并獲得較高的導(dǎo)流能力，但目前在現(xiàn)場施工中為了避免砂堵等問題，一般采用先小后大的支撐劑組合，施工后期注入大顆粒支撐劑，以改善近井帶裂縫的充填。

為研究最優(yōu)支撐劑組合，明確不同支撐劑組合在復(fù)雜裂縫中的運移情況及效果，設(shè)計并進行了5組實驗（見表1），壓裂液注入排量均為 10.8 m3/h，砂比（支撐劑與攜砂液體積之比）均為5%，壓裂液黏度均為5 mPa·s。其中，方案1無分支縫，為1條直縫。

表1 實驗方案設(shè)計

2 結(jié)果及討論

2.1 砂堤形態(tài)評價

基于本次實驗，筆者發(fā)現(xiàn)了近井帶砂堤的特殊形態(tài)，并與前人研究成果對比，認(rèn)為有必要對近井帶砂堤形態(tài)進行評價，而目前大多數(shù)研究只對最終砂堤形態(tài)參數(shù)進行了定性分析，并不能體現(xiàn)該參數(shù)對支撐劑運移的影響，無法分析其影響的程度。有學(xué)者提出了砂堤平衡高度、裂縫支撐劑充填比例及砂堤平衡時間等參數(shù)，這些參數(shù)偏重于砂堤的宏觀評價，無法體現(xiàn)砂堤不同部位的形態(tài)特征。張礦生等［11］提出了利用砂堤高度與平均砂堤高度的平方差來評價砂堤起伏情況，進一步完善了砂堤形態(tài)評價參數(shù)。本次研究還發(fā)現(xiàn)，射孔對近井帶裂縫的砂堤產(chǎn)生較大影響，壓裂液通過射孔孔眼，分成多簇高速流體進入裂縫，在近井帶裂縫中形成復(fù)雜的流場，導(dǎo)致支撐劑沉降減少，并沖蝕已經(jīng)形成的砂堤。由圖2可以看出：近井帶復(fù)雜流場對砂堤存在明顯的影響，砂堤形成一定坡度，近井帶有很大一部分面積沒被支撐劑充填，有必要對復(fù)雜流場影響造成的近井帶砂堤的特殊形態(tài)進行描述，以評價支撐劑在近井帶裂縫中的鋪置效果。圖2a中上方為Tong等數(shù)模結(jié)果，下方為實驗結(jié)果。圖2d中砂堤左側(cè)未被支撐劑充填的梯形面積代表近井帶裂縫未充填程度S，其計算公式為

圖2 前人研究成果與本文實驗結(jié)果中近井帶砂堤形態(tài)特征對比

式中：l為砂堤起始增長點距井筒的距離，cm；H為砂堤平衡高度（即砂堤高度的平均值），cm；h為砂堤在井筒中堆積的高度，cm；α為近井帶砂堤角度（即近井帶砂堤坡度），（°）。

S，α可用來評價支撐劑在近井帶的沉降情況。本文利用現(xiàn)有的砂堤平衡高度、裂縫支撐比例、砂堤平衡時間和砂堤非均勻程度4個參數(shù)，結(jié)合對近井帶砂堤描述的α和S組成一個較為系統(tǒng)的砂堤形態(tài)評價體系，根據(jù)這6個參數(shù)對砂堤在裂縫中的鋪置形態(tài)進行定量化描述和分析。

2.2 主裂縫中支撐劑運移規(guī)律及效果

組合支撐劑注入的目的之一是提高主裂縫的支撐長度，所以本次進行了5組實驗，分別對直縫和復(fù)雜裂縫中不同組合支撐劑在主縫中的運移鋪置情況進行了對比研究。

2.2.1 直縫和有分支縫的主裂縫中支撐劑的鋪置情況

圖3a中從上到下分別為30°分支縫、主裂縫、150°分支縫中支撐劑的鋪置情況；圖3a，3b中，砂堤中2種篩目支撐劑有明顯的分界，分界線用綠色線標(biāo)出，綠線下方為40/70目支撐劑，上方為20/40目支撐劑；圖3c是對2組實驗中主裂縫的砂堤形態(tài)輪廓取點后繪制而成的。利用砂堤平衡高度、裂縫充填比例、砂堤平衡時間等參數(shù)來評價方案1，2兩組實驗主裂縫中的砂堤形態(tài)（見表2）。由表2可以看出：有分支縫的主裂縫砂堤形態(tài)與直縫相比，砂堤平衡高度增加6.8%，裂縫充填比例增加4.4%，砂堤平衡時間延長，而近井帶砂堤角度和近井帶裂縫未充填程度2個參數(shù)變化不太明顯。

圖3 方案1與方案2的實驗結(jié)果對比

表2 方案1，2實驗過程中主裂縫的砂堤形態(tài)參數(shù)

由圖3可以看出：40/70目支撐劑運移受分支縫的分流作用影響較小，分支后主縫砂堤的增高主要是20/40目支撐劑沉降增多導(dǎo)致，這說明在復(fù)雜裂縫中40/70目支撐劑有更好的運移性能（見圖3a，3b）。由于方案1，2兩組實驗參數(shù)一致，主裂縫在0～100 cm的砂堤形態(tài)差異不明顯（見圖3c），所以對于復(fù)雜裂縫改善近井帶充填的方法也適用于直縫壓裂。由于分支縫在100 cm處，其分流作用使得分支后主裂縫中攜砂液流量減小，沉降增多，砂堤高度增大，造成100 cm后砂堤形態(tài)產(chǎn)生了明顯差異。由于分支后主裂縫砂堤增高，導(dǎo)致砂堤的非均勻程度增加。

2.2.2 不同支撐劑組合在主裂縫中的運移規(guī)律

圖4為不同支撐劑組合在帶有30°/150°分支縫的復(fù)雜裂縫中的鋪置形態(tài)。圖中綠色線為20/40目與40/70目支撐劑的分界線，藍(lán)色線為70/140目與40/70目支撐劑的分界線。

圖4 4組實驗結(jié)果對比

由表3可知，方案4實驗中主裂縫的砂堤高度最大，裂縫充填比例最大（見圖4c）。從實驗照片（見圖5）發(fā)現(xiàn)，雖然2種不同篩目的支撐劑混合注入，但在沉降過程中會形成支撐劑的分選，導(dǎo)致其層疊狀鋪置，砂堤中20/40目支撐劑覆蓋了40/70目支撐劑，限制了部分40/70目支撐劑的運移，不能充分發(fā)揮支撐劑組合的作用。方案5實驗中，近井帶裂縫未充填程度較大（見圖4d）。在實驗過程中，先加入的20/40目支撐劑在近井帶沉降，并達(dá)到了較好的鋪置效果；隨后在注入40/70目支撐劑的過程中，由于砂堤上方壓裂液流速大于40/70目支撐劑的平衡流速，40/70目支撐劑幾乎不產(chǎn)生沉降，但已經(jīng)沉降的20/40目支撐劑不斷經(jīng)受攜砂液沖蝕，砂堤高度逐漸減小，造成最終近井帶沉降效果較差。理論上，20/40目支撐劑會先沉降在近井帶，但壓裂過程中砂堤高度的穩(wěn)定是一個動態(tài)過程，支撐劑的沉降和運移不斷在砂堤上方發(fā)生，后期注入的小顆粒支撐劑幾乎不沉降，造成已經(jīng)沉降的支撐劑不斷被沖蝕，在近井帶復(fù)雜流場中，沖蝕作用更加明顯，使得近井帶充填情況變差。

表3 主裂縫的砂堤形態(tài)特征參數(shù)

圖5 支撐劑混合組合的層疊狀分布

方案2，3實驗過程中近井帶未充填程度均低于其他方案（見圖4a，4b）。雖然前期注入的小顆粒支撐劑在近井發(fā)生了沉降，但沉降數(shù)量較少，更多的支撐劑進入了分支縫或向主裂縫深部運移，后期注入的大顆粒支撐劑能夠在近井帶大量沉降而改善近井裂縫的充填。相較于先大后小的支撐劑注入順序，近井未充填程度減小37%，所以在改善近井帶裂縫支撐時，采用先小后大的支撐劑組合方式效果較好。

另外，從圖4b看出：70/140目支撐劑在裂縫中的沉降較少，形成的砂堤高度僅為3 cm左右，在近井帶裂縫中幾乎無沉降。這說明，滑溜水對70/140目支撐劑有較好的攜帶能力，絕大多數(shù)70/140目支撐劑都被攜帶進裂縫深部，40/70目支撐劑形成的砂堤高度在6 cm左右，且起伏不大。因為70/140目支撐劑在近井帶幾乎不沉降，40/70目支撐劑在近井裂縫中鋪置高度有限，所以實驗中近井帶裂縫的支撐主要取決于20/40目支撐劑。

2.3 分支縫中支撐劑運移規(guī)律及效果

支撐劑進入分支縫主要通過2種方式：一是在主裂縫砂堤高度增長過程中，支撐劑由于重力向分支縫中滑落；二是壓裂液的攜帶作用使支撐劑進入分支縫。2種方式一般同時存在，當(dāng)分支縫中攜砂液流量較小時，重力占主導(dǎo)作用（見圖6）。

圖6 方案2實驗過程中支撐劑在30°分支縫中的鋪置情況

由圖6a可知：在方案2實驗前期，40/70目支撐劑在分支縫中形成的砂堤很均勻，此時主裂縫中砂堤高度較小，40/70目支撐劑依靠壓裂液的攜帶作用進入分支縫，沒有因為分支縫中流量變小而發(fā)生快速沉降，整個流場接近水平，形成的砂堤較低，且均勻分布。由圖6b可知：加入20/40目支撐劑后，由于滑溜水對20/40目支撐劑的攜帶能力較差，并且分支縫中流量小，只能使得少量20/40目支撐劑以滾流形式向分支縫中運移；隨著主裂縫中砂堤高度迅速增加，20/40目支撐劑由于重力作用大量向分支縫中滑落，形成了典型的重力作用主導(dǎo)的斜坡狀砂堤形態(tài)；主裂縫中砂堤達(dá)到平衡狀態(tài)后，砂堤高度不再增加，重力對支撐劑進入分支縫的影響作用減弱，此時，支撐劑主要依靠壓裂液的攜帶作用進入分支縫。由圖6c可知：20/40目支撐劑在砂堤上方以滾流的形式進入分支縫，然后向斜坡下方滑落，分支縫中砂堤緩慢向前運移，此時的砂堤高度主要取決于主縫的砂堤高度，砂堤的運移速度取決于壓裂液攜帶進入分支縫中支撐劑的數(shù)量。由于壓裂液對20/40目支撐劑的攜帶能力有限，所以20/40目支撐劑在分支縫中的運移距離較小。由圖7可以看出：方案3實驗過程中，70/140目支撐劑在分支縫中表現(xiàn)出比40/70目支撐劑更好的運移能力。如圖7a所示，70/140目支撐劑注入過程中沒有出現(xiàn)明顯的沉降，支撐劑在壓裂液中分布均勻，分支縫中液流的轉(zhuǎn)向及流量的減小并未對70/140目支撐劑的運移產(chǎn)生明顯影響；如圖7b所示，70/140目支撐劑最終形成的砂堤高度很低，大部分進入分支縫的70/140目支撐劑都能運移到分支縫的深部。70/140目支撐劑優(yōu)異的運移性能對于提高分支縫的支撐縫長及支撐2級分支縫形成有效支撐的縫網(wǎng)具有重要意義。

圖7 方案3實驗過程中支撐劑在30°分支縫中的鋪置情況

前面提到，在方案4條件下，支撐劑在主裂縫中會形成分選，導(dǎo)致層疊分布，這種分選在分支縫中依然存在。實驗前期，進入分支縫的支撐劑以40/70目支撐劑為主，形成了形態(tài)較均勻的砂堤，說明混合時小顆粒支撐劑更容易進入分支縫。由于主裂縫中砂堤高度增長速度很快，2種篩目支撐劑開始以重力作用進入分支縫，此時形成的砂堤中支撐劑以層疊狀分布，大顆粒支撐劑限制了小顆粒支撐劑在分支縫中的運移。由圖8a可以看出：方案5實驗過程中，前期加入20/40目支撐劑時，分支縫中的砂堤形態(tài)依然是斜坡狀，支撐劑最遠(yuǎn)運移距離為1 m，這說明，20/40目支撐劑無論是前期注入，還是后期注入，在分支縫中的運移能力都有限。由圖8b可以看出：后期注入40/70目支撐劑時形成的砂堤也是斜坡狀，但是與前幾組斜坡狀砂堤的成因不同，壓裂液對后期注入的40/70目支撐劑有較好的攜帶能力，但是由于前期形成的20/40目支撐劑斜坡狀砂堤，使得分支縫中流場變?yōu)橄虻撞績A斜的流場。流場改變使得支撐劑損失了部分水平運移速度，垂直沉降速度變快，支撐劑更容易在裂縫入口處大量沉積，支撐劑在分支縫入口的堆積也限制了后續(xù)支撐劑的進入。因此，先大后小的支撐劑注入順序不僅會對近井充填產(chǎn)生消極影響，而且前期分支縫入口處形成的大顆粒支撐劑砂堤會改變流場，使得小顆粒支撐劑在分支縫中的運移距離變短。綜合5組實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)先小后大的支撐劑組合能實現(xiàn)分支縫中支撐劑的最優(yōu)鋪置，且前期需要小于40/70目的支撐劑。

圖8 方案5實驗過程中支撐劑在30°分支縫中的鋪置情況

3 結(jié)論

1）提出了近井帶砂堤角度和近井帶裂縫未充填程度2個參數(shù)，與砂堤平衡高度、裂縫支撐比例、砂堤平衡時間和砂堤非均勻程度等4個參數(shù)形成較完善的砂堤形態(tài)評價體系。分支縫的存在會對分支后主裂縫中的砂堤形態(tài)產(chǎn)生較大影響，對近井帶砂堤形態(tài)影響不大，40/70目支撐劑在復(fù)雜裂縫中有較好的運移能力。

2）混合支撐劑注入時，2種篩目支撐劑呈層疊狀分布，限制了小顆粒支撐劑的運移，40/70目支撐劑優(yōu)先進入分支縫，但主裂縫中砂堤高度增加之后也會出現(xiàn)2種支撐劑層疊狀分布。先大后小的支撐劑組合在前期形成的20/40目支撐劑砂堤后期要經(jīng)受攜砂液的不斷沖蝕，使得近井帶充填效果變差，且20/40目支撐劑在分支縫中形成的斜坡狀砂堤使得后期注入的40/70目支撐劑在分支縫中更容易沉降，運移距離減小。

3）改善近井帶充填和分支縫支撐效果的最優(yōu)組合方式是先小后大的組合，并且前期支撐劑目數(shù)要小于40/70目；70/140目支撐劑在分支縫中有很好的運移能力，對于支撐2級分支縫形成有效支撐縫網(wǎng)具有重要意義。