支撐劑在復(fù)雜縫網(wǎng)中的沉降運(yùn)移規(guī)律研究

溫慶志，段曉飛，戰(zhàn)永平，劉 華，李 楊，王淑婷

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

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支撐劑在復(fù)雜縫網(wǎng)中的沉降運(yùn)移規(guī)律研究

溫慶志，段曉飛，戰(zhàn)永平，劉 華，李 楊，王淑婷

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

摘要：為研究體積壓裂過(guò)程中支撐劑在復(fù)雜縫網(wǎng)中的沉降運(yùn)移規(guī)律，以離散化縫網(wǎng)模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用復(fù)雜縫網(wǎng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)6種結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)進(jìn)行支撐劑沉降運(yùn)移規(guī)律實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：距井筒較近的節(jié)點(diǎn)，主裂縫砂堤形態(tài)垂直高度上出現(xiàn)“突變”現(xiàn)象，而較遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)，未出現(xiàn)“突變”現(xiàn)象；不同結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)，支撐劑在主裂縫中運(yùn)移距離大小依次為：“一”型結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)、“T”型結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)、“H”型結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)、“TF”型結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)、“雙T”型結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)、“十”型結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)；距離井筒較近的次生裂縫中，砂堤形成過(guò)程是攜砂液攜砂作用和支撐劑重力共同作用的結(jié)果，而距離較遠(yuǎn)的次生裂縫中砂堤形成過(guò)程中支撐劑的自身重力起主要作用。

關(guān)鍵詞：體積壓裂；復(fù)雜縫網(wǎng)；縫網(wǎng)形態(tài)；支撐劑沉降運(yùn)移

溫慶志,段曉飛,戰(zhàn)永平,等.支撐劑在復(fù)雜縫網(wǎng)中的沉降運(yùn)移規(guī)律研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,31(1):79-84.

WEN Qingzhi,DUAN Xiaofei,ZHAN Yongping,et al.Study on settlement and migration law of proppant in complex fracture network[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(1):79-84.

引言

體積壓裂技術(shù)能夠在主裂縫上形成多條分支縫或者溝通天然裂縫，最終形成不同于常規(guī)壓裂的復(fù)雜縫網(wǎng)，提高裂縫導(dǎo)流能力，增加油氣井產(chǎn)量[1-5]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)復(fù)雜縫網(wǎng)的研究側(cè)重于模型建立、參數(shù)優(yōu)化等，對(duì)復(fù)雜縫網(wǎng)中支撐劑的沉降運(yùn)移規(guī)律研究較少。復(fù)雜縫網(wǎng)中，支撐劑能否進(jìn)入次生裂縫，并在主裂縫和次生裂縫中形成有效的支撐，決定了復(fù)雜縫網(wǎng)的導(dǎo)流能力和體積壓裂改造的增產(chǎn)效果[6-10]。為了研究支撐劑在不同結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)中的沉降運(yùn)移規(guī)律，展開(kāi)了以下兩個(gè)方面的研究：①以復(fù)雜縫網(wǎng)理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)“復(fù)雜縫網(wǎng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置”；②運(yùn)用該裝置進(jìn)行支撐劑沉降運(yùn)移實(shí)驗(yàn)，分析得到支撐劑在不同結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)中的沉降運(yùn)移規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考。

1實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

體積壓裂容易產(chǎn)生次生裂縫，形成交互縫網(wǎng)系統(tǒng)。為了研究復(fù)雜縫網(wǎng)中支撐劑沉降運(yùn)移規(guī)律，將地下復(fù)雜縫網(wǎng)離散化得到正交立體的縫網(wǎng)物理模型(圖1)。依據(jù)該物理模型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置原理圖，如圖2所示。

圖1　離散化縫網(wǎng)模型Fig.1　Discrete model of fracture network

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置原理Fig.2　Principle diagram of experiment device

該裝置主體為一個(gè)3×3的結(jié)構(gòu)，包括9個(gè)裂縫節(jié)點(diǎn)，一條主裂縫，6條垂直于主裂縫的二級(jí)裂縫(次生裂縫)，兩條平行于主裂縫的三級(jí)裂縫。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3　實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.3　Physical pictures of experiment device

1.2實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案封堵部分裂縫，形成需要的結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)，密封裝置；在儲(chǔ)液罐中配制所需黏度的壓裂液，暫不加入支撐劑；開(kāi)啟小型螺桿泵，向整個(gè)裝置泵入壓裂液，并達(dá)到循環(huán)狀態(tài)；按照砂比要求將壓裂液與支撐劑混合均勻。攜砂液經(jīng)泵的輸送進(jìn)入裝置，并循環(huán)回到混砂罐。實(shí)驗(yàn)中，使用高速攝像機(jī)記錄支撐劑在裝置中的沉降運(yùn)移及砂堤幾何形態(tài)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2實(shí)驗(yàn)研究

2.1縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)支撐劑沉降運(yùn)移規(guī)律的影響

2.1.1實(shí)驗(yàn)方案不同結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)中，支撐劑沉降規(guī)律不同。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置特點(diǎn)，使用相似性準(zhǔn)則，確定實(shí)驗(yàn)方案，并以節(jié)點(diǎn)分析法為基礎(chǔ)，根據(jù)次生裂縫與井筒的距離，設(shè)計(jì)6種結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)，如圖4所示。

表2　實(shí)驗(yàn)方案

圖4　6種縫網(wǎng)Fig.4　Six fracture configurations

按照上述實(shí)驗(yàn)方案，觀察不同形態(tài)縫網(wǎng)下支撐劑的沉降規(guī)律，分析縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)支撐劑沉降運(yùn)移規(guī)律的影響。

2.1.2縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)主裂縫砂堤形態(tài)的影響根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，觀察不同結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)下支撐劑的沉降運(yùn)移狀態(tài)，并用軟件繪制裂縫中的砂堤形態(tài)如圖5所示。

圖5　“一”型結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)主裂縫中砂堤形態(tài)Fig.5　Morphology of the sand dike in the main fracture of “一” -shaped fracture configuration

從圖5中可以看出砂堤基本呈斜坡?tīng)睢?yīng)用相同的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)其余5種結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行對(duì)比(圖6)。為表述方便，對(duì)裝置中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記并命名(圖7)。結(jié)果表明，砂堤形態(tài)在靠近井筒節(jié)點(diǎn)位置垂直高度上出現(xiàn)“突變”現(xiàn)象，在縫網(wǎng)節(jié)點(diǎn)位置，攜砂液分流，支撐劑隨攜砂液“轉(zhuǎn)向”進(jìn)入次生裂縫并形成砂堤。支撐劑分流導(dǎo)致主裂縫中支撐劑的量減少，節(jié)點(diǎn)之后砂堤高度的增加速度比節(jié)點(diǎn)之前小，隨著時(shí)間的累積，出現(xiàn)砂堤垂直高度上的“突變”。如圖6所示，節(jié)點(diǎn)處距離井筒較遠(yuǎn)，攜砂液速度大幅度減小，攜砂能力降低，進(jìn)入二級(jí)裂縫的攜砂液基本不攜砂，主裂縫砂堤形態(tài)并未出現(xiàn)“突變”。

圖6　6種結(jié)構(gòu)裂縫主裂縫砂堤形態(tài)對(duì)比Fig.6　Morphology comparison of the sand dike in the main fracture of six fracture configurations

圖7　節(jié)點(diǎn)分布圖Fig.7　Node distribution map

分析6種結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)主裂縫中支撐劑的運(yùn)移距離如圖8所示。

從圖8中得到，主裂縫中支撐劑運(yùn)移距離由大到小依次為：“一”型縫網(wǎng)、“T”型縫網(wǎng)、“H”型縫網(wǎng)、“TF”型縫網(wǎng)、“雙T”型縫網(wǎng)、“十”型縫網(wǎng)。表3中定量對(duì)比了每一種結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)與“一”型結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)主裂縫中支撐劑的運(yùn)移距離。結(jié)果表明：次生裂縫越靠近井筒位置數(shù)量越多，支撐劑在主裂縫內(nèi)的運(yùn)移距離降低幅度越大；三級(jí)裂縫對(duì)支撐劑在主裂縫中運(yùn)移距離的影響較二級(jí)裂縫大幅度減小。

圖8　支撐劑在主裂縫中的運(yùn)移距離Fig.8　Comparison of proppant migration distance in the main fracture of six fracture configurations

2.1.3縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)次生裂縫砂堤形態(tài)的影響距離井筒較近的次生裂縫，支撐劑隨攜砂液一起轉(zhuǎn)向由主裂縫進(jìn)入次生裂縫，并沉降下來(lái)形成砂堤；距離井筒位置較遠(yuǎn)的次生裂縫，攜砂液攜砂能力較低，支撐劑在靠近節(jié)點(diǎn)的位置基本依靠自身重力從砂堤頂部滾落至次生裂縫中形成“斜坡”狀砂堤，并隨著時(shí)間整體向前推進(jìn)。兩種作用下支撐劑形成的砂堤均呈“斜坡”狀，如圖9所示。

表3　支撐劑在主裂縫中的運(yùn)移距離

圖9　次生裂縫砂堤形態(tài)Fig.9　Morphologic data of the sand dike in the secondary fractures under five fracture network configurations

同一節(jié)點(diǎn)處砂堤形態(tài)見(jiàn)圖10。

支撐劑隨著壓裂液在節(jié)點(diǎn)處分流，主裂縫中壓裂液的攜砂能力遠(yuǎn)大于次生裂縫，大部分支撐劑隨著壓裂液在主裂縫中沉降下來(lái)，少部分支撐劑“轉(zhuǎn)向”分流進(jìn)入次生裂縫，最終在節(jié)點(diǎn)形成的砂堤高度的順序?yàn)椋汗?jié)點(diǎn)之前>節(jié)點(diǎn)之后>次生裂縫。

圖10　節(jié)點(diǎn)處各方位砂堤高度分布Fig.10　Sand dike height in different directions of a node

3理論分析

支撐劑的豎直沉降速度受縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響較小，可忽略不計(jì)。本文重點(diǎn)研究支撐劑的水平運(yùn)移速度，其大小與攜砂液速度的關(guān)系隨著砂比的變化而變化。Tehrani、Barree等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得到在砂比低于10%時(shí)支撐劑水平運(yùn)移速度與攜砂液流速幾乎相等；在砂比高于10%時(shí)，水平運(yùn)移速度小于攜砂液流速。上述實(shí)驗(yàn)采用砂比為10%，認(rèn)為支撐劑水平運(yùn)移速度與攜砂液速度相等。而直接研究支撐劑水平運(yùn)移速度較為困難，所以將攜砂液流速等效為支撐劑水平運(yùn)移速度。以“十”型縫網(wǎng)為例研究攜砂液在節(jié)點(diǎn)處的流動(dòng)規(guī)律。

圖11　“十”型節(jié)點(diǎn)處攜砂液分流示意圖Fig.11　Distributary pattern of sand carrying fluid at “十” node

攜砂液在節(jié)點(diǎn)處的流動(dòng)規(guī)律滿足伯努利方程[11-12]，如圖11所示，假設(shè)攜砂液從斷面1-1處流入，在節(jié)點(diǎn)處分流進(jìn)入斷面2-2、3-3和4-4。在斷面1-1、2-2、3-3和4-4處攜砂液的壓力、流量和速度分別為p1、Q1、v1，p2、Q2、v2，p3、Q3、v3和p4、Q4、v4。建立方程組(1)。

(1)

ζ1-2=1.5,ζ1-3=1.0,ζ1-4=1.5；Q=Av；Q1=Q2+Q3+Q4。

其中ζ1-2、ζ1-3、ζ1-4分別為節(jié)點(diǎn)處攜砂液從斷面1-1流向斷面2-2、3-3和4-4時(shí)的局部阻力系數(shù)。解得

(2)

從上述結(jié)果中可以看出，垂直于斷面1-1的斷面2-2和4-4中攜砂液的速度遠(yuǎn)小于斷面3-3處的攜砂液速度。攜砂液速度大幅度減小直接影響攜砂能力大小。用該理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4。

表4　清水?dāng)y砂液“十”型結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)節(jié)點(diǎn)4位置

可以看出理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，說(shuō)明理論模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，同時(shí)也從理論上證明了支撐劑在節(jié)點(diǎn)位置的運(yùn)移規(guī)律。

4結(jié)論

(1)依據(jù)離散化縫網(wǎng)物理模型和相似準(zhǔn)則， 研制了“復(fù)雜縫網(wǎng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置”，運(yùn)用該裝置可以進(jìn)行多種類型縫網(wǎng)的支撐劑沉降運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)研究。

(2)支撐劑在縫網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處分流，導(dǎo)致砂堤形態(tài)在豎直方向上出現(xiàn)“突變”，使節(jié)點(diǎn)處支撐劑有效支撐減小，導(dǎo)流能力降低，增加了油氣在縫網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處的流動(dòng)阻力。

(3)不同結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)，支撐劑在主裂縫中運(yùn)移距離的大小順序?yàn)椋骸耙弧毙徒Y(jié)構(gòu)縫網(wǎng)>“T”型結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)>“H”型結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)>“TF”型結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)>“雙T”型結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)>“十”型結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)。

(4)靠近井筒的次生裂縫中砂堤的形成過(guò)程是攜砂液的攜砂作用和支撐劑的重力共同作用的結(jié)果，而距離較遠(yuǎn)的次生裂縫中砂堤的形成過(guò)程則是支撐劑的自身重力起到主要作用。

(5)以伯努利方程為基礎(chǔ)，建立節(jié)點(diǎn)處攜砂液流動(dòng)理論模型，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差小于5%。

參 考 文 獻(xiàn)：

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責(zé)任編輯：賀元旦

DOI：10.3969/j.issn.1673-064X.2016.01.013中圖分類號(hào)：TE348

文章編號(hào)：1673-064X(2016)01-0079-06

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2015-10-25

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金“頁(yè)巖氣藏水平井滑溜水壓裂支撐劑輸送機(jī)理研究”(編號(hào)：ZR2012EEM001)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(編號(hào)：13CX02051A)

作者簡(jiǎn)介：溫慶志(1976-)，男，副教授，從事低滲透油氣藏增產(chǎn)機(jī)理方面的研究。E-mail:wenqingzhi@163.com

Study on Settlement and Migration Law of Proppant in Complex Fracture Network

WEN Qingzhi,DUAN Xiaofei,ZHAN Yongping,LIU Hua,LI Yang,WANG Shuting

(Faculty of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,Shandong,China)

Abstract:For the study on the settlement and migration law of proppant in complex fracture network,a complex fracture network simulation experiment device was designed based on discrete model.The settlement and migration laws of proppant in 6 types of complex fracture networks were studied using this experiment device.The experimental results show that,an abrupt change occurred in the sand dike height of the main crack at the nodes near the wellbore,while it would not occurred at the nodes far from the wellbore;the sorting of the migration distance of proppant in the main fracture of different fracture networks from big to small is "一"-shaped fracture network,"T"-shaped fracture network,"H"-shaped fracture network,"TF"-shaped fracture network,"double T"-shaped fracture network,"+"-shaped fracture network;the formation of sand dike in the secondary fractures near the wellbore is the combined action result of the sand carrying effect of fracturing liquid with the gravity of proppant,while the formation of sand dike in the secondary fractures far from the wellbore is only due to the action result of the gravity of proppant.The research on the settlement and migration law of the proppant in different fracture networks can provide a reference for the construction of the volume fracturing,and it is helpful to improving the seepage capability of the fracture network and increasing the output of oil and gas wells.

Key words:volume fracturing;complex fracture network;morphology of fracture network;settlement and migration of proppant