一種縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)可變的支撐劑運(yùn)移模擬裝置

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

水平井體積壓裂改造技術(shù)在致密油、致密氣、頁巖油、頁巖氣等非常規(guī)油氣資源的成功應(yīng)用，掀起了非常規(guī)油氣資源開發(fā)的熱潮[1～3]。不同于常規(guī)雙翼對稱裂縫壓裂，體積壓裂是通過控制主裂縫的凈壓力，使之高于2個(gè)水平主應(yīng)力的差值，形成以主裂縫、次生裂縫、天然裂縫相互交錯(cuò)的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)[4,5]。支撐劑在復(fù)雜縫網(wǎng)中的運(yùn)移和分布決定著縫網(wǎng)的導(dǎo)流能力，是非常規(guī)油氣儲(chǔ)層獲得高滲透能力的關(guān)鍵。Babcock等[6]、Novotny[7]、Auradou等[8]、溫慶志等[9]、王進(jìn)濤等[10]、 Raimbay等[11]、Babadagli等[12]運(yùn)用單縫平板模型研究常規(guī)雙翼裂縫中支撐劑的運(yùn)移和鋪置規(guī)律以及影響因素。由于體積壓裂改造體積表征的局限性，復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)中支撐劑運(yùn)移和分布的實(shí)驗(yàn)研究相對較少。筆者在單縫平板模型的基礎(chǔ)上，基于DFN(離散化縫網(wǎng))模型和HFN(線網(wǎng))模型這2種主要體積壓裂縫網(wǎng)理論模型[13,14]，研制了一套縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)可變、可視化的長方體狀復(fù)雜縫網(wǎng)模型，以有效研究支撐劑在不同結(jié)構(gòu)縫網(wǎng)中的運(yùn)移和分布規(guī)律，為體積壓裂加砂方案的優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)。

1 縫網(wǎng)理論模型

1.1 DFN模型

DFN模型是基于自相似原理及Warren和Root提出的雙重介質(zhì)模型建立的，其幾何模型示意圖如圖1所示。假設(shè)壓裂改造體積為橢球體，包含1條主裂縫和多條次生裂縫。主裂縫縫寬和次生裂縫縫寬恒定，次生縫縫寬與主裂縫縫寬之比為定值。主裂縫垂直于水平最小主應(yīng)力σh；次生裂縫分別垂直于σh、水平最大主應(yīng)力σH和垂向主應(yīng)力σv，在3個(gè)方向進(jìn)行離散化擴(kuò)展。

1.2 HFN模型

HFN模型基于流體滲流方程及連續(xù)性方程，其幾何模型示意圖如圖2所示。假設(shè)壓裂改造體積為橢圓柱體，包含分別垂直于σh、σH的2簇裂縫，每簇裂縫的縫寬和縫高恒定。

圖1 DFN幾何模型示意圖 圖2 HFN幾何模型示意圖

DFN模型、HFN模型都是假設(shè)壓裂儲(chǔ)層改造體積由離散化正交裂縫簇與儲(chǔ)層基質(zhì)巖石雙重介質(zhì)組成，不同的是壓裂儲(chǔ)層改造體積的形狀。基于縫網(wǎng)理論模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置研制的便利性與可操作性，假設(shè)縫網(wǎng)模型為長方體，包含1條主裂縫，多條次生垂直裂縫，主裂縫縫寬、次生裂縫縫寬、縫高均恒定。

2 復(fù)雜縫網(wǎng)試驗(yàn)裝置

注：1-混砂儲(chǔ)液罐；2-G25型螺桿泵； 3-結(jié)構(gòu)可變的縫網(wǎng)模型。圖3 復(fù)雜縫網(wǎng)試驗(yàn)裝置

模擬支撐劑運(yùn)移的長方體狀復(fù)雜縫網(wǎng)試驗(yàn)裝置如圖3所示。該裝置由混砂儲(chǔ)液罐、G25型螺桿泵、結(jié)構(gòu)可變的縫網(wǎng)模型3部分組成。

2.1 混砂儲(chǔ)液罐

攪拌機(jī)型號YB2-90-4，功率1.5kW，轉(zhuǎn)速60r/min。通過攪拌獲得壓裂液流體和支撐劑顆?；旌暇鶆虻臄y砂液并儲(chǔ)存在罐中。

2.2 G25型螺桿泵

G25型螺桿泵的定子選用彈性材料制成，既可以輸送高黏度的流體，也可輸送含有硬質(zhì)懸浮介質(zhì)或含有纖維介質(zhì)的流體。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速960r/min，排量2m3/h，壓力0.6MPa，電機(jī)功率1.5kW。

2.3 結(jié)構(gòu)可變的縫網(wǎng)模型

2.3.1 模型設(shè)計(jì)

對于存在天然裂縫的復(fù)雜滲流系統(tǒng)，或者水力壓裂誘導(dǎo)裂縫與天然裂縫相互連通的復(fù)雜縫網(wǎng)系統(tǒng)，在一定的假設(shè)條件下，通過離散化模擬處理均可得到較好的應(yīng)用效果。因此，采用耐壓2MPa、厚度25mm的有機(jī)玻璃板構(gòu)造一個(gè)儲(chǔ)層改造體積形狀為長方體的、結(jié)構(gòu)可變的復(fù)雜縫網(wǎng)模擬模型，如圖4和圖5所示。

圖4 結(jié)構(gòu)可變縫網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)

圖4(a)為模型整體結(jié)構(gòu)圖，包括模擬射孔的井筒入口端、復(fù)雜縫網(wǎng)系統(tǒng)、流體流動(dòng)的出口端。圖4(b)為復(fù)雜縫網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包含1條貫穿裝置入口和出口的600mm×10mm×400mm主裂縫；2條與主裂縫的間距相等，平行分布于主裂縫兩側(cè)的600mm×5mm×400mm三級裂縫；6條兩兩對稱分布于主裂縫兩側(cè)并垂直于主裂縫的300mm×5mm×400mm二級裂縫，主裂縫與次生裂縫的縫寬比為0.5。詳細(xì)參數(shù)見表1。

圖5 結(jié)構(gòu)可變縫網(wǎng)模型實(shí)物

主裂縫縫長/m次生裂縫縫長/m三級裂縫縫長/m縫高/m主裂縫縫寬/m次生裂縫縫寬/m裂縫總體積/cm3上限排量/(m3·min-1)0.60.30.60.40.010.005144003

圖5為結(jié)構(gòu)可變縫網(wǎng)模型實(shí)物，圖5(a)中箭頭表示流體在裂縫中的流動(dòng)方向，圖5(b)入口端設(shè)計(jì)帶有4個(gè)孔徑為10mm的射孔井筒，每個(gè)孔眼對應(yīng)設(shè)置一個(gè)閥門，通過調(diào)節(jié)閥門可自由調(diào)節(jié)射孔的數(shù)量、射孔位置。圖5(c)出口端包括5個(gè)出口閥，可以自由調(diào)節(jié)出口排量，方便裝置的清理工作。另外，還包括一定長度、寬度和厚度的相同有機(jī)玻璃板，可以封堵裝置中的裂縫，形成不同的裂縫結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)可變的目的。

2.3.2 縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)

縫網(wǎng)平板模型利用有機(jī)玻璃板封堵裂縫的方式，可獲得不同的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)。圖6(a)為“一”型縫網(wǎng)用來模擬常規(guī)壓裂形成的1條主裂縫；圖6(b)為“T”型縫網(wǎng)模擬1條主裂縫+ 1條縫口附近二級裂縫的情況；圖6(c)為“十”型縫網(wǎng)模擬1條主裂縫+縫口附近對稱分布2條二級裂縫的情況；圖6(d)為“TT”型縫網(wǎng)模擬1條主裂縫+2條不同位置的二級裂縫的情況；圖6(e)為“TF”型縫網(wǎng)模擬1條主裂縫+1條中間位置二級裂縫+1條端部位置二級裂縫的情況；圖6(f)為“H”型縫網(wǎng)模擬1條主裂縫+1條縫口附近二級裂縫+1條三級裂縫的情況。

3 應(yīng)用

圖6 可變縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 縫網(wǎng)節(jié)點(diǎn)支撐劑分流轉(zhuǎn)向

為方便操作與裝置清洗，選用清水作為攜砂流體，研究6種縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)對支撐劑沉降規(guī)律的影響。排量為0.16m3/h，含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，砂粒目數(shù)為20～40。步驟如下：①先在低壓下將清水注入縫網(wǎng)平板模型中循環(huán)，檢查裝置的密封性，確認(rèn)密封后，放空；②在混砂儲(chǔ)液罐中配制含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的攜砂液，啟動(dòng)螺桿泵，調(diào)節(jié)排量至0.16m3/h，泵注攜砂液至縫網(wǎng)平板模型中；③觀察砂堤的形成過程，記錄相關(guān)現(xiàn)象。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，支撐劑在縫網(wǎng)中的運(yùn)移過程，會(huì)在縫網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生分流現(xiàn)象，使一部分支撐劑“轉(zhuǎn)向”進(jìn)入次生裂縫(見圖7)，形成一個(gè)空間三維立體形態(tài)的砂堤。為了更形象地描述支撐劑分流轉(zhuǎn)向，運(yùn)用繪圖軟件構(gòu)建6種縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)的整體砂堤形態(tài)示意圖，如圖8所示。

對不同基本結(jié)構(gòu)中的主裂縫與二級裂縫中的砂堤形態(tài)進(jìn)行分析，將每條縫中的砂堤形態(tài)數(shù)字化，如圖9所示。支撐劑在復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)交叉節(jié)點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)分流，引起主裂縫砂堤形態(tài)的“突降”(見圖9(a))，這是由于在主裂縫中流速大，分流速度小，交叉節(jié)點(diǎn)處的支撐劑在主裂縫的流體沖刷作用下繼續(xù)運(yùn)移，導(dǎo)致砂堤的突降；而支撐劑在縫口附近二級裂縫分流，呈現(xiàn)出“斜坡狀”的砂堤形態(tài)(見圖9(b))，由于分流速度小，沖刷作用弱，顆粒主要依靠自身重力沉降。

4 結(jié)論

1) 研制的長方體狀復(fù)雜縫網(wǎng)試驗(yàn)裝置是一套縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)可變的、可視化的支撐劑運(yùn)移模擬裝置，可進(jìn)行“—”、“+”、“T”、“TT”、“TF”、“H”型等不同縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)支撐劑運(yùn)移規(guī)律的模擬。

圖8 不同縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)砂堤形態(tài)示意圖

圖9 砂堤形態(tài)數(shù)字化

2) 利用該裝置開展了不同縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)下的支撐劑運(yùn)移研究。支撐劑在復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)交叉節(jié)點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)分流，呈現(xiàn)出“突降”的砂堤形態(tài)；支撐劑在縫口附近二級裂縫分流，呈現(xiàn)出“斜坡狀”的砂堤形態(tài)。