壓裂裂縫內(nèi)支撐劑沉降及運移規(guī)律研究現(xiàn)狀與展望

萬紅碧 李天柱

摘 ?????要：世界范圍內(nèi)非常規(guī)油氣藏具有儲藏面積大、儲量巨大、開發(fā)潛力大的特點。當前對于開發(fā)非常規(guī)油氣藏占有重要的增產(chǎn)改造的手段就是利用水力壓裂對油氣儲層進行壓裂改造。由于在水力壓裂過程中，儲層壓裂改造的最終效果取決于由裂縫內(nèi)支撐劑的沉降及運移規(guī)律影響著的支撐劑顆粒在壓裂裂縫內(nèi)的鋪置情況。因此，研究壓裂裂縫內(nèi)支撐劑沉降及運移規(guī)律對未來增加非常規(guī)油氣藏的產(chǎn)量極具必要性。根據(jù)非常規(guī)油氣藏水力壓裂后裂縫中支撐劑的沉降和運移規(guī)律研究現(xiàn)狀和發(fā)展歷史，探討了壓裂裂縫中支撐劑沉降和運移規(guī)律的發(fā)展趨勢。

關(guān) ?鍵 ?詞：水力壓裂;理論研究;室內(nèi)研究;數(shù)值模擬

中圖分類號：TE 357 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）08-1775-04

Abstract： The unconventional oil and gas reservoirs in the world have the characteristics of large storage area， huge reserves and great development potential. At present， hydraulic fracturing is an important means of stimulating unconventional oil and gas reservoirs. In the process of hydraulic fracturing， the final effect of reservoir fracturing depends on the distribution of proppant particles in the fractured fracture， which is influenced by the deposition and migration of proppant in the fracture. Therefore， it is necessary to study the deposition and migration of proppant in fractured fracture to increase the production of unconventional reservoirs in the future. According to the research status and development history of proppant settlement and migration law in unconventional reservoirs after hydraulic fracturing， the research trend of proppant settlement and migration law in fractured fractures was discussed.

Key words： Hydraulic fracturing; Theoretical research; Laboratory research; Numerical simulation

目前我國，各大老油田油氣開采產(chǎn)量逐漸遞減、同時常規(guī)油氣資源產(chǎn)量后續(xù)補充跟不上能源消耗，致使油氣產(chǎn)量已經(jīng)無法滿足中國經(jīng)濟發(fā)展的需求。世界各地新開發(fā)出的油氣儲藏中，致密砂巖氣和頁巖氣等非常規(guī)油氣資源在世界油氣儲藏中占據(jù)的比例不斷擴大，被國內(nèi)外學(xué)者稱為常規(guī)油氣能源的接替者，因此非常規(guī)油氣資源的開發(fā)越來越得到人們的重視[1，2]。由于利用于常規(guī)油氣藏的開采方式已經(jīng)無法適用于包括頁巖氣在內(nèi)的非常規(guī)油氣資源的開發(fā)，因此選取適用、有效的開采方式是充分開發(fā)非常規(guī)油氣資源的首要目標。水力壓裂成為非常規(guī)油氣藏獲得自然產(chǎn)能的主要技術(shù)之一，使得非常規(guī)油氣藏開發(fā)產(chǎn)出油氣符合工業(yè)產(chǎn)量的要求 [3，4]。水力壓裂技術(shù)是通過地面上的高壓泵車向地層注入大于地層壓力的高壓流體，在地層中憋起的高壓流體通過射孔使地層巖石破裂，形成一條或多條的裂縫結(jié)構(gòu)，之后將壓裂液與支撐劑的混合物輸送到壓裂裂縫內(nèi)，使得經(jīng)過壓裂過后的裂縫在支撐劑顆粒的填充、支撐的作用下形成具有高導(dǎo)流能力的填砂裂縫。其中，要想獲得填砂裂縫內(nèi)的導(dǎo)流能力強的效果，則壓裂裂縫內(nèi)中形成支撐劑的砂堤形態(tài)就必須滿足裂縫高導(dǎo)流能力的條件。

因此研究壓裂裂縫內(nèi)支撐劑的沉降及運移規(guī)律對裂縫內(nèi)形成合理的砂堤形態(tài)與壓裂增產(chǎn)效果具有重要意義。

針對壓裂裂縫內(nèi)支撐劑的沉降及運移問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者對其進行了大量的理論研究、室內(nèi)試驗及數(shù)值仿真模擬研究，研究了裂縫結(jié)構(gòu)、壓裂液類型及濃度、支撐劑性質(zhì)、砂濃度等多種影響因素對壓裂裂縫內(nèi)支撐劑的沉降及運移的作用效果。因此本文將從壓裂裂縫內(nèi)支撐劑的沉降及運移規(guī)律的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢展開論述與分析。

1 ?國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 ?理論研究

Stokes[5]用解析方法求解出了單顆粒支撐劑在理想狀態(tài)下的自由沉降速度和阻力系數(shù)計算公式，但是使用范圍僅限于層流（即雷諾數(shù)<1的情況下），與忽略慣性項作用的條件下。

A.T.Unwin和P.S.Hammondp[6]結(jié)合Lax-Wendroff解法提出了支撐劑在自身重力下沉降和在對流狀態(tài)下的運移模型，解法卻極為繁瑣。

Novotoy[7]研究了牛頓與非牛頓流體中支撐劑顆粒的沉降運移情況，建立了支撐劑在牛頓與非頓兩種流體中的沉降速度公式，并修正了沉降速度在砂比與壁面效應(yīng)作用下的數(shù)值。

2.2 ?理論模型與仿真模擬逐漸成熟化發(fā)展

對于壓裂裂縫內(nèi)支撐劑的沉降及運移規(guī)律的研究，最開始只是針對單個支撐劑顆粒在靜止液體中的理論研究、公式推導(dǎo)，建立單顆粒在流體中的運動力學(xué)機制，沒有考慮到流體與顆粒、顆粒與顆粒之間的相互影響，所以很難準確的表達裂縫內(nèi)支撐劑的運動機理。近年來，隨著數(shù)學(xué)、計算機等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的迅速發(fā)展，支撐劑沉降、運移數(shù)學(xué)模型的建立與完善、顆粒流及計算流體力學(xué)仿真軟件的研發(fā)方面取得不小的進展，尤其是在數(shù)值仿真模擬方面。人們利用多種比較成熟的商業(yè)仿真模擬軟件對裂縫中支撐劑的沉降及運移規(guī)律進行模擬，驗證支撐劑理論方程的正確性。因此，結(jié)合物理實驗結(jié)果完善理論數(shù)學(xué)模型、提高計算機仿真模擬軟件的精度、進一步開發(fā)與應(yīng)用仿真模擬軟件，為現(xiàn)場施工提高更加有力的設(shè)計基礎(chǔ)是未來的一個最重要的發(fā)展趨勢。

3 ?結(jié)束語

隨著世界石油行業(yè)對壓裂裂縫深入的研究與對頁巖氣等非常規(guī)油氣藏開發(fā)的需要，壓裂裂縫內(nèi)的支撐劑沉降及運移規(guī)律是現(xiàn)在非常規(guī)油氣藏壓裂急需解決的關(guān)鍵問題之一。油田現(xiàn)場施工過程中，攜砂液排量、支撐劑性質(zhì)、泵注壓力等參數(shù)，只能憑借有經(jīng)驗的現(xiàn)場工作人員確定，缺少理論依據(jù)，導(dǎo)致現(xiàn)場出現(xiàn)各種問題，儲層壓裂效果不理想。所以只有支撐劑在裂縫內(nèi)沉降及運移規(guī)律方面的研究成果更加顯著，才能準確的預(yù)測流體黏度、支撐劑密度、粒徑、砂比、壁面效應(yīng)及現(xiàn)場施工條件等多種因素對支撐劑的鋪置情況的影響。設(shè)計出更為科學(xué)、合理、優(yōu)化的支撐劑輸送方案，更加有效地指導(dǎo)現(xiàn)場施工，增加非常規(guī)油氣藏的產(chǎn)量。

4 ?創(chuàng)新點

現(xiàn)在國內(nèi)外學(xué)者研究的都是理想化的顆粒沉降理論公式，并沒有考慮在流動過程中顆粒與顆粒之間的相互作用力、流體與顆粒之間的相互作用力、裂縫壁面對顆粒的作用力以及地層內(nèi)溫度對流體黏度的影響，所以今后要從上述幾個方面建立、完善顆粒運動的理論模型，同時現(xiàn)在的室內(nèi)試驗裝置都是利用表面光滑的有機玻璃板進行的支撐劑輸送實驗，但是實際的巖石裂縫壁面都是表面凹凸不平的，這樣就對實驗數(shù)據(jù)結(jié)果造成了一定的影響。所以今后要從研發(fā)實驗裝置的材料方面下功夫，同時可以在材料內(nèi)部加入電阻絲，之后利用計算機控制溫度，來模擬地溫，模擬地層溫度對攜砂液的影響關(guān)系。

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