滑溜水壓裂主裂縫支撐劑運移模擬實驗研究

脫直霖

（西安石油大學石油工程學院，陜西 西安 710065）

目前滑溜水壓裂主要應用于煤層氣與頁巖氣［1］?；锼畨毫延直环Q為清水壓裂，這是因為他的黏度低，所以使用滑溜水壓裂液將支撐劑輸送到裂縫中時運移規(guī)律會區(qū)別于以往。但是滑溜水壓裂液的黏度較低，所以難以將支撐劑更好的輸送到裂縫深處。能否將支撐劑有效的填充鋪置到已壓開的裂縫中形成擁有有效導流能力的裂縫成為滑溜水壓裂的關鍵所在，直接決定了壓后增產(chǎn)效果［2］?？梢?，支撐劑在裂縫中運移沉降后形成的砂堤形態(tài)的好壞，對于壓裂增產(chǎn)效果有很大的影響。

1 物理實驗

1.1 實驗裝置

本文實驗采用 “水力壓裂裂縫與射孔模擬實驗系統(tǒng)”來進行，模擬滑溜水壓裂主裂縫的支撐劑運移過程。主要包括注入系統(tǒng)，裂縫模擬系統(tǒng)，測量檢測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，操控系統(tǒng)以及廢液回收系統(tǒng)。其中單一裂縫模擬裝置，裂縫長度：3000mm，裂縫高度：500mm，裂縫寬度：12mm。

裂縫模擬系統(tǒng)可以模擬施工現(xiàn)場的壓裂液在裂縫中的攜砂運移情況，觀察支撐劑在裂縫中的運移，由于裂縫是由兩塊透明有機玻璃板組成的，所以可以很輕易的觀察到支撐劑形成的砂堤形態(tài)；兩端有活接頭，可以將裂縫模擬裝置翻轉(zhuǎn)不同的角度，以便滿足水平，垂直及各種不同角度的裂縫；密封性良好；底部有支撐物，可以支撐起沉重的裂縫模擬裝置；進出口位置處各有三個均勻排列的通道，且相互對稱；進出口設備上擁有閥門，可以自由調(diào)節(jié)流量的大小。

1.2 實驗方案

本文模擬主裂縫內(nèi)的支撐劑運移與沉降的規(guī)律?，F(xiàn)在許多文獻資料中對于描述裂縫內(nèi)砂堤形態(tài)的參數(shù)有平衡時間，平衡高度，砂堤前緣高度，砂堤前緣距縫口距離和砂堤前緣坡度。其中砂堤前緣距縫口距離和砂堤前緣坡度是由西南石油大學的李靚［3］在描述砂堤形態(tài)時引入的。在實驗室中可以模擬各種不同情況下的支撐劑運移，用控制變量的方法針對不同影響因素來探究支撐劑顆粒在主裂縫內(nèi)的運移鋪置規(guī)律。實驗方案見表1。

表1 實驗方案

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 施工排量對主裂縫內(nèi)支撐劑運移的影響規(guī)律

選取實驗方案表1中的1、2、3進行室內(nèi)試驗研究，排量為3m3／h、4m3／h、5m3／h時對支撐劑運移的影響。為了方便對照，均取透明平板裂縫的全部 （300cm）來進行研究。見表2。

在保持支撐劑粒徑與密度，砂比等影響因素保持不變時，施工排量越大，則攜砂液進入裂縫內(nèi)的流速就會越大，就會攜帶支撐劑到裂縫深處時才開始沉降，所以才有了上表中砂堤前緣距離隨著施工排量的增加而增加。排量越大會使湍流強度增加將支撐劑帶到裂縫深處沉降，砂堤前緣高度減小。砂堤平衡高度上方為過流斷面，排量越大過流斷面就越大，砂堤高度平衡則減小。越大的施工排量在一定時間內(nèi)輸送的支撐劑顆粒就越多，支撐劑顆粒間的相互干擾就越強烈，更易沉降，平衡時間減小。

2.2 支撐劑粒徑對主裂縫內(nèi)支撐劑運移的影響規(guī)律

選取實驗方案表1中的4、8、9、10來研究不同粒徑 （0.64mm、0.45mm、0.32mm、0.21mm）對支撐劑的運移影響。為了方便對照，均取透明平板裂縫的全部 （300cm）來進行研究。見表3。

支撐劑粒徑越大，說明支撐劑顆粒所受的重力就越大，而流體浮力與粘滯力的增加卻沒有重力增加的明顯，所以會使支撐劑顆粒更易于沉降。通過文獻資料可知，較小的粒徑會使攜砂液的湍流強度降低［4］，但是這些的影響都比不上重力的影響。所以隨著粒徑的降低，砂堤前緣距離會增加。當砂堤到達平衡高度時，粒徑越大的支撐劑被帶走就越困難，需要更大的流速。所以過流斷面就應該越窄，故隨著粒徑的減小，砂堤平衡高度減小。粒徑越大，沉降速度就越快，所需要的平衡時間就越短。

2.3 支撐劑密度對主裂縫內(nèi)支撐劑運移的影響規(guī)律

選取實驗方案表1中的2、4、5來探究支撐劑密度為 1450kg／m3、1540kg／m3、1890kg／m3時對支撐劑運移的影響。為了方便對照，均取透明平板裂縫的全部 （300cm）來進行研究。結(jié)果見表4。

表4 不同密度下的砂堤形態(tài)參數(shù)

支撐劑密度越大，更容易在裂縫進口端沉降，所以其砂堤前緣距離越短，維持平衡高度的動平衡狀態(tài)就需要更大的流速，即過流斷面越窄，表現(xiàn)出來就是支撐劑密度與砂堤平衡高度成正比。支撐劑密度的增加也會使砂堤的堆起速度增加，所以砂堤平衡時間就越短。

2.4 砂比對主裂縫內(nèi)支撐劑運移的影響規(guī)律

選取實驗方案表1中的2、6、7來研究砂比為3%、4%、5%時對支撐劑運移的影響。為了方便對照，均取透明平板裂縫的全部 （300cm）來進行研究。結(jié)果見表5。

表5 不同砂比下的砂堤形態(tài)參數(shù)

砂比越大，顆粒間在輸送的過程中越容易碰撞損失動能，就越不容易沉降到裂縫深處，使得砂比越大，砂堤前緣高度越大，砂堤前緣距離越小。砂比越大，為了維持平衡高度的動平衡狀態(tài)，需要更窄的過流斷面和更大的流速，所以砂堤平衡高度增加。越大的砂比，說明同樣的時間里進入到裂縫中的支撐劑更多，使砂堤的堆起速度變快，故砂堤平衡時間就越短。

3 結(jié)論

1）施工排量的增加會使支撐劑更容易運移到裂縫深處，但湍流效應的增強會使裂縫進口端的支撐劑沉降的少，這樣當施工結(jié)束后，由于進口端支撐劑少造成的裂縫重新閉合則無法達到水力壓裂增產(chǎn)的預期效果。

2）較小的支撐劑粒徑易于運移到裂縫深處，但是湍流效應的存在使得裂縫進口端的支撐劑沉降的少。并不利于形成有效導流能力的裂縫。而粒徑較大的支撐劑砂堤形態(tài)比較好，但不能被攜帶到裂縫深處。所以，現(xiàn)場工作初，應使用粒徑較小的支撐劑以便運移到裂縫深處，后期則應使用粒徑較大的支撐劑。

3）在現(xiàn)場施工中，應根據(jù)現(xiàn)場條件選取合適的支撐劑密度，如果支撐劑密度過大，則可能造成支撐劑的過早沉降產(chǎn)生砂堵，不利于支撐劑往裂縫深處的運移。如果支撐劑密度較小，裂縫進口端支撐劑沉降的少，這樣即使裂縫深處支撐劑鋪置效果很好，當停泵泄壓后，裂縫進口端也會因支撐劑過少而重新閉合，并不利于形成擁有良好導流能力的裂縫。故在施工初期可用低密度的支撐劑，等到施工后期再用高密度的支撐劑即可。這樣的話，便能達到水力壓裂增產(chǎn)的效果。

4）在現(xiàn)場施工中砂比并不是越大越好，要根據(jù)現(xiàn)場條件設計出最合適的方案來進行施工作業(yè)。

5）在施工作業(yè)中，滑溜水壓裂后期可以通過減小施工排量，增加支撐劑粒徑，增加支撐劑密度，增加砂比來使裂縫進口端的支撐劑鋪置效果變好。施工初期則與之相反，使更多的支撐劑到達裂縫深處進行良好的鋪置。