基于PIV系統(tǒng)的支撐劑運(yùn)移鋪置規(guī)律及參數(shù)優(yōu)化

李戀 ，吳亞紅 ，王明星 ，王佳 ，陳小璐 ，郭皓男 ，曹耐 ，3

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834099；3.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

0 引言

目前，開發(fā)頁巖氣、致密砂巖油氣等非常規(guī)儲層主要采用水平井與滑溜水壓裂相結(jié)合的工藝技術(shù)［1-2］。利用水平井開采可獲得更大的泄油面積?；锼畨毫岩号c常規(guī)胍膠壓裂液相比，具有成本低、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的特點(diǎn)，有利于形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，能夠極大地改善壓裂增產(chǎn)效果［3-4］?；锼畨毫褧r(shí)，在儲層中壓裂出以主裂縫為主干的裂縫網(wǎng)絡(luò)，并充填支撐劑支撐裂縫，以避免停泵后裂縫閉合，而未充填支撐劑的裂縫將重新閉合，成為無效裂縫，即支撐劑的鋪置充填形態(tài)基本就是最終的壓裂裂縫形態(tài)［5-10］。

國內(nèi)外關(guān)于支撐劑運(yùn)移規(guī)律的評價(jià)方法，主要是通過相機(jī)拍照與軟件處理相結(jié)合，以測定支撐劑在運(yùn)移、沉降過程中的水平運(yùn)移和沉降速度，從而研究支撐劑的運(yùn)移鋪置規(guī)律，而關(guān)于裂縫內(nèi)支撐劑在流場的軌跡和湍流特性等參數(shù)的測試方法鮮有報(bào)道［11-14］。因此，本文采用PIV（粒子成像測速）系統(tǒng)捕捉滑溜水壓裂過程中支撐劑顆粒在裂縫中的瞬時(shí)運(yùn)移狀態(tài)，通過改變壓裂液黏度、排量、砂比和支撐劑篩目等參數(shù)來研究支撐劑的鋪置形態(tài)，分析支撐劑顆粒在砂堤前緣和末端流場的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而揭示支撐劑的微觀運(yùn)移規(guī)律，為現(xiàn)場壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器和材料

實(shí)驗(yàn)儀器包括流量計(jì)、混砂罐、螺桿泵、控制閥門、模擬井筒、可視化平板裂縫模型（尺寸為1 500 mm×150 mm×6 mm）、高速攝像機(jī)、PIV系統(tǒng)、循環(huán)管線等。

實(shí)驗(yàn)材料包括20/40，40/70，70/140目石英砂、羥丙基胍膠壓裂液。

1.2 方法

1）連接實(shí)驗(yàn)儀器，檢驗(yàn)其密封性。2）在混砂罐中配制壓裂液，暫不加入支撐劑。3）開啟螺桿泵，向整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)泵入壓裂液，使得壓裂液在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)里達(dá)到循環(huán)狀態(tài)。4）間歇性向混砂罐中注入支撐劑，按照砂比調(diào)整支撐劑注入速度，將壓裂液與支撐劑混合，攪拌均勻。攜砂液經(jīng)螺桿泵輸送至可視化平板裂縫模型，并循環(huán)回注于混砂儲液罐。5）重復(fù)步驟4），依次分段加入支撐劑，并調(diào)整排量，模擬壓裂液攜砂壓裂過程。6）采用高速攝像機(jī)對顆粒運(yùn)移過程進(jìn)行拍照和攝像，記錄支撐劑沉降過程及砂堤幾何形態(tài)。7）當(dāng)觀察到支撐劑顆粒完全沉積或完全懸浮時(shí)，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

在不同壓裂液黏度、排量、砂比和支撐劑篩目條件下，研究了支撐劑鋪置后的砂堤平衡狀態(tài)，以及在平板裂縫模型中的運(yùn)移距離，并根據(jù)砂堤形態(tài)計(jì)算砂堤處于平衡狀態(tài)時(shí)的高度和時(shí)間，分析支撐劑在裂縫中的運(yùn)移鋪置規(guī)律，結(jié)果如表1所示。

表1 支撐劑運(yùn)移實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

2.1 支撐劑運(yùn)移規(guī)律

不同排量下砂堤處于平衡狀態(tài)時(shí)的形態(tài)如圖1所示。由圖可以看出，隨著排量增大，砂堤峰部在平板裂縫模型后半部出現(xiàn)，支撐劑在裂縫水平方向鋪置距離越遠(yuǎn)，形成的有效支撐裂縫越長。因此，排量為2.85 m3/h時(shí)效果最好。這主要是由于流速越高，攜砂液的輸送能力越強(qiáng)，在攜砂液的沖擊作用下，砂堤峰部位置不斷往后推移，存在“爬坡效應(yīng)”。

圖1 不同排量下砂堤處于平衡狀態(tài)時(shí)的形態(tài)

通過對不同排量下砂堤堆起速度的分析認(rèn)為，砂堤處于平衡狀態(tài)時(shí)的高度和時(shí)間隨著排量增加而減小，砂堤整體形態(tài)變得平緩，堤峰變矮，砂堤堆起速度加快。裂縫方向的沉砂量，即砂堤各部分的增量隨著時(shí)間增加而增大，砂堤主體在注砂階段后期形成。本次實(shí)驗(yàn)中的排量分別為 1.55，1.85，2.15，2.50，2.85 m3/h，根據(jù)現(xiàn)場水平井壓裂40 m的裂縫高度折算成施工排量，分別為 6.8，8.2，9.5，11.1，12.6 m3/min。 因此，優(yōu)化施工排量為10～ 12 m3/min。

由圖2可以看出，隨著壓裂液黏度的增大，砂堤處于平衡狀態(tài)時(shí)的高度降低，裂縫入口端到砂堤峰部出現(xiàn)位置距離減小，砂堤基本上沿著整個(gè)裂縫方向鋪置，大部分支撐劑顆粒懸浮在攜砂液中，被運(yùn)移到裂縫深處。對不同壓裂液黏度下砂堤的堆起速度進(jìn)行計(jì)算得出，隨著壓裂液黏度的增大，砂堤的高度降低，時(shí)間增加，堆起速度減小。砂堤主體在注砂階段前期形成，后期砂堤各部分的增量隨著時(shí)間增加而減小，裂縫方向的沉砂量變化不大。壓裂液黏度越大，砂堤整體形態(tài)變得越平緩。這主要是由于隨著壓裂液黏度增大，壓裂液的攜砂能力增強(qiáng)，越來越多的支撐劑顆粒隨著壓裂液運(yùn)移至裂縫更深處，并且支撐劑在壓裂液中沉降速度減小，所以砂堤前緣距離和時(shí)間增大。由于高黏度的攜砂液把大部分支撐劑攜帶出裂縫，只有部分支撐劑沿裂縫方向鋪置，因此，砂堤高度降低。由于壓裂液黏度在6～ 16 mPa·s時(shí)形成的砂堤高度和長度最大，因此，優(yōu)化壓裂液黏度為15 mPa·s左右。

圖2 不同壓裂液黏度下砂堤處于平衡狀態(tài)時(shí)的形態(tài)

不同砂比下砂堤處于平衡狀態(tài)時(shí)的形態(tài)如圖3所示。對不同砂比下砂堤的堆起速度進(jìn)行計(jì)算得出，隨著砂比增大，砂堤處于平衡狀態(tài)時(shí)的高度增加，時(shí)間減小，堤峰堆起速度增大。裂縫方向的沉砂量即砂堤各部分的增量隨著時(shí)間增加而增加，砂堤主體在注砂階段后期形成。砂比越大，堤峰出現(xiàn)位置越靠近縫口，過快增高的堤峰容易在注砂時(shí)造成砂堵。砂比為25%時(shí)出現(xiàn)砂堵的概率要遠(yuǎn)高于砂比為20%，因此，施工砂比應(yīng)控制在20%以內(nèi)。

圖3 不同砂比下砂堤處于平衡狀態(tài)時(shí)的形態(tài)

由圖4可以看出，20/40目支撐劑在縫口仍然堆積得較快，砂堤較高，平衡狀態(tài)下在縫口的推進(jìn)距離與砂比為5%時(shí)的情況較為一致，且需要的時(shí)間短。40/70目支撐劑的砂堤高度較高，砂堤推進(jìn)距離增大，形成的砂堤變得平緩。70/140目支撐劑運(yùn)移距離增大，形成的砂堤整體較為平緩，砂堤高度增加較慢，對砂比的敏感度較高。在相同砂比和時(shí)間下，40/70目支撐劑形成的砂堤能夠使裂縫達(dá)到飽填砂狀態(tài)，因此，40/70目支撐劑可以作為壓裂施工的首選支撐劑。

圖4 不同支撐劑篩目下砂堤處于平衡狀態(tài)時(shí)的形態(tài)

3 砂堤流場分析

圖5和圖6為不同壓裂液黏度、排量、砂比和支撐劑篩目條件下，采用PIV系統(tǒng)分別測量支撐劑顆粒在砂堤前緣入口處和離開砂堤峰部時(shí)的速度場。圖中，黃色和藍(lán)色虛線框表示分別采用不同的速度范圍。由圖5可以看出：隨著排量逐漸增大，湍流強(qiáng)度以及支撐劑運(yùn)移速度增大，支撐劑顆粒在壓裂液的沖擊作用下運(yùn)移到裂縫更遠(yuǎn)的位置；隨著壓裂液黏度增大，砂堤高度降低，前緣入口處湍流強(qiáng)度減弱，支撐劑顆粒運(yùn)移速度減??；低砂比時(shí)，裂縫頂部支撐劑顆粒運(yùn)移速度較慢，隨著支撐劑砂比的增大，前緣入口處的支撐劑顆粒運(yùn)移速度增大，并且湍流強(qiáng)度增強(qiáng)；隨著支撐劑篩目增加，砂堤在前緣入口處的湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，但在離開一段距離后支撐劑顆粒運(yùn)移速度明顯減小。

圖5 不同條件下支撐劑在砂堤前緣入口處的速度場

由圖6可知：支撐劑顆粒離開砂堤峰部時(shí)，一部分沉降在砂堤表面，另一部分隨著流體運(yùn)移到下游位置沉降；隨著排量增大，支撐劑顆粒離開砂堤峰部后速度增大，并隨壓裂液運(yùn)移到裂縫內(nèi)更遠(yuǎn)位置沉降；隨著壓裂液黏度的增大，砂堤峰部流體的湍流強(qiáng)度減弱，水平方向流速明顯下降，支撐劑顆粒的運(yùn)移速度減?。浑S著砂比增大，流體湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，支撐劑顆粒水平方向運(yùn)移速度越大，運(yùn)移距離越遠(yuǎn)；20/40目支撐劑在裂縫頂部幾乎沒有移動(dòng)，40/70目支撐劑水平運(yùn)移速度較高的區(qū)域集中在裂縫頂部，70/140目支撐劑在整個(gè)裂縫內(nèi)運(yùn)移速度較為均勻，能將支撐劑攜帶到裂縫深處。

圖6 不同條件下支撐劑在離開砂堤峰部時(shí)的速度場

4 結(jié)論

1）排量越大，支撐劑在裂縫水平方向的鋪置距離越遠(yuǎn)，形成的有效壓裂裂縫越長；但砂堤處于平衡狀態(tài)時(shí)的高度和時(shí)間隨著排量增加而減小，砂堤整體形態(tài)變得平緩，堆起速度增大。優(yōu)化施工排量為10～ 12m3/min。

2）隨著壓裂液黏度增大，砂堤高度降低，時(shí)間增加。壓裂液黏度在6～ 16 mPa·s時(shí)形成的砂堤高度和長度最大。優(yōu)化壓裂液黏度在15 mPa·s左右。

3）不同篩目支撐劑形成的砂堤形態(tài)差異很大：20/40目支撐劑在縫口處的砂堤高度較高；40/70目支撐劑在裂縫頂部運(yùn)移速度較高，砂堤推進(jìn)距離相比20/40目支撐劑較長；70/140目支撐劑未形成明顯的堤峰，大部分砂粒懸浮在壓裂液中，被攜帶到裂縫深處。優(yōu)選40/70目支撐劑作為首選支撐劑。

4）砂比越大，堤峰出現(xiàn)位置越靠近裂縫入口處，過快增高的堤峰容易在注砂時(shí)造成砂堵。高砂比施工中，粗粒徑支撐劑與中、細(xì)粒徑支撐劑相比，砂堵的概率更大。施工砂比應(yīng)控制在20%以下。