纖維對高導(dǎo)流裂縫壓裂影響的實(shí)驗研究

郭 興，張建忠，孫 曉，馬中國，穆景福，張 明，劉佳麗

（1.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安710065；2.陜西省陸相頁巖氣成藏與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西 西安710065；3.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司延長氣田采氣四廠，陜西 延安716000）

0 引言

油氣儲層高導(dǎo)流裂縫壓裂技術(shù)是近些年發(fā)展的一種新型水力壓裂儲層改造技術(shù)，適用性較強(qiáng)，可適用于低滲、中高滲、致密砂巖，疏松砂巖等各類油氣藏，尤其適合地層具有一定壓力和能量，儲層厚度較大，含油氣飽和度高但試油差的油氣藏［1-3］。目前國內(nèi)長慶油田、延長石油等油氣田相繼開展了一些現(xiàn)場應(yīng)用，取得了較為不錯的進(jìn)展，增產(chǎn)效果明顯。高導(dǎo)流裂縫壓裂技術(shù)主要特點(diǎn)是突破常規(guī)水力壓裂，形成尺寸更大的裂縫，通過填充大粒徑支撐劑團(tuán)，形成高導(dǎo)流能力通道，其導(dǎo)流能力是常規(guī)壓裂裂縫的幾十到幾百倍，同時還能明顯降低裂縫內(nèi)的壓力降［4-7］。高導(dǎo)流裂縫壓裂的工藝與常規(guī)壓裂方式有很大不同，其中有一個很大的差異就是使用纖維［8-9］。壓裂液中加入纖維是壓裂過程中形成高導(dǎo)流裂縫不可或缺的一部分，纖維與支撐劑在壓裂液中混合，可以減緩支撐劑在壓裂液中的沉降［10-21］。因此對不同加入比例和方式的纖維對壓裂液、支撐劑、高導(dǎo)流裂縫等的影響通過實(shí)驗室物模研究進(jìn)行評價，并對施工排量進(jìn)行優(yōu)化研究，對油氣儲層高導(dǎo)流裂縫壓裂現(xiàn)場施工和技術(shù)發(fā)展等具有重要的意義。

1 纖維作用機(jī)理及分散性

1.1 纖維作用機(jī)理

一般支撐劑在壓裂液中的沉降遵循斯托克斯定律［22］，沉降速度為：

式中：υ支撐劑沉降——支撐劑在壓裂液中的沉降速度；r支撐劑——支撐劑半徑；ρ支撐劑——支撐劑密度；ρ壓裂液——壓裂液密度；η——壓裂液的粘滯系數(shù)。

纖維的加入，改變了支撐劑的沉降方式和速度，其遵循Kynch定律［23］，沉降速度可由Kynch沉降模型曲線上x點(diǎn)處切線斜率求出，即：

式中：υx——沉降速度；tx——沉降過程中速度限制層向上擴(kuò)散到沉降層界面的時間；H z——x點(diǎn)處切線與Y軸（懸浮液高度）交點(diǎn)；H x——tx時所對應(yīng)的懸浮液高度。

由于篇幅所限，此處不再做詳細(xì)闡述，具體求解見參考文獻(xiàn)［23］。支撐劑與纖維相互作用，形成支撐劑網(wǎng)狀體，沉降過程中固-液邊界模糊，減緩沉降速度，而且沉降受液體粘度影響減小［24-25］。

對于高導(dǎo)流裂縫壓裂技術(shù)，纖維的加入是實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)流能力裂縫形成的關(guān)鍵。壓裂可用纖維一般強(qiáng)度大于17 cN/dtex，彈性模量大于440 cN/dtex，常用的分為無機(jī)纖維和有機(jī)纖維，無機(jī)纖維有碳化硅纖維、玻璃纖維等，有機(jī)纖維主要由聚合物制成，如尼龍纖維、凱芙拉纖維等［7，14］。纖維與攜砂液充分混合后，能夠極大提高壓裂液的懸砂性能，更重要的是，纖維能夠在壓裂液中與支撐劑相互作用形成一定的網(wǎng)狀、絮狀結(jié)構(gòu)，減緩支撐劑沉降的同時，在纖維攜砂液進(jìn)入儲層裂縫中后，形成很多相對獨(dú)立的支撐劑團(tuán)包，在裂縫中形成類似柱狀支撐體，這些支撐體分布在裂縫中，可以在裂縫中形成網(wǎng)狀高導(dǎo)流能力通道，從而形成高導(dǎo)流能力裂縫，提高油氣流動通暢性［17］。纖維在增加壓裂液攜砂性能的同時，能夠降低以往通過加入各種聚合物來增粘實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)攜砂性能而導(dǎo)致的儲層污染和傷害。

1.2 分散性

纖維加入壓裂液中，一方面增強(qiáng)液體攜砂性能，另一方面在裂縫中能將支撐劑顆粒聚團(tuán)形成支撐體，但在實(shí)際壓裂施工過程中，需要考慮纖維的分散性，防止纖維與支撐劑在壓裂液中聚集過大，造成砂堵［26］。因此通過現(xiàn)場取樣觀察，評價纖維在壓裂液中的分散性，旨在與后面實(shí)驗研究形成對比驗證。圖1為高導(dǎo)流裂縫壓裂施工現(xiàn)場纖維壓裂液，可以看出，其分散性能較好。

圖1 施工現(xiàn)場纖維壓裂液Fig.1 Fiber fracturing fluid at construction site

2 纖維對高導(dǎo)流裂縫影響的實(shí)驗

2.1 實(shí)驗設(shè)備及過程

實(shí)驗系統(tǒng)示意圖如圖2所示，主要包括混砂罐、流體泵、模擬井筒、可視化平面裂縫模型等。其中可視化平面裂縫模型可以模擬多種不同縫寬的單縫或者多縫，其前后面為透明鋼化玻璃，可清晰看到壓裂液流動形態(tài)和支撐劑鋪置情況；通過調(diào)節(jié)泵速，調(diào)節(jié)壓裂液流量；模擬井筒也可以進(jìn)行多種射孔形式模擬。

圖2 實(shí)驗系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of the experimental system

混砂罐中裝有攪拌器，可充分混合液體，將所需壓裂液的配料依次加入儲液罐，通過攪拌得到實(shí)驗所需壓裂液，然后按需求加入相應(yīng)的支撐劑、纖維，再次進(jìn)行攪拌，調(diào)節(jié)好模擬井筒孔眼形式及數(shù)量，開啟流體泵，調(diào)節(jié)所需流量或者流速，進(jìn)行物模實(shí)驗，實(shí)驗采用單縫模擬。

2.2 實(shí)驗方案

（1）通過靜態(tài)懸砂實(shí)驗初步判斷纖維對壓裂液懸砂性能的影響，使用20～40目陶粒支撐劑，取相同的量，分別放進(jìn)加入纖維和未加入纖維的2個裝有相同壓裂液的量筒中，充分?jǐn)嚢杌旌希^察支撐劑沉降過程情況。

（2）以滑溜水壓裂液為實(shí)驗對象，使用20～40目陶粒支撐劑，分別對未加入纖維、加入纖維濃度0.35%、加入纖維濃度0.65%3種不同情況下，在液體流速為0.25 m/s的情況下進(jìn)行實(shí)驗分析。

（3）以常規(guī)水基壓裂液為實(shí)驗對象，使用20～40目陶粒支撐劑，用量6 L，砂比為33%。壓裂液和基液粘度分別為120、12 mPa?s，實(shí)驗用量分別為18、60 L，排量為5.0 m3/h，分別對纖維加入比例為5、7 kg/m3及無固定比例的楔形方式。測量不同纖維加入比例下支撐劑在裂縫充填層中的通道占有率［19］。

（4）以常規(guī)水基壓裂液為實(shí)驗對象，使用20～40目陶粒支撐劑，用量6 L，砂比為33%。壓裂液和基液粘度分別為120、12 mPa?s，實(shí)驗用量分別為18、60 L，纖維加入比例為9 kg/m3，排量分別為3.8、5.0、6.2 m3/h。測量不同排量下支撐劑在裂縫充填層中的通道占有率［19］。

實(shí)驗中纖維加入采用的無固定比例楔形方式，是指先注入一段含支撐劑的攜砂液，間隔一段沒有支撐劑的壓裂液，再注入一段含支撐劑的攜砂液，如此反復(fù)進(jìn)行，同時楔形增加支撐劑濃度，將支撐劑采用一段一段脈沖式的注入，纖維加入使得支撐劑形成支撐劑團(tuán)，多段支撐劑團(tuán)在裂縫中形成連續(xù)間隔的支撐劑柱團(tuán)，從而形成高導(dǎo)流裂縫通道。

2.3 實(shí)驗結(jié)果

2.3.1 纖維對壓裂液靜態(tài)懸砂性能的影響分析

液體靜態(tài)懸砂實(shí)驗是初步判斷壓裂液攜砂性能的最簡單有效的方式之一，懸砂性能可以反映纖維壓裂液的性能。圖3為加入纖維與未加入纖維的壓裂液靜態(tài)懸砂對比圖。

圖3 加入纖維與未加入纖維壓裂液靜態(tài)懸砂對比Fig.3 Comparison of static sand suspension between fiber and non?fiber fr actur ing fluid

從圖3不難看出，在混砂液未完全沉降（即沉降過程中）時，加入纖維的混砂液明顯陶粒懸浮狀態(tài)好于未加入纖維的混砂液；當(dāng)未加入纖維的混砂液完全沉降后，加入纖維的混砂液中支撐劑保持一定的懸浮，主要由于纖維與支撐劑混合分散在壓裂液中，一定程度上可以減緩陶粒的沉降，從而導(dǎo)致陶粒的懸浮更持久；另外，加入纖維支撐劑沉降后，并非支撐劑和纖維完全分離，而是處于一種支撐劑與纖維混合但較為分散的團(tuán)絮狀?？梢哉f明，纖維的加入確實(shí)使壓裂液的懸砂性能增強(qiáng)。

2.3.2 纖維比例對高導(dǎo)流裂縫支撐劑鋪置的影響分析

滑溜水是近幾年現(xiàn)場使用較多的一種壓裂液，可以大大減少壓裂液對儲層的傷害，相比傳統(tǒng)胍膠壓裂液，它是一種較為清潔的壓裂液。而滑溜水作為壓裂液的關(guān)鍵問題是其攜砂性能，解決支撐劑在裂縫內(nèi)的有效運(yùn)移是滑溜水壓裂施工順利的必要條件，能在很大程度上降低現(xiàn)場壓裂施工過程中發(fā)生砂堵的風(fēng)險［20］。前面的壓裂液靜態(tài)懸砂實(shí)驗已經(jīng)初步說明加入纖維可以提高壓裂液的攜砂性能，滑溜水壓裂液的動態(tài)攜砂實(shí)驗可以更好地說明纖維的加入對裂縫支撐劑鋪置的影響規(guī)律。

根據(jù)實(shí)驗方案，以滑溜水壓裂液為實(shí)驗對象，選用20～40目陶粒，在混砂液流速為0.25 m/s實(shí)驗條件下，無纖維加入、0.35%濃度纖維加入、0.65%濃度纖維加入3種情況下的實(shí)驗裂縫最終砂堤形態(tài)圖分別如圖4所示。

圖4 不同纖維濃度的砂堤形態(tài)對比Fig.4 Comparison of sand dike shapes at different fiber concentration

由圖4可以看出，當(dāng)纖維濃度為0%時，約有90%的支撐劑分布在模擬裂縫的近液體入口端前1/2裂縫處，即近縫口位置，說明未加入纖維，壓裂液攜砂性能差，大量支撐劑堆積在縫口處。加入纖維后，壓裂液攜砂性能得到較大改善，纖維濃度為0.35%時，支撐劑在整個裂縫方向上鋪置較為均勻，但仍是越靠近縫口，支撐劑鋪置越多；而纖維濃度為0.65%時，更多的支撐劑鋪置在模擬裂縫的近液體入口端后1/2處，即近裂縫尖端位置，說明纖維濃度增加，裂縫的鋪砂長度增加，有更多的支撐劑被攜砂液帶至更遠(yuǎn)的裂縫尖端處［26］。不難推斷，在實(shí)際壓裂施工中，相比0.35%纖維濃度，0.65%濃度的纖維壓裂液其有效縫長更大，表明纖維濃度增加不僅可以提高攜砂效率，而且對壓裂中造長裂縫有積極作用。

2.3.3 纖維比例對高導(dǎo)流裂縫支撐劑通道占有率的影響分析

根據(jù)實(shí)驗方案，分別對纖維加入比例為5、7 kg/m3及無固定比例的楔形方式3種實(shí)驗條件下進(jìn)行高導(dǎo)流裂縫支撐劑鋪置實(shí)驗，測量纖維加入比例下支撐劑在裂縫充填層中的通道占有率。高導(dǎo)流裂縫壓裂技術(shù)的關(guān)鍵即形成具有導(dǎo)流能力通道的高寬支撐裂縫，但受裂縫形態(tài)復(fù)雜多變的影響，難以精確描述，因此用通道占有率［19］來表征，即在裂縫中支撐劑填充層中，裂縫通道的體積占比。

在實(shí)驗過程中，由于纖維的加入，攜砂液中的支撐劑與纖維混合微團(tuán)狀不斷進(jìn)入模擬裂縫，砂堤高度逐漸增加，不斷形成高導(dǎo)流裂縫通道。由于本組實(shí)驗重點(diǎn)分析實(shí)驗?zāi)M不同比例纖維加入情況下高導(dǎo)流裂縫通道占有率，不再對實(shí)驗裂縫支撐劑鋪置情況進(jìn)行具體闡述。

圖5為實(shí)驗結(jié)束后測量得到的纖維加入比例分別為5、7 kg/m3和纖維加入比例不固定的楔形方式下通道占有率沿裂縫水平方向的分布圖。為了便于計算和分析，將模擬高導(dǎo)流裂縫從縫口至縫尖端方向，分為3個單元，分別測量每一單元的通道占有率。

圖5 不同纖維比例下通道占有率分布Fig.5 Distribution of channel occupancy at different fiber ratios

從圖5可以看出，纖維加入比例為5 kg/m3時，第1、第2、第3單元通道占有率分別為23.16%、24.35%、24.61%，整體通道占有率平均值為24.04%，通道占有率沿裂縫延伸方向逐漸增大，其最大值出現(xiàn)在裂縫尖端處，裂縫縫口處的通道占有率最小。纖維加入比例為7 kg/m3時，第1、第2、第3單元通道占有率分別為為27.26%、30.15%、28.24%，整體通道占有率平均值為28.55%，通道占有率沿裂縫延伸方向先增大后減小，其最大值出現(xiàn)在裂縫中部，裂縫縫口處通道占有率最小。纖維加入比例不固定的楔形方式下，第1、第2、第3單元通道占有率分別為32.35%、35.63%、35.04%，整體通道占有率平均值為34.34%，通道占有率沿裂縫延伸方向先增大后減小，其最大值出現(xiàn)在裂縫中部，裂縫縫口處和裂縫尖端處通道占有率差值較小，裂縫入口處的通道占有率最小。

圖6為不同纖維加入比例方式條件下沿裂縫延伸方向的通道占有率的對比，可以發(fā)現(xiàn)3種方式下裂縫通道占有率最大值均出現(xiàn)在裂縫中部；固定纖維加入比例方式下，纖維加入比例越大，其通道占有率越大；相比固定加入比例，采用纖維加入比例不固定的楔形方式，其整體通道占有率最高，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更大的高導(dǎo)流裂縫通道。

圖6 不同纖維比例下通道占有率對比Fig.6 Comparison of channel occupancy at different fiber ratios

實(shí)驗分析表明，纖維加入比例越高，壓裂液的攜砂能力越好，但纖維加入量越多，也會造成壓裂成本和施工難度的增加，砂堵風(fēng)險增大。因此，采用纖維加入比例不固定的楔形方式是最優(yōu)的。纖維加入比例由小到大的楔形加入方式，能夠充分契合現(xiàn)場施工需求，極大地減小了砂堵風(fēng)險，前期低比例纖維加入，有利于裂縫很好的延伸，后期纖維比例加入逐漸增大，有利于支撐劑均勻分布，延緩支撐劑沉降，裂縫中部和尖端的砂濃度均更大［20］；另外，楔形加入方式，后期纖維濃度高，可以在縫口處形成更強(qiáng)的支撐劑網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加縫口的裂縫支撐強(qiáng)度，也能一定程度上減少壓裂施工結(jié)束后返排及后期油氣生產(chǎn)中的支撐劑回流導(dǎo)致裂縫變小甚至閉合問題［21］。

2.3.4 排量對高導(dǎo)流裂縫支撐劑通道占有率的影響分析

根據(jù)實(shí)驗方案，纖維加入比例為9 kg/m3，分別對排量為3.8、5.0、6.2 m3/h實(shí)驗條件下進(jìn)行高導(dǎo)流裂縫支撐劑鋪置實(shí)驗，測量不同排量下支撐劑在裂縫充填層中的通道占有率。本組實(shí)驗重點(diǎn)實(shí)驗?zāi)M不同排量情況下的高導(dǎo)流裂縫通道占有率，且不同排量情況下的砂堤形態(tài)變化較小，因此不再對實(shí)驗?zāi)M裂縫支撐劑鋪置情況進(jìn)行具體闡述。

圖7為實(shí)驗結(jié)束后測量得到排量分別為3.8、5.0、6.2 m3/h下通道占有率沿裂縫水平方向的分布圖。為了增加實(shí)驗分析的客觀性，將模擬高導(dǎo)流裂縫從縫口至縫尖端方向，分為4個單元，分別測量每一單元的通道占有率。

圖7 不同排量下通道占有率分布Fig.7 Distribution of channel occupancy at different displacement

從圖7可以看出，排量為3.8 m3/h時，第1～4單元通道占有率分別為23.21%、25.56%、32.34%、27.17%，平均值為27.57%，通道占有率沿裂縫延伸方向是先增加后減小的趨勢，最大值出現(xiàn)在裂縫前中端，最小值在裂縫縫口處。排量為5.0 m3/h時，第1～4單元通道占有率分別為31.26%、38.70%、35.62%、31.38%，平均值為33.99%，通道占有率沿裂縫延伸方向是先增加后減小的趨勢，最大值出現(xiàn)在裂縫中后端，最小值在裂縫縫口處；排量為6.2m3/h時，第1～4單元通道占有率分別為25.78%、29.33%、32.86%、30.87%，平均值為29.71%，通道占有率沿裂縫延伸方向是先增加后減小的趨勢，最大值出現(xiàn)在裂縫前中端，最小值在裂縫縫口處。

將排量3.8、5.0、6.2 m3/h三組實(shí)驗的通道占有率進(jìn)行對比（見圖8）可以看出，3種排量下裂縫通道占有率最大值均出現(xiàn)在裂縫中部位置，但具體位置有所差異，最小值均在縫口處。排量是影響高導(dǎo)流裂縫通道占有率的一個重要因素，排量過大或者過小都不利于形成高導(dǎo)流裂縫通道。排量為5.0 m3/h時，裂縫通道占有率最大；相比低排量，高排量下通道占有率較高。排量過小時，支撐劑網(wǎng)狀體運(yùn)移不充分，集中在縫口處沉降，且支撐劑網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)過大，裂縫通道減小，縫口處通道占有率較小；排量過大時，支撐劑網(wǎng)狀體運(yùn)移充分，但流速快，沖擊較大，加速網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分散。

圖8 不同排量下的通道占有率對比Fig.8 Compar ison of channel occupancy at different displacement

3 結(jié)論

（1）纖維在壓裂液中具有較好的分散性，加入纖維可以增強(qiáng)壓裂液靜態(tài)懸砂能力，使支撐劑分散性更好，增強(qiáng)壓裂液靜態(tài)懸砂性能。

（2）未加入纖維，滑溜水壓裂液攜砂性能差，大量支撐劑堆積在縫口處，加入纖維后，攜砂性能得到較大改善；纖維濃度0.35%時，支撐劑鋪置相對較均勻，越靠近縫口，支撐劑鋪置越多；纖維濃度0.65%時，更多支撐劑鋪置在裂縫中前端。纖維濃度增加不僅可以提高攜砂效率，而且對壓裂中造長裂縫有積極作用。

（3）固定纖維加入比例方式下，纖維加入比例越大，模擬裂縫通道占有率越大；而采用纖維加入比例不固定的楔形方式，其整體通道占有率是最高的。壓裂中采用高纖維比例的楔形加入方式，能夠形成更理想的高導(dǎo)流裂縫。

（4）模擬裂縫通道占有率在排量為5.0 m3/h時最大，排量為6.2 m3/h時次之，排量為3.8 m3/h時最?。慌帕窟^大或者過小，通道占有率均減小。實(shí)驗條件下排量為5.0 m3/h時為最優(yōu)排量。

（5）不同纖維加入比例及不同排量情況下，裂縫通道占有率沿裂縫延伸方向有先增加后減小趨勢，通道占有率最大值均出現(xiàn)在裂縫中部位置，最小值均在裂縫縫口處。纖維比例和排量均不會影響高導(dǎo)流裂縫中的導(dǎo)流能力高低分布趨勢。