頁巖氣儲層支撐劑輸送大尺度主縫實(shí)驗(yàn)裝置研制

陳 健， 管 彬， 張 濤

1中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司 2西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

0 引言

我國致密氣、頁巖氣等非常規(guī)天然氣資源儲量是常規(guī)天然氣的5倍，開發(fā)潛力巨大[1]。由于地層壓力等條件變化，深層頁巖氣改造過程的關(guān)鍵技術(shù)與淺層頁巖氣有明顯的差異[2]。如深層頁巖氣儲層地應(yīng)力較大，壓裂過程中更容易形成主縫，不易形成復(fù)雜縫網(wǎng)，其對支撐劑的支撐能力要求也更高[3]，這導(dǎo)致深層頁巖氣改造的關(guān)鍵問題需要進(jìn)一步研究。

頁巖氣壓裂支撐劑輸送問題在國內(nèi)外有較多的研究成果。Liu[4]在長3.0 m、高0.3 m、寬1.0 cm的平板裂縫中開展了清水?dāng)y帶顆粒支撐劑的輸送實(shí)驗(yàn)。Sahai等[5- 6]進(jìn)行了T1、T2、T3等不同結(jié)構(gòu)小型縫網(wǎng)中支撐劑輸送實(shí)驗(yàn)研究，獲得不同條件下主縫、支縫中支撐劑分布規(guī)律。Tong等[7]開展了交叉縫中支撐劑輸送實(shí)驗(yàn)研究，獲得了流量、裂縫交叉角等參數(shù)對交叉縫內(nèi)砂堤堆積形態(tài)、平衡高度的影響規(guī)律。潘林華等[8]開展了復(fù)雜縫內(nèi)支撐劑輸送實(shí)驗(yàn)，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果構(gòu)建了流量、支縫角度等參數(shù)對支撐劑分流規(guī)律的計(jì)算方法。彭歡等[9]建立了整套頁巖復(fù)雜裂縫中支撐劑鋪置特征實(shí)驗(yàn)裝置，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)果上，應(yīng)用敏感性分析方法分析了排量、砂濃度等參數(shù)對復(fù)雜裂縫中支撐劑鋪置特征的影響程度。在支撐劑輸送的數(shù)值模擬研究方面，張濤等[10- 11]首先建立了基于歐拉-歐拉的固液兩相流數(shù)值模型，模擬了單縫中支撐劑輸送、鋪置規(guī)律，并構(gòu)建了砂堤頂部平衡間隙的計(jì)算公式。Zeng和Zhang等[12- 13]分別建立了不同處理顆粒相本構(gòu)關(guān)系的CFD-DEM耦合數(shù)值方法研究支撐劑的輸送過程，其模擬結(jié)果能夠較為直觀地解釋顆粒在裂縫中動態(tài)輸送、沉降、鋪置過程。

總的來講，目前在支撐劑輸送實(shí)驗(yàn)研究方面的研究工作大多基于較小尺度實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行，所采用實(shí)驗(yàn)條件的相似準(zhǔn)則并不明確，與實(shí)際工程對象相差較遠(yuǎn)；而數(shù)值研究方面的工作仍處于起步階段，數(shù)值模型的有效性、模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性都有待于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?；诖?，本文結(jié)合相似原理和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法，開展頁巖氣儲層水力裂縫主縫實(shí)驗(yàn)裝置的理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)選、實(shí)物建造及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為進(jìn)一步研究頁巖氣儲層中支撐劑輸送鋪置規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)思路

頁巖氣儲層水力裂縫中滑溜水?dāng)y帶支撐劑進(jìn)入后，由于滑溜水黏度低、攜砂能力弱，支撐劑輸送沉降模式如圖1所示。無論支撐劑粒徑大小，其進(jìn)入裂縫后會沉降至裂縫底部堆積，只不過大粒徑、高密度顆粒沉降距離較近，而小粒徑、低密度顆粒沉降距離相對較遠(yuǎn)(圖1中第一階段)。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)工藝的不同，第一階段注入的支撐劑未必會在裂縫中堆積使砂堤達(dá)到平衡高度。但隨著支撐劑的進(jìn)一步注入，裂縫底部砂堤高度會不斷增加直至達(dá)到平衡高度(圖1中第二階段)。其后，進(jìn)一步注入的支撐劑顆粒會被流體攜帶至裂縫遠(yuǎn)端堆積(圖1中第三階段)，從而不斷增大裂縫有效支撐區(qū)域。

圖1 頁巖儲層主縫中支撐劑鋪置過程示意圖

目前頁巖氣壓裂現(xiàn)場施工過程中，一般采用大排量(單段排量最大達(dá)20 m3/min)、低砂比、階梯加砂、小粒徑顆粒(70～140目粉砂為主、40～70目陶粒為輔)等為主要特征的模式，壓裂液和支撐劑混合物在裂縫中流動規(guī)律復(fù)雜、小粒徑支撐劑在裂縫中運(yùn)移距離較遠(yuǎn)。因此，研制的頁巖氣儲層支撐劑輸送主縫實(shí)驗(yàn)裝置既要實(shí)現(xiàn)縫內(nèi)壓裂液和支撐劑混合物流動特征相似、也要滿足模擬現(xiàn)場條件下支撐劑鋪置過程主要特征的實(shí)驗(yàn)測試。

2 實(shí)驗(yàn)裝置關(guān)鍵參數(shù)確定

2.1 縫內(nèi)支撐劑輸送的相似準(zhǔn)則

支撐劑在水力裂縫中輸送、沉降、鋪置以及砂堤表面流化的過程影響因素眾多，包括支撐劑密度和粒徑、壓裂液密度和黏度、裂縫長度、高度和寬度、壓裂液注入流量、支撐劑濃度、重力加速度等。上述影響因素所組成的無量綱準(zhǔn)則數(shù)[14]包括：

顆粒重力雷諾數(shù)：

(1)

壓裂液重力雷諾數(shù)：

(2)

縫內(nèi)壓裂液流動雷諾數(shù)：

(3)

縫長縫高之比：

(4)

式中：ρp—支撐劑密度，kg/m3；d—支撐劑粒徑，m；ρf—壓裂液密度，kg/m3；μ—壓裂液黏度，Pa.s；L—裂縫長度，m；H—裂縫高度，m；W—裂縫寬度，m；Qf—泵注排量，m3/s；g—重力加速度，m/s2。

頁巖氣儲層水力壓裂實(shí)際主縫長度LP同樣也較難得到準(zhǔn)確的值，縫長縫高比難以保證相似，所以在裝置設(shè)計(jì)過程中該參數(shù)的選取需要保證能夠觀測到相似的支撐劑顆粒進(jìn)入、輸送、沉降、堆積和鋪置現(xiàn)象。從相似準(zhǔn)則看出，裝置縫長LM、縫高HM及兩者之比是平板裂縫實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。當(dāng)縫高HM和縫長LM過小時，在裂縫中無法觀測到與現(xiàn)場裂縫中相似的支撐劑動力學(xué)行為；當(dāng)縫高HM和LM過大時，無論裝置的安全性還是實(shí)驗(yàn)操作難度和成本都呈幾何級數(shù)增加；因此，控制HM、LM是最重要的裝置設(shè)計(jì)內(nèi)容。

2.2 基于CFD的實(shí)驗(yàn)段參數(shù)確定

為了確定裝置實(shí)驗(yàn)段平板裂縫的幾何尺寸，本文采用基于CFD的固液兩相流數(shù)值模擬方法[10- 11]對實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.2.1 幾何模型及模擬工況

根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)對支撐劑輸送裝置研究情況，本文建立了大小分別為長15 m×高0.6 m×寬0.01 m(模型一)和長20 m×高1.0 m×寬0.01 m(模型二)的兩個平板裂縫模型，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對其網(wǎng)格劃分，在長高寬方向網(wǎng)格劃分精度分別為20 mm、10 mm和2 mm，分別得到網(wǎng)格為225 000和500 000個。模型在左側(cè)進(jìn)口均布三個大小寬0.01 m×高0.02 m的進(jìn)口孔，右側(cè)均布三個大小寬0.01 m×高0.04 m出口。

表1 模擬工況參數(shù)表

2.2.2 模擬結(jié)果及分析

圖2給出了模型一中不同時刻支撐劑輸送鋪置模擬結(jié)果。

圖2 模型一支撐劑輸送鋪置模擬結(jié)果

從圖2(a)中看出，40/70目支撐劑進(jìn)入裂縫后迅速沉降至底部形成砂堤，初始最遠(yuǎn)沉降距離距進(jìn)口4.0 m左右。隨著泵注時間的延長，砂堤高度和長度不斷增加，在約200 s時近井區(qū)域達(dá)到平衡高度，然后砂堤向后延伸。同時，近井地帶底部堆積了一定厚度的支撐劑，射孔位置以上則由于流體的沖刷沒有支撐劑停留在該處。

圖2(b)給出了70/140目支撐劑的輸送鋪置過程，與40/70目支撐劑不同的是，其最遠(yuǎn)初始堆積位置距進(jìn)口約8.0 m，但最高堆積位置在3.0～4.0 m左右。隨著支撐劑不斷注入，砂堤生長方式與圖2(a)類似，只是生長速率更慢、延伸距離更遠(yuǎn)。

圖3給出了模型二的注入40/70目支撐劑不同時刻的模擬結(jié)果。從圖3中看出，支撐劑進(jìn)入裂縫并沉降至底部后，最先堆積的區(qū)域在距離進(jìn)口不超過6 m的范圍內(nèi)，然后隨著顆粒進(jìn)一步注入后高度和長度不斷增大。雖然在相同注入時間300 s仍沒有達(dá)到平衡高度，但顯然利用該裝置也能與圖2一樣觀測到支撐劑輸送鋪置的典型動力學(xué)行為。同時，進(jìn)口附近的流場特征與圖2中相似。

圖3 模型二支撐劑鋪置輸送模擬結(jié)果的顆粒濃度分布

如前所述，平板裂縫實(shí)驗(yàn)段縫高HM、長高比λLH選擇的要求是能模擬頁巖氣壓裂過程縫口、縫內(nèi)支撐劑堆積完整過程?；趫D2和圖3的模擬結(jié)果看出，滿足相似原理的條件下，模型一和模型二均能實(shí)現(xiàn)近井地帶支撐輸送鋪置特征實(shí)驗(yàn)?zāi)M。從觀測縫內(nèi)支撐劑堆積過程看，模型二裂縫長度過長?？紤]實(shí)驗(yàn)需要研究70/140目的支撐劑輸送，且裂縫長度可以后期通過多塊板進(jìn)行縮減或者拼接延長，所以最終的縫長在模型一的基礎(chǔ)上適當(dāng)縮短。

綜上所述，通過CFD模擬將頁巖主縫支撐劑輸送實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)段縫高取為0.6 m、縫長取為10 m、縫寬設(shè)計(jì)從2～10 mm可調(diào)。

2.3 裝置的其他功能設(shè)計(jì)

考慮頁巖氣儲層壓裂裂縫可能存在更為復(fù)雜的形態(tài)，裝置設(shè)計(jì)時同時實(shí)現(xiàn)裂縫改變傾角和改變走向的功能。實(shí)驗(yàn)裝置的平板裂縫固定在平臺上，平臺用鋼結(jié)構(gòu)支架支撐，一側(cè)安裝能夠協(xié)調(diào)一致運(yùn)動的多個液壓缸。通過控制液壓缸活塞的上下運(yùn)動使平臺繞一側(cè)旋轉(zhuǎn)，從而使平臺上平板裂縫實(shí)驗(yàn)段改變其傾角。

為了改變裂縫走向，在裂縫片段之間安裝流動通道大小相同的膨脹節(jié)，通過膨脹節(jié)的彎曲改變裂縫的走向?？紤]到膨脹節(jié)在流體壓力作用下的變形問題，在膨脹節(jié)上安裝矩形加強(qiáng)筋進(jìn)行固定。

3 裝置實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)

結(jié)合現(xiàn)場壓裂施工流程設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置循環(huán)泵注系統(tǒng)，壓裂液和支撐劑在配液罐中混合后，經(jīng)螺桿泵和管線進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，自實(shí)驗(yàn)段流出后進(jìn)入回收分離罐，在回收分離罐中支撐劑沉降至底部后被收集，液相則被泵抽至配液罐進(jìn)行下一階段循環(huán)。

圖4給出了實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)段部分。自供液泵過來的流體經(jīng)流量計(jì)1后流向裂縫，裝置設(shè)置了三個并聯(lián)的進(jìn)口管線模擬不同射孔位置和方式的影響，其可采用閥2～4控制三個進(jìn)口的流動。裝置實(shí)驗(yàn)段為圖4中裂縫片段6～10，裂縫片段一般采用透明板以便于實(shí)驗(yàn)過程觀測，為了滿足強(qiáng)度需求，單塊裂縫片段不能過長，但能通過增減片段個數(shù)較好適應(yīng)實(shí)驗(yàn)段長度變化。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)段的流體進(jìn)入井筒16，然后從上部流出。實(shí)驗(yàn)過程中，每個實(shí)驗(yàn)段采用高清錄像機(jī)11～15全程記錄，實(shí)驗(yàn)后對記錄結(jié)果進(jìn)行分析處理。

1.流量計(jì)；2～4.閥門；5.進(jìn)口封板；6～10.裂縫板片段；11～15.相機(jī)；16.出口井筒。

3.2 實(shí)驗(yàn)段轉(zhuǎn)向及傾角改變裝置

圖5為實(shí)驗(yàn)段轉(zhuǎn)向狀態(tài)圖，圖中實(shí)驗(yàn)段轉(zhuǎn)向前由3塊相同的單元片段(片段為高0.6 m、長2.0 m的可視透明板)依次拼接而成，總長6.0m，外側(cè)由鋼框架固定。在實(shí)驗(yàn)段第三塊片段后連接了膨脹節(jié)，通過膨脹節(jié)改變了后兩塊片段的走向。實(shí)驗(yàn)段左端連接設(shè)置三個進(jìn)口的模擬井筒作為進(jìn)口，依次位于平板進(jìn)口上中下不同部位，右端連接向上出口的垂直井筒。

圖5 實(shí)驗(yàn)段轉(zhuǎn)向狀態(tài)圖

圖6給出了實(shí)驗(yàn)段改變傾角狀態(tài)圖，在鋼制支架底部的液壓升降裝置的協(xié)調(diào)作用下，被固定在支架上的平板裂縫實(shí)驗(yàn)段被一致抬升并發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而可以實(shí)現(xiàn)不同傾角狀態(tài)下的平板裂縫實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。

圖6 實(shí)驗(yàn)段改變傾角狀態(tài)圖

3.3 支撐劑輸送鋪置實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置的有效性，開展了初步的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用材料為現(xiàn)場所使用的陶粒(40/70目、密度2 610 kg/m3)和石英砂(40/70目和70/140目、密度2 680 kg/m3)，滑溜水黏度為2.5 mPa·s，實(shí)驗(yàn)排量為0.05 m3/min。

圖7給出了三種支撐劑材料實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時在最后階段支撐劑的鋪置結(jié)果。對比圖2和圖3的模擬結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果特征一致，但在堆積長度上兩者稍有差異，原因可能是實(shí)驗(yàn)中支撐劑粒徑分布是在40/70目(或70/140目)之間，而模擬粒徑則是40/70(或70/140)目的平均粒徑。不管在哪種工況下，實(shí)驗(yàn)過程在整個實(shí)驗(yàn)段內(nèi)均能夠觀測到完整的支撐劑沉降、堆積形成砂堤、砂堤達(dá)到平衡高度、砂堤向前延伸等過程。

圖7 不同支撐劑類型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

圖8給出了裝置的平板裂縫在不同裂縫傾角條件下支撐劑輸送實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中支撐劑采用40/70目石英砂，其他實(shí)驗(yàn)條件與圖7相同。從圖8可以看出，隨著裂縫傾角增大，進(jìn)口位置支撐劑堆積量更大，其在裂縫中運(yùn)移距離較小，更容易沉降在近井地帶附近。

圖8 不同裂縫傾角驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)論

(1)結(jié)合頁巖氣壓裂大排量、低液體黏度、支撐劑顆粒小粒徑為主等特點(diǎn)，分析了支撐劑在主縫中輸送、沉降、鋪置模式，確定了顆粒雷諾數(shù)、重力雷諾數(shù)、流動雷諾數(shù)、縫長縫高比等為頁巖氣主縫支撐劑輸送實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的相似準(zhǔn)則數(shù)。

(2)采用固液兩相流CFD方法對實(shí)驗(yàn)段尺寸進(jìn)行了確定，在滿足實(shí)驗(yàn)過程縫口、縫內(nèi)支撐劑輸送鋪置特征有效觀測的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)段設(shè)計(jì)為長10 m、高0.6 m，寬度設(shè)計(jì)為2～10 mm可調(diào)。

(3)進(jìn)行了裝置實(shí)物制造，驗(yàn)證了裂縫變傾角、變走向的功能，初步開展了支撐劑輸送鋪置驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)的理論計(jì)算和模擬結(jié)果相符，滿足后期壓裂實(shí)驗(yàn)要求。