頁巖氣水平井段孔簇內(nèi)壓裂液分配研究

薛令 楊毅 鄧銀江 王洪蕾 黃亞芳

重慶科技學(xué)院，中國·重慶 401331

1 引言

水平井壓裂技術(shù)在油氣增產(chǎn)領(lǐng)域有著巨大的優(yōu)勢，而隨著頁巖氣、頁巖油等非常規(guī)能源生產(chǎn)的深入，對射孔井進行壓裂增產(chǎn)措施逐漸增加，出現(xiàn)了由于摩擦力而導(dǎo)致的損耗，這會致使攜砂壓裂液在運移的過程中會受到很大的阻力，致使液體分配不均、裂縫的長度和裂縫與井筒的溝通過程等存在著諸多的問題，主要包含裂縫彎曲、孔眼摩阻、孔眼相位不一致等。

2 裂縫彎曲

1990年，Palmer[1]指出井筒與裂縫的連接并不是一個純粹的、拉鏈狀的連接；正相反，它表現(xiàn)的是由更加復(fù)雜的彎曲裂縫網(wǎng)格來連接裂縫主體和井筒。為了量化和改善這種近井筒效應(yīng)，1994年Weijers[2]建立中等井斜的定向井實驗?zāi)Ｐ湍M裂縫增長，Weijers在模型試驗中觀測到的近井筒裂縫幾何結(jié)構(gòu)圖，總結(jié)實驗結(jié)果指明，近井筒的裂縫彎曲可能是由下列因素所致：

①從初始裂縫平面想最佳裂縫平面的重新定向?qū)е铝芽p發(fā)生平緩或急劇的彎曲；

②水力壓裂裂縫與天然的或鉆井誘發(fā)裂縫交叉，產(chǎn)生急劇裂縫彎曲度；

③由于水泥粘結(jié)不牢而產(chǎn)生沿著水泥和堅硬套管之間的環(huán)形方向的裂縫生長，裂縫起裂后從射孔井段離開進入地層。

在2000年，Weijers[3]提出用于解決射孔或近井筒高摩阻的補救措施，采用逐級降排量測試法在有效壓裂之前作為例行程序加以應(yīng)用，以評估可能的支撐劑鋪設(shè)問題，并且發(fā)現(xiàn)了裂縫入口摩阻主要有兩部分組成，即射孔摩阻和裂縫彎曲摩阻。

3 壓裂液在射孔簇中的流動特性

攜砂壓裂液在孔簇中的流動屬于固液兩相流動模型。固液兩相流動本身具有一定的復(fù)雜性，尤其對于壓裂液在小尺寸的射孔簇的流態(tài)情況。兩相流動的理論模型研究的早期嘗試性工作大致是從20世紀40年代末開始，基于不同的觀點和假設(shè)建立了不同的兩相流模型[4]。

2015年，Wu Kan等人在研究中分析了孔眼直徑、射孔數(shù)等不同射孔參數(shù)對多簇壓裂裂縫的影響。Faraj基于支撐劑在井眼中沉降以及支撐劑在射孔簇之間的分布問題，在實驗?zāi)Ｐ椭兄饕l(fā)現(xiàn)壓裂液的泵入速度和支撐劑濃度對壓裂的影響。2019年，Min Zhang在偏斜井眼中通過穿孔的支撐劑傳輸離散元法（CFD-DEM）進行流體動力學(xué)研究，在考慮不同射孔簇方向，改變井眼流速、支撐劑濃度、流體黏度，數(shù)值模擬結(jié)果表明井眼傾角對支撐劑分配有一定影響[5]。

4 支撐劑在遠井筒縫內(nèi)運移機理

支撐劑沉降主要發(fā)生在壓裂液運移的過程中，而支撐劑沉降的數(shù)學(xué)模型在水力壓裂早期有較多的研究。

2005年Harris通過對比三種用于驗證壓裂液運輸測量技術(shù)，并通過做對比實驗驗證較低的液體剪切速率有利于支撐劑運輸。基于支撐劑分布不均問題，2007年Brannon在俄克拉荷馬大學(xué)的油井建設(shè)技術(shù)中心研究了支撐劑在壓裂液液體流動實驗，評估了各種支撐劑漿液成分和處理參數(shù)對支撐劑傳輸?shù)南鄬τ绊憽?009年溫慶志在研究支撐劑在裂縫中運移特性中，找到在不同性能的壓裂液和不同尺寸的裂縫影響下的支撐劑沉降的規(guī)律[6]。

黃志文采用FLUENT軟件建立流固耦合作用的攜砂液流動模型模擬攜砂液在垂直裂縫中的流動過程，依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果直觀表征攜砂壓裂液在矩形平面裂縫中的分布情況，2019年徐加祥開展了在形態(tài)復(fù)雜的裂縫中的支撐劑的分配鋪置的實驗，在考慮了壓裂液濾失和支撐劑與流體共同作用下的，支撐劑在迂曲裂縫中輸送和分布情況。2014年，Kern在低壓室內(nèi)實驗室環(huán)境復(fù)雜裂縫模型評估復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)中支撐劑運移情況，在實驗中研究了裂縫形狀的復(fù)雜性，水泵的排量等因素對支撐劑的運移的影響，還利用窄縫實驗?zāi)Ｐ停紤]了壁面的摩擦阻力影響，實驗結(jié)果同樣證明粗糙度對支撐劑分布具有重要影響。

5 結(jié)論

①大位移水平開壓裂技術(shù)逐漸成為頁巖氣等非常規(guī)能源的重要手段，壓裂施工過程常常存在近井筒高摩擦損失，針對近井筒液體流動的摩擦損失問題尚無明確的研究機理。

②固液兩相流動仍沒有標準的數(shù)學(xué)模型和理論模型來界定每一個固相流動問題，尤其是針對射孔簇內(nèi)壓裂液流動，流動模型較為復(fù)雜，需要進一步的探索近井筒效應(yīng)狀態(tài)下，壓裂液在井筒內(nèi)流動以及各孔簇之間的流動分配。

③攜砂壓裂液在井筒以及裂縫中的流動二者之間存在復(fù)雜的耦合交互，因此探究攜砂壓裂液在井筒多個射孔簇之間的分配機理，揭示固體顆粒與壓裂液在近井筒區(qū)域的復(fù)雜流動規(guī)律的研究深度還有待提升。