体积压裂支撑剂缝内沉降规律实验研究

2019-06-12刘俊辰高新平刘桓竭周玉超

钻采工艺 2019年5期

刘俊辰，彭欢，高新平，刘桓竭，王良，周玉超

（1四川页岩气勘探开发有限责任公司2中国石油西南油气田公司工程技术研究院3页岩气开采与评价四川省重点实验室4中国石油西南油气田公司开发事业部）

刘俊辰等.体积压裂支撑剂缝内沉降规律实验研究.钻采工艺，2019，42（5）：39-42

随着页岩气藏勘探开发的深入，体积压裂作为页岩气藏效益开发的必要措施之一，发挥着越来越重要的作用［1-3］。页岩气藏体积压裂通常采用滑溜水，由于滑溜水黏度低、携砂性能差，支撑剂容易沉降在水力裂缝底部［4-5］。随着砂堤高度的增加，裂缝内滑溜水过流面积减小，液体流速将逐渐增大，当液体流速增大到可以使支撑剂达到动态悬浮时，此时砂堤高度为平衡高度，导致平衡高度以上的裂缝顶部无支撑剂充填［6-8］，降低了复杂缝网的导流能力，影响页岩气藏体积压裂的改造效果。因此，支撑剂在水力裂缝中的沉降规律、铺置情况对体积改造的成功与否具有重要作用。目前压裂支撑剂在缝内的沉降规律、铺置情况的研究主要为理论方面［9-10］，室内工程模拟评价实验研究开展较少，因此有必要开展压裂支撑剂缝内沉降规律实验研究。采用支撑剂缝内流动可视化装置，定量研究体积压裂中不同施工排量、支撑剂类型、支撑剂泵注程序对支撑剂沉降规律的影响，为页岩气藏体积压裂支撑剂优选、施工参数优化提供有力的技术支撑。

一、实验方法研究

1.实验装置

支撑剂缝内流动状态可视化实验装置主要由供液和泵送系统、混砂系统、动力输送系统、可视裂缝系统、液体回收系统、数据采集与控制系统6部分组成，其中可视裂缝系统的缝宽为6 mm、长度为6 000 mm、高度为600 mm，动力输送系统最大排量为200 L／min，可完成体积压裂支撑剂缝内沉降规律工程模拟实验。

该装置模拟体积压裂中一段人工裂缝，使用动力输送系统将携砂液以不同速度注入可视裂缝系统，通过可视裂缝系统的透明有机玻璃即可清晰观察压裂液或携砂液在裂缝中的流动状态以及支撑剂运移和铺置状况。

2.实验方法

2.1 实验材料的选择

选择目前页岩气藏体积压裂中常用的滑溜水体系、40／70目陶粒支撑剂，其中滑溜水、支撑剂性能参数分别如表1、表2所示。

表1 页岩气压裂用滑溜水性能参数表

表2 页岩气压裂用40／70目陶粒支撑剂性能参数表

2.2 实验排量的确定

实验依照雷诺相似性原理，把体积压裂现场施工排量折算为实验装置中可视裂缝系统的缝内流速，计算公式如下：

式中：ve—室内实验排量，m3／min；vf—现场排量，m3／min；hf—水力裂缝高度，m；wf—水力裂缝宽度，mm；he—可视裂缝系统中裂缝的高度，m；we—可视裂缝系统中裂缝的宽度，mm。

2.3 实验过程的记录

利用数据采集与控制系统中高分辨率录像机进行实验过程的拍摄，记录不同实验条件下整个实验过程中的支撑剂缝内沉降规律。

3.实验方案

开展了不同排量、支撑剂类型（体积密度）、支撑剂泵注程序对支撑剂沉降规律的影响，方案见表3。

表3 体积压裂支撑剂缝内沉降运移规律实验方案

二、实验结果及分析

1.排量对支撑剂沉降规律的影响

体积压裂通常采用大液量、大排量对页岩气藏进行改造。在总支撑剂量及支撑剂浓度相同的情况下，开展不同排量对支撑剂沉降规律的影响研究，实验中排量为40 L／min、60 L／min、80 L／min时，分别对应现场施工排量6 m3／min、8 m3／min、12 m3／min。不同排量砂堤最终形态如图1所示。排量40 L／min时砂堤平衡高度440 mm；60 L／min时砂堤平衡高度为420 mm；80 L／min时，砂堤平衡高度为390 mm。随着排量增大，颗粒水平运移速度增加，砂堤从而变得更为平缓，并有向裂缝深处运移的趋势，排量过低时，支撑剂无法输送到裂缝深处。在现场施工过程中，为了形成更长且有效的支撑裂缝，应在条件允许的范围内尽量提高施工排量，但排量增大会导致砂堤平衡高度降低、缝口附近支撑剂浓度低，不利于在缝口处形成高导流能力的支撑裂缝。

图1 不同排量下支撑剂铺置形态

2.支撑剂类型对支撑剂沉降规律的影响

体积压裂利用支撑剂对人工裂缝进行有效支撑，从而保证改造效果。在相同的总支撑量、排量情况下，开展不同支撑剂类型对支撑剂沉降规律的影响研究。不同支撑剂密度砂堤最终形态如图2所示。随着支撑剂密度降低，颗粒水平运移速度降低，其中支撑剂密度为1.8 g／cm3时砂堤平衡高度为450 mm；支撑剂密度为1.65 g／cm3时砂堤平衡高度为430 mm；支撑剂密度为1.5 g／cm3时砂堤平衡高度为420 mm。砂堤平衡高度降低，砂堤从而变得更为平缓，与排量增加类似，也有支撑剂向裂缝深处运移的趋势，总体来看，支撑剂密度对支撑剂沉降规律的影响与排量对支撑剂沉降规律的影响变化趋势相反，并且支撑剂密度对支撑剂沉降规律的影响小于排量对支撑剂沉降规律的影响。在现场施工过程中，为了形成更长且有效的支撑裂缝，应在满足支撑剂抗压强度的条件下尽量使用低密度支撑剂，可使支撑剂输送到裂缝深处。

图2 不同支撑剂密度下支撑剂铺置形态

3.支撑剂泵注程序对支撑剂沉降规律的影响

为满足页岩气井体积压裂改造的需要，采用斜坡式加砂、段塞斜坡式加砂泵注支撑剂。不同泵注程序砂堤最终形态如图3。在相同的总支撑剂量、排量情况下，不同支撑剂泵注程序对砂堤形态有显著影响。全程均匀加砂中，砂堤高度增长较为迅速，采用斜坡式加砂时，由于泵注初期支撑剂浓度较低，导致砂堤高度初期增加较为缓慢；采用斜坡式加砂，在泵注后期，支撑剂浓度变大，导致缝口处支撑剂浓度增加，可以形成有效支撑裂缝。相对于全程斜坡式加砂，采用段塞式斜坡加砂时，无支撑剂的液体对砂堤冲刷作用更强，可将支撑剂运输到裂缝深处，缝口附近和裂缝深处都形成较好的支撑裂缝。

图3 不同支撑剂泵注程序下支撑剂铺置形态

三、支撑剂缝内沉降规律影响因素敏感性分析

为了解支撑剂缝内沉降规律对3个因素的敏感性，应用敏感性分析方法，对影响支撑剂缝内沉降规律的3个影响因素进行分析，并对3个因素之间的敏感程度进行比较。

敏感性分析是系统分析中分析系统稳定性的一种方法［11-12］。设有一系统，其系统特性P主要由n个因素a＝｛a1，a2，…，an｝所决定，P＝f（a1，a2，…，an）。在某一基准状态a*＝｛，…，an*｝下，系统特性为P*。分别令各因素在其各自的可能范围内变动，分析由于这些因素的变动，系统特性P偏离基准状态P*的趋势和程度，这种分析方法称为敏感性分析。

首先定义无量纲形式的敏感度函数和敏感度因子。即将系统特性P的相对误差δP＝｜ΔP｜／P与参数ak的相对误差δak＝｜Δak｜／ak的比值定义为参数ak的敏感度函数Sk（ak），如式（2）：

式中：P—系统特性；ΔP—系统特征P对ak的敏感性，无量纲；ak—在某一基准状态下的因素值；Δak—参数ak的绝对误差。

在｜Δak｜／ak较小的情况下，Sk（ak）可近似的表示为：

式中：Sk（ak）—敏感度函数，表示系统特性P的相对误差和参数ak的相对误差的比值。

由式（3）可绘出ak的敏感函数曲线Sk-ak。取，即可得到参数ak的敏感度因子：

式中：Sk*—参数ak的敏感因子，是一组非负实数，无量纲。

系统特性，即支撑剂缝内沉降规律，用砂堤平衡高度和支撑剂输送距离的比值表征，进行敏感性分析的参数为：排量、支撑剂类型、支撑剂泵注程序。观察支撑剂最终铺置的形态，用曲线拟合的方法，建立砂堤平衡高度和支撑剂输送距离的比值与排量、支撑剂类型、支撑剂泵注程序3个参数的函数关系，从而得到敏感度函数，然后计算敏感度因子。经过分析，得到了各参数敏感度值，如表4所示，按大小排序，依次为排量、支撑剂泵注程序、支撑剂类型。