一种缝网结构可变的支撑剂运移模拟装置

(中国石油大学(华东)石油工程学院，山东 青岛 266580)

水平井体积压裂改造技术在致密油、致密气、页岩油、页岩气等非常规油气资源的成功应用，掀起了非常规油气资源开发的热潮[1～3]。不同于常规双翼对称裂缝压裂，体积压裂是通过控制主裂缝的净压力，使之高于2个水平主应力的差值，形成以主裂缝、次生裂缝、天然裂缝相互交错的复杂裂缝网络[4,5]。支撑剂在复杂缝网中的运移和分布决定着缝网的导流能力，是非常规油气储层获得高渗透能力的关键。Babcock等[6]、Novotny[7]、Auradou等[8]、温庆志等[9]、王进涛等[10]、 Raimbay等[11]、Babadagli等[12]运用单缝平板模型研究常规双翼裂缝中支撑剂的运移和铺置规律以及影响因素。由于体积压裂改造体积表征的局限性，复杂裂缝网络中支撑剂运移和分布的实验研究相对较少。笔者在单缝平板模型的基础上，基于DFN(离散化缝网)模型和HFN(线网)模型这2种主要体积压裂缝网理论模型[13,14]，研制了一套缝网结构可变、可视化的长方体状复杂缝网模型，以有效研究支撑剂在不同结构缝网中的运移和分布规律，为体积压裂加砂方案的优化提供实验技术基础。

1 缝网理论模型

1.1 DFN模型

DFN模型是基于自相似原理及Warren和Root提出的双重介质模型建立的，其几何模型示意图如图1所示。假设压裂改造体积为椭球体，包含1条主裂缝和多条次生裂缝。主裂缝缝宽和次生裂缝缝宽恒定，次生缝缝宽与主裂缝缝宽之比为定值。主裂缝垂直于水平最小主应力σh；次生裂缝分别垂直于σh、水平最大主应力σH和垂向主应力σv，在3个方向进行离散化扩展。

1.2 HFN模型

HFN模型基于流体渗流方程及连续性方程，其几何模型示意图如图2所示。假设压裂改造体积为椭圆柱体，包含分别垂直于σh、σH的2簇裂缝，每簇裂缝的缝宽和缝高恒定。

图1 DFN几何模型示意图 图2 HFN几何模型示意图

DFN模型、HFN模型都是假设压裂储层改造体积由离散化正交裂缝簇与储层基质岩石双重介质组成，不同的是压裂储层改造体积的形状。基于缝网理论模型，结合实验装置研制的便利性与可操作性，假设缝网模型为长方体，包含1条主裂缝，多条次生垂直裂缝，主裂缝缝宽、次生裂缝缝宽、缝高均恒定。

2 复杂缝网试验装置

注：1-混砂储液罐；2-G25型螺杆泵； 3-结构可变的缝网模型。图3 复杂缝网试验装置

模拟支撑剂运移的长方体状复杂缝网试验装置如图3所示。该装置由混砂储液罐、G25型螺杆泵、结构可变的缝网模型3部分组成。

2.1 混砂储液罐

搅拌机型号YB2-90-4，功率1.5kW，转速60r/min。通过搅拌获得压裂液流体和支撑剂颗粒混合均匀的携砂液并储存在罐中。

2.2 G25型螺杆泵

G25型螺杆泵的定子选用弹性材料制成，既可以输送高黏度的流体，也可输送含有硬质悬浮介质或含有纤维介质的流体。试验转速960r/min，排量2m3/h，压力0.6MPa，电机功率1.5kW。

2.3 结构可变的缝网模型

2.3.1 模型设计

对于存在天然裂缝的复杂渗流系统，或者水力压裂诱导裂缝与天然裂缝相互连通的复杂缝网系统，在一定的假设条件下，通过离散化模拟处理均可得到较好的应用效果。因此，采用耐压2MPa、厚度25mm的有机玻璃板构造一个储层改造体积形状为长方体的、结构可变的复杂缝网模拟模型，如图4和图5所示。

图4 结构可变缝网模型结构

图4(a)为模型整体结构图，包括模拟射孔的井筒入口端、复杂缝网系统、流体流动的出口端。图4(b)为复杂缝网系统的结构，包含1条贯穿装置入口和出口的600mm×10mm×400mm主裂缝；2条与主裂缝的间距相等，平行分布于主裂缝两侧的600mm×5mm×400mm三级裂缝；6条两两对称分布于主裂缝两侧并垂直于主裂缝的300mm×5mm×400mm二级裂缝，主裂缝与次生裂缝的缝宽比为0.5。详细参数见表1。

图5 结构可变缝网模型实物

主裂缝缝长/m次生裂缝缝长/m三级裂缝缝长/m缝高/m主裂缝缝宽/m次生裂缝缝宽/m裂缝总体积/cm3上限排量/(m3·min-1)0.60.30.60.40.010.005144003

图5为结构可变缝网模型实物，图5(a)中箭头表示流体在裂缝中的流动方向，图5(b)入口端设计带有4个孔径为10mm的射孔井筒，每个孔眼对应设置一个阀门，通过调节阀门可自由调节射孔的数量、射孔位置。图5(c)出口端包括5个出口阀，可以自由调节出口排量，方便装置的清理工作。另外，还包括一定长度、宽度和厚度的相同有机玻璃板，可以封堵装置中的裂缝，形成不同的裂缝结构，实现缝网结构可变的目的。

2.3.2 缝网结构

缝网平板模型利用有机玻璃板封堵裂缝的方式，可获得不同的缝网结构。图6(a)为“一”型缝网用来模拟常规压裂形成的1条主裂缝；图6(b)为“T”型缝网模拟1条主裂缝+ 1条缝口附近二级裂缝的情况；图6(c)为“十”型缝网模拟1条主裂缝+缝口附近对称分布2条二级裂缝的情况；图6(d)为“TT”型缝网模拟1条主裂缝+2条不同位置的二级裂缝的情况；图6(e)为“TF”型缝网模拟1条主裂缝+1条中间位置二级裂缝+1条端部位置二级裂缝的情况；图6(f)为“H”型缝网模拟1条主裂缝+1条缝口附近二级裂缝+1条三级裂缝的情况。

3 应用

图6 可变缝网结构示意图

图7 缝网节点支撑剂分流转向

为方便操作与装置清洗，选用清水作为携砂流体，研究6种缝网结构对支撑剂沉降规律的影响。排量为0.16m3/h，含砂质量分数为10%，砂粒目数为20～40。步骤如下：①先在低压下将清水注入缝网平板模型中循环，检查装置的密封性，确认密封后，放空；②在混砂储液罐中配制含砂质量分数10%的携砂液，启动螺杆泵，调节排量至0.16m3/h，泵注携砂液至缝网平板模型中；③观察砂堤的形成过程，记录相关现象。

试验发现，支撑剂在缝网中的运移过程，会在缝网的节点处产生分流现象，使一部分支撑剂“转向”进入次生裂缝(见图7)，形成一个空间三维立体形态的砂堤。为了更形象地描述支撑剂分流转向，运用绘图软件构建6种缝网结构的整体砂堤形态示意图，如图8所示。

对不同基本结构中的主裂缝与二级裂缝中的砂堤形态进行分析，将每条缝中的砂堤形态数字化，如图9所示。支撑剂在复杂裂缝网络交叉节点处会出现分流，引起主裂缝砂堤形态的“突降”(见图9(a))，这是由于在主裂缝中流速大，分流速度小，交叉节点处的支撑剂在主裂缝的流体冲刷作用下继续运移，导致砂堤的突降；而支撑剂在缝口附近二级裂缝分流，呈现出“斜坡状”的砂堤形态(见图9(b))，由于分流速度小，冲刷作用弱，颗粒主要依靠自身重力沉降。

4 结论

1) 研制的长方体状复杂缝网试验装置是一套缝网结构可变的、可视化的支撑剂运移模拟装置，可进行“—”、“+”、“T”、“TT”、“TF”、“H”型等不同缝网结构支撑剂运移规律的模拟。

图8 不同缝网结构砂堤形态示意图

图9 砂堤形态数字化

2) 利用该装置开展了不同缝网结构下的支撑剂运移研究。支撑剂在复杂裂缝网络交叉节点处会出现分流，呈现出“突降”的砂堤形态；支撑剂在缝口附近二级裂缝分流，呈现出“斜坡状”的砂堤形态。