滑溜水压裂主裂缝支撑剂运移模拟实验研究

脱直霖

（西安石油大学石油工程学院，陕西 西安 710065）

目前滑溜水压裂主要应用于煤层气与页岩气［1］。滑溜水压裂又被称为清水压裂，这是因为他的黏度低，所以使用滑溜水压裂液将支撑剂输送到裂缝中时运移规律会区别于以往。但是滑溜水压裂液的黏度较低，所以难以将支撑剂更好的输送到裂缝深处。能否将支撑剂有效的填充铺置到已压开的裂缝中形成拥有有效导流能力的裂缝成为滑溜水压裂的关键所在，直接决定了压后增产效果［2］。可见，支撑剂在裂缝中运移沉降后形成的砂堤形态的好坏，对于压裂增产效果有很大的影响。

1 物理实验

1.1 实验装置

本文实验采用 “水力压裂裂缝与射孔模拟实验系统”来进行，模拟滑溜水压裂主裂缝的支撑剂运移过程。主要包括注入系统，裂缝模拟系统，测量检测系统，数据处理系统，操控系统以及废液回收系统。其中单一裂缝模拟装置，裂缝长度：3000mm，裂缝高度：500mm，裂缝宽度：12mm。

裂缝模拟系统可以模拟施工现场的压裂液在裂缝中的携砂运移情况，观察支撑剂在裂缝中的运移，由于裂缝是由两块透明有机玻璃板组成的，所以可以很轻易的观察到支撑剂形成的砂堤形态；两端有活接头，可以将裂缝模拟装置翻转不同的角度，以便满足水平，垂直及各种不同角度的裂缝；密封性良好；底部有支撑物，可以支撑起沉重的裂缝模拟装置；进出口位置处各有三个均匀排列的通道，且相互对称；进出口设备上拥有阀门，可以自由调节流量的大小。

1.2 实验方案

本文模拟主裂缝内的支撑剂运移与沉降的规律。现在许多文献资料中对于描述裂缝内砂堤形态的参数有平衡时间，平衡高度，砂堤前缘高度，砂堤前缘距缝口距离和砂堤前缘坡度。其中砂堤前缘距缝口距离和砂堤前缘坡度是由西南石油大学的李靓［3］在描述砂堤形态时引入的。在实验室中可以模拟各种不同情况下的支撑剂运移，用控制变量的方法针对不同影响因素来探究支撑剂颗粒在主裂缝内的运移铺置规律。实验方案见表1。

表1 实验方案

2 实验结果与分析

2.1 施工排量对主裂缝内支撑剂运移的影响规律

选取实验方案表1中的1、2、3进行室内试验研究，排量为3m3／h、4m3／h、5m3／h时对支撑剂运移的影响。为了方便对照，均取透明平板裂缝的全部 （300cm）来进行研究。见表2。

在保持支撑剂粒径与密度，砂比等影响因素保持不变时，施工排量越大，则携砂液进入裂缝内的流速就会越大，就会携带支撑剂到裂缝深处时才开始沉降，所以才有了上表中砂堤前缘距离随着施工排量的增加而增加。排量越大会使湍流强度增加将支撑剂带到裂缝深处沉降，砂堤前缘高度减小。砂堤平衡高度上方为过流断面，排量越大过流断面就越大，砂堤高度平衡则减小。越大的施工排量在一定时间内输送的支撑剂颗粒就越多，支撑剂颗粒间的相互干扰就越强烈，更易沉降，平衡时间减小。

2.2 支撑剂粒径对主裂缝内支撑剂运移的影响规律

选取实验方案表1中的4、8、9、10来研究不同粒径 （0.64mm、0.45mm、0.32mm、0.21mm）对支撑剂的运移影响。为了方便对照，均取透明平板裂缝的全部 （300cm）来进行研究。见表3。

支撑剂粒径越大，说明支撑剂颗粒所受的重力就越大，而流体浮力与粘滞力的增加却没有重力增加的明显，所以会使支撑剂颗粒更易于沉降。通过文献资料可知，较小的粒径会使携砂液的湍流强度降低［4］，但是这些的影响都比不上重力的影响。所以随着粒径的降低，砂堤前缘距离会增加。当砂堤到达平衡高度时，粒径越大的支撑剂被带走就越困难，需要更大的流速。所以过流断面就应该越窄，故随着粒径的减小，砂堤平衡高度减小。粒径越大，沉降速度就越快，所需要的平衡时间就越短。

2.3 支撑剂密度对主裂缝内支撑剂运移的影响规律

选取实验方案表1中的2、4、5来探究支撑剂密度为 1450kg／m3、1540kg／m3、1890kg／m3时对支撑剂运移的影响。为了方便对照，均取透明平板裂缝的全部 （300cm）来进行研究。结果见表4。

表4 不同密度下的砂堤形态参数

支撑剂密度越大，更容易在裂缝进口端沉降，所以其砂堤前缘距离越短，维持平衡高度的动平衡状态就需要更大的流速，即过流断面越窄，表现出来就是支撑剂密度与砂堤平衡高度成正比。支撑剂密度的增加也会使砂堤的堆起速度增加，所以砂堤平衡时间就越短。

2.4 砂比对主裂缝内支撑剂运移的影响规律

选取实验方案表1中的2、6、7来研究砂比为3%、4%、5%时对支撑剂运移的影响。为了方便对照，均取透明平板裂缝的全部 （300cm）来进行研究。结果见表5。

表5 不同砂比下的砂堤形态参数

砂比越大，颗粒间在输送的过程中越容易碰撞损失动能，就越不容易沉降到裂缝深处，使得砂比越大，砂堤前缘高度越大，砂堤前缘距离越小。砂比越大，为了维持平衡高度的动平衡状态，需要更窄的过流断面和更大的流速，所以砂堤平衡高度增加。越大的砂比，说明同样的时间里进入到裂缝中的支撑剂更多，使砂堤的堆起速度变快，故砂堤平衡时间就越短。

3 结论

1）施工排量的增加会使支撑剂更容易运移到裂缝深处，但湍流效应的增强会使裂缝进口端的支撑剂沉降的少，这样当施工结束后，由于进口端支撑剂少造成的裂缝重新闭合则无法达到水力压裂增产的预期效果。

2）较小的支撑剂粒径易于运移到裂缝深处，但是湍流效应的存在使得裂缝进口端的支撑剂沉降的少。并不利于形成有效导流能力的裂缝。而粒径较大的支撑剂砂堤形态比较好，但不能被携带到裂缝深处。所以，现场工作初，应使用粒径较小的支撑剂以便运移到裂缝深处，后期则应使用粒径较大的支撑剂。

3）在现场施工中，应根据现场条件选取合适的支撑剂密度，如果支撑剂密度过大，则可能造成支撑剂的过早沉降产生砂堵，不利于支撑剂往裂缝深处的运移。如果支撑剂密度较小，裂缝进口端支撑剂沉降的少，这样即使裂缝深处支撑剂铺置效果很好，当停泵泄压后，裂缝进口端也会因支撑剂过少而重新闭合，并不利于形成拥有良好导流能力的裂缝。故在施工初期可用低密度的支撑剂，等到施工后期再用高密度的支撑剂即可。这样的话，便能达到水力压裂增产的效果。

4）在现场施工中砂比并不是越大越好，要根据现场条件设计出最合适的方案来进行施工作业。

5）在施工作业中，滑溜水压裂后期可以通过减小施工排量，增加支撑剂粒径，增加支撑剂密度，增加砂比来使裂缝进口端的支撑剂铺置效果变好。施工初期则与之相反，使更多的支撑剂到达裂缝深处进行良好的铺置。