通道压裂支撑剂团块形成过程及影响因素

吕明锟，曲占庆，郭天魁，王旭东，李 金，王志文

(中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

引 言

通道压裂是2010年之后出现的一种新型压裂方式[1-2]，具有降低支撑剂用量、提高改造效果的优点[3-5]。通过在压裂液中加入纤维和脉冲泵注，支撑剂与纤维互相包裹形成团块，在裂缝中实现支撑剂的非均匀铺置，形成超高导流能力的流动通道[6-8]。其中支撑剂与纤维互相包裹的团块(以下简称“团块”)的形成和分布是通道压裂区别于常规压裂的主要特点，也是决定通道压裂效果的重要因素。研究通道压裂团块形成和分布的主要方法是利用平行板设备进行通道压裂的可视化模拟[9-11]，但目前相关研究主要对最终形成的通道形态进行评价和影响因素分析，仅能在实验尺度下提出参数建议[12-14]，而关于团块形成过程、特点和施工因素对团块形成过程影响的研究少见，没有针对团块形成和生长过程的机理进行研究。为此，本文采用大型复杂裂缝颗粒运移铺置模拟装置，在考虑裂缝壁面粗糙和滤失的情况下，进行了通道压裂团块形成过程的研究，分析了团块形成的机理和特点，研究了部分施工参数对团块形成过程的影响。

1 实验设备及原理

在大型复杂裂缝颗粒运移铺置模拟装置的透明有机玻璃板一侧粘贴不同粒径的石英砂并开一定数量的滤失孔，分别模拟裂缝的粗糙壁面和滤失；裂缝模块有一条长5 m、高0.6 m的主缝(缝宽5 mm)，主缝两侧分别设置了不同角度的分支缝(缝宽3 mm)，分支缝长1 m，在尺度上更加接近真实地层[15]。

实现实验装置对实际裂缝的科学模拟，需要保证模拟裂缝和实际裂缝的雷诺数Re相同，即

(1)

式中：ρm为模拟裂缝中流体密度，μm为模拟裂缝中流体黏度，Lm为模拟裂缝流场的特征长度，vm为模拟裂缝流场的特征速度，ρn为实际裂缝中流体密度，μn为实际裂缝中流体黏度，Ln为实际裂缝流场的特征长度，vn为实际裂缝流场的特征速度。

选取流场的特征长度为缝宽w，流场的特征速度为压裂液的横向流速v，由于实验模型的缝宽直接模拟实际缝宽，所用的压裂液的密度、黏度、支撑剂密度与现场相同，所以式(1)化简为

vm=vn。

(2)

根据式(2)可得

(3)

式中：Qn为实际施工排量(双翼裂缝)，m3/min；Qm为实验排量(模拟单翼裂缝)，m3/min；An为实际裂缝过流断面面积，m2；Am为模拟裂缝过流断面面积，m2。

由于本文中实验排量的单位为m3/h，所以式(3)可表示为

(4)

式中：Qm′为实验排量，m3/h。

2 通道压裂团块形成过程及特点

通道压裂中对裂缝起支撑作用的是支撑剂与纤维团块，通道的形成本质上是团块在裂缝中的不连续铺置，研究通道的形态应该从研究裂缝中的团块入手，了解团块形成的机理和特点，明晰不同参数对团块形成过程的影响，才能有针对性地改变施工参数达到团块的理想铺置，获得较好的通道形态。通过大型可视化颗粒运移模拟装置，进行通道压裂模拟实验，分析纤维与支撑剂团块的形成过程和特点。

先前的研究表明[9]，通道压裂实验中由于流场复杂，近井裂缝对于团块的形成和分布具有较大影响，所以为了减小近井复杂流场的影响，选取距注入井筒2～3 m处的裂缝进行分析。实验压裂液黏度20 mPa·s，纤维比例3 %，排量6 m3/h，砂比5 %，脉冲时间25 s。

如图1所示，左图为第一个纤维脉冲之后纤维团的铺置形态，右图为实验最终的铺置形态，压裂液流动方向由左向右(文中流动方向均为由左向右)。对比团块的位置发现，由于滤失的设计使滤失孔处具有滤失的功能和粗糙度突变，纤维脉冲之后的纤维团和最终的团块大部分形成于滤失孔处，少部分在裂缝较为粗糙的位置。

右图绝大部分团块中有明显的白色纯纤维团，通过与左图中纤维团的位置对比发现，右图团块中的白色纤维团与左图的纤维团位置基本相同，实验最终独立团块的数量和左图纤维团的数量也基本一致，说明最终的团块是在第一个纤维脉冲所形成的纤维团的基础上形成的，第一个纤维脉冲的作用是在裂缝中寻找滤失和粗糙部位， 并且以纤维团的形式将滤失和粗糙表现出来，纤维团成为后续团块生长的基础。第一个纤维脉冲之后的纤维团的位置和分布基本决定了最终团块的位置和分布。

图1 团块初始与最终分布对比Fig.1 Comparison of initial and final distribution of fiber agglomerates in crack

针对团块的形成过程，如图1所示，选取了(a)、(b)、(c)3处进行分析，分别选取了第一个纤维脉冲后25 s、50 s、120 s、170 s、210 s和最终形态进行对比，如图2所示。通过图2可以发现，通道压裂过程中团块的生长是以纤维团为基础，以逆压裂液流动方向生长，混有支撑剂的团块大部分在白色纤维团的上游形成。

图2 不同时刻团块形态对比Fig.2 Comparison of morphology of fiber agglomerates at different time points

对比不同阶段的团块形态，分析团块的形成规律，可将团块按形成过程分为3类：延伸生长型、合并生长型和交替变化型，分别对应图2中的(a)、(b)、(c)处所示团块。

延伸生长型团块以第一个纤维脉冲纤维团为基础，在整个实验过程中一直逆压裂液流动方向生长，部分团块会因冲刷而断裂，团块整体细长，团块之间几乎不会发生合并。如图2中(a)处，团块一直在逆压裂液流动方向生长，在170 s时，已经向前延伸了很长；图2中(a)处下方团块在210 s时发生断裂，断开团块留在裂缝中形成一个独立的团块；如果断开的团块稳定性较差，则会被压裂液向裂缝深部携带或者冲散。

合并生长型团块是由于第一个纤维脉冲后形成的纤维团较大，所以生长迅速，与相邻团块合并，合并后两团块之间的通道消失，压裂液转向，最终团块面积较大。如图2中(b)处右侧团块，在纤维脉冲之后形成的纤维团较大，在50～120 s的过程中其生长迅速，与左侧团块发生合并，合并后团块没有明显增大。在纤维浓度较大的情况下这种合并常见，团块相互合并，液流转向，部分合并后的团块继续生长，合并其他团块，最终团块连接成片，形成一条或几条互不连通的通道。

针对上述两种生长形态的团块，要想增加其形成通道的连通性，需要让延伸的团块断开，减少团块的合并，最简单的方式就是适当增加排量。这在以前的研究[9]中已经得到证实。

交替变化型团块由于受到较强冲蚀(排量较大、黏度较大)或者附近流场复杂时，团块生长受到限制，团块生长到一定程度之后出现生长-冲蚀的交替变化，团块的面积通常较小。如图2中(c)处团块在120 s之后的大小交替变化，团块在裂缝中既没有持续延伸，也没有与其他团块合并，这主要由于(c)处团块在持续生长的(a)处团块下游，流场不断变化，团块的生长受到抑制。这种形态的团块在近井裂缝中常见，团块的大小受复杂流场的影响，在体积很小时便进入交替变化阶段，造成近井团块体积小，不能对裂缝有效支撑，裂缝最终的通道率较大。

对单个团块形成过程的观察分析发现，团块的逆压裂液流动方向生长使大部分团块中纤维以“C”型分布(图3)， 这样团块在受高速压裂液冲击时有很好的稳定性。

图3 团块细节Fig.3 Detail drawing of fiber agglomerate

相关研究[16]表明，团块在受高闭合压力时，会发生较大形变，团块被压散，支撑剂层被压实，此时团块具有较好的稳定性。但目前压裂施工为了减少储层伤害，需要尽早尽快地进行压裂液返排，如果选择在井口压力较高、破胶时间较短的情况下进行返排，返排初期裂缝施加在团块上的压力较小，支撑剂层没有被充分压实，纤维的“C”型结构受反向高黏液体冲刷时则不再具有很好的稳定性，可能会导致团块部分解体，团块对裂缝的支撑效果变差。所以在选择通道压裂返排时机时，应根据井口压力考虑施加在团块上的闭合压力是否达到使团块相对稳定的压力值。

3 团块形成过程的影响因素

3.1 压裂液排量对团块形成过程的影响

分别对8 m3/h(线性流速0.74 m/s)和4 m3/h(线性流速0.37 m/s)两个排量实验过程前、中、后期3个阶段的团块形态进行对比分析。

压裂液排量对团块生长的影响主要为3个方面， 一是在第一个纤维脉冲之后(图4前期)， 低排量时裂缝中纤维团的数量明显比高排量多， 裂缝平面上均有分布，而高排量时纤维团在裂缝的下半部分没有分布。这说明排量的增大会使纤维在裂缝中的滞留难度增大，减弱纤维脉冲对裂缝粗糙和滤失的表现作用。

图4 不同压裂液排量下前、中、后期团块对比Fig.4 Comparison of morphology of fiber agglomerates in the front,middle and late stages under different displacement

从实验中期的图片对比来看，团块大部分在第一个纤维脉冲形成的纤维团的基础上生长。大排量时团块横向生长明显，纵向生长缓慢，形成长且窄的形态；而小排量团块横纵方向生长较均匀，没有出现严格的水平生长。这主要是因为排量较大时，压裂液中的纤维和支撑剂的运移速度较大，纤维和支撑剂在团块上继续滞留的难度变大，形成的团块也会受到较强的冲击，纵向窄的形态有利于保持稳定，并且裂缝中需要更多的通道供压裂液流动，所以团块的纵向生长受限。在后期对比中可以发现，低排量时随着团块纵向生长，彼此之间发生合并，团块在裂缝平面上所占的面积比增大，而高排量时团块已经很长，横向继续生长会发生断裂，团块横向基本不再生长，开始缓慢纵向生长，但团块之间相对独立，通道整体保持了较为良好的连通状态。

对比高排量前、中、后期3个阶段裂缝下部区域，在第一个纤维脉冲时没有形成纤维团，之后一直没能形成团块。而低排量下，团块可以通过较为均匀的横纵向生长，团块之间的合并，使团块在裂缝中有较好的分布，不会出现很大面积的未支撑区域。所以，在滤失较大、裂缝壁面较粗糙的地层中，初期易形成纤维团，可以适当增加排量来提高通道的连通性；在闭合应力大，岩石粗糙度低的地层中，适当减小排量，扩大团块支撑面积。

3.2 纤维比例对团块形成过程的影响

进行了纤维比例(纤维质量与支撑剂质量的比值)1 %和3 %的通道压裂实验。分别在实验前期和中期选取了距实验开始相同时刻的团块形态进行对比(图5)。

图5 不同纤维比例下前、中期团块对比Fig.5 Comparison of morphology of fiber agglomerates in the front,middle and late stages under different fiber proportions

从图5不同纤维比例前期对比可以看出，在第一个纤维脉冲之后，高纤维比例实验中形成的纤维团的数量多，团块的体积大。所以较高的纤维比例能够使裂缝粗糙和滤失得到更好的体现，在裂缝粗糙度低、滤失低的情况下，前期可以适当增加纤维比例，来获得更好的纤维团数量和分布。

实验中期对比可以看出，低纤维比例下由于前期形成的纤维团的体积小，压裂液中纤维的比例低，导致大部分团块的生长缓慢，团块体积变化小，而高纤维比例时大部分团块生长迅速，部分团块发生合并。

低纤维比例实验后期，团块缓慢增大之后，由于纤维比例较低，团块的稳定性不够，一部分团块会整个发生运移(而不是生长部分的断裂)，运移的团块一部分被冲散，一部分直接与其他团块结合形成较大的团块，所以低纤维比例下最终团块的分布位置与第一个纤维脉冲所形成的纤维团的位置有较大差异。高纤维比例下所形成的团块具有较好的稳定性，团块虽然后期会发生部分断裂，但团块的大小和分布较均匀；后期的团块横向生长缓慢，开始逐渐纵向生长，发生彼此之间的合并。所以如果通道压裂缝长较长，持续高纤维比例的注入，中部裂缝中的团块可能会发生合并，导致通道连通性变差，对深部裂缝的压裂效果产生较大影响。

3.3 压裂液黏度对团块形成过程的影响

对黏度分别为5、10、50 mPa·s的压裂液进行对比实验分析，结果如图6所示。

从图6可以看出，黏度由5 mPa·s增加到10 mPa·s时，纤维团的体积增大；在黏度迅速增加到50 mPa·s之后，纤维团的数量和体积明显减小。这主要是因为黏度较低时，纤维在压裂液中的分布不稳定，易上浮导致了注入问题，部分纤维没能注入裂缝，但从裂缝中纤维团的分布看，由于压裂液在裂缝中的高速流动，使得纤维没有明显的上浮趋势。高黏度压裂液由于其良好的携带性能，使得纤维在裂缝中滞留变得困难。

从团块的生长形态来看，低黏压裂液中团块的横向和纵向生长较均匀，黏度在50 mPa·s时，由于前期纤维团较小和压裂液黏度较高，冲刷作用严重，团块呈现明显的横向生长，纵向几乎不生长。低黏压裂液实验后期裂缝底部出现部分砂堤，说明压裂液对于支撑剂的携带能力不强，使得支撑剂在裂缝中过早地沉降，由于压裂液对于纤维的携带能力要远大于对支撑剂的携带能力，所以在支撑剂沉降之后，纤维依然能较好地向裂缝深部运移，如果压裂液不能将支撑剂携带到裂缝深部，则会形成不包裹支撑剂的纯纤维团块，裂缝不能得到有效支撑。

图6 不同压裂液黏度下前、中期团块对比Fig.6 Comparison of morphology of fiber agglomerates in the front,middle and late stages under different fracturing fluid viscosity

3.4 分支缝中团块形成过程的特点

图7所示为30°分支缝中团块形成的过程，分支缝与主缝相连。从前期第一个纤维脉冲团块的分布可以看出裂缝中纤维团的数量较多，分布较均匀，与主缝中纤维团分布的最大不同是纤维团不再主要集中在滤失孔处，在除滤失孔的其他裂缝壁面上也形成了较多的纤维团。主要原因是设备分支缝的缝宽是3 mm，主缝的缝宽为5 mm，缝宽的减小使裂缝粗糙度对纤维团形成的影响加大，也就是在缝宽较小的裂缝中，更容易形成团块。

另外， 整个裂缝面上均匀地形成纤维团说明实验开始时分支缝与主缝是相通的。到了实验中期可以看到，携砂液只在裂缝下部注入，此时分支缝上部入口已经被纤维团块封堵。此时压裂液向裂缝上部携带支撑剂非常困难，所以处于裂缝右上角的团块没有压裂液的冲刷，形成了结构不稳定的零星状分布团块，零星状团块的形成区域是压裂液没有有效流经的区域。

图7 分支缝中团块形成的过程Fig.7 Forming process of fiber agglomerates in branch crack

实验后期在实验没有停止的情况下，分支缝中就几乎没有了压裂液的流动，此时分支缝入口几乎完全被团块充填，这种现象在分支缝角度增大之后更加明显。

所以分支缝中团块生长过程与主缝的区别在于：分支缝缝宽小，流量小，使纤维的滞留受粗糙度的影响变大，能够在前期形成数量更多、分布更均匀的纤维团，但是由于分支缝与主缝夹角的存在，团块更容易在分支缝入口处形成，造成分支缝中压裂液流量减小，使进入分支缝中的支撑剂数量减少，实际分支缝的充填不理想。在实际应用中，可以通过前期针对分支缝合理减小纤维长度或支撑剂粒径来解决这个问题。

4 结 论

(1)第一个纤维脉冲之后裂缝的粗糙情况和滤失情况会以纤维团的形式表现出来，之后团块以纤维团为基础逆压裂液流动方向生长。

(2)按照形成过程可将团块分为3类：延伸生长型、合并生长型和交替变化型。其中延伸生长型和合并生长型可以通过适当增加排量来提高通道之间的连通性，交替变化型大多出现在近井裂缝流场复杂的区域；团块内部纤维“C”字型排列使得团块具有较好的稳定性，但返排时应注意返排时机的选择。

(3)较高的压裂液排量和较大的压裂液黏度会使团块的纵向生长受到限制，主要以横向生长为主；排量较低和纤维比例较大时团块纵向生长明显，后期团块之间会发生合并；纤维比例较小时团块稳定性变差，已经形成的团块易运移或者解体。

(4)裂缝缝宽减小会使裂缝壁面粗糙度对纤维滞留的影响变大，分支缝口处易发生团块堵塞，零星状分布团块表明压裂液没有有效流经，可通过减小纤维长度和支撑剂粒径缓解堵塞。