玛湖凹陷乌尔禾组砾岩储集层裂缝支撑剂运移规律

2021-10-30陈超峰王佳俞天喜李轶邹雨时马新仿刘立

新疆石油地质 2021年5期

陈超峰，王佳，俞天喜，李轶，邹雨时，马新仿，刘立

（1.中国石油新疆油田分公司工程技术研究院，新疆克拉玛依 834000；2.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249）

准噶尔盆地玛湖凹陷诞生了世界上迄今规模最大的整装砾岩油田，石油资源量15.6×109t，其中探明石油储量6.8×109t，是近年新疆油田原油上产最具潜力区域[1-3]。玛湖凹陷乌尔禾组致密砾岩油藏储集层以砾岩为主，岩性复杂，渗透性差，非均质性强。当储集层砾石含量较高时，水力压裂裂缝形态极不规则[4]。裂缝延伸过程中遇到砾石时，易发生绕砾现象，形成迂曲裂缝，阻碍支撑剂在裂缝中的运移，影响压裂效果[5-7]。近年来，在玛湖地区开展水平井体积压裂攻关试验，压裂技术取得突破性进展，形成多段多簇细分切割体积压裂技术，压裂后初期增产效果显著，为玛湖地区原油大规模有效动用提供了技术手段[8]。但乌尔禾组储集层非均质性强，砾石含量较高，砾石的存在如何影响支撑剂在裂缝中的运移，是现场压裂施工中需要考虑的重要因素，因此，需要对砾石主导的迂曲裂缝中支撑剂的运移规律进行研究。

前人对砂砾岩储集层水力压裂裂缝形态进行了大量研究，利用物理模拟实验，发现砂砾岩储集层水力压裂裂缝形态复杂，裂缝遇砾发生偏转导致缝宽变小[9-10]；随着砾石含量增高，水力压裂裂缝缝面粗糙度增加，使得缝内支撑剂运移阻力增大[11]；水力压裂裂缝遇砾时，会发生止裂、偏转、穿透等现象[12-13]。另外，早期对支撑剂运移规律的数值模拟研究，主要针对平直裂缝，针对砾岩储集层迂曲裂缝内的研究相对较少[14-16]。

前人的研究证实了砂砾岩储集层水力压裂裂缝的复杂性，但没有明确支撑剂在迂曲裂缝中的运移和铺置规律。本文基于物理模拟实验所得砾岩水力压裂裂缝形态重构迂曲裂缝模型，运用Fluent 软件分析砾石粒径、数量以及绕砾处缝宽衰减对支撑剂运移的影响，明确支撑剂在致密砾岩油藏迂曲裂缝中的运移规律，为砾岩储集层压裂泵注程序优化提供依据。

1 模型建立

从砾岩压裂实验水力压裂裂缝形态出发（图1），为尽可能降低数值模拟与现场压裂效果的差异，提高模拟结果的准确性，考虑相似准则：其一，裂缝几何模型与实际压裂裂缝相似，通过添加一定数量、不同直径的凸起，模拟水力压裂裂缝的绕砾现象；其二，数值模拟设置的压裂液入口流速与现场实际泵速相似。

图1 研究区乌尔禾组砾岩水力压裂裂缝形态Fig.1.Shapes of hydraulic fractures in the conglomerate reservoir of Wuerhe formation in the study area

在运用Fluent 软件进行支撑剂运移模拟时，需主要考虑黏性模型以及多相流模型。黏性模型采用k-epsilon（2 eqn）模型，k-epsilon 模型选用Realizable模块。多相流模型主要包括Eulerian 模型、VOF 模型以及Mixture 模型，本文采用Mixture 模型。Mixture 模型是一种简化的Eulerian 模型，适用于模拟支撑剂的运移和沉降，并且Mixture 模型计算量较小，精度高[17]。迂曲裂缝内支撑剂与流体所组成的携砂液属于固液两相流，基于Mixture 模型表征流体和支撑剂的两相流动[18]，并考虑支撑剂与支撑剂、支撑剂与壁面之间的相互作用。模型中固液两相流以连续性方程[19]及动量守恒方程为基础，由于加砂浓度会影响两相之间的能量与动量交换过程，因此常采用Gidaspow模型[20]来计算相间交换系数。固相的温度决定着颗粒的初动能，影响支撑剂的碰撞耗散以及两相间的能量交换[21]。压裂液在裂缝中流动时遇迂曲裂缝发生紊流，应考虑紊流动能以及耗散率[22]。砾岩储集层的迂曲裂缝模型忽略了压裂液在裂缝壁面的滤失，压裂液在裂缝的法向和切向方向上的速度均为零，支撑剂的法向速度同样为零，切向速度和颗粒温度根据Johnson-Jackson模型[23]计算。

为了提高计算的收敛速度，网格采用结构化划分方式，模型裂缝为规则的矩形结构，水力压裂裂缝几何模型的长、宽和高分别为2 000 mm、10 mm 和600 mm（图2），网格尺寸设定为10 mm×10 mm，采用四边形结构网格类型进行几何模型网格划分。裂缝模型设为恒速入口和定压出口。模型的其他边界设为壁面，不考虑裂缝壁面粗糙度的影响。考虑到砾岩油藏渗透率较低，故忽略携砂液的滤失效应。

图2 模拟裂缝三维网格模型Fig.2.A 3D mesh model of fracture simulation

2 模拟方案

玛湖凹陷南斜坡二叠系乌尔禾组砾岩油藏岩相复杂，砾石以支撑和游离的状态存在，水力压裂裂缝会发生绕砾现象。玛湖地区砾岩储集层砾石粒径为2～100 mm，裂缝绕经不同粒径的砾石时，裂缝偏转程度不同（图1c），数值模拟应考虑砾石粒径的影响；砾石数量是影响裂缝复杂程度的关键，当裂缝绕经多个砾石时，裂缝的凸起增加，数值模拟时应考虑砾石数量的影响；当裂缝绕砾时，缝宽会发生一定程度的衰减，增加了支撑剂运移阻力，数值模拟时应考虑缝宽衰减的影响。

结合玛湖凹陷砾岩储集层地质特征，制定了数值模拟方案（表1）。其中基准模拟条件为砾石粒径为50 mm，数量为1 粒，砾石处的缝宽衰减为0。数值模拟考虑3 个影响因素：砾石粒径、砾石数量和绕砾处缝宽衰减程度，通过对每种情况进行模拟，观察砂堤高度的变化，分析支撑剂运移规律。

表1 砾岩储集层水力压裂数值模拟方案Table 1.Numerical simulation scheme for hydraulic fracturing stimulation to conglomerate reservoirs

3 结果与分析

3.1 支撑剂在迂曲裂缝中的铺置过程

简单迂曲裂缝内支撑剂颗粒堆积形成砂堤的过程如图3。注入携砂液5 s 内，由于重力的作用，支撑剂颗粒在裂缝入口沉积，形成砂堤（图3a）。注入10 s后，由于携砂液赋予支撑剂初始动能，使得支撑剂向裂缝深处运移并通过裂缝迂曲处（图3b）。注入20 s后，裂缝中支撑剂沉积得越来越多，砂堤高度不断增加，过流截面减小，使流经截面的支撑剂运移速度增大，更多的支撑剂通过迂曲裂缝流向裂缝深处（图3c）。注入25 s 后，随着支撑剂的沉降，缝内流体流速使支撑剂的沉浮达到动态平衡（图3d），砂堤的高度不再发生变化，此时的砂堤高度称为平衡高度。

图3 不同压裂时刻裂缝中的支撑剂颗粒堆积形态Fig.3.Proppant accumulation in fractures at different fracturing time

支撑剂沉积和运移达到平衡后，砂堤在裂缝迂曲处并没有明显的突变，说明简单的迂曲裂缝对支撑剂的运移铺置影响较小。可通过改变裂缝中迂曲部位的缝宽衰减程度、砾石粒径和数量，进一步研究砾岩储集层迂曲裂缝支撑剂铺置规律。

3.2 砾石粒径对支撑剂分布的影响

砾岩储集层由于存在不同粒径的砾石，经过水力压裂后，会形成不同迂曲程度的裂缝。砾石粒径分别为20 mm、30 mm、40 mm、50 mm 和100 mm 时，迂曲裂缝中支撑剂的铺置情况见图4。当砾石粒径为20 mm时，由于砾石较小，携砂液经过绕砾的迂曲裂缝时，支撑剂运移速度改变较小，支撑剂更易运移至裂缝深处，经过迂曲裂缝后，砂堤的高度较稳定。随着砾石粒径增大，迂曲裂缝对支撑剂运移铺置的影响程度增大。根据不同时间砂堤形态的变化发现，不同砾石粒径影响下的砂堤平衡时间与平衡高度不同（图4）。当砾石粒径过小，如20 mm 时，对支撑剂的铺置影响较小，最终形成的砂堤高度比较平均，且平衡高度较大，为345.3 mm（裂缝总高度为600 mm）。随着砾石粒径逐渐增加，裂缝的迂曲对支撑剂运移铺置的影响程度逐渐增大，最终形成的砂堤的平衡高度逐渐降低，由砾石粒径为30 mm 时的336.5 mm 降至砾石粒径为50 mm 时的322.6 mm。当砾石粒径增加到100 mm 时，由于砾石粒径较大，支撑剂不易通过迂曲裂缝运移至裂缝深处，最终形成的砂堤平衡高度为189.5 mm。

图4 砾石粒径对支撑剂分布的影响Fig.4.Influences of gravel size on proppant distribution

3.3 砾石数量对支撑剂分布的影响

由于砾岩储集层含有大量的砾石，水力压裂裂缝遇砾，会产生大量的绕砾现象，研究砾石数量对支撑剂运移铺置规律的影响十分重要。当砾石粒径以及裂缝缝宽一定，且砾石数量分别为1、2、4、6、8和10粒时，迂曲裂缝的形态以及支撑剂的铺置如图5a 所示。从砾石数量为2 粒时的砂堤形态可以看出，由于2 条迂曲段的存在，支撑剂在裂缝中的运移难度增加，支撑剂并不在靠近缝口处形成砂堤，砂堤的平衡高度降低。随着砾石数量由2粒增加至10粒，裂缝的迂曲段逐渐增加，裂缝更为复杂，复杂迂曲的裂缝使得支撑剂难以进入裂缝的深处。根据砂堤形态变化，不同砾石数量的砂堤平衡时间与平衡高度变化如图5b 所示，随着砾石数量的增加，砂堤平衡高度有所降低，这是由于砾石数量的增加使裂缝迂曲程度加剧，支撑剂进入裂缝深处的难度增加。

图5 砾石数量对支撑剂分布的影响Fig.5.Influences of gravel concentration on proppant distribution

3.4 绕砾处缝宽衰减对支撑剂分布的影响

由于砾岩储集层水力压裂形成裂缝的地质条件不同，最终裂缝绕砾会产生不同程度的缝宽衰减，缝宽的衰减会影响支撑剂在迂曲裂缝中的运移铺置过程。砾石处缝宽衰减程度为0、20%、40%、60%和80%时，裂缝中砂堤形态变化见图6。当绕砾处缝宽无衰减时，迂曲裂缝对支撑剂的运移铺置的过程影响较小；当缝宽衰减20%，即缝宽由10 mm 减为8 mm，支撑剂更易在绕砾处之前沉积，运移至绕砾处之后的支撑剂减少；随着缝宽衰减程度的增加，支撑剂进入裂缝深处的难度逐渐增加，裂缝迂曲段后的铺砂程度逐渐降低。通过观察不同时间的砂堤形态的变化发现，随着缝宽衰减程度的增加，砂堤平衡高度有所降低。

图6 绕砾处缝宽衰减程度对支撑剂分布的影响Fig.6.Influences of width attenuation of fractures around gravels on proppant distribution

4 现场施工效果

将数值模拟结果与玛11井和玛18井压裂效果进行对比，玛11 井乌尔禾组以小砾岩夹砂砾岩及泥岩为主，水力压裂裂缝较为平直；玛18 井以灰色砂砾岩为主，砾石粒径较大，形成裂缝更为复杂迂曲。玛11井和玛18 井施工过程实时监测环空压力和砂浓度，压裂施工曲线如图7所示。

由图7 可知，泵注前置液后，环空压力逐渐上升。携砂液泵注期间，玛11 井的环空压力保持稳定，维持在30 MPa左右，而玛18井环空压力增至约80 MPa，发生超压现象。结合数值模拟结果进行分析，玛18井砾石含量高，裂缝在延伸过程中绕砾，产生迂曲复杂的形态，裂缝绕砾时缝宽衰减，支撑剂运移至迂曲裂缝时受阻，发生近井桥堵，导致压力迅速爬升。现场施工结果表明，由于大量砾石存在产生迂曲裂缝，阻碍了支撑剂向裂缝深处的运移，导致缝内支撑剂的铺置面积与砂浓度降低，进而影响油井的产量。