非常规储层压裂砂比对支撑剂铺置质量影响的实验研究

2022-03-04高金剑胡蓝霄杨汶山

钻采工艺 2022年6期

高金剑，胡蓝霄，王刚，杨汶山

1江西经济管理干部学院机场学院 2成都理工大学能源学院 3中国石油川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院

0 引言

储层改造的目标是形成有一定导流能力的裂缝[1- 3]，为了实现这一目标，需采用滑溜水或线性胶携带支撑剂，在裂缝中形成有效的支撑[4- 6]。支撑剂在裂缝中的铺砂浓度、分布规律、铺置方式等都是影响储层裂缝导流能力的关键因素[7- 8]。而影响支撑剂在裂缝中铺置规律的因素包括施工排量、施工压力、砂比、裂缝壁面、颗粒之间碰撞、支撑剂和压裂液物性等[9]。研究支撑剂在裂缝中的沉降规律，可以对施工参数、支撑剂物性参数、砂比等进行优化设计，可以选择合适的压裂液体系和支撑剂体系，还可以应用支撑剂的沉降规律来控制缝高[10- 12]。砂比作为压裂施工现场的一个重要工艺参数，影响着支撑剂在裂缝的中的运移和沉降[13]。本文将运用大型可视平板垂直裂缝模拟系统，改变陶粒砂比，研究陶粒支撑剂在垂直裂缝中的运移沉降规律，从而为现场应用提供参考借鉴依据。

1 实验系统及方法

1.1 实验仪器

“大型可视平板垂直裂缝模拟系统”是一套可模拟不同类型、不同粒径的支撑剂在裂缝中运移及铺置的系统[14]。系统由携砂液搅拌配制装置、低排量螺杆泵、玻璃平板垂直裂缝等组成，平板裂缝缝长4 m，缝高1 m，缝宽可调，本文设置为6 mm，见图1。

图1 实验系统

在常温常压、忽略滤失、不考虑壁面摩阻条件下，本实验系统可模拟分析不同种类、不同粒径的支撑剂，不同类型的压裂液及施工排量下的裂缝内支撑剂铺置情况。支撑剂的种类和粒径不同，裂缝内铺置情况也不同，实验过程中砂比改变，其他实验参数不变，可获得不同实验条件下的砂堤形态，通过对比砂堤形态，可以优选出最优的砂比使裂缝内的砂堤分布最合理，提高压裂效果。

1.2 实验方法

(1)颗粒运移记录方法：跟踪若干个标红的陶粒支撑剂的运移轨迹，记录实验时间，计算出陶粒沉降速度与水平运移速度。

(2)砂堤高度记录方法：自动获取数据与人工获取数据相结合的方法，实验全程录像。

(3)保证实验过程中相同的砂比，匀速加砂。

1.3 实验方案

本实验方案通过改变砂比，保持陶粒支撑剂的粒径、排量、压裂液黏度不变，从而研究不同砂比下支撑剂在裂缝中的运移沉降规律。压裂液室温黏度为60 mPa·s，支撑剂为20～40目Carbo陶粒，试验排量均为6 m3/min，砂比分别为4%、12%与20%。

2 砂比为4%的实验

2.1 砂堤形态

从垂直裂缝模拟系统中出现支撑剂时，开始计时至模型中砂堤不再增高截止，每隔0.8 min记录一次，分别在0.8 min、1.6 min、2.4 min、3.2 min时记录砂堤高度的变化数据，见图2。

图2 砂比为4%时砂堤分布图

从图2可知，随着携砂液的不断注入，陶粒堆积量越来越多，堆积的陶粒形成了坡度较小的砂堤，根据陶粒堆积的高度随时间的变化关系，把裂缝均匀分成4部分，对每部分陶粒堆积量及砂堤堤峰的变化规律进行分析。

2.2 裂缝各部位沉砂量

针对不同时间段，裂缝4部位砂堤高度增量变化进行分析，结果如表1所示。

表1 4%砂比不同时间段裂缝各部分沉砂量

由表1可得，裂缝4部位的陶粒堆积量不同，分别为54.0 cm、48.3 cm、46.3 cm、37.6 cm，从缝口至末端，砂堤堆积量逐渐减小，平均坡度为4.1%；在4个时间段内，各部位陶粒高度增量也是不同的，裂缝入口堆积量逐渐减小，裂缝末端堆积量逐渐增大。裂缝内陶粒堆积量增加，裂缝流动截面积减小，裂缝内线性胶流速加快，把陶粒携带到更远处。因而出现了裂缝入口端陶粒堆积量先大后变小，裂缝深度堆积量先小后大。

2.3 堤峰位置变化与时间的关系

在裂缝缝口附近，携砂液从射孔孔眼出来时，液体流速较高，支撑剂不易沉降，被携带到更远的位置，然后急剧沉降下来，形成砂堤堤峰。从孔眼出来的支撑剂不断被携带至砂堤堤峰位置，部分支撑剂再沉降下来，在线性胶的冲击作用下，砂堤堤峰不断往后推移。

以砂堤所形成的堤峰作为研究对象，读取砂堤分布图中四条曲线堤峰的坐标绘制柱状图，如图3所示。

图3 砂比为4%时砂堤堤峰位置变化柱状图

图3中横坐标表示堤峰所在的裂缝位置，纵坐标表示堤峰的高度，柱状图代表了在各个时间点堤峰的位置变化。从图3中可得，堤峰逐渐提高并向裂缝更深处运移。在第一时间段内，堤峰高23 cm，第二时间段高38 cm，第三时间段高52 cm，第四时间段高61 cm。堤峰高度的增长速度变慢，向深部运移的速度变化不明显。

3 砂比为12%的实验

3.1 砂堤形态

从裂缝模型中开始出现支撑剂时，开始计时至模型中砂堤不再增高截止，用时1.6 min。每隔0.4 min记录砂堤高度的变化数据。绘制曲线如图4所示，从图4可知，随着施工的进行，所形成砂堤逐渐提高，砂堤形态整体看更平缓，堤峰变大，但坡度不大。

图4 砂比为12%时砂堤分布图

3.2 砂堤各部位沉砂量

针对裂缝的各个部位在不同时间段的变化进行分析，结果如表2所示。

表2 12%砂比不同时间段裂缝各部分沉砂量

从表2可得，裂缝4部位的陶粒沉降量不同，分别为47.3 cm、48.2 cm、45.0 cm、39.9 cm，从缝口至末端，砂堤堆积量逐渐减小，平均坡度为2.8%。在4个时间段内，各部位陶粒高度增量也是不同的，裂缝入口堆积速度减小，裂缝末端堆积速度增大。对比分析表1、表2可知，相同时间段内，表2第1部分的陶粒堆积高度比表1低；第2、3部分，表2与表1相差不大；第4部分，陶粒最终堆积的高度也比表1的小，形成了坡度更小的砂堤。

3.3 堤峰位置变化与时间的关系

图5为砂比12%时砂堤堤峰位置变化柱状图。从图5可得，堤峰逐渐提高并向裂缝更深处运移。在第一时间段内，堤峰高17 cm，第二时间段高29 cm，第三时间段高42 cm。第四时间段高53 cm。堤峰高度的增长速度变慢，向深部运移的速度先增加后减小。

图5 砂比为12%时砂堤堤峰位置变化柱状图

4 砂比为20%的实验

4.1 砂堤形态

以砂比为20%开始实验，从裂缝模型中开始出现支撑剂时开始计时，至模型中砂堤不再增高截止，用时1.2 min。隔0.3 min记录砂堤高度的变化数据，绘制曲线如图6所示

图6 砂比为20%时砂堤分布图

从图6可知，随着携砂液的不断注入，陶粒堆积量越来越多，堆积的陶粒形成了坡度较小的砂堤，根据陶粒堆积的高度随时间的变化关系，把裂缝均分成4部分，对裂缝4部分陶粒堆积量及砂堤堤峰的变化规律进行分析。

4.2 砂堤各部位沉砂量

针对裂缝的各个部位在不同时间段的变化进行分析，结果如表3所示。

表3 20%砂不同时间段裂缝各部分沉砂量

表3可得，裂缝4部位的陶粒沉降量分别为43.35 cm、42.50 cm、40.12 cm、35.53 cm，从缝口至末端，砂堤堆积量逐渐减小，平均坡度为1.9%，均比实验1坡度4.1%、实验2坡度2.8%小。在4个时间段内，各部位陶粒高度增量也是不同的，裂缝入口堆积速度减小，裂缝末端堆积速度增大。对比分析表2、3可得，表3裂缝4部分的砂堤高度均比表2小，平板内陶粒总的堆积量减小，更多的陶粒运移到裂缝深部。随着陶粒砂比增加，陶粒颗粒的碰撞作用增强，导致陶粒沉降速度减小。

4.3 堤峰位置变化与时间的关系

图7为砂比20%时砂堤堤峰位置变化柱状图。从图7可得，堤峰逐渐提高并向裂缝更深处运移。在第一时间段内，堤峰高12.5 cm，第二时间段高26 cm，第三时间段高36 cm，第四时间段高45 cm，堤峰高度的增长速度变慢，向深部运移的速度加快。

图7 砂比为20%时砂堤堤峰位置变化柱状图

5 砂比对支撑剂沉降规律的影响

5.1 砂比对支撑剂沉降砂堤形态的影响

图8为不同砂比时砂堤形态图。分析图8可知，三种砂比下，砂堤形态几乎相同，砂比对支撑剂形成的砂堤形态有一定影响，但影响有限，砂堤形态平缓，砂堤坡度分别为4.1%、2.8%、1.9%，随着砂比增加，坡度减小；砂比越小，在相同时间内形成的砂堤高度越大，支撑剂沉降量越大，这是因为砂比增大，支撑剂之间干扰作用增大，沉降速度减小，沉降量减小，高砂比可以增大裂缝深部的支撑。

图8 不同砂比时砂堤形态图

5.2 砂比对支撑剂沉降速度的影响

跟踪若干个红色陶粒支撑剂的轨迹，记录其初始与结束坐标与所用时间，求得本次实验所用Carbo低密高强20～40目陶粒支撑剂在黏度为60 mPa·s的压裂液中不同的砂比下的沉降速度如表4所示。

表4 不同砂比下支撑剂沉降速度表

从表4可见，随着砂比增大，颗粒水平运移速度减小，但减幅不大，基本与裂缝内流体的流速相同。在相同的排量下，随着砂比增大，颗粒沉降速度减小。这是由于在砂比较高的情况下，颗粒间相互干扰作用变强，包括：①单粒砂的沉降引起周围液体的向上流动，阻尼了周围颗粒的下沉，砂比越高阻尼作用越大；②混有砂子的液体混合物无论在混合物比重、黏度都有所增加，其结果是增大了砂粒的浮力及沉降的阻力，这使沉降和运移变缓。