支撑剂沉降铺置规律机理及方法浅析

支撑剂的高效铺置是水力压裂成功的关键技术,因此研究支撑剂沉降运移规律对水力压裂施工参数设计以及压裂材料的选择具有重要意义。本文结合支撑剂在裂缝内的水动力学行为以及模拟支撑剂缝内沉降铺置实验等方法,分析不同施工参数、液体流变性、支撑剂性质以及裂缝壁面之间的交互作用机理,为高效压裂提供理论支撑。     

湍流效应对支撑剂铺置规律的影响

进行水力压裂的目的就是将支撑剂铺置于已产生的裂缝中,支撑剂在裂缝内的分布规律决定了压裂后填砂裂缝的导流能力和增产效果。为了研究湍流对支撑剂铺置的影响,利用大型可视化裂缝模拟装置进行了支撑剂铺置模拟实验,同时运用Fluent模拟软件中的欧拉两相流模型对支撑剂的铺置进行数值模拟研究。实验结果表明,随着压裂施工排量的增大,裂缝入口处形成的湍流强度越强,致使靠近裂缝入口处铺置的支撑剂越来越少,直至无支撑剂铺置,大大降低了裂缝的导流能力。其研究结果可为水力压裂施工中设计合理的施工排量提供帮助。     

水力压裂支撑剂运移与展布模拟研究进展

研究水力压裂支撑剂在井筒和压裂裂缝中的分流、运移和展布规律,可以为压裂工艺和压裂材料优选、压裂施工参数优化提供理论支撑,进而提升压裂改造效果。为此,通过调研分析大量的室内实验、数值模拟和理论分析研究成果,归纳了室内试验与数值模拟方法各自的优缺点,总结了支撑剂在井筒和压裂裂缝中的运移和展布特征。研究结果表明:①室内实验能直观地观测和分析支撑剂在井筒和压裂裂缝中的分流、运移与展布特征,是研究支撑剂在井筒和压裂裂缝中运移与展布特征的重要手段,但现有的实验仪器还有改进和完善的空间;②基于计算流体动力学的数值模拟技术是研究压裂支撑剂运移与展布规律的有效补充,其中计算流体动力学—颗粒元(CFD-DEM)法能够更真实地模拟支撑剂运移情况,是未来研究支撑剂运移与展布特征的重要方法之一;③对于单簇射孔,支撑剂更容易进入水平井筒下方射孔孔眼沟通的压裂裂缝;④对于分簇射孔,支撑剂更容易进入射孔相位角和方位角最优的裂缝,并且在压裂液黏度较低时,支撑剂容易进入跟端射孔簇,而压裂液黏度和注入排量增大能够大幅度降低射孔簇间支撑剂分流差异性;⑤对于单一平面裂缝,压裂液黏度、支撑剂粒径与密度、施工排量及裂缝参数是影响支撑剂运移与展布特征的重要因素;⑥较之于单一平面裂缝,复杂压裂裂缝的形态和次级裂缝角度对支撑剂运移与展布的影响更加复杂,需要开展针对性研究。     

水力压裂支撑剂运移与展布模拟研究进展

研究水力压裂支撑剂在井筒和压裂裂缝中的分流、运移和展布规律，可以为压裂工艺和压裂材料优选、压裂施工参数优化提供理论支撑，进而提升压裂改造效果。为此，通过调研分析大量的室内实验、数值模拟和理论分析研究成果，归纳了室内试验与数值模拟方法各自的优缺点，总结了支撑剂在井筒和压裂裂缝中的运移和展布特征。研究结果表明：①室内实验能直观地观测和分析支撑剂在井筒和压裂裂缝中的分流、运移与展布特征，是研究支撑剂在井筒和压裂裂缝中运移与展布特征的重要手段，但现有的实验仪器还有改进和完善的空间；②基于计算流体动力学的数值模拟技术是研究压裂支撑剂运移与展布规律的有效补充，其中计算流体动力学—颗粒元（CFD-DEM）法能够更真实地模拟支撑剂运移情况，是未来研究支撑剂运移与展布特征的重要方法之一；③对于单簇射孔，支撑剂更容易进入水平井筒下方射孔孔眼沟通的压裂裂缝；④对于分簇射孔，支撑剂更容易进入射孔相位角和方位角最优的裂缝，并且在压裂液黏度较低时，支撑剂容易进入跟端射孔簇，而压裂液黏度和注入排量增大能够大幅度降低射孔簇间支撑剂分流差异性；⑤对于单一平面裂缝，压裂液黏度、支撑剂粒径与密度、施工排量及裂缝参数是影响支撑剂运移与展布特征的重要因素；⑥较之于单一平面裂缝，复杂压裂裂缝的形态和次级裂缝角度对支撑剂运移与展布的影响更加复杂，需要开展针对性研究。     

基于FLUENT的支撑剂裂缝内输送沉降模拟

根据水力压裂中的支撑剂缝内输送沉降模型,利用计算机流体动力学软件FLUENT对支撑剂在裂缝内的输送沉降进行数值模拟。得到了支撑剂的速度和浓度分布情况,以及支撑剂颗粒轨迹图,表明了支撑剂在输送过程中初始速度较快,随着时间的延续,速度便逐渐接近平衡状态;近井眼及裂缝底部的区域浓度较高,且在水平方向上支撑剂浓度越来越小;整个输送过程中,支撑剂黏度是不断降低的。模拟结果为水力压裂施工中支撑剂在裂缝中的输送沉降提供了一定的参考。     

体积压裂支撑剂缝内沉降规律实验研究

随着页岩气藏勘探开发的深入,体积压裂作为页岩气藏效益开发的必要措施之一,发挥着越来越重要的作用。页岩气藏体积压裂通常采用滑溜水,由于滑溜水黏度低、携砂性能差,支撑剂容易沉降在水力裂缝底部,影响页岩气藏体积压裂的改造效果,体积压裂中支撑剂在水力裂缝中的沉降规律、铺置情况对决定体积改造的成功与否具有重要作用。采用支撑剂缝内流动可视化装置,开展压裂支撑剂缝内沉降规律实验研究,定量研究了体积压裂中不同施工排量、支撑剂类型、支撑剂泵注程序对支撑剂沉降规律的影响。在实验结果的基础上,应用敏感性分析方法,对支撑剂缝内沉降规律的影响因素进行分析,按影响因素敏感性大小排序,依次为排量、支撑剂泵注程序、支撑剂类型,为页岩气藏体积压裂支撑剂优选、施工参数优化提供有力的实验支撑。     

页岩气储层支撑剂输送大尺度主缝实验装置研制

为了深入开展页岩气储层压裂水力裂缝主缝中支撑剂输送、铺置规律研究,进行了支撑剂输送大尺度实验装置研制.在分析主缝中支撑剂输送铺置特征的基础上,确定了包括重力雷诺数、流动雷诺数、缝长缝高比等无量纲数为装置实验段设计相似准则,建立了两种平板裂缝实验段几何模型,根据雷诺数相似确定了模型的进出口边界条件,采用固液两相流计算流体...     

水力压裂可视裂缝模拟系统的研制与应用

为指导现场压裂实践,建立一套模拟实际压裂施工的室内模拟系统。以现场施工设备为原型,综合考虑缝宽、温度、压裂液滤失、储层岩性等多种实际因素,研制了可高度模拟储层环境的大型可视裂缝模拟系统。该系统通过测定实验过程中支撑剂的水平运移速度与沉降规律,分析支撑剂形成的砂堤形态,针对性地解决支撑剂在裂缝中铺置规律认识模糊的问题;该模拟系统可优选支撑剂与压裂液体系,优化施工参数和返排制度,实现通道压裂技术研究与新技术测试等功能,对压裂施工方案的设计与评价都具有重要的指导意义。     

页岩气滑溜水压裂支撑剂输送实验及数值模拟研究

页岩气滑溜水压裂主要是在储层中形成网络状裂缝,并用支撑剂将压开的裂缝支撑起来以形成高导流能力的填砂裂缝。针对支撑剂在页岩裂缝中的输送机理开展研究。通过对支撑剂受力进行分析,并结合液固两相流耦合流动机理,在此基础上利用Fluent软件中欧拉-欧拉两相流模型对支撑剂输送进行了数值模拟。数值模拟与物理实验都是研究排量对砂堤形态的影响,结果表明:排量越大,裂缝入口处支撑剂越少,最终的砂堤厚度越低;实验与数值结果吻合度较高。研究结果可为实际页岩气压裂施工提供理论指导。     

四川八角场低渗透气田大型水力压裂应用实例研究及启示

美国安然公司注资并组织国内的压裂液和相关设备，在八角场地区实施了几口支撑剂规模在２５０ｔ以上的大型水力压裂，并取得了满意的施工效果，为确保压裂成功。，应用了压裂注优化设计技术，使用了２０００型大水马力的压裂车组和具有两干两湿添加剂外加泵的混砂车，特制了直径６ｍ可装载５００ｔ支撑剂的立式支撑剂输送装置以适应连续输送支撑剂的需要。研究表明，新技术、新装备、新压裂液是此次大型水力压裂施工成功的关键，而强     

最小主应力对水力压裂设计的影响

以一组实际数据为基础，应用全三维水力裂缝模拟软件研究了最小主应力纵向剖面对水力裂缝的高度、长度、施工压力、压裂液及支撑剂等施工材料优选等方面的影响。提出了具有实际意义的观点，对水力压裂的设计及其施工，具有一定的意义。     

一种超低密度支撑剂的可用性评价

常规支撑剂的密度一般比较大,严重影响着有效水力裂缝的形成,并难以应用于长缝压裂,超低密度支撑剂的使用能够增加裂缝有效长度,提高压裂井的增产效益。采用室内实验与软件模拟相结合的评价手段,对一种新型空心覆膜陶粒支撑剂（ST-I）进行酸溶解度、抗破碎率等基本性能评价,分析了其导流能力在不同闭合压力、铺砂浓度下的变化规律。同时将这种超低密度支撑剂与普通陶粒支撑剂进行性能比较,测试了其在不同压裂液黏度下的沉降特性。结果表明,该支撑剂具有较好的物理、导流性能,在压裂液中的沉降速度较普通陶粒支撑剂明显较慢,完全满足长缝压裂的基本要求。通过后期合理的压裂施工设计,能够形成有效支撑半缝长达到180 m 左右的裂缝。     

射孔孔眼磨蚀对分段压裂裂缝扩展的影响

非常规油气藏分段压裂施工中常利用射孔限流法促进段内多条水力裂缝均匀发育,压裂过程中,支撑剂会逐渐磨蚀射孔孔眼,致使射孔孔眼的限流作用失效。为研究射孔孔眼磨蚀现象对分段压裂中多裂缝发育的影响情况,耦合了孔眼磨蚀模型和水力裂缝扩展模型,建立了考虑射孔孔眼磨蚀的水平井分段压裂裂缝扩展模型。模拟结果表明:随着支撑剂磨蚀破坏射孔孔眼,孔眼的限流能力显著下降,导致压裂段内各水力裂缝尺寸差距增大。基于所建立的数值模型,研究了不同支撑剂浓度、压裂液排量条件下射孔孔眼磨蚀对压裂段内多条水力裂缝扩展的影响。结果表明:(1)压裂液内支撑剂浓度越高,射孔孔眼初期的磨蚀速度越快;(2)支撑剂浓度变化对段内裂缝扩展延伸的影响较小;(3)压裂液排量越高,射孔孔眼限流效果越好,压裂段内各裂缝发育越均匀。最后建议在分段压裂施工中尽可能提高压裂液排量,这将有助于压裂段内各裂缝的均衡发育。     

滑溜水压裂主裂缝内支撑剂输送规律实验及数值模拟

滑溜水压裂时通过泵送大排量压裂液在储层中形成主裂缝为主干的裂缝网络,主裂缝内支撑剂的铺置状况直接影响油气井的产能。采用自主设计的大型可视化平板裂缝装置来研究大排量泵送时主裂缝内支撑剂的输送规律,建立了相应的数值模型模拟了砂堤在不同时刻的铺置形态,并分析了湍流对支撑剂铺置的影响规律,为滑溜水压裂时主裂缝内支撑剂的有效铺置提供一定的理论指导。研究表明,滑溜水压裂时支撑剂在主裂缝内的铺置规律与小排量压裂时不同:支撑剂首先在主裂缝入口处形成一个较低的砂堤,而在距入口较远处形成一个较高的砂堤,之后才一层一层周期性的覆盖在两处砂堤之上,直到达到最终的平衡高度;大排量压裂时易引起湍流,将主裂缝进口端暂时沉降的支撑剂重新卷入裂缝深处,形成类似“卷云状”的沉降结构;数值模拟与物理实验模拟得到的支撑剂铺置结果相似,证明了研究的数值模型具有一定的实用性。     

通道压裂中流动通道形态影响因素实验研究

通道压裂是低渗透致密油气藏高效、低成本开发的关键技术,其关键是在水力裂缝中形成供油气流动的畅通通道网络,但目前针对通道压裂支撑剂铺置形态、流动通道特征研究尚处于起步阶段。通过大型平板裂缝可视装置,开展通道压裂支撑剂动态输送实验研究,分析纤维、压裂液、支撑剂、泵注排量和脉冲时间对支撑剂输送和流动通道形态的影响。实验结果表明:纤维和压裂液决定能否在支撑裂缝中获得流动通道,而泵注排量和脉冲时间对流动通道形态有较大影响,而支撑剂密度和粒径对流动通道形态几乎无影响;胍胶分子链缠绕在纤维表面,使得纤维网状结构范围增大、强度增强,两者共同提高了携砂液脉冲段在输送过程中的稳定性;流动通道类型可以分为3类,且流动通道形态受到泵注排量和脉冲时间乘积的控制。当脉冲单元注入参数为2.5~5.0 L时,形成的高速通道形态最优,支撑裂缝导流能力最大。     

复杂裂缝网络内支撑剂运移及铺置规律分析

水力压裂技术目前已广泛应用于页岩油气的开采中,为了提高产量,将支撑剂和携砂液按照不同的质量比混合注入裂缝,可形成支撑剂的有效铺置,从而提高裂缝的导流能力。支撑剂在复杂裂缝网络中的输送距离和铺置范围是衡量水力压裂效果的重要指标。采用室内模型实验,研究砂比、主裂缝与分支裂缝夹角以及支撑剂种类对支撑剂在复杂裂缝网络中运移和铺置规律的影响。结果表明：①随着砂比从3.0%增大到4.2%,主裂缝内支撑剂铺置高度与裂缝高度之比从0.44增大到0.465,分支裂缝内支撑剂质量与复杂裂缝网络中支撑剂质量之比从21%增大到25%。②随着主裂缝与分支裂缝夹角从90°减小到30°,分支裂缝内支撑剂质量与复杂裂缝网络中支撑剂质量之比从22%增大到30%。③支撑剂进入复杂裂缝网络的质量与实验所用支撑剂总质量之比随实验时间与总实验时间之比呈先快速增加后缓慢增加的趋势,当实验时间与总实验时间之比为0.6时,支撑剂进入复杂裂缝网络的质量与实验所用支撑剂总质量之比为65%～80%。④陶粒和自悬浮支撑剂在裂缝入口处的铺置效果不好,支撑剂铺置高度在主裂缝与分支裂缝相交处以及裂缝高度变化处有明显突变。     

基于有限元模拟的支撑剂回流规律

水力压裂是常用的增产措施之一,在相同地层和裂缝尺寸条件下,裂缝内支撑剂的数量和分布会改变裂缝的导流能力,进而影响油井产量。目前关于支撑剂在裂缝中的分布以及压裂后返排过程中支撑剂在裂缝中的流动规律的研究较少,通过COMSOL软件模拟支撑剂在裂缝中的流动规律,分析了不同因素对裂缝内支撑剂数量的影响。模拟结果表明,影响支撑剂滞留最主要的因素是压裂返排液的流速和压裂液破胶后的黏度,通过调节返排参数可以抑制支撑剂回流。建议压裂施工中将返排液黏度控制在20 mPa·s以下,裂缝中压裂液的流速小于240 m~3/d.     

支撑剂在清洁压裂液中的沉降规律

清洁压裂液中支撑剂的运移和铺置对压裂效果有重要影响,目前对这方面基于理论研究和矿场试验的较多,而室内实验研究较少。利用透明平行板裂缝充填模拟装置,对4个影响支撑剂沉降规律的因素进行了研究。结果表明:黏度越大,沉降速度越小;压裂液携砂性能随排量的增加、支撑剂密度的减小呈线性规律增长;砂液比对沉降速度影响较小;其中3个主因素对压裂液携砂能力的影响程度从大到小依次为清洁压裂液黏度、支撑剂密度和砂液比。认清支撑剂沉降规律可进一步提高压裂井施工参数的合理性。     

复杂条件下支撑剂导流能力的实验研究与分析

地层裂缝所处的各种复杂条件对水力压裂施工有重大的影响,利用导流能力测试仪器,测试分析了支撑剂嵌入、压裂液残渣、压裂液破胶效果、地层微粒侵入、闭合时间、酸碱性等复杂条件对支撑裂缝导流能力的影响。实验结果对正确评价支撑剂性能以及合理选择支撑剂具有一定的参考价值。基于实验测试的导流能力数据,应用统计分析原理,回归出导流能力随压力变化的函数关系式,对分析支撑剂导流能力和压裂施工设计具有一定的指导意义。     

页岩储层水力压裂支撑裂缝导流能力影响因素

支撑裂缝的导流能力是评价页岩储层水力压裂施工效果的一项重要参数,其大小受到多种因素影响。文中开展了支撑剂类型、颗粒大小、铺砂浓度等对支撑裂缝导流能力影响的室内实验研究。结果表明:陶粒的导流能力明显高于石英砂和覆膜砂,在低闭合压力条件下,20~40目陶粒的导流能力最大,在高闭合压力条件下,组合支撑剂的导流能力明显高于单一支撑剂;铺砂浓度越大,裂缝导流能力越大;循环应力加载模式下,裂缝导流能力比稳载时下降了31.7%,经过滑溜水和胍胶压裂返排液污染后,裂缝导流能力分别下降了33.9%和76.5%。研究成果指导了X-4井的现场压裂施工,该井措施后产气量较高且稳定生产,压裂增产效果较好。