薄煤层水力裂缝宽度变化对支撑剂运移的影响

水力压裂仍是低渗透性储层提高渗透性且获得经济产能的主要途径,尤其针对薄煤层,不同裂缝宽度裂缝内支撑剂运移规律受多个因素影响。文中采用数据建模、数值模拟和工程试验的方式,研究了压裂液参数、支撑剂参数对不同裂缝宽度支撑剂的铺砂面积和有效支撑裂缝长度的影响。结果表明：裂缝宽度影响和制约了支撑剂的运移,对于裂缝较发育且缝宽较宽储层,提高施工排量、压裂液黏度和优化支撑剂粒径与砂比,能有效地增大裂缝内支撑剂的铺置面积和有效裂缝长度。针对裂缝不发育且裂缝宽度较小储层,优化支撑剂的粒径和砂比,有利于增大裂缝的有效支撑裂缝长度。针对薄—中厚煤层,采用“高前置液占比、小粒径支撑剂、低砂比、短段塞式加砂方式”,能够有效提高其压裂波及范围和有效支撑效果,研究成果成功应用于贵州薄煤层煤层气开发。     

复杂裂缝内支撑剂沉降运移CFD数值模拟

复杂裂缝内支撑剂沉降运移形成的砂堤展布形态对于压裂裂缝填砂导流能力及后续油、气井增产效果影响显著,为此本文开展了带有分支缝的裂缝内支撑剂输送规律研究,采用CFD数值模拟方法,分析了主/分支裂缝内砂堤生长模式,评价了携砂液注入速度、注入位置、分支缝位置对裂缝内砂堤展布形态的影响,提出了现场针对性措施。结果表明:主/分支裂缝内砂堤生长均表现为"先高度、后长度"生长模式;携砂液注入速度、注入位置、分支缝位置对于主/分支裂缝内沉降砂量影响显著,现场需选取合理施工参数范围以保证支撑剂有效充填。     

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。     

不同粒径支撑剂组合对裂缝导流能力影响规律实验研究

为了获得更大的裂缝导流能力，可以采用将不同粒径的支撑剂组合充填到裂缝中。在裂缝前端铺置小粒径支撑剂，可以防砂和支撑微裂缝，裂缝中部铺置中等粒径支撑剂起主要的支撑作用，在缝口位置铺置大粒径支撑剂用来支撑缝口。实验模拟了三种不同粒径支撑剂组合对支撑剂抗压强度和导流能力影响变化，结果证明采用不同粒径支撑剂组合即可以拥有大粒径导流能力高的优势，也可以克服大粒径承压能力弱的缺点。     

不同粒径支撑剂组合对裂缝导流能力影响规律实验研究

为了获得更大的裂缝导流能力,可以采用将不同粒径的支撑剂组合充填到裂缝中。在裂缝前端铺置小粒径支撑剂,可以防砂和支撑微裂缝,裂缝中部铺置中等粒径支撑剂起主要的支撑作用,在缝口位置铺置大粒径支撑剂用来支撑缝口。实验模拟了三种不同粒径支撑剂组合对支撑剂抗压强度和导流能力影响变化,结果证明采用不同粒径支撑剂组合即可以拥有大粒径导流能力高的优势,也可以克服大粒径承压能力弱的缺点。     

体积压裂多分支裂缝支撑剂运移规律

为进一步明确体积压裂多分支裂缝内支撑剂的运移铺置规律,开展了不同裂缝形态、砂比、分支缝开启时机和不同粒径支撑剂注入顺序条件下的支撑剂运移模拟实验。研究表明,不同位置分支缝的逐级分流使分支后主缝砂堤高度增加,铺置长度减小。分支缝的流量是影响其充填的主要因素,分流作用使得远井分支缝流量小、充填情况较差。倾斜裂缝壁面对支撑剂施加减缓其沉降的摩擦力,提高支撑剂在裂缝纵向的分布。砂比增加可改善近井主缝和远井分支缝的充填并使主缝砂堤长度增加,由于缝高的限制,砂比提高到一定值后裂缝充填情况改善幅度减小。分支缝常开（持续扩展）时分支缝最终的支撑效果最好,但主缝铺置长度短,先关后开（后期扩展）的支撑效果优于先开后关（前期扩展）。不同粒径支撑剂顺序注入可增加主缝和分支缝的铺置长度,先小后大注入可改善近井裂缝充填,先大后小注入时近井裂缝充填情况不如先小后大注入时。     

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。     

支撑剂在三维裂缝中的运移分布计算

综合应用流体力学、渗流力学、输砂力学和流体热力学等理论,分析支撑剂在三维裂缝中的运移分布规律,建立了一套考虑缝高变化时支撑剂运移分布的数值计算模型,并利用该模型进行了实例计算。该模型和方法能满足三维压裂设计的工程计算需要。     

超临界CO2压裂缝内支撑剂运移规律

为了优化超临界CO₂压裂工艺技术和施工参数,考虑超临界CO₂压裂液中支撑剂颗粒之间相互作用,采用欧拉-拉格朗日方法中的多相质点网格方法,建立超临界CO₂压裂缝内支撑剂运移数学模型,通过室内水力压裂支撑剂运移物模实验验证模型准确性,进行超临界CO₂压裂缝内支撑剂运移规律计算和分析。研究表明:未增黏CO₂由于黏度低,携砂效果极差,优化其他参数对携砂效果影响不大;CO₂黏度增加到2.5 mPa·s即可有效提高携砂效果,采用超轻支撑剂与细尺寸颗粒组合,携砂效果与增黏到10 mPa·s效果相差不大;优化支撑剂密度比尺寸对携砂效果提高更为明显;增大排量可以提高携砂效果,但排量继续增大,其携砂效果变化较小;流体滤失对CO₂携砂效果影响变化不大。该研究为解决CO₂携砂性能差的问题提供了技术支撑,对超临界CO₂压裂设计优化及现场施工具有重要指导意义。      

复杂裂缝中低密度支撑剂铺置数值模拟

低密度支撑剂具有沉降速度慢、有效支撑缝隙长等特性,在缝网压裂中的应用越来越广泛.目前低密度支撑剂在复杂裂缝中运移铺置规律研究较少,且主要通过室内实验开展分析.基于计算流体力学(CFD),建立了压裂液和低密度支撑剂的液固两相流数学模型,运用有限体积法进行求解,通过与室内实验结果对比验证了模型的可靠性与准确性,分析了低密度支撑剂在复杂裂缝中的沉降运移规律及其与常规支撑剂的区别,研究了铺置过程中泵注排量、砂比、压裂液黏度以及裂缝夹角的影响因素.结果表明:低密度支撑剂体系运移能力更好,降低了在缝口处的沉降堆积,在复杂裂缝中铺置更均匀;采用大排量、高黏度压裂液可减缓低密度支撑剂在分支缝的阻力效应,更好地铺置裂缝深处,但缝口支撑剂更易被卷起,形成不均匀砂堤;在现场施工时,建议初期采用大排量、高黏压裂液携带低密度支撑剂铺置缝网远端,后期用大排量、低黏度尾追中—高密度支撑剂铺置裂缝近端;裂缝夹角对低密度支撑剂铺置运移影响较小,采用低密度支撑剂可以减缓沉降,有效避免裂缝相交处发生砂堵.     

The effect of proppant embedment upon the long-term conductivity of fractures

Experimental research on proppant embedment in formation core has been done for the first time in China using FCES-100 (Long-Term Fracture Conductivity Evaluation System). In the experiments, the degree of embedment to different cores and the damage to conductivity were studied in the condition of different concentrations and types of proppants. The main factors that affect the embedment as well as the principle have been found. An effective way has been brought forward to reduce this passive effect of embedment on the fracture conductivity, which is significant for both theoretical study and field treatments.     

酸液溶蚀作用对支撑剂性能的影响

前置酸液加砂压裂是提高致密储层有效动用的技术之一.注入酸液能有效降低储层破裂压力、清洁地层、提高压裂效果,但酸液同时也会与裂缝中的支撑剂接触而发生化学反应,从而降低支撑剂抗压性能,不利于维持较高的导流能力.文中模拟现场压裂施工方案,进行支撑剂酸溶解度测试实验,评价了酸液溶蚀作用对支撑剂抗压强度、导流能力的伤害程度.结果...     

支撑剂在交叉裂缝中运移规律的数值模拟

支撑剂运移是水力压裂体系中一个重要的流体-颗粒两相流问题.如何改善支撑剂在缝网中的铺置情况,是压裂改造后提高储层有效传导率的关键.针对这一问题,结合计算流体力学-离散元(CFD-DEM)方法,文中对支撑剂在交叉裂缝中的运移规律进行了数值模拟研究,主要分析了在不同裂缝交角和携砂液黏度条件下支撑剂的运移规律.结果表明:随着裂缝交角增大,支撑剂进入支缝的比例不断下降;提高携砂液黏度,能够改善支撑剂在支缝中的运移情况;在特殊条件下,支撑剂在狭窄支缝中可能出现空间非均匀性的聚团效应.利用CFD-DEM方法能够准确刻画颗粒与颗粒/壁面及流体与颗粒之间的相互作用.     

不同粒径组合支撑剂导流能力实验研究

在油气田开发过程中,深井、超深井通常具有高温、高压、高闭合压力等复杂情况。在此类油井中进行水力压裂作业时,由于上述特点而面临诸多问题。高闭合压力下,大粒径支撑剂由于颗粒间接触面积小,承压能力差,破碎率高,支撑裂缝的导流能力下降快;小粒径支撑剂由于粒径小,形成的流动孔隙小,不能提供足够的裂缝导流能力。综合考虑以上因素,开展不同粒径组合支撑剂短期和长期导流能力的实验研究。实验结果表明：高闭合压力下,不同粒径支撑剂按照适当比例组合后,其抗破碎能力和导流能力较单一粒径支撑剂有显著的改善。     

煤层压裂裂缝内支撑剂的压嵌特性

为了评价煤层压裂后裂缝导流能力的大小、掌握裂缝内支撑剂压嵌的基本特性,在实测支撑剂压密规律的基础上,进行了煤体单缝内支撑剂随闭合应力增大的压嵌全过程实验,研究了闭合应力对支撑剂嵌入煤的影响规律。研究结果表明:①煤体压裂裂缝内支撑剂在嵌入过程中存在着2个临界压力,分别为嵌入应力和支撑应力,相应将裂缝内支撑剂嵌入煤的过程分为支撑剂压密、初始嵌入和嵌入支撑等3个阶段;②在支撑剂压密阶段主要是支撑剂内部空隙的闭合和无侧限条件下支撑剂向四周滑移,支撑剂的相对嵌入值随着闭合应力的增加而增大,在初始嵌入阶段支撑剂的相对嵌入值随着闭合应力的增加而减小,在嵌入支撑阶段支撑剂的相对嵌入值随着闭合应力的增加呈现出的上升趋势较缓;③当闭合应力达到支撑应力时,支撑剂足以支撑起整个煤体,减小支撑剂与煤体接触处的应力集中,可降低嵌入速率;④在闭合应力作用下,支撑剂在嵌入煤的过程中,出现了支撑剂簇整体嵌入煤体的现象,单个支撑剂或支撑剂簇作用于煤体表面形成压嵌裂缝和压嵌坑。结论认为,支撑应力的确定对发挥支撑剂的作用具有重要的意义,该研究成果为评价煤层压裂裂缝的导流能力奠定了基础。     

水力压裂支撑剂性能对导流能力的影响

为了研究支撑剂的基本性能与导流能力之间的关系,对大量不同种类和规格的支撑剂室内评价测试数据进行了支撑剂性能和短期导流能力分析.结果 表明:1)影响支撑剂充填层导流能力的主要因素为平均直径、闭合应力以及破碎率.2)平均直径与导流能力呈正相关关系,支撑剂粒径越大,其导流能力越大;可采用二次多项式拟合方法拟合不同闭合应力条件...     

清水压裂自支撑裂缝面闭合残留宽度数值模拟

清水压裂技术在低渗透油气藏中获得了成功应用。清水压裂技术不需加沙,使压裂形成的裂缝只能依靠其表面的凹凸不平形成自支撑,从而达到导流的目的。因此,裂缝表面的凹凸不平程度将影响清水压裂的效果。以粗糙度表征岩石表面凹凸不平的程度,结合岩石裂缝表面的分形特性,利用二元分形差值函数,构造了不同粗糙度的岩石裂缝表面,利用有限元软件,模拟了不同粗糙度条件下岩石裂缝面闭合残留宽度值。模拟结果表明,裂缝闭合残留宽度与岩石裂缝面的粗糙度有关,粗糙度越大,残留宽度越大。研究结果为确定是否采用清水自支撑压裂技术和实施清水压裂后产能预测提供必要的参考数据。     

支撑剂嵌入不同坚固性煤岩导流能力实验研究

煤层气井压裂过程中,支撑剂嵌入会影响支撑裂缝的导流能力,从而严重影响煤层气的开发。为了研究支撑剂嵌入不同坚固性煤岩程度及支撑裂缝导流能力,测定了典型矿区煤岩的坚固性系数,运用LD-1A导流能力测试系统进行了支撑剂嵌入不同煤岩及导流能力模拟实验。实验表明,端氏、龙门塔和寨崖底煤岩的坚固性系数分别为1.4、0.4和0.5,35 MPa时,支撑剂嵌入柳林龙门塔煤岩的深度为0.5 mm,嵌入对导流能力损害率可达40%;不同矿区煤岩的坚固性系数差异很大,坚固性系数越小,支撑剂嵌入煤岩越严重,导流能力损害程度越大。该研究可为现场压裂施工提供依据。