压裂多级裂缝内动态输砂物理模拟实验研究

为了研究压裂过程中裂缝内支撑剂的动态输砂规律及分布形态,采用自主研制的多尺度裂缝系统有效输砂大型物理模拟实验装置,进行了压裂液黏度、支撑剂类型、注入排量和砂比等对支撑剂在不同尺寸裂缝中的动态输送和砂堤剖面高度影响的模拟实验。实验结果表明,裂缝内动态输砂规律的影响因素,按影响程度从大到小依次为压裂液黏度、支撑剂粒径、砂比和排量;压裂液黏度越高,沉砂量越少,砂堤剖面高度越小而平缓,且在主裂缝中更为明显;支撑剂粒径越大,沉砂量越多,砂堤剖面高度越大,且在主裂缝中更加明显;砂比越高,沉砂量越大,砂堤剖面高度也越大,且在分支缝中增幅更大;随排量增大,主裂缝中的沉砂量略减小,分支缝中的沉砂量差别不大。研究结果为优选压裂液、支撑剂,制定压裂方案,以及优化压裂施工参数提供了理论依据。      

页岩气藏压裂返排参数优化设计

压裂返排是页岩气藏水力压裂中的重要环节。目前还没有成型的页岩气藏压裂返排模型,现场返排制度仍靠经验确定,缺少科学依据。通过改进现有的普通砂岩返排模型得到了适用于页岩气藏返排的裂缝自然闭合模型和自喷模型。同时,为了更清楚地了解部分参数对支撑剂临界流速和放喷油嘴直径的影响,对支撑剂粒径、支撑剂密度、压裂液黏度、压裂液密度、裂缝滤失高度、放喷油嘴长度进行敏感性分析。研究表明,支撑剂密度、压裂液黏度、裂缝滤撑失高度、压裂液密度对支撑剂临界流速影响较大;支剂粒径对支撑剂临界流速影响较小。压裂液黏度、放喷油嘴长度、裂缝滤失高度对放喷油嘴直径影响较大;支撑剂粒径、支撑剂密度、压裂液密度对放喷油嘴直径影响较小。     

页岩储层体积压裂复杂裂缝支撑剂的运移与展布规律

为了研究页岩储层体积压裂复杂裂缝支撑剂的运移与展布规律,构建了大尺度复杂裂缝支撑剂运移与展布评价实验系统,测试了次裂缝角度、注入排量、加砂浓度、支撑剂粒径、压裂液黏度等对支撑剂运移与展布的影响,研究了主/次裂缝中支撑剂的运移与展布规律。结果表明:(1)裂缝中流体流态随裂缝支撑高度增加逐步由层流向紊流转变;(2)支撑剂在裂缝中的运移方式主要包括悬浮运移和滑移运动;(3)分支前主裂缝的支撑剂展布形态与次裂缝角度、注入排量、加砂浓度和支撑剂粒径等参数相关,其中注入排量为最主要的影响因素;(4)分支后主裂缝的支撑剂质量比与次裂缝角度、注入排量、液体黏度、加砂浓度和支撑剂粒径呈正比,同次裂缝与主裂缝的流量比呈反比;(5)分支后次裂缝的支撑剂质量比与注入排量、次裂缝与主裂缝的流量比、压裂液黏度呈正比,与次裂缝角度、加砂浓度和支撑剂粒径呈反比;(6)分支后主裂缝的砂堤前缘角度同加砂浓度、支撑剂粒径、次裂缝与主裂缝的流量比呈正比,与次裂缝角度、注入排量和压裂液黏度呈反比;(7)次裂缝的砂堤前缘角度同次裂缝角度、加砂浓度与支撑剂粒径呈正比,和注入排量、压裂液黏度、次裂缝与主裂缝的流量比呈反比。结论认为,该研究成果可以为页岩储层体积压裂支撑剂的优选和压裂方案设计提供理论支撑。     

水力压裂支撑剂铺置形态影响因素研究

为改善支撑剂在裂缝中的铺置形态和提高压裂增产效果,采用实验模拟方法,应用可视化裂缝平板装置开展压裂液携砂实验,结合支撑剂颗粒的微观运动轨迹和砂堤的宏观形状,描述缝内砂堤的形成过程,分析黏性和非黏性压裂液携砂方式的区别,研究射孔孔眼间干扰、压裂液排量、压裂液黏度和施工砂比对缝内砂堤形态的影响规律。结果表明:支撑剂在裂缝中的运移是流化和沉积共同作用的结果,以流化拖拽和输送为主;黏性压裂液中流化层和砂堤之间可形成不流动的液体薄层,对颗粒具有托举作用,减小流体和颗粒间的摩擦和碰撞;砂堤的形成过程共经历砂堤形成、生长、平衡状态和活塞状推进4个阶段,在射孔孔眼干扰和液体冲蚀的共同影响下,形成的砂堤形态可由堆积角、平衡高度和前进角表征,裂缝内存在近井筒和缝高方向的无砂区;砂堤的平衡高度主要取决于支撑剂颗粒的运动速度,与施工排量和压裂液黏度成反比,与砂比成正比。该研究可为压裂施工参数优化提供参考。     

基于PIV系统的支撑剂运移铺置规律及参数优化

滑溜水体积压裂是非常规致密储层的主要经济增产措施,支撑剂的运移与分布规律决定着复杂裂缝网络内支撑剂的最终分布形态和导流能力.文中采用PIV(粒子成像测速)系统捕捉支撑剂颗粒在主裂缝中的瞬时运移状态,研究了不同压裂液黏度、排量、砂比和支撑剂筛 目条件下支撑剂铺置后的砂堤平衡状态,揭示了砂堤前缘与末端流场的变化规律.结果表明:随着排量、砂比和支撑剂筛目的增大,以及压裂液黏度的降低,支撑剂颗粒在砂堤前缘入口处和离开砂堤峰部时的运移速度更快,湍流强度更大,形成的有效裂缝更长;砂堤处于平衡状态时的高度和时间随着排量增加而减小,砂堤整体形态变得平缓;砂比越大,砂堤峰部出现位置越靠近裂缝入口处;优化的排量为10～12m3/min、砂比控制在20％以下、压裂液黏度在6～16mPa·s、支撑剂筛目为40/70目时,形成的砂堤高度和长度最大.该研究成果可以为滑溜水体积压裂设计和施工提供有效的技术指导.     

陆相页岩气储层裂缝支撑剂铺置规律研究

为了认识陆相页岩气储层裂缝中支撑剂的铺置规律,采用可视裂缝模拟系统开展支撑剂沉降铺置实验,模拟了不同压裂液黏度、排量、砂比、支撑剂粒径和支撑剂密度条件下支撑剂运移沉降的过程,同时采用PIV粒子测速技术绘制了砂堤入口处与前缘处的速度场,进一步分析了支撑剂铺置过程中颗粒的运动特征。研究结果表明,支撑剂在人工裂缝中的铺置分为四个阶段:早期阶段、中前期阶段、中后期阶段和平衡状态阶段。裂缝入口处:悬浮颗粒的速度方向近似水平向前,砂堤表面颗粒速度沿着坡面向上,支撑剂的推进主要依靠液体黏滞力的携带作用;排量增大,流场出现明显的扰动现象,排量越大,扰动程度越大。砂堤前缘处:坡顶处流场存在明显的涡流现象;液体黏度增加,涡流强度减弱,黏滞力增加,颗粒在液体冲击和携带作用下,铺置更远的距离;排量增加,整个前缘区域出现更大的旋涡,涡流作用更加强烈,此时液体的冲击作用使得支撑剂铺置效果更好;砂比增加,旋涡数量增加,强度增强,波及范围增大,支撑剂运移到裂缝更远端。滑溜水中支撑剂粒径越小、密度越大,砂堤越均匀,但要达到铺置效果,需要携砂液的作用。      

纤维压裂技术与现场应用

压裂改造是油气藏增产的重要增产措施,压后快速返排可以进一步提高增产效果,而提高压裂液的返排速度和控制支撑剂的回吐却相对矛盾,若压裂液返排速度过快,超过临界出砂流速,将产生支撑剂回吐现象,致使缝口处的导流能力大大降低;若压裂液返排速度过慢,致使返排率降低,将增加压裂液对储层的伤害。为解决这一矛盾,通过对纤维压裂工艺机理研究的基础上结合现场应用,表明纤维压裂对防止支撑剂回流、提高压裂液返排率、减少储层伤害、增强压裂改造效果等方面具有良好的应用效果。     

基于裂缝平行板模拟实验体积压裂复杂裂缝理想支撑技术

采用可视化平行板裂缝物理模拟实验装置,开展了不同粒径支撑剂在不同黏度压裂液、变排量下的动态携砂实验,模拟现场施工排量下支撑剂铺置的规律与支撑剖面。利用API裂缝导流设备和岩心驱替装置,开展主裂缝和微裂缝支撑导流能力实验。研究表明,非剪切裂缝渗流能力在一定闭合压力下几乎全部散失,分支缝和远端微裂缝少量的支撑,会获得一定的渗流能力。滑溜水依靠其黏度基本不具备携砂能力,使用滑溜水进行体积压裂,更多依赖水动力携砂,而依靠黏度携砂更有利于将支撑剂输送到裂缝远端。在进行体积压裂时,段塞打磨建立好裂缝通道后,先期泵注一定量相对大粒径支撑剂,实现近井裂缝下部高导流支撑;然后泵注小粒径支撑剂,同时也可适当提高携砂液黏度,实现分支缝和裂缝远端支撑;最后高砂比尾追相对大粒径支撑剂,实现近井裂缝高导流支撑,从而保障和实现体积压裂裂缝的理想支撑,从根本上提高体积压裂效率与效果。     

页岩体积压裂支撑剂铺置运移模拟及其应用

支撑剂在裂缝中的运移是页岩体积压裂中的难点及研究热点,目前一般将裂缝考虑为矩形平板状,但据现场实际、室内实验、微地震监测、理论分析,体积压裂裂缝一般具有不规则齿状特征,裂缝初始延伸方向很有可能与最终延伸方向存在一定夹角,并极有可能形成裂缝网络.针对页岩体积压裂中支撑剂在粗糙、迂曲的复杂裂缝中运移的问题,通过自底向顶的方式建立了三维粗糙迂曲裂缝模型,模拟了不同粗糙程度和迂曲程度中的固液两相流,研究了压裂液和支撑剂性能对铺砂的影响.结果表明:裂缝粗糙程度越大,裂缝迂曲、扭转程度越大,裂缝内平均砂浓度越高,铺砂越均匀;压裂液流速、黏度越大,支撑剂粒径、密度越小,平均砂浓度越高,铺砂越均匀.基于此结论对某井进行了支撑剂优选和组合,压裂施工过程顺利,压后效果较好.     

致密气藏水力压裂支撑剂运移规律实验研究

以苏里格致密砂岩气藏储层为研究对象,基于水力压裂支撑剂运移物理模拟实验,通过描述不同压裂液泵注排量、砂比、黏度、支撑剂粒径和密度等条件下砂堤的铺置形态,分析了支撑剂的运移展布规律。研究结果表明,单一粒径不能满足裂缝内导流能力的均匀分布,组合加砂的方式可有效提高人工裂缝的导流能力,同时采用满足携砂性能要求的较低黏度压裂液（≥10 mPa·s）与低密度支撑剂作为组合,可满足支撑剂远距离铺置的目标,获得较长的有效支撑裂缝,后续再采用高密度支撑剂或者降低施工排量使近井地带的裂缝得到有效支撑。研究结果可用于分析苏里格致密砂岩气藏水力压裂砂堤形态,确定合理的施工参数,提高该类气藏水力压裂的成功率。     

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。     

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.     

混合粒径支撑剂回流实验及在临兴致密气藏中的应用

压裂施工结束后须将储层中的压裂液进行快速返排以减少对地层的伤害。合理的返排制度是压后高产的关键,返排速度过低或返排不及时会对储层造成伤害,速度过高易产生支撑剂回流,损害裂缝的导流能力。为了控制支撑剂回流造成的损失,以临兴致密气藏为研究对象,通过室内实验研究两种粒径支撑剂混合铺砂后的回流规律与两种粒径单独铺砂时进行对比;为了达到降本增效的目标,分别用等效替代法和控制变量法研究石英砂替代陶粒后,石英砂支撑剂在回流时达到陶粒支撑剂临界流速所对应的铺砂浓度倍数。实验结果表明,混合铺砂时的临界流速变化趋势与两种粒径单独铺砂时相同;用石英砂替代陶粒,可高效返排,控制支撑剂回流,以达到降本增效的目的。     

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。     

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。     

非常规储层压裂砂比对支撑剂铺置质量影响的实验研究

低孔超低渗透率的非常规储层需通过大规模的水力压裂形成支撑剂填充的高导流裂缝,才能获得有经济效益的油气产量,缝内支撑剂铺置规律直接影响压裂效果,影响支撑剂铺置的因素包括施工排量、施工压力、砂比等。为了研究砂比对支撑剂在缝内铺置的影响,运用了大型可视平板垂直裂缝模拟系统,研究了不同砂比下陶粒支撑剂在裂缝中的沉降运移规律。实验结果表明,砂比对20 ~ 40目陶粒砂堤形状有影响,但砂堤形状变化较小;当陶粒砂比增加时,陶粒堆积形成的砂堤坡度减小;陶粒砂比增加,陶粒颗粒之间的碰撞作用增强,沉降量减小,砂堤高度减小;陶粒支撑剂水平运移速度受砂比影响较小,接近液体流速;陶粒砂比增加,陶粒支撑剂的沉降速度减小。研究结果可为支撑剂沉降运移动态研究及支撑剂优选提供参考。     

含砂压裂液流变规律实验研究

为了达到较理想的压裂效果,现场施工会泵注携带支撑剂的压裂液进入地层,研究含砂压裂液的流变规律可以为压裂液在管道和裂缝中的携砂能力预测提供更加准确的理论依据。将压裂液和支撑剂看作整体进行流变实验,研究混合流体表观黏度随剪切速率变化的规律和机理。含砂压裂液流变实验结果显示,压裂液在加入支撑剂后,在一定剪切条件下黏度低于压裂液本身黏度,另外实验还观察到含砂压裂液表观黏度随剪切强度的变化呈现先降低后升高的“V”形趋势,这是由于固液混合流体的内部结构变化与支撑剂颗粒扰动共同作用的结果。含砂压裂液特有的流变行为同样受到支撑剂浓度、粒径和液体温度等因素的影响。强剪切条件下颗粒碰撞作用明显,含砂压裂液表观黏度随浓度增大而增大,弱剪切条件下,含砂压裂液由于支撑剂造成的附加剪切破坏,表观黏度随浓度增加会先下降后升高。并且含砂压裂液黏度与颗粒粒径以及流体温度呈现反相关关系。      

压裂多级裂缝内流量分布规律

当前,以页岩油气为主的非常规油气藏开发力度日益加大,水力压裂是开发该类储层的核心技术。在该类储层的开发过程中,往往采用多级复杂裂缝压裂技术,但目前针对压裂过程中各级裂缝内流量分布规律研究甚少,而该规律对认识裂缝、指导压裂方案至关重要。为了研究压裂过程中多级裂缝内的流量分布规律,自主研制了多级裂缝系统有效输砂模拟实验装置,在模拟多级裂缝情况下,开展了不同压裂液黏度、支撑剂粒径、注入排量、砂比等因素对各级裂缝内流量的影响规律实验研究。研究结果表明,各级裂缝中流量占比逐级减小,主裂缝占比平均为64.63%,一级分支缝平均为22.14%,二级分支缝平均为13.23%;各级裂缝中流量分布比例主要受总流量大小影响,流量越大,主裂缝中流量占比越高,分支缝中流量占比越低,其次依次为支撑剂粒径、压裂液黏度和砂比。通过研究形成了一套多级裂缝内流量分布规律评价方法,揭示了各级裂缝内流量分布规律,为认识裂缝、优化压裂设计方案提供了依据。      

油井压裂纤维控砂工艺技术研究与应用

对压裂井加快排液速度和控制支撑剂回流返吐是一对矛盾,排液速度太快可能超过临界出砂流速,导致支撑剂回流,缝口处的导流能力大大降低;排液速度太低又会导致排液时间增加,降低返排率.为解决这一矛盾,研究了纤维控砂工艺技术.阐述了纤维复合控砂技术原理,介绍了砂岩地层压裂井返排数学模型的建立及功能,特种纤维的制备及其性能评价,得出...     

水力加砂压裂技术在苏里格气田的应用

目前苏里格气田水力加砂压裂在压裂液优化、支撑剂选择、泵注程序参数确定和液体返排技术方面存在较多问题.针对这些问题进行了认真研究,优选出了适合该区块的压裂液配方和支撑剂,优化了压裂液配置程序,提出了"适度规模、小排量、造长缝、合理砂浓度、有限导流能力"的水力压裂改造思路.经现场试验,桃7-8-5和桃7-9-14井均获得大幅增产,效果显著.