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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

石英砂支撑剂长期导流能力变化规律实验研究

利用石英砂代替陶粒支撑剂能有效降低施工成本,在致密油气藏压裂改造中广为应用。为探究石英砂支撑剂对裂缝长期导流能力的影响规律,选用20～40目、40～70目和70～140目石英砂,开展长期导流能力测试实验,探究闭合应力、铺砂浓度、粒径组合、铺置模式等因素对石英砂长期导流能力的影响并拟合参数化经验模型。研究认为：长期导流能力随铺砂浓度的增加,先升高再降低,反映了从“支撑”到“封堵”的演化;在低铺砂浓度条件下,大粒径石英砂易破碎堵塞流道,因此可在高闭合压力储层优选细砂,在低闭合压力储层优选中砂或粗砂;在考虑混合铺置时,应先采用低黏度压裂液泵送大粒径石英砂,后采用高黏度压裂液泵送小粒径石英砂。同时文章给出的混合铺置导流能力预测模型适用于混合铺置支撑剂粒径及比例的优化设计。     

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.     

页岩气支撑剂铺置影响因素探讨

支撑剂在裂缝中的铺设形态决定了压裂改造的最终效果,为研究压裂通道中砂堤的形成规律,通过微地震事件、缝高模型的建立、砂堤平衡高度公式的推导,结合裂缝形态、铺砂形态特征以及沉降影响因素开展了支撑剂的铺置研究。理论及现场试验表明:压裂中改变施工排量、携砂液黏度以及支撑剂密度能有效调整支撑剂的沉降速度以及运移距离,从而达到改善支撑剂的铺置形态。     

通道压裂裂缝铺砂影响因素实验评价

通道压裂铺砂形态是显示通道压裂效果的重要指标。文中采用可视化变角度缝网支撑剂铺置装置,研究了通道压裂裂缝铺砂形态影响因素,分析了压裂液黏度、支撑剂质量浓度、纤维质量浓度、排量、射孔数、脉冲时间对铺砂通道率的影响,并采用混合水平正交试验及拟水平法研究了各因素对通道率的影响程度。结果表明:支撑剂质量浓度越低,脉冲时间越短,纤维质量浓度越大,则通道率越高;注入排量过高或过低均对支撑剂铺置形态不利,最优排量为4 m3/min;分簇射孔的通道率要明显大于连续射孔;较大的压裂液黏度能获得更大的通道率。通过混合水平正交试验,得出各因素的影响程度大小顺序依次为:支撑剂质量浓度、脉冲时间、纤维质量浓度、布孔方式、排量、压裂液黏度。     

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。      

压裂液悬砂及支撑剂沉降机理实验研究

压裂液的携砂性能优劣直接影响着支撑剂在裂缝中的输送铺置效果及压后裂缝的有效导流能力。研制了“XS-I型”压裂液悬砂及支撑剂沉降物理模拟实验装置;开展了3种陶粒支撑剂（70/140目、40/70目、30/50目）在SRFP-1型压裂液中的悬砂特性研究,分析了支撑剂在携砂液中的沉降量、沉降速率以及二者随沉降时间的变化规律,得出影响压裂液悬砂性能的主控因素。实验研究表明,携砂液中支撑剂沉降分为快速沉降、缓慢沉降、稳定平衡3个阶段。压裂液黏度是影响压裂液悬砂性能的最主要因素,其次是支撑剂粒径、携砂液砂比。低黏度压裂液仅对70/140目支撑剂有一定悬浮能力（支撑剂充分沉降时间10～20 min）,对40/70目和30/50目的支撑剂悬浮性能较差（支撑剂充分沉降时间仅为1.0 min～5.5min）,整体悬砂能力较差。中黏度压裂液对70/140目支撑剂悬浮效果好（仅有9.9%～11.1%的支撑剂沉降）,在小于15%砂比下对40/70目及30/50目支撑剂有较好的悬浮能力（支撑剂充分沉降时间80 min～240 min）。中高黏度压裂液中,大粒径（30/50目）支撑剂在高砂比（25%～30%）条件下加入,也仅有12%～13.1%的支撑剂沉降,悬砂性能优,适宜作为主加砂阶段的携砂液。研究结果丰富了压裂液悬砂能力测试方法及支撑剂优选评价手段,为压裂液、压裂施工参数的优化及支撑剂的优选,提供基础数据依据。      

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。     

裂缝扩展与输砂动态耦合的缝内支撑剂铺置特征

裂缝扩展与支撑剂运移动态耦合是目前水力压裂数值模拟技术面临的挑战之一。为了探究页岩动态裂缝缝内支撑剂铺置特征，基于三维离散元方法，建立考虑层理的页岩储层裂缝扩展与支撑剂运移动态耦合数值模型，分析了不同支撑剂粒径、支撑剂密度、压裂液黏度和支撑剂注入方式下的裂缝扩展与支撑剂铺置规律。研究表明：粒径越小，支撑剂铺置范围越广，铺置越均匀，粒径为150μm的支撑剂的铺置面积与铺置效率是粒径为600μm的支撑剂的1.8倍；支撑剂密度不是影响裂缝扩展和支撑剂运移的主要因素；压裂液黏度越高，裂缝面积和铺置面积越小，铺置效率越高，黏度从1 mPa·s增至15 mPa·s,裂缝面积减少45%,铺置面积减少34%,铺置效率增大12%;支撑剂注入方式为阶梯注入时，压裂液造缝与携砂效果最好。该研究成果可为页岩储层有效改造提供理论指导。     

多级组合加砂工艺主缝内支撑剂铺置规律

支撑剂在裂缝内的铺置规律决定了水力裂缝的导流能力以及油井的增产效果。利用自主设计的可视化平行板裂缝模型分别进行了现场排量为4.96 m³/min时不同注入位置(上部、中部、下部)、不同注入顺序(大粒径→小粒径和小粒径→大粒径)40～80目和80～120目支撑剂在主缝内的组合铺砂实验，通过入口处砂堤高度h_p、砂堤平衡高度H_p、前缘铺置率R_fp和总体铺置率R_tp四个参数评价了注入位置及顺序对支撑剂铺置规律的影响，并通过各粒径支撑剂在裂缝前缘和裂缝总体中的填充比例分析了对支撑效果的贡献。实验结果表明：注入位置决定了支撑剂在裂缝内的砂堤形态和前缘铺置效果，上部注入能更好地连通主缝与井筒，大粒径→小粒径注入时，入口处砂堤高度h_p分别为中部和下部注入的1.81和46.57倍，前缘铺置率R_fp分别为中部和下部注入的1.47和13.18倍；小粒径→大粒径注入时，h_p分别为中部和下部注入的1.56和33.37倍，R_fp<...     

页岩气网络压裂支撑剂导流特性评价

页岩气水平井长缝网络压裂支撑剂铺置浓度低,嵌入伤害大,导流特性与常规油气藏不同,与北美页岩气水平井中短缝压裂也有明显差异。为评价不同类型支撑剂在低铺砂浓度下的导流特性,采集龙马溪组地层页岩露头制作试验岩样,使用 FCES-100 裂缝导流仪对陶粒、石英砂、覆膜砂3种类型支撑剂在不同粒径、不同铺砂浓度和不同闭合压力条件下的导流特性进行了评价。结果表明:支撑剂类型、闭合压力和铺砂浓度对页岩支撑裂缝的导流能力影响较大;中高闭合压力和低铺砂浓度条件下,覆膜砂的导流能力最大,陶粒次之,石英砂最小。评价结果可为页岩气ESRV（effective stimulation reservoir volume）网络压裂裂缝导流能力的优化、支撑剂的优选和压裂设计提供依据。      

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。      

压裂输砂与返排一体化物理模拟实验研究

为了研究压裂和返排过程中支撑剂在裂缝中的运移、沉降和回流规律,自主研制了“YF-1”型压裂输砂和返排一体化模拟实验装置,在模拟储层温度、闭合应力和滤失情况下,开展了不同裂缝宽度、压裂液黏度、支撑剂类型、排量和出砂临界流速等因素在输砂和返排过程中对砂堤剖面的影响实验。实验结果表明：输砂和返排过程中,液体黏度是影响砂堤剖面的最主要因素,其次是支撑剂粒径和排量,裂缝宽度对砂堤剖面的影响最小;在返排过程中,液体黏度越小,出砂临界流速越大;缝宽和支撑剂粒径越大,出砂临界流速越大,在压裂后放喷时,应保证压裂液完全破胶,避免出砂。研究结果为压裂液优选、压裂施工参数优化、支撑剂优选及压裂后返排制度的制订提供了依据。     

考虑支撑剂运移的压裂停泵压降模型

针对现有压裂停泵压降模型不考虑支撑剂运移、无法解释支撑剂铺置效果的难题，提出适用于主加砂压裂的停泵压降模型，模型考虑了裂缝系统中携砂液-支撑剂靠黏度和速度耦合的水平运移与沉降运动，以及基质系统中压裂液靠黏性力和重力作用的三维流动，通过将裂缝系统与基质系统耦合求解，实现了主加砂压裂停泵过程的支撑剂运移模拟计算，获得的井底压降导数双对数曲线呈现出“厂”字型的形态特征，并按照停泵时间顺序划分为支撑剂沉降、支撑剂水平运移、支撑剂减速运移、支撑剂压实和支撑剂停止运移5个主控阶段。研究结果表明：支撑剂铺置越均匀(主次裂缝内砂量越接近),压降导数曲线越平缓，支撑剂沉降控制期越长，支撑剂减速运移期越短，支撑剂压实控制阶段会呈现出1/4斜率段；支撑剂充填比例越大(缝网总体积越小),压降导数曲线越陡，支撑剂水平运移控制期越短，支撑剂运移控制阶段的压降及导数会呈现重合趋势。选取涪陵页岩气田一口典型压裂水平井逐段开展停泵压降曲线拟合，反演获得各加砂压裂段的支撑裂缝体积与铺砂均匀程度，为定量评价水力压裂加砂效果、认识压后支撑剂运移规律提供了理论依据。     

滑溜水压裂裂缝内砂堤形成规律

页岩气压裂施工规模大,常采用摩阻较低、容易沟通天然裂缝的滑溜水作为压裂液,但滑溜水黏度低,携砂能力差。采用透明平行板垂直裂缝物理模型,对滑溜水压裂过程中支撑剂在裂缝中的铺置过程进行了模拟。记录不同时刻砂堤的几何形态,时砂堤的形成规律进行分析。根据实验结果,将砂堤形成过程分为3个阶段,并分别给出了每阶段砂堤形态的计算公式。将支撑剂沉降模型、平衡高度计算模型及砂堤形态计算模型相结合,编制了计算程序,程序计算结果与实验数据有较好的一致性,可为滑溜水压裂设计及施工提供一定的指导。     

组合粒径+滑溜水携砂铺置规律及导流能力——以吉木萨尔页岩油储层为例

为了解决页岩油组合粒径+滑溜水的支撑剂加砂工艺中裂缝有效支撑差、导流能力弱的问题，建立支撑剂粒径分布的稠密离散相模型(DDPM)，研究压裂主缝中组合粒径支撑剂加砂运移及铺置规律，并基于运移规律模拟结果，开展劈裂页岩岩板组合粒径不同铺置模式下的室内导流能力评价。结果表明：滑溜水携砂液体系下，裂缝内支撑剂叠置铺置时，后注入的支撑剂叠置于先注入支撑剂的顶端，且先注入的支撑剂会被后续注入的支撑剂向远端推移一定距离；组合粒径中粒径配比差异对于支撑剂运移形成的砂堤形态影响较小；大粒径组合逐级注入的方式更利于支撑剂在近缝口和裂缝内垂向铺置；在低闭合压力(p≤40 MPa)、铺砂浓度5 kg/m²条件下，沉降铺置方式最利于提高裂缝导流能力，其次为混合铺置，分段铺置方式最差；高闭合压力下(p>40 MPa)，铺置方式对裂缝导流能力影响较弱。综合支撑剂运移模拟和导流能力评价结果，建议吉木萨尔页岩油组合粒径加砂工艺采用逐级注入的方式，并保证组合粒径中大粒径拥有较大配比。