一種縫網結構可變的支撐劑運移模擬裝置

(中國石油大學(華東)石油工程學院，山東 青島 266580)

水平井體積壓裂改造技術在致密油、致密氣、頁巖油、頁巖氣等非常規油氣資源的成功應用，掀起了非常規油氣資源開發的熱潮[1～3]。不同于常規雙翼對稱裂縫壓裂，體積壓裂是通過控制主裂縫的凈壓力，使之高于2個水平主應力的差值，形成以主裂縫、次生裂縫、天然裂縫相互交錯的復雜裂縫網絡[4,5]。支撐劑在復雜縫網中的運移和分布決定著縫網的導流能力，是非常規油氣儲層獲得高滲透能力的關鍵。Babcock等[6]、Novotny[7]、Auradou等[8]、溫慶志等[9]、王進濤等[10]、 Raimbay等[11]、Babadagli等[12]運用單縫平板模型研究常規雙翼裂縫中支撐劑的運移和鋪置規律以及影響因素。由于體積壓裂改造體積表征的局限性，復雜裂縫網絡中支撐劑運移和分布的實驗研究相對較少。筆者在單縫平板模型的基礎上，基于DFN(離散化縫網)模型和HFN(線網)模型這2種主要體積壓裂縫網理論模型[13,14]，研制了一套縫網結構可變、可視化的長方體狀復雜縫網模型，以有效研究支撐劑在不同結構縫網中的運移和分布規律，為體積壓裂加砂方案的優化提供實驗技術基礎。

1 縫網理論模型

1.1 DFN模型

DFN模型是基于自相似原理及Warren和Root提出的雙重介質模型建立的，其幾何模型示意圖如圖1所示。假設壓裂改造體積為橢球體，包含1條主裂縫和多條次生裂縫。主裂縫縫寬和次生裂縫縫寬恒定，次生縫縫寬與主裂縫縫寬之比為定值。主裂縫垂直于水平最小主應力σh；次生裂縫分別垂直于σh、水平最大主應力σH和垂向主應力σv，在3個方向進行離散化擴展。

1.2 HFN模型

HFN模型基于流體滲流方程及連續性方程，其幾何模型示意圖如圖2所示。假設壓裂改造體積為橢圓柱體，包含分別垂直于σh、σH的2簇裂縫，每簇裂縫的縫寬和縫高恒定。

圖1 DFN幾何模型示意圖 圖2 HFN幾何模型示意圖

DFN模型、HFN模型都是假設壓裂儲層改造體積由離散化正交裂縫簇與儲層基質巖石雙重介質組成，不同的是壓裂儲層改造體積的形狀?；诳p網理論模型，結合實驗裝置研制的便利性與可操作性，假設縫網模型為長方體，包含1條主裂縫，多條次生垂直裂縫，主裂縫縫寬、次生裂縫縫寬、縫高均恒定。

2 復雜縫網試驗裝置

注：1-混砂儲液罐；2-G25型螺桿泵； 3-結構可變的縫網模型。圖3 復雜縫網試驗裝置

模擬支撐劑運移的長方體狀復雜縫網試驗裝置如圖3所示。該裝置由混砂儲液罐、G25型螺桿泵、結構可變的縫網模型3部分組成。

2.1 混砂儲液罐

攪拌機型號YB2-90-4，功率1.5kW，轉速60r/min。通過攪拌獲得壓裂液流體和支撐劑顆?；旌暇鶆虻臄y砂液并儲存在罐中。

2.2 G25型螺桿泵

G25型螺桿泵的定子選用彈性材料制成，既可以輸送高黏度的流體，也可輸送含有硬質懸浮介質或含有纖維介質的流體。試驗轉速960r/min，排量2m3/h，壓力0.6MPa，電機功率1.5kW。

2.3 結構可變的縫網模型

2.3.1 模型設計

對于存在天然裂縫的復雜滲流系統，或者水力壓裂誘導裂縫與天然裂縫相互連通的復雜縫網系統，在一定的假設條件下，通過離散化模擬處理均可得到較好的應用效果。因此，采用耐壓2MPa、厚度25mm的有機玻璃板構造一個儲層改造體積形狀為長方體的、結構可變的復雜縫網模擬模型，如圖4和圖5所示。

圖4 結構可變縫網模型結構

圖4(a)為模型整體結構圖，包括模擬射孔的井筒入口端、復雜縫網系統、流體流動的出口端。圖4(b)為復雜縫網系統的結構，包含1條貫穿裝置入口和出口的600mm×10mm×400mm主裂縫；2條與主裂縫的間距相等，平行分布于主裂縫兩側的600mm×5mm×400mm三級裂縫；6條兩兩對稱分布于主裂縫兩側并垂直于主裂縫的300mm×5mm×400mm二級裂縫，主裂縫與次生裂縫的縫寬比為0.5。詳細參數見表1。

圖5 結構可變縫網模型實物

主裂縫縫長/m次生裂縫縫長/m三級裂縫縫長/m縫高/m主裂縫縫寬/m次生裂縫縫寬/m裂縫總體積/cm3上限排量/(m3·min-1)0.60.30.60.40.010.005144003

圖5為結構可變縫網模型實物，圖5(a)中箭頭表示流體在裂縫中的流動方向，圖5(b)入口端設計帶有4個孔徑為10mm的射孔井筒，每個孔眼對應設置一個閥門，通過調節閥門可自由調節射孔的數量、射孔位置。圖5(c)出口端包括5個出口閥，可以自由調節出口排量，方便裝置的清理工作。另外，還包括一定長度、寬度和厚度的相同有機玻璃板，可以封堵裝置中的裂縫，形成不同的裂縫結構，實現縫網結構可變的目的。

2.3.2 縫網結構

縫網平板模型利用有機玻璃板封堵裂縫的方式，可獲得不同的縫網結構。圖6(a)為“一”型縫網用來模擬常規壓裂形成的1條主裂縫；圖6(b)為“T”型縫網模擬1條主裂縫+ 1條縫口附近二級裂縫的情況；圖6(c)為“十”型縫網模擬1條主裂縫+縫口附近對稱分布2條二級裂縫的情況；圖6(d)為“TT”型縫網模擬1條主裂縫+2條不同位置的二級裂縫的情況；圖6(e)為“TF”型縫網模擬1條主裂縫+1條中間位置二級裂縫+1條端部位置二級裂縫的情況；圖6(f)為“H”型縫網模擬1條主裂縫+1條縫口附近二級裂縫+1條三級裂縫的情況。

3 應用

圖6 可變縫網結構示意圖

圖7 縫網節點支撐劑分流轉向

為方便操作與裝置清洗，選用清水作為攜砂流體，研究6種縫網結構對支撐劑沉降規律的影響。排量為0.16m3/h，含砂質量分數為10%，砂粒目數為20～40。步驟如下：①先在低壓下將清水注入縫網平板模型中循環，檢查裝置的密封性，確認密封后，放空；②在混砂儲液罐中配制含砂質量分數10%的攜砂液，啟動螺桿泵，調節排量至0.16m3/h，泵注攜砂液至縫網平板模型中；③觀察砂堤的形成過程，記錄相關現象。

試驗發現，支撐劑在縫網中的運移過程，會在縫網的節點處產生分流現象，使一部分支撐劑“轉向”進入次生裂縫(見圖7)，形成一個空間三維立體形態的砂堤。為了更形象地描述支撐劑分流轉向，運用繪圖軟件構建6種縫網結構的整體砂堤形態示意圖，如圖8所示。

對不同基本結構中的主裂縫與二級裂縫中的砂堤形態進行分析，將每條縫中的砂堤形態數字化，如圖9所示。支撐劑在復雜裂縫網絡交叉節點處會出現分流，引起主裂縫砂堤形態的“突降”(見圖9(a))，這是由于在主裂縫中流速大，分流速度小，交叉節點處的支撐劑在主裂縫的流體沖刷作用下繼續運移，導致砂堤的突降；而支撐劑在縫口附近二級裂縫分流，呈現出“斜坡狀”的砂堤形態(見圖9(b))，由于分流速度小，沖刷作用弱，顆粒主要依靠自身重力沉降。

4 結論

1) 研制的長方體狀復雜縫網試驗裝置是一套縫網結構可變的、可視化的支撐劑運移模擬裝置，可進行“—”、“+”、“T”、“TT”、“TF”、“H”型等不同縫網結構支撐劑運移規律的模擬。

圖8 不同縫網結構砂堤形態示意圖

圖9 砂堤形態數字化

2) 利用該裝置開展了不同縫網結構下的支撐劑運移研究。支撐劑在復雜裂縫網絡交叉節點處會出現分流，呈現出“突降”的砂堤形態；支撐劑在縫口附近二級裂縫分流，呈現出“斜坡狀”的砂堤形態。