滑溜水壓裂主裂縫支撐劑運移模擬實驗研究

脫直霖

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

目前滑溜水壓裂主要應(yīng)用于煤層氣與頁巖氣［1］。滑溜水壓裂又被稱為清水壓裂，這是因為他的黏度低，所以使用滑溜水壓裂液將支撐劑輸送到裂縫中時運移規(guī)律會區(qū)別于以往。但是滑溜水壓裂液的黏度較低，所以難以將支撐劑更好的輸送到裂縫深處。能否將支撐劑有效的填充鋪置到已壓開的裂縫中形成擁有有效導(dǎo)流能力的裂縫成為滑溜水壓裂的關(guān)鍵所在，直接決定了壓后增產(chǎn)效果［2］。可見，支撐劑在裂縫中運移沉降后形成的砂堤形態(tài)的好壞，對于壓裂增產(chǎn)效果有很大的影響。

1 物理實驗

1.1 實驗裝置

本文實驗采用 “水力壓裂裂縫與射孔模擬實驗系統(tǒng)”來進(jìn)行，模擬滑溜水壓裂主裂縫的支撐劑運移過程。主要包括注入系統(tǒng)，裂縫模擬系統(tǒng)，測量檢測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，操控系統(tǒng)以及廢液回收系統(tǒng)。其中單一裂縫模擬裝置，裂縫長度：3000mm，裂縫高度：500mm，裂縫寬度：12mm。

裂縫模擬系統(tǒng)可以模擬施工現(xiàn)場的壓裂液在裂縫中的攜砂運移情況，觀察支撐劑在裂縫中的運移，由于裂縫是由兩塊透明有機玻璃板組成的，所以可以很輕易的觀察到支撐劑形成的砂堤形態(tài)；兩端有活接頭，可以將裂縫模擬裝置翻轉(zhuǎn)不同的角度，以便滿足水平，垂直及各種不同角度的裂縫；密封性良好；底部有支撐物，可以支撐起沉重的裂縫模擬裝置；進(jìn)出口位置處各有三個均勻排列的通道，且相互對稱；進(jìn)出口設(shè)備上擁有閥門，可以自由調(diào)節(jié)流量的大小。

1.2 實驗方案

本文模擬主裂縫內(nèi)的支撐劑運移與沉降的規(guī)律。現(xiàn)在許多文獻(xiàn)資料中對于描述裂縫內(nèi)砂堤形態(tài)的參數(shù)有平衡時間，平衡高度，砂堤前緣高度，砂堤前緣距縫口距離和砂堤前緣坡度。其中砂堤前緣距縫口距離和砂堤前緣坡度是由西南石油大學(xué)的李靚［3］在描述砂堤形態(tài)時引入的。在實驗室中可以模擬各種不同情況下的支撐劑運移，用控制變量的方法針對不同影響因素來探究支撐劑顆粒在主裂縫內(nèi)的運移鋪置規(guī)律。實驗方案見表1。

表1 實驗方案

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 施工排量對主裂縫內(nèi)支撐劑運移的影響規(guī)律

選取實驗方案表1中的1、2、3進(jìn)行室內(nèi)試驗研究，排量為3m3／h、4m3／h、5m3／h時對支撐劑運移的影響。為了方便對照，均取透明平板裂縫的全部 （300cm）來進(jìn)行研究。見表2。

在保持支撐劑粒徑與密度，砂比等影響因素保持不變時，施工排量越大，則攜砂液進(jìn)入裂縫內(nèi)的流速就會越大，就會攜帶支撐劑到裂縫深處時才開始沉降，所以才有了上表中砂堤前緣距離隨著施工排量的增加而增加。排量越大會使湍流強度增加將支撐劑帶到裂縫深處沉降，砂堤前緣高度減小。砂堤平衡高度上方為過流斷面，排量越大過流斷面就越大，砂堤高度平衡則減小。越大的施工排量在一定時間內(nèi)輸送的支撐劑顆粒就越多，支撐劑顆粒間的相互干擾就越強烈，更易沉降，平衡時間減小。

2.2 支撐劑粒徑對主裂縫內(nèi)支撐劑運移的影響規(guī)律

選取實驗方案表1中的4、8、9、10來研究不同粒徑 （0.64mm、0.45mm、0.32mm、0.21mm）對支撐劑的運移影響。為了方便對照，均取透明平板裂縫的全部 （300cm）來進(jìn)行研究。見表3。

支撐劑粒徑越大，說明支撐劑顆粒所受的重力就越大，而流體浮力與粘滯力的增加卻沒有重力增加的明顯，所以會使支撐劑顆粒更易于沉降。通過文獻(xiàn)資料可知，較小的粒徑會使攜砂液的湍流強度降低［4］，但是這些的影響都比不上重力的影響。所以隨著粒徑的降低，砂堤前緣距離會增加。當(dāng)砂堤到達(dá)平衡高度時，粒徑越大的支撐劑被帶走就越困難，需要更大的流速。所以過流斷面就應(yīng)該越窄，故隨著粒徑的減小，砂堤平衡高度減小。粒徑越大，沉降速度就越快，所需要的平衡時間就越短。

2.3 支撐劑密度對主裂縫內(nèi)支撐劑運移的影響規(guī)律

選取實驗方案表1中的2、4、5來探究支撐劑密度為 1450kg／m3、1540kg／m3、1890kg／m3時對支撐劑運移的影響。為了方便對照，均取透明平板裂縫的全部 （300cm）來進(jìn)行研究。結(jié)果見表4。

表4 不同密度下的砂堤形態(tài)參數(shù)

支撐劑密度越大，更容易在裂縫進(jìn)口端沉降，所以其砂堤前緣距離越短，維持平衡高度的動平衡狀態(tài)就需要更大的流速，即過流斷面越窄，表現(xiàn)出來就是支撐劑密度與砂堤平衡高度成正比。支撐劑密度的增加也會使砂堤的堆起速度增加，所以砂堤平衡時間就越短。

2.4 砂比對主裂縫內(nèi)支撐劑運移的影響規(guī)律

選取實驗方案表1中的2、6、7來研究砂比為3%、4%、5%時對支撐劑運移的影響。為了方便對照，均取透明平板裂縫的全部 （300cm）來進(jìn)行研究。結(jié)果見表5。

表5 不同砂比下的砂堤形態(tài)參數(shù)

砂比越大，顆粒間在輸送的過程中越容易碰撞損失動能，就越不容易沉降到裂縫深處，使得砂比越大，砂堤前緣高度越大，砂堤前緣距離越小。砂比越大，為了維持平衡高度的動平衡狀態(tài)，需要更窄的過流斷面和更大的流速，所以砂堤平衡高度增加。越大的砂比，說明同樣的時間里進(jìn)入到裂縫中的支撐劑更多，使砂堤的堆起速度變快，故砂堤平衡時間就越短。

3 結(jié)論

1）施工排量的增加會使支撐劑更容易運移到裂縫深處，但湍流效應(yīng)的增強會使裂縫進(jìn)口端的支撐劑沉降的少，這樣當(dāng)施工結(jié)束后，由于進(jìn)口端支撐劑少造成的裂縫重新閉合則無法達(dá)到水力壓裂增產(chǎn)的預(yù)期效果。

2）較小的支撐劑粒徑易于運移到裂縫深處，但是湍流效應(yīng)的存在使得裂縫進(jìn)口端的支撐劑沉降的少。并不利于形成有效導(dǎo)流能力的裂縫。而粒徑較大的支撐劑砂堤形態(tài)比較好，但不能被攜帶到裂縫深處。所以，現(xiàn)場工作初，應(yīng)使用粒徑較小的支撐劑以便運移到裂縫深處，后期則應(yīng)使用粒徑較大的支撐劑。

3）在現(xiàn)場施工中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件選取合適的支撐劑密度，如果支撐劑密度過大，則可能造成支撐劑的過早沉降產(chǎn)生砂堵，不利于支撐劑往裂縫深處的運移。如果支撐劑密度較小，裂縫進(jìn)口端支撐劑沉降的少，這樣即使裂縫深處支撐劑鋪置效果很好，當(dāng)停泵泄壓后，裂縫進(jìn)口端也會因支撐劑過少而重新閉合，并不利于形成擁有良好導(dǎo)流能力的裂縫。故在施工初期可用低密度的支撐劑，等到施工后期再用高密度的支撐劑即可。這樣的話，便能達(dá)到水力壓裂增產(chǎn)的效果。

4）在現(xiàn)場施工中砂比并不是越大越好，要根據(jù)現(xiàn)場條件設(shè)計出最合適的方案來進(jìn)行施工作業(yè)。

5）在施工作業(yè)中，滑溜水壓裂后期可以通過減小施工排量，增加支撐劑粒徑，增加支撐劑密度，增加砂比來使裂縫進(jìn)口端的支撐劑鋪置效果變好。施工初期則與之相反，使更多的支撐劑到達(dá)裂縫深處進(jìn)行良好的鋪置。