基于PIV系統的支撐劑運移鋪置規律及參數優化

李戀 ，吳亞紅 ，王明星 ，王佳 ，陳小璐 ，郭皓男 ，曹耐 ，3

（1.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京 102249；2.中國石油新疆油田分公司工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834099；3.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

0 引言

目前，開發頁巖氣、致密砂巖油氣等非常規儲層主要采用水平井與滑溜水壓裂相結合的工藝技術［1-2］。利用水平井開采可獲得更大的泄油面積。滑溜水壓裂液與常規胍膠壓裂液相比，具有成本低、經濟環保的特點，有利于形成復雜裂縫網絡，能夠極大地改善壓裂增產效果［3-4］。滑溜水壓裂時，在儲層中壓裂出以主裂縫為主干的裂縫網絡，并充填支撐劑支撐裂縫，以避免停泵后裂縫閉合，而未充填支撐劑的裂縫將重新閉合，成為無效裂縫，即支撐劑的鋪置充填形態基本就是最終的壓裂裂縫形態［5-10］。

國內外關于支撐劑運移規律的評價方法，主要是通過相機拍照與軟件處理相結合，以測定支撐劑在運移、沉降過程中的水平運移和沉降速度，從而研究支撐劑的運移鋪置規律，而關于裂縫內支撐劑在流場的軌跡和湍流特性等參數的測試方法鮮有報道［11-14］。因此，本文采用PIV（粒子成像測速）系統捕捉滑溜水壓裂過程中支撐劑顆粒在裂縫中的瞬時運移狀態，通過改變壓裂液黏度、排量、砂比和支撐劑篩目等參數來研究支撐劑的鋪置形態，分析支撐劑顆粒在砂堤前緣和末端流場的運動軌跡和運動速度，進而揭示支撐劑的微觀運移規律，為現場壓裂設計優化提供依據。

1 實驗

1.1 儀器和材料

實驗儀器包括流量計、混砂罐、螺桿泵、控制閥門、模擬井筒、可視化平板裂縫模型（尺寸為1 500 mm×150 mm×6 mm）、高速攝像機、PIV系統、循環管線等。

實驗材料包括20/40，40/70，70/140目石英砂、羥丙基胍膠壓裂液。

1.2 方法

1）連接實驗儀器，檢驗其密封性。2）在混砂罐中配制壓裂液，暫不加入支撐劑。3）開啟螺桿泵，向整個實驗系統泵入壓裂液，使得壓裂液在實驗系統里達到循環狀態。4）間歇性向混砂罐中注入支撐劑，按照砂比調整支撐劑注入速度，將壓裂液與支撐劑混合，攪拌均勻。攜砂液經螺桿泵輸送至可視化平板裂縫模型，并循環回注于混砂儲液罐。5）重復步驟4），依次分段加入支撐劑，并調整排量，模擬壓裂液攜砂壓裂過程。6）采用高速攝像機對顆粒運移過程進行拍照和攝像，記錄支撐劑沉降過程及砂堤幾何形態。7）當觀察到支撐劑顆粒完全沉積或完全懸浮時，結束實驗。

2 結果與討論

在不同壓裂液黏度、排量、砂比和支撐劑篩目條件下，研究了支撐劑鋪置后的砂堤平衡狀態，以及在平板裂縫模型中的運移距離，并根據砂堤形態計算砂堤處于平衡狀態時的高度和時間，分析支撐劑在裂縫中的運移鋪置規律，結果如表1所示。

表1 支撐劑運移實驗參數及結果

2.1 支撐劑運移規律

不同排量下砂堤處于平衡狀態時的形態如圖1所示。由圖可以看出，隨著排量增大，砂堤峰部在平板裂縫模型后半部出現，支撐劑在裂縫水平方向鋪置距離越遠，形成的有效支撐裂縫越長。因此，排量為2.85 m3/h時效果最好。這主要是由于流速越高，攜砂液的輸送能力越強，在攜砂液的沖擊作用下，砂堤峰部位置不斷往后推移，存在“爬坡效應”。

圖1 不同排量下砂堤處于平衡狀態時的形態

通過對不同排量下砂堤堆起速度的分析認為，砂堤處于平衡狀態時的高度和時間隨著排量增加而減小，砂堤整體形態變得平緩，堤峰變矮，砂堤堆起速度加快。裂縫方向的沉砂量，即砂堤各部分的增量隨著時間增加而增大，砂堤主體在注砂階段后期形成。本次實驗中的排量分別為 1.55，1.85，2.15，2.50，2.85 m3/h，根據現場水平井壓裂40 m的裂縫高度折算成施工排量，分別為 6.8，8.2，9.5，11.1，12.6 m3/min。 因此，優化施工排量為10～ 12 m3/min。

由圖2可以看出，隨著壓裂液黏度的增大，砂堤處于平衡狀態時的高度降低，裂縫入口端到砂堤峰部出現位置距離減小，砂堤基本上沿著整個裂縫方向鋪置，大部分支撐劑顆粒懸浮在攜砂液中，被運移到裂縫深處。對不同壓裂液黏度下砂堤的堆起速度進行計算得出，隨著壓裂液黏度的增大，砂堤的高度降低，時間增加，堆起速度減小。砂堤主體在注砂階段前期形成，后期砂堤各部分的增量隨著時間增加而減小，裂縫方向的沉砂量變化不大。壓裂液黏度越大，砂堤整體形態變得越平緩。這主要是由于隨著壓裂液黏度增大，壓裂液的攜砂能力增強，越來越多的支撐劑顆粒隨著壓裂液運移至裂縫更深處，并且支撐劑在壓裂液中沉降速度減小，所以砂堤前緣距離和時間增大。由于高黏度的攜砂液把大部分支撐劑攜帶出裂縫，只有部分支撐劑沿裂縫方向鋪置，因此，砂堤高度降低。由于壓裂液黏度在6～ 16 mPa·s時形成的砂堤高度和長度最大，因此，優化壓裂液黏度為15 mPa·s左右。

圖2 不同壓裂液黏度下砂堤處于平衡狀態時的形態

不同砂比下砂堤處于平衡狀態時的形態如圖3所示。對不同砂比下砂堤的堆起速度進行計算得出，隨著砂比增大，砂堤處于平衡狀態時的高度增加，時間減小，堤峰堆起速度增大。裂縫方向的沉砂量即砂堤各部分的增量隨著時間增加而增加，砂堤主體在注砂階段后期形成。砂比越大，堤峰出現位置越靠近縫口，過快增高的堤峰容易在注砂時造成砂堵。砂比為25%時出現砂堵的概率要遠高于砂比為20%，因此，施工砂比應控制在20%以內。

圖3 不同砂比下砂堤處于平衡狀態時的形態

由圖4可以看出，20/40目支撐劑在縫口仍然堆積得較快，砂堤較高，平衡狀態下在縫口的推進距離與砂比為5%時的情況較為一致，且需要的時間短。40/70目支撐劑的砂堤高度較高，砂堤推進距離增大，形成的砂堤變得平緩。70/140目支撐劑運移距離增大，形成的砂堤整體較為平緩，砂堤高度增加較慢，對砂比的敏感度較高。在相同砂比和時間下，40/70目支撐劑形成的砂堤能夠使裂縫達到飽填砂狀態，因此，40/70目支撐劑可以作為壓裂施工的首選支撐劑。

圖4 不同支撐劑篩目下砂堤處于平衡狀態時的形態

3 砂堤流場分析

圖5和圖6為不同壓裂液黏度、排量、砂比和支撐劑篩目條件下，采用PIV系統分別測量支撐劑顆粒在砂堤前緣入口處和離開砂堤峰部時的速度場。圖中，黃色和藍色虛線框表示分別采用不同的速度范圍。由圖5可以看出：隨著排量逐漸增大，湍流強度以及支撐劑運移速度增大，支撐劑顆粒在壓裂液的沖擊作用下運移到裂縫更遠的位置；隨著壓裂液黏度增大，砂堤高度降低，前緣入口處湍流強度減弱，支撐劑顆粒運移速度減小；低砂比時，裂縫頂部支撐劑顆粒運移速度較慢，隨著支撐劑砂比的增大，前緣入口處的支撐劑顆粒運移速度增大，并且湍流強度增強；隨著支撐劑篩目增加，砂堤在前緣入口處的湍流強度增強，但在離開一段距離后支撐劑顆粒運移速度明顯減小。

圖5 不同條件下支撐劑在砂堤前緣入口處的速度場

由圖6可知：支撐劑顆粒離開砂堤峰部時，一部分沉降在砂堤表面，另一部分隨著流體運移到下游位置沉降；隨著排量增大，支撐劑顆粒離開砂堤峰部后速度增大，并隨壓裂液運移到裂縫內更遠位置沉降；隨著壓裂液黏度的增大，砂堤峰部流體的湍流強度減弱，水平方向流速明顯下降，支撐劑顆粒的運移速度減小；隨著砂比增大，流體湍流強度增強，支撐劑顆粒水平方向運移速度越大，運移距離越遠；20/40目支撐劑在裂縫頂部幾乎沒有移動，40/70目支撐劑水平運移速度較高的區域集中在裂縫頂部，70/140目支撐劑在整個裂縫內運移速度較為均勻，能將支撐劑攜帶到裂縫深處。

圖6 不同條件下支撐劑在離開砂堤峰部時的速度場

4 結論

1）排量越大，支撐劑在裂縫水平方向的鋪置距離越遠，形成的有效壓裂裂縫越長；但砂堤處于平衡狀態時的高度和時間隨著排量增加而減小，砂堤整體形態變得平緩，堆起速度增大。優化施工排量為10～ 12m3/min。

2）隨著壓裂液黏度增大，砂堤高度降低，時間增加。壓裂液黏度在6～ 16 mPa·s時形成的砂堤高度和長度最大。優化壓裂液黏度在15 mPa·s左右。

3）不同篩目支撐劑形成的砂堤形態差異很大：20/40目支撐劑在縫口處的砂堤高度較高；40/70目支撐劑在裂縫頂部運移速度較高，砂堤推進距離相比20/40目支撐劑較長；70/140目支撐劑未形成明顯的堤峰，大部分砂粒懸浮在壓裂液中，被攜帶到裂縫深處。優選40/70目支撐劑作為首選支撐劑。

4）砂比越大，堤峰出現位置越靠近裂縫入口處，過快增高的堤峰容易在注砂時造成砂堵。高砂比施工中，粗粒徑支撐劑與中、細粒徑支撐劑相比，砂堵的概率更大。施工砂比應控制在20%以下。