非常規儲層壓裂砂比對支撐劑鋪置質量影響的實驗研究

高金劍，胡藍霄，王 剛，楊汶山

1江西經濟管理干部學院機場學院 2成都理工大學能源學院 3中國石油川慶鉆探工程有限公司安全環保質量監督檢測研究院

0 引言

儲層改造的目標是形成有一定導流能力的裂縫[1- 3]，為了實現這一目標，需采用滑溜水或線性膠攜帶支撐劑，在裂縫中形成有效的支撐[4- 6]。支撐劑在裂縫中的鋪砂濃度、分布規律、鋪置方式等都是影響儲層裂縫導流能力的關鍵因素[7- 8]。而影響支撐劑在裂縫中鋪置規律的因素包括施工排量、施工壓力、砂比、裂縫壁面、顆粒之間碰撞、支撐劑和壓裂液物性等[9]。研究支撐劑在裂縫中的沉降規律，可以對施工參數、支撐劑物性參數、砂比等進行優化設計，可以選擇合適的壓裂液體系和支撐劑體系，還可以應用支撐劑的沉降規律來控制縫高[10- 12]。砂比作為壓裂施工現場的一個重要工藝參數，影響著支撐劑在裂縫的中的運移和沉降[13]。本文將運用大型可視平板垂直裂縫模擬系統，改變陶粒砂比，研究陶粒支撐劑在垂直裂縫中的運移沉降規律，從而為現場應用提供參考借鑒依據。

1 實驗系統及方法

1.1 實驗儀器

“大型可視平板垂直裂縫模擬系統”是一套可模擬不同類型、不同粒徑的支撐劑在裂縫中運移及鋪置的系統[14]。系統由攜砂液攪拌配制裝置、低排量螺桿泵、玻璃平板垂直裂縫等組成，平板裂縫縫長4 m，縫高1 m，縫寬可調，本文設置為6 mm，見圖1。

圖1 實驗系統

在常溫常壓、忽略濾失、不考慮壁面摩阻條件下，本實驗系統可模擬分析不同種類、不同粒徑的支撐劑，不同類型的壓裂液及施工排量下的裂縫內支撐劑鋪置情況。支撐劑的種類和粒徑不同，裂縫內鋪置情況也不同，實驗過程中砂比改變，其他實驗參數不變，可獲得不同實驗條件下的砂堤形態，通過對比砂堤形態，可以優選出最優的砂比使裂縫內的砂堤分布最合理，提高壓裂效果。

1.2 實驗方法

(1)顆粒運移記錄方法：跟蹤若干個標紅的陶粒支撐劑的運移軌跡，記錄實驗時間，計算出陶粒沉降速度與水平運移速度。

(2)砂堤高度記錄方法：自動獲取數據與人工獲取數據相結合的方法，實驗全程錄像。

(3)保證實驗過程中相同的砂比，勻速加砂。

1.3 實驗方案

本實驗方案通過改變砂比，保持陶粒支撐劑的粒徑、排量、壓裂液黏度不變，從而研究不同砂比下支撐劑在裂縫中的運移沉降規律。壓裂液室溫黏度為60 mPa·s，支撐劑為20～40目Carbo陶粒，試驗排量均為6 m3/min，砂比分別為4%、12%與20%。

2 砂比為4%的實驗

2.1 砂堤形態

從垂直裂縫模擬系統中出現支撐劑時，開始計時至模型中砂堤不再增高截止，每隔0.8 min記錄一次，分別在0.8 min、1.6 min、2.4 min、3.2 min時記錄砂堤高度的變化數據，見圖2。

圖2 砂比為4%時砂堤分布圖

從圖2可知，隨著攜砂液的不斷注入，陶粒堆積量越來越多，堆積的陶粒形成了坡度較小的砂堤，根據陶粒堆積的高度隨時間的變化關系，把裂縫均勻分成4部分，對每部分陶粒堆積量及砂堤堤峰的變化規律進行分析。

2.2 裂縫各部位沉砂量

針對不同時間段，裂縫4部位砂堤高度增量變化進行分析，結果如表1所示。

表1 4%砂比不同時間段裂縫各部分沉砂量

由表1可得，裂縫4部位的陶粒堆積量不同，分別為54.0 cm、48.3 cm、46.3 cm、37.6 cm，從縫口至末端，砂堤堆積量逐漸減小，平均坡度為4.1%；在4個時間段內，各部位陶粒高度增量也是不同的，裂縫入口堆積量逐漸減小，裂縫末端堆積量逐漸增大。裂縫內陶粒堆積量增加，裂縫流動截面積減小，裂縫內線性膠流速加快，把陶粒攜帶到更遠處。因而出現了裂縫入口端陶粒堆積量先大后變小，裂縫深度堆積量先小后大。

2.3 堤峰位置變化與時間的關系

在裂縫縫口附近，攜砂液從射孔孔眼出來時，液體流速較高，支撐劑不易沉降，被攜帶到更遠的位置，然后急劇沉降下來，形成砂堤堤峰。從孔眼出來的支撐劑不斷被攜帶至砂堤堤峰位置，部分支撐劑再沉降下來，在線性膠的沖擊作用下，砂堤堤峰不斷往后推移。

以砂堤所形成的堤峰作為研究對象，讀取砂堤分布圖中四條曲線堤峰的坐標繪制柱狀圖，如圖3所示。

圖3 砂比為4%時砂堤堤峰位置變化柱狀圖

圖3中橫坐標表示堤峰所在的裂縫位置，縱坐標表示堤峰的高度，柱狀圖代表了在各個時間點堤峰的位置變化。從圖3中可得，堤峰逐漸提高并向裂縫更深處運移。在第一時間段內，堤峰高23 cm，第二時間段高38 cm，第三時間段高52 cm，第四時間段高61 cm。堤峰高度的增長速度變慢，向深部運移的速度變化不明顯。

3 砂比為12%的實驗

3.1 砂堤形態

從裂縫模型中開始出現支撐劑時，開始計時至模型中砂堤不再增高截止，用時1.6 min。每隔0.4 min記錄砂堤高度的變化數據。繪制曲線如圖4所示，從圖4可知，隨著施工的進行，所形成砂堤逐漸提高，砂堤形態整體看更平緩，堤峰變大，但坡度不大。

圖4 砂比為12%時砂堤分布圖

3.2 砂堤各部位沉砂量

針對裂縫的各個部位在不同時間段的變化進行分析，結果如表2所示。

表2 12%砂比不同時間段裂縫各部分沉砂量

從表2可得，裂縫4部位的陶粒沉降量不同，分別為47.3 cm、48.2 cm、45.0 cm、39.9 cm，從縫口至末端，砂堤堆積量逐漸減小，平均坡度為2.8%。在4個時間段內，各部位陶粒高度增量也是不同的，裂縫入口堆積速度減小，裂縫末端堆積速度增大。對比分析表1、表2可知，相同時間段內，表2第1部分的陶粒堆積高度比表1低；第2、3部分，表2與表1相差不大；第4部分，陶粒最終堆積的高度也比表1的小，形成了坡度更小的砂堤。

3.3 堤峰位置變化與時間的關系

圖5為砂比12%時砂堤堤峰位置變化柱狀圖。從圖5可得，堤峰逐漸提高并向裂縫更深處運移。在第一時間段內，堤峰高17 cm，第二時間段高29 cm，第三時間段高42 cm。第四時間段高53 cm。堤峰高度的增長速度變慢，向深部運移的速度先增加后減小。

圖5 砂比為12%時砂堤堤峰位置變化柱狀圖

4 砂比為20%的實驗

4.1 砂堤形態

以砂比為20%開始實驗，從裂縫模型中開始出現支撐劑時開始計時，至模型中砂堤不再增高截止，用時1.2 min。隔0.3 min記錄砂堤高度的變化數據，繪制曲線如圖6所示

圖6 砂比為20%時砂堤分布圖

從圖6可知，隨著攜砂液的不斷注入，陶粒堆積量越來越多，堆積的陶粒形成了坡度較小的砂堤，根據陶粒堆積的高度隨時間的變化關系，把裂縫均分成4部分，對裂縫4部分陶粒堆積量及砂堤堤峰的變化規律進行分析。

4.2 砂堤各部位沉砂量

針對裂縫的各個部位在不同時間段的變化進行分析，結果如表3所示。

表3 20%砂不同時間段裂縫各部分沉砂量

表3可得，裂縫4部位的陶粒沉降量分別為43.35 cm、42.50 cm、40.12 cm、35.53 cm，從縫口至末端，砂堤堆積量逐漸減小，平均坡度為1.9%，均比實驗1坡度4.1%、實驗2坡度2.8%小。在4個時間段內，各部位陶粒高度增量也是不同的，裂縫入口堆積速度減小，裂縫末端堆積速度增大。對比分析表2、3可得，表3裂縫4部分的砂堤高度均比表2小，平板內陶?？偟亩逊e量減小，更多的陶粒運移到裂縫深部。隨著陶粒砂比增加，陶粒顆粒的碰撞作用增強，導致陶粒沉降速度減小。

4.3 堤峰位置變化與時間的關系

圖7為砂比20%時砂堤堤峰位置變化柱狀圖。從圖7可得，堤峰逐漸提高并向裂縫更深處運移。在第一時間段內，堤峰高12.5 cm，第二時間段高26 cm，第三時間段高36 cm，第四時間段高45 cm，堤峰高度的增長速度變慢，向深部運移的速度加快。

圖7 砂比為20%時砂堤堤峰位置變化柱狀圖

5 砂比對支撐劑沉降規律的影響

5.1 砂比對支撐劑沉降砂堤形態的影響

圖8為不同砂比時砂堤形態圖。分析圖8可知，三種砂比下，砂堤形態幾乎相同，砂比對支撐劑形成的砂堤形態有一定影響，但影響有限，砂堤形態平緩，砂堤坡度分別為4.1%、2.8%、1.9%，隨著砂比增加，坡度減??；砂比越小，在相同時間內形成的砂堤高度越大，支撐劑沉降量越大，這是因為砂比增大，支撐劑之間干擾作用增大，沉降速度減小，沉降量減小，高砂比可以增大裂縫深部的支撐。

圖8 不同砂比時砂堤形態圖

5.2 砂比對支撐劑沉降速度的影響

跟蹤若干個紅色陶粒支撐劑的軌跡，記錄其初始與結束坐標與所用時間，求得本次實驗所用Carbo低密高強20～40目陶粒支撐劑在黏度為60 mPa·s的壓裂液中不同的砂比下的沉降速度如表4所示。

表4 不同砂比下支撐劑沉降速度表

從表4可見，隨著砂比增大，顆粒水平運移速度減小，但減幅不大，基本與裂縫內流體的流速相同。在相同的排量下，隨著砂比增大，顆粒沉降速度減小。這是由于在砂比較高的情況下，顆粒間相互干擾作用變強，包括：①單粒砂的沉降引起周圍液體的向上流動，阻尼了周圍顆粒的下沉，砂比越高阻尼作用越大；②混有砂子的液體混合物無論在混合物比重、黏度都有所增加，其結果是增大了砂粒的浮力及沉降的阻力，這使沉降和運移變緩。

6 結論

(1)當壓裂液黏度為60 mPa·s，通過對比分析砂比分別為4%、12%、20%時所形成的砂堤形態得出：在相同的排量，相同的陶?？偭肯?，砂比對砂堤分布形狀有影響，但砂堤形狀變化不大，坡度均比較小，分別為4.1%、2.8%、1.9%，砂比增加，砂堤坡度緩慢減小。

(2)當壓裂液的砂比增加時，所形成的砂堤高度減小，這是因為較大砂比下陶粒之間的碰撞干擾增大，單顆粒陶粒沉降速度變小，陶粒沉降量減小，陶粒被攜帶到更遠。

(3)隨著砂比增大，支撐劑水平運移速度減小，減小幅度較小，幾乎與液體流速相同；支撐劑的沉降速度減小，這是因為顆粒間相互干擾作用變強。