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        徑向井壓裂技術(shù)攜砂液摩阻影響參數(shù)研究

        2019-04-14 08:13:52
        復(fù)雜油氣藏 2019年4期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)

        肖 雯

        (中國(guó)石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院,山東 東營(yíng) 257000)

        近年來(lái)徑向井壓裂技術(shù)已在多個(gè)油田成功應(yīng)用,該技術(shù)主要有如下優(yōu)點(diǎn)[1-6]:①?gòu)较蚓叽缧 ⑦m用于薄互層;②徑向井具備引導(dǎo)壓裂裂縫定向起裂的功能,同時(shí)可降低起裂壓力;③壓裂裂縫一定條件下可沿徑向井定向擴(kuò)展;④多徑向井壓裂可形成多條主裂縫,極大地增大泄油面積;⑤相比水平井,徑向井施工規(guī)模小、時(shí)間短、成本低,對(duì)油藏造成的傷害小。

        本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出針對(duì)徑向井壓裂施工的一系列工藝參數(shù),并利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)各影響因素的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析,建立相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P汀?/p>

        1 攜砂液摩阻實(shí)驗(yàn)研究

        支撐劑導(dǎo)流能力顯著影響油井壓裂改造效果,因此在壓裂施工前對(duì)支撐劑的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選利于得到最佳改造效果。已有研究結(jié)論認(rèn)為[7-8],支撐劑粒徑與導(dǎo)流能力的關(guān)聯(lián)度最大,其余依次為鋪砂濃度、流體流量、地層閉合壓力。其中人為可控因素為支撐劑粒徑及鋪砂濃度。以提高裂縫導(dǎo)流能力為目的,應(yīng)首先選取大粒徑支撐劑,但是大粒徑支撐劑破碎率較高,結(jié)合文獻(xiàn)分析,在閉合壓力較小時(shí)選用20/40目支撐劑;在閉合壓力較大時(shí)選取30/50目支撐劑[8]。

        受徑向井小尺寸的影響,攜砂液流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的摩阻損失,而較高的摩阻數(shù)值顯然不利于壓裂施工的進(jìn)行,因此,對(duì)攜砂液摩阻問(wèn)題的研究具有很高的實(shí)用價(jià)值。應(yīng)用徑向井摩阻測(cè)試裝置,考慮多因素的影響,對(duì)攜砂液的摩阻進(jìn)行測(cè)試,得到不同條件下徑向井?dāng)y砂液的沿程摩阻壓降值,并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、優(yōu)選。

        1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及原理

        實(shí)驗(yàn)采用的“徑向井摩阻測(cè)試裝置”(見(jiàn)圖1)。該裝置由混砂罐、螺桿泵、垂直井筒、U型管路等系統(tǒng)組成。U型管路上置有壓差計(jì)量裝置,分別計(jì)量?jī)芍本€段管路壓差。

        圖1 徑向井摩阻測(cè)試裝置

        混合均勻的攜砂液經(jīng)泵輸送流經(jīng)U型管路,黏彈性流體性質(zhì)的壓裂液質(zhì)點(diǎn)及支撐劑顆粒與壁面摩擦碰撞、消耗能量,形成阻力。

        量化分析各組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果即得到各因素對(duì)摩阻的影響規(guī)律,從而優(yōu)選出適用于徑向井壓裂的壓裂液黏度、支撐劑粒徑、施工排量、砂比等參數(shù)。

        1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        實(shí)驗(yàn)采用胍膠壓裂液進(jìn)行測(cè)定,室溫下黏度分別取50 mPa·s、100 mPa·s、150 mPa·s、200 mPa·s。根據(jù)支撐劑導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,在不同黏度下使用中密度陶粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn),砂比為5%、10%、15%。不同砂比條件下排量為2~8 m3/h。

        1.2.1 徑向井直徑對(duì)攜砂液摩阻的影響

        由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多且變化規(guī)律相似,此處僅對(duì)實(shí)驗(yàn)條件為30/50目支撐劑、壓裂液黏度50 mPa·s、砂比15%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示分析(見(jiàn)圖2)??梢?jiàn),排量一定時(shí),小管徑的沿程摩阻壓降更大,且小管徑上的壓降梯度明顯更高[10]。其原因?yàn)橄嗤帕肯?,管徑尺寸越小、流體流速越大,而管路沿程摩阻損失與流速的二次方成正比;此外,管徑越小,攜砂液的漩渦程度和紊流程度越大,導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大。

        圖2 管徑與攜砂液摩阻壓降關(guān)系

        1.2.2 壓裂液黏度對(duì)攜砂液摩阻的影響

        由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多且變化規(guī)律相似,此處僅對(duì)實(shí)驗(yàn)條件為砂比5%、20/40目支撐劑、20 mm管徑的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示分析(見(jiàn)圖3)??梢?jiàn),沿程摩阻壓降隨壓裂液黏度的增加而減小,排量越大該趨勢(shì)越明顯,與非牛頓流體的紊流減阻現(xiàn)象相符。沿程摩阻壓降的降幅隨著壓裂液黏度的增大而變小,這是因?yàn)殡S壓裂液黏度的增大,黏性阻力的影響程度逐漸增大,進(jìn)而增加了流動(dòng)阻力,因此壓裂液黏度存在最優(yōu)范圍。

        圖3 攜砂液摩阻壓降隨黏度的變化規(guī)律(20 mm管徑)

        1.2.3 支撐劑粒徑對(duì)攜砂液摩阻的影響

        由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多且變化規(guī)律相似,此處僅對(duì)砂比5%、壓裂液黏度50 mPa·s、20 mm管徑的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示分析(見(jiàn)圖4)。由圖4可見(jiàn),沿程摩阻壓降隨支撐劑目數(shù)的增加而增大,且排量越大該規(guī)律越顯著。粒徑越小顆粒紊動(dòng)程度越大、能量的耗散越大。相同條件下,粒徑越小則其比表面積越大,碰撞、摩擦的頻率和程度增大,同樣增大了攜砂液的流動(dòng)阻力。

        圖4 攜砂液摩阻壓降隨支撐劑目數(shù)的變化規(guī)律(20 mm管徑)

        1.2.4 排量及砂比對(duì)攜砂液摩阻的影響

        由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多且變化規(guī)律相似,此處僅對(duì)實(shí)驗(yàn)條件為壓裂液黏度50 mPa·s、20 mm管徑的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示分析(見(jiàn)圖5)。

        由圖5可見(jiàn),相同條件下,沿程摩阻壓降會(huì)隨著排量的增加而增大。20 mm管徑、10 m管長(zhǎng)、5%砂比條件下,排量為2.02 m3/h時(shí)摩阻壓降值為16.2 kPa,排量增大至8.01 m3/h時(shí)摩阻壓降值為71.9 kPa,摩阻增大343.83%。

        圖5 攜砂液摩阻壓降隨排量、砂比的變化規(guī)律(20mm管徑)

        (1)排量的影響。

        圖6為相同砂比、不同排量下的實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖,按照排量依次增大的順序排列。圖中可視模擬直井筒中的顏色由淺到深,這是因?yàn)樯氨纫欢〞r(shí),隨著排量的增大,壓裂液流速增加使得紊動(dòng)加強(qiáng),處于懸移運(yùn)動(dòng)的砂粒逐漸增加。

        圖6 不同排量下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(5%砂比)

        斷面平均流速隨排量的降低而減小,同時(shí)降低了流體的紊流脈動(dòng)作用,因此部分支撐劑在重力作用下無(wú)法維持懸浮而下沉,下沉以滾動(dòng)或滑動(dòng)方式運(yùn)移,此時(shí)支撐劑的運(yùn)移速度遠(yuǎn)低于流體流速。此時(shí)支撐劑之間、支撐劑與流體之間均會(huì)發(fā)生碰撞、摩擦從而消耗能量;且沉降的支撐劑增加了管壁的粗糙度,減小了管道截面積,增加了流動(dòng)阻力[8]。而流速的降低又降低了管內(nèi)沿程水頭損失,綜合考慮各方面因素,管路摩阻仍隨排量的降低而減小。反之,管路的摩阻隨排量的升高而增大。

        (2)砂比的影響。

        圖7為可視模擬直井筒在相同排量條件下不同砂比的流動(dòng)情況對(duì)比圖,砂比由5%至15%依次增大,模擬井筒顏色由淺至深,排量一定時(shí)砂比增大則流體中懸移的支撐劑濃度增大。

        支撐劑沉降時(shí),粒間干擾作用會(huì)降低顆粒沉降速度。分析其原因?yàn)?,顆粒沉降時(shí)會(huì)擠壓周?chē)黧w向上運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致其他顆粒沉降速度被減緩,且砂比越大該現(xiàn)象越明顯;砂比的增加提高了混合流體的比重,增大了顆粒的浮力及沉降阻力,降低了沉降速度。因此更多的支撐劑顆粒進(jìn)入懸移運(yùn)移,減小能量損耗。但是,砂比的增大強(qiáng)化了固液兩項(xiàng)的相互剪切作用及顆粒間的碰撞摩擦頻率,增加了損耗及阻力。因此綜合多因素,砂比對(duì)摩阻的影響不明顯。

        圖7 不同砂比條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        2 攜砂液摩阻預(yù)測(cè)模型建立

        黏彈性胍膠壓裂液具有三個(gè)特點(diǎn):①黏彈性的降阻效應(yīng);②雷諾數(shù)準(zhǔn)則無(wú)效;③趨向最大降阻漸近線。因此牛頓流體或冪律流體的摩阻系數(shù)計(jì)算方法無(wú)法適用于黏彈性流體[11]。結(jié)合理論及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),建立考慮多因素影響的攜砂液摩阻經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,?yōu)化實(shí)際施工參數(shù)具有重要的意義。

        2.1 壓裂液管流摩阻預(yù)測(cè)

        非牛頓流體管內(nèi)紊流摩阻壓降采用Darcy-Weisbach公式:

        (1)

        式中:ΔP為管內(nèi)摩阻壓降,Pa;λ為Darcy摩阻系數(shù);L為管道長(zhǎng)度,m;d為管道內(nèi)徑,m;ρ為流體密度,kg/m3;v為管內(nèi)流體平均速度,m/s;f為摩阻系數(shù)。

        上式計(jì)算壓裂液摩阻的核心問(wèn)題是如何確定摩阻系數(shù)f。S.N.Shah等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)算認(rèn)為通用雷諾數(shù)Re′與摩阻系數(shù)f存在如下關(guān)系:

        (2)

        A、B、C的取值需要利用前文徑向孔眼摩阻實(shí)驗(yàn)中不同條件下獲取的摩阻壓降ΔP進(jìn)一步推算出對(duì)應(yīng)的摩阻系數(shù)及通用雷諾數(shù),擬合通用雷諾數(shù)與摩阻系數(shù)的關(guān)系曲線明確A、B、C的取值。管內(nèi)平均流速可通過(guò)排量比管徑截面積求得,管徑長(zhǎng)度為10 m。

        繪制通用雷諾數(shù)Re′及摩阻系數(shù)f的散點(diǎn)圖(見(jiàn)圖8),通過(guò)添加趨勢(shì)線擬合曲線方程,進(jìn)而可知f和Re′符合如下關(guān)系式:

        f=0.0298Re′-0.287

        (3)

        圖8 壓裂液摩阻系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律

        該式的決定系數(shù)R2=0.704 8,意味著擬合仍需利用A項(xiàng)校正,而A是壓裂液流變指數(shù)n的函數(shù),擬合A關(guān)于n的表達(dá)式為:

        A=-0.02n2+0.01n-0.001 5

        (4)

        聯(lián)立式(3)、(4)得:

        f=(-0.02n2+0.01n-0.001 5)+
        0.029 8(Re′)-0.28 7

        (5)

        式(5)即為壓裂液(未攜砂)在管路中紊流態(tài)的摩阻系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式。

        2.2 攜砂液管流摩阻預(yù)測(cè)

        因混入支撐劑,攜砂液摩阻更大。Hannah等人認(rèn)為,摩阻系數(shù)f乘以系數(shù)M即為攜砂液的摩阻系數(shù)fs,即:

        (6)

        式中:μr為相對(duì)黏度(無(wú)量綱),攜砂液黏度比壓裂液黏度;ρr為相對(duì)密度(無(wú)量綱),其定義為:

        (7)

        式中:ρf為壓裂液密度,kg/m3;ρp為支撐劑密度,kg/m3;Cf、Cp分別為壓裂液與支撐劑的濃度(無(wú)因次)。

        Keck通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)考慮各種有關(guān)因素,改進(jìn)了Eilers公式:

        (8)

        式中:f(n,γ)為壓裂液(未攜砂)流變指數(shù)n與γ的函數(shù);φ為顆粒的體積分?jǐn)?shù);φmax為支撐劑顆粒緊密排列時(shí)的體積分?jǐn)?shù)。

        至此存在三種情況:

        (1)當(dāng)n→1時(shí),f→牛頓液體;

        (2)當(dāng)n→0時(shí),f→0;

        (3)當(dāng)γ→∞時(shí),f→0可得:

        (9)

        聯(lián)立式(6)—(9)即可獲取攜砂液的摩阻系數(shù),代入式(1)即求得摩阻壓降。在利用式(1)計(jì)算的過(guò)程中,其流體密度仍使用未加砂時(shí)的壓裂液密度,斷面平均流速也是未加砂的流體平均流速。至此建立攜砂液的摩阻經(jīng)驗(yàn)?zāi)P汀?/p>

        2.3 徑向井摩阻試算

        取現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)壓裂數(shù)據(jù)進(jìn)行試算,取壓裂液密度1 500 kg/m3,徑向孔眼長(zhǎng)度100 m,孔徑0.05 m,排量4.5 m3/min,折算孔眼內(nèi)平均流速為9.55 m/s,支撐劑選取實(shí)驗(yàn)所用20/40目陶粒,攜砂壓裂液摩阻系數(shù)由式(6)—(9)計(jì)算為0.016,則此時(shí)由式(1)可得(單位MPa):

        由上式結(jié)果可見(jiàn),100 m長(zhǎng)徑向孔眼壓裂時(shí)摩阻約為8.75 MPa,且摩阻與孔眼長(zhǎng)度呈線性關(guān)系,因此孔眼各處摩阻均可由此求得。固定井底壓力條件下可以推算出徑向孔眼達(dá)到最小起裂壓力的位置,同時(shí)也可根據(jù)孔眼長(zhǎng)度反推所需的井底壓力。

        3 灰色關(guān)聯(lián)分析

        受限于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量,各影響因素之間的關(guān)聯(lián)程度、影響原理無(wú)法量化,只能依靠結(jié)合推斷和邏輯思維?;疑P(guān)聯(lián)分析法即是分析該類(lèi)問(wèn)題的方法,可判斷各因素對(duì)研究對(duì)象的影響程度或權(quán)重,為徑向孔眼輔助水力壓裂工藝優(yōu)化提供參考。其計(jì)算方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。

        應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)方法計(jì)算出不同因素對(duì)攜砂液摩阻影響的關(guān)聯(lián)度,見(jiàn)表1。

        表1 關(guān)聯(lián)度結(jié)果數(shù)據(jù)

        由表1可見(jiàn),與摩阻損失關(guān)聯(lián)度最大的是攜砂液排量,之后依次為支撐劑粒徑、壓裂液黏度、徑向井徑。因此為減小徑向井的摩阻損失,應(yīng)首先考慮減小攜砂液排量,但小排量不利于有效攜砂,因此排量的確定應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)一步優(yōu)化,之后考慮支撐劑粒徑、壓裂液黏度的取值;最后在徑向鉆孔時(shí)盡量增大徑向井徑。

        4 結(jié)論

        (1)綜合考慮導(dǎo)流能力和摩阻損失,重點(diǎn)在于支撐劑的優(yōu)選。減小支撐劑粒徑會(huì)使支撐劑導(dǎo)流能力降低、摩阻損失增大。因此,壓裂施工時(shí)應(yīng)選擇較大粒徑支撐劑。

        壓裂液存在最優(yōu)化黏度,可同時(shí)滿(mǎn)足攜砂和降低非牛頓液-固兩相流動(dòng)阻力的要求,綜合考慮以黏度150~200 mPa·s為最優(yōu)選擇;摩阻隨排量的增加呈線性增大,盡管大排量利于支撐劑于地層深處鋪置,但顯著增大了非牛頓液-固兩相的流動(dòng)速度,不利于控制摩阻,因而實(shí)際施工中應(yīng)綜合考慮優(yōu)選合理的排量取值范圍;提高砂比會(huì)引起摩阻增大,但增幅小,因而現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)可盡量提高砂比以提高造縫成功率;增大徑向孔眼孔徑會(huì)顯著降低摩阻。

        (2)通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析法明確了各因素對(duì)徑向井壓裂攜砂液摩阻的影響程度,其影響程度由大到小依次為:攜砂液排量、支撐劑粒徑、壓裂液黏度、徑向井徑。

        (3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)徑向孔眼管流摩阻壓降與通用雷諾數(shù),并擬合其關(guān)系曲線,得到壓裂液于徑向井內(nèi)的管路紊流摩阻系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式,在此基礎(chǔ)上獲取攜砂液摩阻系數(shù),建立了攜砂液摩阻經(jīng)驗(yàn)?zāi)P汀@么私?jīng)驗(yàn)?zāi)P痛雽?shí)際現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行試算,求得該條件下100 m徑向孔眼處摩阻約為8.75 MPa,通過(guò)提高井底壓力依然具備遠(yuǎn)端起裂的能力。

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