呂明錕，曲占慶，郭天魁，王旭東，李 金，王志文

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

引 言

通道壓裂是2010年之后出現(xiàn)的一種新型壓裂方式[1-2]，具有降低支撐劑用量、提高改造效果的優(yōu)點[3-5]。通過在壓裂液中加入纖維和脈沖泵注，支撐劑與纖維互相包裹形成團塊，在裂縫中實現(xiàn)支撐劑的非均勻鋪置，形成超高導(dǎo)流能力的流動通道[6-8]。其中支撐劑與纖維互相包裹的團塊(以下簡稱“團塊”)的形成和分布是通道壓裂區(qū)別于常規(guī)壓裂的主要特點，也是決定通道壓裂效果的重要因素。研究通道壓裂團塊形成和分布的主要方法是利用平行板設(shè)備進行通道壓裂的可視化模擬[9-11]，但目前相關(guān)研究主要對最終形成的通道形態(tài)進行評價和影響因素分析，僅能在實驗尺度下提出參數(shù)建議[12-14]，而關(guān)于團塊形成過程、特點和施工因素對團塊形成過程影響的研究少見，沒有針對團塊形成和生長過程的機理進行研究。為此，本文采用大型復(fù)雜裂縫顆粒運移鋪置模擬裝置，在考慮裂縫壁面粗糙和濾失的情況下，進行了通道壓裂團塊形成過程的研究，分析了團塊形成的機理和特點，研究了部分施工參數(shù)對團塊形成過程的影響。

1 實驗設(shè)備及原理

在大型復(fù)雜裂縫顆粒運移鋪置模擬裝置的透明有機玻璃板一側(cè)粘貼不同粒徑的石英砂并開一定數(shù)量的濾失孔，分別模擬裂縫的粗糙壁面和濾失；裂縫模塊有一條長5 m、高0.6 m的主縫(縫寬5 mm)，主縫兩側(cè)分別設(shè)置了不同角度的分支縫(縫寬3 mm)，分支縫長1 m，在尺度上更加接近真實地層[15]。

實現(xiàn)實驗裝置對實際裂縫的科學(xué)模擬，需要保證模擬裂縫和實際裂縫的雷諾數(shù)Re相同，即

(1)

式中：ρm為模擬裂縫中流體密度，μm為模擬裂縫中流體黏度，Lm為模擬裂縫流場的特征長度，vm為模擬裂縫流場的特征速度，ρn為實際裂縫中流體密度，μn為實際裂縫中流體黏度，Ln為實際裂縫流場的特征長度，vn為實際裂縫流場的特征速度。

選取流場的特征長度為縫寬w，流場的特征速度為壓裂液的橫向流速v，由于實驗?zāi)Ｐ偷目p寬直接模擬實際縫寬，所用的壓裂液的密度、黏度、支撐劑密度與現(xiàn)場相同，所以式(1)化簡為

vm=vn。

(2)

根據(jù)式(2)可得

(3)

式中：Qn為實際施工排量(雙翼裂縫)，m3/min；Qm為實驗排量(模擬單翼裂縫)，m3/min；An為實際裂縫過流斷面面積，m2；Am為模擬裂縫過流斷面面積，m2。

由于本文中實驗排量的單位為m3/h，所以式(3)可表示為

(4)

式中：Qm′為實驗排量，m3/h。

2 通道壓裂團塊形成過程及特點

通道壓裂中對裂縫起支撐作用的是支撐劑與纖維團塊，通道的形成本質(zhì)上是團塊在裂縫中的不連續(xù)鋪置，研究通道的形態(tài)應(yīng)該從研究裂縫中的團塊入手，了解團塊形成的機理和特點，明晰不同參數(shù)對團塊形成過程的影響，才能有針對性地改變施工參數(shù)達到團塊的理想鋪置，獲得較好的通道形態(tài)。通過大型可視化顆粒運移模擬裝置，進行通道壓裂模擬實驗，分析纖維與支撐劑團塊的形成過程和特點。

先前的研究表明[9]，通道壓裂實驗中由于流場復(fù)雜，近井裂縫對于團塊的形成和分布具有較大影響，所以為了減小近井復(fù)雜流場的影響，選取距注入井筒2～3 m處的裂縫進行分析。實驗壓裂液黏度20 mPa·s，纖維比例3 %，排量6 m3/h，砂比5 %，脈沖時間25 s。

如圖1所示，左圖為第一個纖維脈沖之后纖維團的鋪置形態(tài)，右圖為實驗最終的鋪置形態(tài)，壓裂液流動方向由左向右(文中流動方向均為由左向右)。對比團塊的位置發(fā)現(xiàn)，由于濾失的設(shè)計使濾失孔處具有濾失的功能和粗糙度突變，纖維脈沖之后的纖維團和最終的團塊大部分形成于濾失孔處，少部分在裂縫較為粗糙的位置。

右圖絕大部分團塊中有明顯的白色純纖維團，通過與左圖中纖維團的位置對比發(fā)現(xiàn)，右圖團塊中的白色纖維團與左圖的纖維團位置基本相同，實驗最終獨立團塊的數(shù)量和左圖纖維團的數(shù)量也基本一致，說明最終的團塊是在第一個纖維脈沖所形成的纖維團的基礎(chǔ)上形成的，第一個纖維脈沖的作用是在裂縫中尋找濾失和粗糙部位， 并且以纖維團的形式將濾失和粗糙表現(xiàn)出來，纖維團成為后續(xù)團塊生長的基礎(chǔ)。第一個纖維脈沖之后的纖維團的位置和分布基本決定了最終團塊的位置和分布。

圖1 團塊初始與最終分布對比Fig.1 Comparison of initial and final distribution of fiber agglomerates in crack

針對團塊的形成過程，如圖1所示，選取了(a)、(b)、(c)3處進行分析，分別選取了第一個纖維脈沖后25 s、50 s、120 s、170 s、210 s和最終形態(tài)進行對比，如圖2所示。通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，通道壓裂過程中團塊的生長是以纖維團為基礎(chǔ)，以逆壓裂液流動方向生長，混有支撐劑的團塊大部分在白色纖維團的上游形成。

圖2 不同時刻團塊形態(tài)對比Fig.2 Comparison of morphology of fiber agglomerates at different time points

對比不同階段的團塊形態(tài)，分析團塊的形成規(guī)律，可將團塊按形成過程分為3類：延伸生長型、合并生長型和交替變化型，分別對應(yīng)圖2中的(a)、(b)、(c)處所示團塊。

延伸生長型團塊以第一個纖維脈沖纖維團為基礎(chǔ)，在整個實驗過程中一直逆壓裂液流動方向生長，部分團塊會因沖刷而斷裂，團塊整體細(xì)長，團塊之間幾乎不會發(fā)生合并。如圖2中(a)處，團塊一直在逆壓裂液流動方向生長，在170 s時，已經(jīng)向前延伸了很長；圖2中(a)處下方團塊在210 s時發(fā)生斷裂，斷開團塊留在裂縫中形成一個獨立的團塊；如果斷開的團塊穩(wěn)定性較差，則會被壓裂液向裂縫深部攜帶或者沖散。

合并生長型團塊是由于第一個纖維脈沖后形成的纖維團較大，所以生長迅速，與相鄰團塊合并，合并后兩團塊之間的通道消失，壓裂液轉(zhuǎn)向，最終團塊面積較大。如圖2中(b)處右側(cè)團塊，在纖維脈沖之后形成的纖維團較大，在50～120 s的過程中其生長迅速，與左側(cè)團塊發(fā)生合并，合并后團塊沒有明顯增大。在纖維濃度較大的情況下這種合并常見，團塊相互合并，液流轉(zhuǎn)向，部分合并后的團塊繼續(xù)生長，合并其他團塊，最終團塊連接成片，形成一條或幾條互不連通的通道。

針對上述兩種生長形態(tài)的團塊，要想增加其形成通道的連通性，需要讓延伸的團塊斷開，減少團塊的合并，最簡單的方式就是適當(dāng)增加排量。這在以前的研究[9]中已經(jīng)得到證實。

交替變化型團塊由于受到較強沖蝕(排量較大、黏度較大)或者附近流場復(fù)雜時，團塊生長受到限制，團塊生長到一定程度之后出現(xiàn)生長-沖蝕的交替變化，團塊的面積通常較小。如圖2中(c)處團塊在120 s之后的大小交替變化，團塊在裂縫中既沒有持續(xù)延伸，也沒有與其他團塊合并，這主要由于(c)處團塊在持續(xù)生長的(a)處團塊下游，流場不斷變化，團塊的生長受到抑制。這種形態(tài)的團塊在近井裂縫中常見，團塊的大小受復(fù)雜流場的影響，在體積很小時便進入交替變化階段，造成近井團塊體積小，不能對裂縫有效支撐，裂縫最終的通道率較大。

對單個團塊形成過程的觀察分析發(fā)現(xiàn)，團塊的逆壓裂液流動方向生長使大部分團塊中纖維以“C”型分布(圖3)， 這樣團塊在受高速壓裂液沖擊時有很好的穩(wěn)定性。

圖3 團塊細(xì)節(jié)Fig.3 Detail drawing of fiber agglomerate

相關(guān)研究[16]表明，團塊在受高閉合壓力時，會發(fā)生較大形變，團塊被壓散，支撐劑層被壓實，此時團塊具有較好的穩(wěn)定性。但目前壓裂施工為了減少儲層傷害，需要盡早盡快地進行壓裂液返排，如果選擇在井口壓力較高、破膠時間較短的情況下進行返排，返排初期裂縫施加在團塊上的壓力較小，支撐劑層沒有被充分壓實，纖維的“C”型結(jié)構(gòu)受反向高黏液體沖刷時則不再具有很好的穩(wěn)定性，可能會導(dǎo)致團塊部分解體，團塊對裂縫的支撐效果變差。所以在選擇通道壓裂返排時機時，應(yīng)根據(jù)井口壓力考慮施加在團塊上的閉合壓力是否達到使團塊相對穩(wěn)定的壓力值。

3 團塊形成過程的影響因素

3.1 壓裂液排量對團塊形成過程的影響

分別對8 m3/h(線性流速0.74 m/s)和4 m3/h(線性流速0.37 m/s)兩個排量實驗過程前、中、后期3個階段的團塊形態(tài)進行對比分析。

壓裂液排量對團塊生長的影響主要為3個方面， 一是在第一個纖維脈沖之后(圖4前期)， 低排量時裂縫中纖維團的數(shù)量明顯比高排量多， 裂縫平面上均有分布，而高排量時纖維團在裂縫的下半部分沒有分布。這說明排量的增大會使纖維在裂縫中的滯留難度增大，減弱纖維脈沖對裂縫粗糙和濾失的表現(xiàn)作用。

圖4 不同壓裂液排量下前、中、后期團塊對比Fig.4 Comparison of morphology of fiber agglomerates in the front,middle and late stages under different displacement

從實驗中期的圖片對比來看，團塊大部分在第一個纖維脈沖形成的纖維團的基礎(chǔ)上生長。大排量時團塊橫向生長明顯，縱向生長緩慢，形成長且窄的形態(tài)；而小排量團塊橫縱方向生長較均勻，沒有出現(xiàn)嚴(yán)格的水平生長。這主要是因為排量較大時，壓裂液中的纖維和支撐劑的運移速度較大，纖維和支撐劑在團塊上繼續(xù)滯留的難度變大，形成的團塊也會受到較強的沖擊，縱向窄的形態(tài)有利于保持穩(wěn)定，并且裂縫中需要更多的通道供壓裂液流動，所以團塊的縱向生長受限。在后期對比中可以發(fā)現(xiàn)，低排量時隨著團塊縱向生長，彼此之間發(fā)生合并，團塊在裂縫平面上所占的面積比增大，而高排量時團塊已經(jīng)很長，橫向繼續(xù)生長會發(fā)生斷裂，團塊橫向基本不再生長，開始緩慢縱向生長，但團塊之間相對獨立，通道整體保持了較為良好的連通狀態(tài)。

對比高排量前、中、后期3個階段裂縫下部區(qū)域，在第一個纖維脈沖時沒有形成纖維團，之后一直沒能形成團塊。而低排量下，團塊可以通過較為均勻的橫縱向生長，團塊之間的合并，使團塊在裂縫中有較好的分布，不會出現(xiàn)很大面積的未支撐區(qū)域。所以，在濾失較大、裂縫壁面較粗糙的地層中，初期易形成纖維團，可以適當(dāng)增加排量來提高通道的連通性；在閉合應(yīng)力大，巖石粗糙度低的地層中，適當(dāng)減小排量，擴大團塊支撐面積。

3.2 纖維比例對團塊形成過程的影響

進行了纖維比例(纖維質(zhì)量與支撐劑質(zhì)量的比值)1 %和3 %的通道壓裂實驗。分別在實驗前期和中期選取了距實驗開始相同時刻的團塊形態(tài)進行對比(圖5)。

圖5 不同纖維比例下前、中期團塊對比Fig.5 Comparison of morphology of fiber agglomerates in the front,middle and late stages under different fiber proportions

從圖5不同纖維比例前期對比可以看出，在第一個纖維脈沖之后，高纖維比例實驗中形成的纖維團的數(shù)量多，團塊的體積大。所以較高的纖維比例能夠使裂縫粗糙和濾失得到更好的體現(xiàn)，在裂縫粗糙度低、濾失低的情況下，前期可以適當(dāng)增加纖維比例，來獲得更好的纖維團數(shù)量和分布。

實驗中期對比可以看出，低纖維比例下由于前期形成的纖維團的體積小，壓裂液中纖維的比例低，導(dǎo)致大部分團塊的生長緩慢，團塊體積變化小，而高纖維比例時大部分團塊生長迅速，部分團塊發(fā)生合并。

低纖維比例實驗后期，團塊緩慢增大之后，由于纖維比例較低，團塊的穩(wěn)定性不夠，一部分團塊會整個發(fā)生運移(而不是生長部分的斷裂)，運移的團塊一部分被沖散，一部分直接與其他團塊結(jié)合形成較大的團塊，所以低纖維比例下最終團塊的分布位置與第一個纖維脈沖所形成的纖維團的位置有較大差異。高纖維比例下所形成的團塊具有較好的穩(wěn)定性，團塊雖然后期會發(fā)生部分?jǐn)嗔眩珗F塊的大小和分布較均勻；后期的團塊橫向生長緩慢，開始逐漸縱向生長，發(fā)生彼此之間的合并。所以如果通道壓裂縫長較長，持續(xù)高纖維比例的注入，中部裂縫中的團塊可能會發(fā)生合并，導(dǎo)致通道連通性變差，對深部裂縫的壓裂效果產(chǎn)生較大影響。

3.3 壓裂液黏度對團塊形成過程的影響

對黏度分別為5、10、50 mPa·s的壓裂液進行對比實驗分析，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，黏度由5 mPa·s增加到10 mPa·s時，纖維團的體積增大；在黏度迅速增加到50 mPa·s之后，纖維團的數(shù)量和體積明顯減小。這主要是因為黏度較低時，纖維在壓裂液中的分布不穩(wěn)定，易上浮導(dǎo)致了注入問題，部分纖維沒能注入裂縫，但從裂縫中纖維團的分布看，由于壓裂液在裂縫中的高速流動，使得纖維沒有明顯的上浮趨勢。高黏度壓裂液由于其良好的攜帶性能，使得纖維在裂縫中滯留變得困難。

從團塊的生長形態(tài)來看，低黏壓裂液中團塊的橫向和縱向生長較均勻，黏度在50 mPa·s時，由于前期纖維團較小和壓裂液黏度較高，沖刷作用嚴(yán)重，團塊呈現(xiàn)明顯的橫向生長，縱向幾乎不生長。低黏壓裂液實驗后期裂縫底部出現(xiàn)部分砂堤，說明壓裂液對于支撐劑的攜帶能力不強，使得支撐劑在裂縫中過早地沉降，由于壓裂液對于纖維的攜帶能力要遠(yuǎn)大于對支撐劑的攜帶能力，所以在支撐劑沉降之后，纖維依然能較好地向裂縫深部運移，如果壓裂液不能將支撐劑攜帶到裂縫深部，則會形成不包裹支撐劑的純纖維團塊，裂縫不能得到有效支撐。

圖6 不同壓裂液黏度下前、中期團塊對比Fig.6 Comparison of morphology of fiber agglomerates in the front,middle and late stages under different fracturing fluid viscosity

3.4 分支縫中團塊形成過程的特點

圖7所示為30°分支縫中團塊形成的過程，分支縫與主縫相連。從前期第一個纖維脈沖團塊的分布可以看出裂縫中纖維團的數(shù)量較多，分布較均勻，與主縫中纖維團分布的最大不同是纖維團不再主要集中在濾失孔處，在除濾失孔的其他裂縫壁面上也形成了較多的纖維團。主要原因是設(shè)備分支縫的縫寬是3 mm，主縫的縫寬為5 mm，縫寬的減小使裂縫粗糙度對纖維團形成的影響加大，也就是在縫寬較小的裂縫中，更容易形成團塊。

另外， 整個裂縫面上均勻地形成纖維團說明實驗開始時分支縫與主縫是相通的。到了實驗中期可以看到，攜砂液只在裂縫下部注入，此時分支縫上部入口已經(jīng)被纖維團塊封堵。此時壓裂液向裂縫上部攜帶支撐劑非常困難，所以處于裂縫右上角的團塊沒有壓裂液的沖刷，形成了結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的零星狀分布團塊，零星狀團塊的形成區(qū)域是壓裂液沒有有效流經(jīng)的區(qū)域。

圖7 分支縫中團塊形成的過程Fig.7 Forming process of fiber agglomerates in branch crack

實驗后期在實驗沒有停止的情況下，分支縫中就幾乎沒有了壓裂液的流動，此時分支縫入口幾乎完全被團塊充填，這種現(xiàn)象在分支縫角度增大之后更加明顯。

所以分支縫中團塊生長過程與主縫的區(qū)別在于：分支縫縫寬小，流量小，使纖維的滯留受粗糙度的影響變大，能夠在前期形成數(shù)量更多、分布更均勻的纖維團，但是由于分支縫與主縫夾角的存在，團塊更容易在分支縫入口處形成，造成分支縫中壓裂液流量減小，使進入分支縫中的支撐劑數(shù)量減少，實際分支縫的充填不理想。在實際應(yīng)用中，可以通過前期針對分支縫合理減小纖維長度或支撐劑粒徑來解決這個問題。

4 結(jié) 論

(1)第一個纖維脈沖之后裂縫的粗糙情況和濾失情況會以纖維團的形式表現(xiàn)出來，之后團塊以纖維團為基礎(chǔ)逆壓裂液流動方向生長。

(2)按照形成過程可將團塊分為3類：延伸生長型、合并生長型和交替變化型。其中延伸生長型和合并生長型可以通過適當(dāng)增加排量來提高通道之間的連通性，交替變化型大多出現(xiàn)在近井裂縫流場復(fù)雜的區(qū)域；團塊內(nèi)部纖維“C”字型排列使得團塊具有較好的穩(wěn)定性，但返排時應(yīng)注意返排時機的選擇。

(3)較高的壓裂液排量和較大的壓裂液黏度會使團塊的縱向生長受到限制，主要以橫向生長為主；排量較低和纖維比例較大時團塊縱向生長明顯，后期團塊之間會發(fā)生合并；纖維比例較小時團塊穩(wěn)定性變差，已經(jīng)形成的團塊易運移或者解體。

(4)裂縫縫寬減小會使裂縫壁面粗糙度對纖維滯留的影響變大，分支縫口處易發(fā)生團塊堵塞，零星狀分布團塊表明壓裂液沒有有效流經(jīng)，可通過減小纖維長度和支撐劑粒徑緩解堵塞。