高金劍，胡藍(lán)霄，王 剛，楊汶山

1江西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院機(jī)場(chǎng)學(xué)院 2成都理工大學(xué)能源學(xué)院 3中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院

0 引言

儲(chǔ)層改造的目標(biāo)是形成有一定導(dǎo)流能力的裂縫[1- 3]，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，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(guī)律、鋪置方式等都是影響儲(chǔ)層裂縫導(dǎo)流能力的關(guān)鍵因素[7- 8]。而影響支撐劑在裂縫中鋪置規(guī)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(guī)律，可以對(duì)施工參數(shù)、支撐劑物性參數(shù)、砂比等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以選擇合適的壓裂液體系和支撐劑體系，還可以應(yīng)用支撐劑的沉降規(guī)律來(lái)控制縫高[10- 12]。砂比作為壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)的一個(gè)重要工藝參數(shù)，影響著支撐劑在裂縫的中的運(yùn)移和沉降[13]。本文將運(yùn)用大型可視平板垂直裂縫模擬系統(tǒng)，改變陶粒砂比，研究陶粒支撐劑在垂直裂縫中的運(yùn)移沉降規(guī)律，從而為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供參考借鑒依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

“大型可視平板垂直裂縫模擬系統(tǒng)”是一套可模擬不同類型、不同粒徑的支撐劑在裂縫中運(yùn)移及鋪置的系統(tǒng)[14]。系統(tǒng)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(zhǎng)4 m，縫高1 m，縫寬可調(diào)，本文設(shè)置為6 mm，見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在常溫常壓、忽略濾失、不考慮壁面摩阻條件下，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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(nèi)支撐劑鋪置情況。支撐劑的種類和粒徑不同，裂縫內(nèi)鋪置情況也不同，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中砂比改變，其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變，可獲得不同實(shí)驗(yàn)條件下的砂堤形態(tài)，通過(guò)對(duì)比砂堤形態(tài)，可以優(yōu)選出最優(yōu)的砂比使裂縫內(nèi)的砂堤分布最合理，提高壓裂效果。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)顆粒運(yùn)移記錄方法：跟蹤若干個(gè)標(biāo)紅的陶粒支撐劑的運(yùn)移軌跡，記錄實(shí)驗(yàn)時(shí)間，計(jì)算出陶粒沉降速度與水平運(yùn)移速度。

(2)砂堤高度記錄方法：自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)與人工獲取數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，實(shí)驗(yàn)全程錄像。

(3)保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中相同的砂比，勻速加砂。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)方案通過(guò)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(yùn)移沉降規(guī)律。壓裂液室溫黏度為60 mPa·s，支撐劑為20～40目Carbo陶粒，試驗(yàn)排量均為6 m3/min，砂比分別為4%、12%與20%。

2 砂比為4%的實(shí)驗(yàn)

2.1 砂堤形態(tài)

從垂直裂縫模擬系統(tǒng)中出現(xiàn)支撐劑時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)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(shí)記錄砂堤高度的變化數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖2。

圖2 砂比為4%時(shí)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(lái)越多，堆積的陶粒形成了坡度較小的砂堤，根據(jù)陶粒堆積的高度隨時(shí)間的變化關(guān)系，把裂縫均勻分成4部分，對(duì)每部分陶粒堆積量及砂堤堤峰的變化規(guī)律進(jìn)行分析。

2.2 裂縫各部位沉砂量

針對(duì)不同時(shí)間段，裂縫4部位砂堤高度增量變化進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。

表1 4%砂比不同時(shí)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(gè)時(shí)間段內(nèi)，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(nèi)陶粒堆積量增加，裂縫流動(dòng)截面積減小，裂縫內(nèi)線性膠流速加快，把陶粒攜帶到更遠(yuǎn)處。因而出現(xiàn)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(shí)間的關(guān)系

在裂縫縫口附近，攜砂液從射孔孔眼出來(lái)時(shí)，液體流速較高，支撐劑不易沉降，被攜帶到更遠(yuǎn)的位置，然后急劇沉降下來(lái)，形成砂堤堤峰。從孔眼出來(lái)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(lái)，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(duì)象，讀取砂堤分布圖中四條曲線堤峰的坐標(biāo)繪制柱狀圖，如圖3所示。

圖3 砂比為4%時(shí)砂堤堤峰位置變化柱狀圖

圖3中橫坐標(biāo)表示堤峰所在的裂縫位置，縱坐標(biāo)表示堤峰的高度，柱狀圖代表了在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)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(yùn)移。在第一時(shí)間段內(nèi)，堤峰高23 cm，第二時(shí)間段高38 cm，第三時(shí)間段高52 cm，第四時(shí)間段高61 cm。堤峰高度的增長(zhǎng)速度變慢，向深部運(yùn)移的速度變化不明顯。

3 砂比為12%的實(shí)驗(yàn)

3.1 砂堤形態(tài)

從裂縫模型中開(kāi)始出現(xiàn)支撐劑時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)至模型中砂堤不再增高截止，用時(shí)1.6 min。每隔0.4 min記錄砂堤高度的變化數(shù)據(jù)。繪制曲線如圖4所示，從圖4可知，隨著施工的進(jìn)行，所形成砂堤逐漸提高，砂堤形態(tài)整體看更平緩，堤峰變大，但坡度不大。

圖4 砂比為12%時(shí)砂堤分布圖

3.2 砂堤各部位沉砂量

針對(duì)裂縫的各個(gè)部位在不同時(shí)間段的變化進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

表2 12%砂比不同時(shí)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(gè)時(shí)間段內(nèi)，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(duì)比分析表1、表2可知，相同時(shí)間段內(nèi)，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(shí)間的關(guān)系

圖5為砂比12%時(shí)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(yùn)移。在第一時(shí)間段內(nèi)，堤峰高17 cm，第二時(shí)間段高29 cm，第三時(shí)間段高42 cm。第四時(shí)間段高53 cm。堤峰高度的增長(zhǎng)速度變慢，向深部運(yùn)移的速度先增加后減小。

圖5 砂比為12%時(shí)砂堤堤峰位置變化柱狀圖

4 砂比為20%的實(shí)驗(yàn)

4.1 砂堤形態(tài)

以砂比為20%開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，從裂縫模型中開(kāi)始出現(xiàn)支撐劑時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，至模型中砂堤不再增高截止，用時(shí)1.2 min。隔0.3 min記錄砂堤高度的變化數(shù)據(jù)，繪制曲線如圖6所示

圖6 砂比為20%時(shí)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(lái)越多，堆積的陶粒形成了坡度較小的砂堤，根據(jù)陶粒堆積的高度隨時(shí)間的變化關(guān)系，把裂縫均分成4部分，對(duì)裂縫4部分陶粒堆積量及砂堤堤峰的變化規(guī)律進(jìn)行分析。

4.2 砂堤各部位沉砂量

針對(duì)裂縫的各個(gè)部位在不同時(shí)間段的變化進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

表3 20%砂不同時(shí)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(shí)驗(yàn)1坡度4.1%、實(shí)驗(yàn)2坡度2.8%小。在4個(gè)時(shí)間段內(nèi)，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(duì)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(nèi)陶?？偟亩逊e量減小，更多的陶粒運(yùn)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(qiáng)，導(dǎo)致陶粒沉降速度減小。

4.3 堤峰位置變化與時(shí)間的關(guān)系

圖7為砂比20%時(shí)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(yùn)移。在第一時(shí)間段內(nèi)，堤峰高12.5 cm，第二時(shí)間段高26 cm，第三時(shí)間段高36 cm，第四時(shí)間段高45 cm，堤峰高度的增長(zhǎng)速度變慢，向深部運(yùn)移的速度加快。

圖7 砂比為20%時(shí)砂堤堤峰位置變化柱狀圖

5 砂比對(duì)支撐劑沉降規(guī)律的影響

5.1 砂比對(duì)支撐劑沉降砂堤形態(tài)的影響

圖8為不同砂比時(shí)砂堤形態(tài)圖。分析圖8可知，三種砂比下，砂堤形態(tài)幾乎相同，砂比對(duì)支撐劑形成的砂堤形態(tài)有一定影響，但影響有限，砂堤形態(tài)平緩，砂堤坡度分別為4.1%、2.8%、1.9%，隨著砂比增加，坡度減小；砂比越小，在相同時(shí)間內(nèi)形成的砂堤高度越大，支撐劑沉降量越大，這是因?yàn)樯氨仍龃?，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(shí)砂堤形態(tài)圖

5.2 砂比對(duì)支撐劑沉降速度的影響

跟蹤若干個(gè)紅色陶粒支撐劑的軌跡，記錄其初始與結(jié)束坐標(biāo)與所用時(shí)間，求得本次實(shí)驗(yàn)所用Carbo低密高強(qiáng)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(jiàn)，隨著砂比增大，顆粒水平運(yùn)移速度減小，但減幅不大，基本與裂縫內(nèi)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(qiáng)，包括：①單粒砂的沉降引起周圍液體的向上流動(dòng)，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(wú)論在混合物比重、黏度都有所增加，其結(jié)果是增大了砂粒的浮力及沉降的阻力，這使沉降和運(yùn)移變緩。

6 結(jié)論

(1)當(dāng)壓裂液黏度為60 mPa·s，通過(guò)對(duì)比分析砂比分別為4%、12%、20%時(shí)所形成的砂堤形態(tài)得出：在相同的排量，相同的陶?？偭肯拢氨葘?duì)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(dāng)壓裂液的砂比增加時(shí)，所形成的砂堤高度減小，這是因?yàn)檩^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(yuǎn)。

(3)隨著砂比增大，支撐劑水平運(yùn)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?yàn)轭w粒間相互干擾作用變強(qiáng)。