不同支撑剂组合对复杂裂缝支撑效果的影响

张潦源 ，曲占庆 ，吕明锟 ，郭天魁 ，刘晓强 ，王旭东

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛 266580；2.中国石化胜利油田分公司，山东 东营 257000）

0 引言

针对致密储层采用滑溜水压裂工艺，可形成较为复杂的裂缝，且储层伤害小，成本低。该工艺被广泛应用于页岩油气和致密油气的开采中［1-3］，但由于滑溜水低黏的特性，它对支撑剂的携带能力不强，支撑剂运移距离短，易沉降，裂缝的支撑长度和分支缝的充填效果不理想［4］。为明确支撑剂在复杂裂缝中的运移规律及支撑效果，潘林华等［5］通过开展大尺度复杂裂缝支撑剂运移及展布评价实验，测试了次裂缝角度、注入排量、加砂质量浓度、支撑剂组合、压裂液黏度等对支撑剂运移及展布的影响；温庆志等［6-7］通过小型复杂裂缝装置，研究了不同网络结构中支撑剂的运移规律，得出支撑剂在不同网络结构的主裂缝中运移距离的大小排序；肖勇军等［8］对不同支撑剂组合的导流能力进行了研究；Alotaibi等［9-10］利用具有2级分支缝的平行板装置（考虑粗糙度的影响），研究了支撑剂在复杂裂缝中的运移情况，提出了砂堤高度比例等参数来量化最终砂堤形态，得出支撑剂进入分支缝更依赖于主缝中砂堤高度的认识；张矿生等［11］通过可视化平行板装置研究了不同支撑剂组合在直缝中的运移规律。

目前的研究主要明确了施工参数及裂缝形态对支撑剂运移的影响规律，对于常用支撑剂组合注入方式的研究较少。实验所使用设备多为小型，且忽略壁面粗糙及滤失影响，缺少对近井带砂堤形态的评价方法。为此，本文通过大型可视化复杂裂缝颗粒运移铺置模拟装置（考虑壁面粗糙度和滤失的影响），对不同支撑剂组合在复杂裂缝中的运移情况进行了实验研究，提出了评价近井砂堤形态的主要参数，且结合砂堤平衡高度等参数，形成了砂堤定量化评价的参数体系，弄清了不同支撑剂组合在复杂裂缝中的运移规律和效果。

1 实验

1.1 设备

大型可视化复杂裂缝颗粒运移模拟装置［12-13］由混合注入系统、裂缝系统、回收过滤系统和控制系统组成。裂缝系统是装置中最重要的部分，主裂缝长5.0 m、高0.6 m、宽5.0 mm，主裂缝两侧连接有角度分别为30°，45°，90°，135°，150°的分支缝，以及水平、60°斜水平的分支缝，每条分支缝长 1.0 m、高0.6 m、宽3.0 mm（见图1a）；通过在平行板一侧开滤失孔来模拟滤失，粘连一定数量的石英砂，来模拟粗糙壁面（见图1b，1c。图1c中右图为左图内小区域的放大）；射孔套筒安装在裂缝入口处，通过转动，可调节射孔密度（见图1d）。该模拟装置在尺寸及模拟条件上更接近真实裂缝，可模拟压裂施工造缝之后携砂液注入过程中支撑剂的运移铺置情况。

图1 大型可视化复杂裂缝颗粒运移模拟装置示意

1.2 方案设计

压裂液采用滑溜水，支撑剂为常规陶粒。采用不同支撑剂组合注入，目的是为了发挥小颗粒支撑剂易运移的特点，支撑远端裂缝和分支缝，利用大颗粒支撑剂易沉降的特点，来改善近井带裂缝的支撑。相关研究表明，在裂缝中先注入的支撑剂会沉降在近井带裂缝中，后注入的支撑剂向裂缝深部运移［14-16］。因此，有学者提出了在施工前期注入大颗粒支撑剂，致使其沉降在近井带裂缝中，以改善近井带裂缝的支撑效果，并获得较高的导流能力，但目前在现场施工中为了避免砂堵等问题，一般采用先小后大的支撑剂组合，施工后期注入大颗粒支撑剂，以改善近井带裂缝的充填。

为研究最优支撑剂组合，明确不同支撑剂组合在复杂裂缝中的运移情况及效果，设计并进行了5组实验（见表1），压裂液注入排量均为 10.8 m3/h，砂比（支撑剂与携砂液体积之比）均为5%，压裂液黏度均为5 mPa·s。其中，方案1无分支缝，为1条直缝。

表1 实验方案设计

2 结果及讨论

2.1 砂堤形态评价

基于本次实验，笔者发现了近井带砂堤的特殊形态，并与前人研究成果对比，认为有必要对近井带砂堤形态进行评价，而目前大多数研究只对最终砂堤形态参数进行了定性分析，并不能体现该参数对支撑剂运移的影响，无法分析其影响的程度。有学者提出了砂堤平衡高度、裂缝支撑剂充填比例及砂堤平衡时间等参数，这些参数偏重于砂堤的宏观评价，无法体现砂堤不同部位的形态特征。张矿生等［11］提出了利用砂堤高度与平均砂堤高度的平方差来评价砂堤起伏情况，进一步完善了砂堤形态评价参数。本次研究还发现，射孔对近井带裂缝的砂堤产生较大影响，压裂液通过射孔孔眼，分成多簇高速流体进入裂缝，在近井带裂缝中形成复杂的流场，导致支撑剂沉降减少，并冲蚀已经形成的砂堤。由图2可以看出：近井带复杂流场对砂堤存在明显的影响，砂堤形成一定坡度，近井带有很大一部分面积没被支撑剂充填，有必要对复杂流场影响造成的近井带砂堤的特殊形态进行描述，以评价支撑剂在近井带裂缝中的铺置效果。图2a中上方为Tong等数模结果，下方为实验结果。图2d中砂堤左侧未被支撑剂充填的梯形面积代表近井带裂缝未充填程度S，其计算公式为

图2 前人研究成果与本文实验结果中近井带砂堤形态特征对比

式中：l为砂堤起始增长点距井筒的距离，cm；H为砂堤平衡高度（即砂堤高度的平均值），cm；h为砂堤在井筒中堆积的高度，cm；α为近井带砂堤角度（即近井带砂堤坡度），（°）。

S，α可用来评价支撑剂在近井带的沉降情况。本文利用现有的砂堤平衡高度、裂缝支撑比例、砂堤平衡时间和砂堤非均匀程度4个参数，结合对近井带砂堤描述的α和S组成一个较为系统的砂堤形态评价体系，根据这6个参数对砂堤在裂缝中的铺置形态进行定量化描述和分析。

2.2 主裂缝中支撑剂运移规律及效果

组合支撑剂注入的目的之一是提高主裂缝的支撑长度，所以本次进行了5组实验，分别对直缝和复杂裂缝中不同组合支撑剂在主缝中的运移铺置情况进行了对比研究。

2.2.1 直缝和有分支缝的主裂缝中支撑剂的铺置情况

图3a中从上到下分别为30°分支缝、主裂缝、150°分支缝中支撑剂的铺置情况；图3a，3b中，砂堤中2种筛目支撑剂有明显的分界，分界线用绿色线标出，绿线下方为40/70目支撑剂，上方为20/40目支撑剂；图3c是对2组实验中主裂缝的砂堤形态轮廓取点后绘制而成的。利用砂堤平衡高度、裂缝充填比例、砂堤平衡时间等参数来评价方案1，2两组实验主裂缝中的砂堤形态（见表2）。由表2可以看出：有分支缝的主裂缝砂堤形态与直缝相比，砂堤平衡高度增加6.8%，裂缝充填比例增加4.4%，砂堤平衡时间延长，而近井带砂堤角度和近井带裂缝未充填程度2个参数变化不太明显。

图3 方案1与方案2的实验结果对比

表2 方案1，2实验过程中主裂缝的砂堤形态参数

由图3可以看出：40/70目支撑剂运移受分支缝的分流作用影响较小，分支后主缝砂堤的增高主要是20/40目支撑剂沉降增多导致，这说明在复杂裂缝中40/70目支撑剂有更好的运移性能（见图3a，3b）。由于方案1，2两组实验参数一致，主裂缝在0～100 cm的砂堤形态差异不明显（见图3c），所以对于复杂裂缝改善近井带充填的方法也适用于直缝压裂。由于分支缝在100 cm处，其分流作用使得分支后主裂缝中携砂液流量减小，沉降增多，砂堤高度增大，造成100 cm后砂堤形态产生了明显差异。由于分支后主裂缝砂堤增高，导致砂堤的非均匀程度增加。

2.2.2 不同支撑剂组合在主裂缝中的运移规律

图4为不同支撑剂组合在带有30°/150°分支缝的复杂裂缝中的铺置形态。图中绿色线为20/40目与40/70目支撑剂的分界线，蓝色线为70/140目与40/70目支撑剂的分界线。

图4 4组实验结果对比

由表3可知，方案4实验中主裂缝的砂堤高度最大，裂缝充填比例最大（见图4c）。从实验照片（见图5）发现，虽然2种不同筛目的支撑剂混合注入，但在沉降过程中会形成支撑剂的分选，导致其层叠状铺置，砂堤中20/40目支撑剂覆盖了40/70目支撑剂，限制了部分40/70目支撑剂的运移，不能充分发挥支撑剂组合的作用。方案5实验中，近井带裂缝未充填程度较大（见图4d）。在实验过程中，先加入的20/40目支撑剂在近井带沉降，并达到了较好的铺置效果；随后在注入40/70目支撑剂的过程中，由于砂堤上方压裂液流速大于40/70目支撑剂的平衡流速，40/70目支撑剂几乎不产生沉降，但已经沉降的20/40目支撑剂不断经受携砂液冲蚀，砂堤高度逐渐减小，造成最终近井带沉降效果较差。理论上，20/40目支撑剂会先沉降在近井带，但压裂过程中砂堤高度的稳定是一个动态过程，支撑剂的沉降和运移不断在砂堤上方发生，后期注入的小颗粒支撑剂几乎不沉降，造成已经沉降的支撑剂不断被冲蚀，在近井带复杂流场中，冲蚀作用更加明显，使得近井带充填情况变差。

表3 主裂缝的砂堤形态特征参数

图5 支撑剂混合组合的层叠状分布

方案2，3实验过程中近井带未充填程度均低于其他方案（见图4a，4b）。虽然前期注入的小颗粒支撑剂在近井发生了沉降，但沉降数量较少，更多的支撑剂进入了分支缝或向主裂缝深部运移，后期注入的大颗粒支撑剂能够在近井带大量沉降而改善近井裂缝的充填。相较于先大后小的支撑剂注入顺序，近井未充填程度减小37%，所以在改善近井带裂缝支撑时，采用先小后大的支撑剂组合方式效果较好。

另外，从图4b看出：70/140目支撑剂在裂缝中的沉降较少，形成的砂堤高度仅为3 cm左右，在近井带裂缝中几乎无沉降。这说明，滑溜水对70/140目支撑剂有较好的携带能力，绝大多数70/140目支撑剂都被携带进裂缝深部，40/70目支撑剂形成的砂堤高度在6 cm左右，且起伏不大。因为70/140目支撑剂在近井带几乎不沉降，40/70目支撑剂在近井裂缝中铺置高度有限，所以实验中近井带裂缝的支撑主要取决于20/40目支撑剂。

2.3 分支缝中支撑剂运移规律及效果

支撑剂进入分支缝主要通过2种方式：一是在主裂缝砂堤高度增长过程中，支撑剂由于重力向分支缝中滑落；二是压裂液的携带作用使支撑剂进入分支缝。2种方式一般同时存在，当分支缝中携砂液流量较小时，重力占主导作用（见图6）。

图6 方案2实验过程中支撑剂在30°分支缝中的铺置情况

由图6a可知：在方案2实验前期，40/70目支撑剂在分支缝中形成的砂堤很均匀，此时主裂缝中砂堤高度较小，40/70目支撑剂依靠压裂液的携带作用进入分支缝，没有因为分支缝中流量变小而发生快速沉降，整个流场接近水平，形成的砂堤较低，且均匀分布。由图6b可知：加入20/40目支撑剂后，由于滑溜水对20/40目支撑剂的携带能力较差，并且分支缝中流量小，只能使得少量20/40目支撑剂以滚流形式向分支缝中运移；随着主裂缝中砂堤高度迅速增加，20/40目支撑剂由于重力作用大量向分支缝中滑落，形成了典型的重力作用主导的斜坡状砂堤形态；主裂缝中砂堤达到平衡状态后，砂堤高度不再增加，重力对支撑剂进入分支缝的影响作用减弱，此时，支撑剂主要依靠压裂液的携带作用进入分支缝。由图6c可知：20/40目支撑剂在砂堤上方以滚流的形式进入分支缝，然后向斜坡下方滑落，分支缝中砂堤缓慢向前运移，此时的砂堤高度主要取决于主缝的砂堤高度，砂堤的运移速度取决于压裂液携带进入分支缝中支撑剂的数量。由于压裂液对20/40目支撑剂的携带能力有限，所以20/40目支撑剂在分支缝中的运移距离较小。由图7可以看出：方案3实验过程中，70/140目支撑剂在分支缝中表现出比40/70目支撑剂更好的运移能力。如图7a所示，70/140目支撑剂注入过程中没有出现明显的沉降，支撑剂在压裂液中分布均匀，分支缝中液流的转向及流量的减小并未对70/140目支撑剂的运移产生明显影响；如图7b所示，70/140目支撑剂最终形成的砂堤高度很低，大部分进入分支缝的70/140目支撑剂都能运移到分支缝的深部。70/140目支撑剂优异的运移性能对于提高分支缝的支撑缝长及支撑2级分支缝形成有效支撑的缝网具有重要意义。

图7 方案3实验过程中支撑剂在30°分支缝中的铺置情况

前面提到，在方案4条件下，支撑剂在主裂缝中会形成分选，导致层叠分布，这种分选在分支缝中依然存在。实验前期，进入分支缝的支撑剂以40/70目支撑剂为主，形成了形态较均匀的砂堤，说明混合时小颗粒支撑剂更容易进入分支缝。由于主裂缝中砂堤高度增长速度很快，2种筛目支撑剂开始以重力作用进入分支缝，此时形成的砂堤中支撑剂以层叠状分布，大颗粒支撑剂限制了小颗粒支撑剂在分支缝中的运移。由图8a可以看出：方案5实验过程中，前期加入20/40目支撑剂时，分支缝中的砂堤形态依然是斜坡状，支撑剂最远运移距离为1 m，这说明，20/40目支撑剂无论是前期注入，还是后期注入，在分支缝中的运移能力都有限。由图8b可以看出：后期注入40/70目支撑剂时形成的砂堤也是斜坡状，但是与前几组斜坡状砂堤的成因不同，压裂液对后期注入的40/70目支撑剂有较好的携带能力，但是由于前期形成的20/40目支撑剂斜坡状砂堤，使得分支缝中流场变为向底部倾斜的流场。流场改变使得支撑剂损失了部分水平运移速度，垂直沉降速度变快，支撑剂更容易在裂缝入口处大量沉积，支撑剂在分支缝入口的堆积也限制了后续支撑剂的进入。因此，先大后小的支撑剂注入顺序不仅会对近井充填产生消极影响，而且前期分支缝入口处形成的大颗粒支撑剂砂堤会改变流场，使得小颗粒支撑剂在分支缝中的运移距离变短。综合5组实验结果，发现先小后大的支撑剂组合能实现分支缝中支撑剂的最优铺置，且前期需要小于40/70目的支撑剂。

图8 方案5实验过程中支撑剂在30°分支缝中的铺置情况

3 结论

1）提出了近井带砂堤角度和近井带裂缝未充填程度2个参数，与砂堤平衡高度、裂缝支撑比例、砂堤平衡时间和砂堤非均匀程度等4个参数形成较完善的砂堤形态评价体系。分支缝的存在会对分支后主裂缝中的砂堤形态产生较大影响，对近井带砂堤形态影响不大，40/70目支撑剂在复杂裂缝中有较好的运移能力。

2）混合支撑剂注入时，2种筛目支撑剂呈层叠状分布，限制了小颗粒支撑剂的运移，40/70目支撑剂优先进入分支缝，但主裂缝中砂堤高度增加之后也会出现2种支撑剂层叠状分布。先大后小的支撑剂组合在前期形成的20/40目支撑剂砂堤后期要经受携砂液的不断冲蚀，使得近井带充填效果变差，且20/40目支撑剂在分支缝中形成的斜坡状砂堤使得后期注入的40/70目支撑剂在分支缝中更容易沉降，运移距离减小。

3）改善近井带充填和分支缝支撑效果的最优组合方式是先小后大的组合，并且前期支撑剂目数要小于40/70目；70/140目支撑剂在分支缝中有很好的运移能力，对于支撑2级分支缝形成有效支撑缝网具有重要意义。