水力压裂单缝中常用压裂液携砂性能评价

水力压裂是油气藏增产的一项重要技术手段,其目的是在地层内形成一条高导流能力的填砂裂缝,支撑剂在裂缝中沉降所形成的砂堤形态决定着压裂增产效果。针对中国理论研究较多但实验研究缺乏的现状,利用大型可视裂缝模拟装置进行支撑剂沉降模拟实验,通过对比分析砂堤形态以及支撑剂颗粒的沉降速度与水平运移速度,对现场常用的滑溜水、线性胶、纤维和交联4种压裂液进行携砂性能评价。结果表明:滑溜水压裂液形成的砂堤短而高,其携砂性能最差;交联压裂液形成的砂堤长而低,且最平缓,携砂性能最好;线性胶压裂液与纤维压裂液携砂性能介于两者之间;支撑剂颗粒在4种压裂液中的水平运移速度分别占液体流速的78%,85%,91%和95%,沉降速度由高到低分别为滑溜水压裂液、线性胶压裂液、纤维压裂液和交联压裂液。因此现场应根据储层的实际情况以及所需裂缝的类型选择合适的压裂液。     

滑溜水携砂性能动态实验

为了研究支撑剂密度对滑溜水携砂性能的影响,自主设计了大型可视平板裂缝模拟系统,使支撑剂在裂缝中的动态沉降、砂堤形态可视化。运用该装置研究了不同支撑剂密度下滑溜水的携砂性能及支撑剂在裂缝中的沉降运移规律。实验结果表明,随着实验时间延长,砂堤高度逐渐增加,但增幅减缓;随着支撑剂密度减小,砂堤变平缓,砂堤的高度降低,堤峰向深处运移,且砂堤向裂缝深部推进速度增大,更多的支撑剂沉降在裂缝深部;支撑剂密度增大对沉降速度影响较大,对水平运移速度影响较小。研究结果可为支撑剂沉降运移动态研究及支撑剂优选提供参考。     

支撑剂在清洁压裂液中的沉降规律

清洁压裂液中支撑剂的运移和铺置对压裂效果有重要影响,目前对这方面基于理论研究和矿场试验的较多,而室内实验研究较少。利用透明平行板裂缝充填模拟装置,对4个影响支撑剂沉降规律的因素进行了研究。结果表明:黏度越大,沉降速度越小;压裂液携砂性能随排量的增加、支撑剂密度的减小呈线性规律增长;砂液比对沉降速度影响较小;其中3个主因素对压裂液携砂能力的影响程度从大到小依次为清洁压裂液黏度、支撑剂密度和砂液比。认清支撑剂沉降规律可进一步提高压裂井施工参数的合理性。     

不同进口位置下支撑剂铺置规律及其数值模拟研究

滑溜水压裂技术以大排量、大液量的方式向地层泵注携砂液,最终可以在压裂储层中形成填充有支撑剂的有效人工裂缝。通过对支撑剂颗粒进行受力分析,建立其沉降的速度公式,并结合固液两相流的运动机理,建立了支撑剂输送的数学模型。基于现有装置,研究了不同进口位置组合对滑溜水压裂液携砂运移规律的影响,并利用Fluent软件的欧拉模型对铺砂形态进行数值模拟。结果表明:Ⅰ-Ⅱ型进口组合最有利于主缝进口端的铺砂,支撑剂铺置率高,且砂堤平衡高度前缘距离较小。实验与模拟结果的吻合度高,可为压裂施工提供理论帮助。     

基于裂缝平行板模拟实验体积压裂复杂裂缝理想支撑技术

采用可视化平行板裂缝物理模拟实验装置,开展了不同粒径支撑剂在不同黏度压裂液、变排量下的动态携砂实验,模拟现场施工排量下支撑剂铺置的规律与支撑剖面。利用API裂缝导流设备和岩心驱替装置,开展主裂缝和微裂缝支撑导流能力实验。研究表明,非剪切裂缝渗流能力在一定闭合压力下几乎全部散失,分支缝和远端微裂缝少量的支撑,会获得一定的渗流能力。滑溜水依靠其黏度基本不具备携砂能力,使用滑溜水进行体积压裂,更多依赖水动力携砂,而依靠黏度携砂更有利于将支撑剂输送到裂缝远端。在进行体积压裂时,段塞打磨建立好裂缝通道后,先期泵注一定量相对大粒径支撑剂,实现近井裂缝下部高导流支撑;然后泵注小粒径支撑剂,同时也可适当提高携砂液黏度,实现分支缝和裂缝远端支撑;最后高砂比尾追相对大粒径支撑剂,实现近井裂缝高导流支撑,从而保障和实现体积压裂裂缝的理想支撑,从根本上提高体积压裂效率与效果。     

组合粒径+滑溜水携砂铺置规律及导流能力——以吉木萨尔页岩油储层为例

为了解决页岩油组合粒径+滑溜水的支撑剂加砂工艺中裂缝有效支撑差、导流能力弱的问题，建立支撑剂粒径分布的稠密离散相模型(DDPM)，研究压裂主缝中组合粒径支撑剂加砂运移及铺置规律，并基于运移规律模拟结果，开展劈裂页岩岩板组合粒径不同铺置模式下的室内导流能力评价。结果表明：滑溜水携砂液体系下，裂缝内支撑剂叠置铺置时，后注入的支撑剂叠置于先注入支撑剂的顶端，且先注入的支撑剂会被后续注入的支撑剂向远端推移一定距离；组合粒径中粒径配比差异对于支撑剂运移形成的砂堤形态影响较小；大粒径组合逐级注入的方式更利于支撑剂在近缝口和裂缝内垂向铺置；在低闭合压力(p≤40 MPa)、铺砂浓度5 kg/m²条件下，沉降铺置方式最利于提高裂缝导流能力，其次为混合铺置，分段铺置方式最差；高闭合压力下(p>40 MPa)，铺置方式对裂缝导流能力影响较弱。综合支撑剂运移模拟和导流能力评价结果，建议吉木萨尔页岩油组合粒径加砂工艺采用逐级注入的方式，并保证组合粒径中大粒径拥有较大配比。     

支撑剂在裂缝中沉降的影响因素分析

水力压裂是油气井增产、增注的一项重要措施,其最终目的就是为了形成具有高导流能力的填砂裂缝。通过对支撑剂在裂缝中运移规律的研究,对影响支撑剂在裂缝中运移的各个因素进行分析,结果表明:缝内流速、携砂液粘度、壁面粗糙度、缝宽、支撑剂粒径和砂比对支撑剂在裂缝中的运移具有重大影响,直接影响压后效果。     

薄煤层水力裂缝宽度变化对支撑剂运移的影响

水力压裂仍是低渗透性储层提高渗透性且获得经济产能的主要途径,尤其针对薄煤层,不同裂缝宽度裂缝内支撑剂运移规律受多个因素影响。文中采用数据建模、数值模拟和工程试验的方式,研究了压裂液参数、支撑剂参数对不同裂缝宽度支撑剂的铺砂面积和有效支撑裂缝长度的影响。结果表明：裂缝宽度影响和制约了支撑剂的运移,对于裂缝较发育且缝宽较宽储层,提高施工排量、压裂液黏度和优化支撑剂粒径与砂比,能有效地增大裂缝内支撑剂的铺置面积和有效裂缝长度。针对裂缝不发育且裂缝宽度较小储层,优化支撑剂的粒径和砂比,有利于增大裂缝的有效支撑裂缝长度。针对薄—中厚煤层,采用“高前置液占比、小粒径支撑剂、低砂比、短段塞式加砂方式”,能够有效提高其压裂波及范围和有效支撑效果,研究成果成功应用于贵州薄煤层煤层气开发。     

非常规储层压裂砂比对支撑剂铺置质量影响的实验研究

低孔超低渗透率的非常规储层需通过大规模的水力压裂形成支撑剂填充的高导流裂缝,才能获得有经济效益的油气产量,缝内支撑剂铺置规律直接影响压裂效果,影响支撑剂铺置的因素包括施工排量、施工压力、砂比等。为了研究砂比对支撑剂在缝内铺置的影响,运用了大型可视平板垂直裂缝模拟系统,研究了不同砂比下陶粒支撑剂在裂缝中的沉降运移规律。实验结果表明,砂比对20 ~ 40目陶粒砂堤形状有影响,但砂堤形状变化较小;当陶粒砂比增加时,陶粒堆积形成的砂堤坡度减小;陶粒砂比增加,陶粒颗粒之间的碰撞作用增强,沉降量减小,砂堤高度减小;陶粒支撑剂水平运移速度受砂比影响较小,接近液体流速;陶粒砂比增加,陶粒支撑剂的沉降速度减小。研究结果可为支撑剂沉降运移动态研究及支撑剂优选提供参考。     

玛湖凹陷乌尔禾组砾岩储集层裂缝支撑剂运移规律

玛湖凹陷乌尔禾组致密砾岩油藏水力压裂裂缝形态复杂,支撑剂运移铺置规律尚不清楚,影响了储集层压裂效果。通过对不同形态迂曲裂缝进行重构,利用Fluent中的两相流模型,在考虑支撑剂与粗糙缝面相互作用的基础上,分析了砾石粒径、砾石数量以及砾石处缝宽衰减等对支撑剂运移铺置的影响。研究结果表明,砾石粒径对支撑剂运移的影响较为明显,砂堤平衡高度与砾石粒径呈负相关,平衡时间与砾石粒径呈正相关;砾石数量对支撑剂运移的影响较小,砂堤平衡时间和平衡高度与砾石数量呈负相关;砾石处缝宽衰减对支撑剂运移的影响很大,随砾石处缝宽衰减程度增大,砂堤平衡高度和平衡时间均减小。     

支撑剂沉降规律对页岩气压裂水平井产能的影响

压裂工艺后支撑剂的分布及裂缝形态对页岩气井的产能有很大影响。为了研究支撑剂沉降规律,建立了综合考虑页岩气吸附解吸附及应力敏感的气藏数值模型,并在模型中提出了表征支撑剂沉降的方法。通过对比分析不同射孔位置、不同沉降程度、裂缝导流能力、储层基质渗透率等参数变量,考虑了支撑剂沉降的页岩气藏压力分布和产能特征,得出影响支撑剂沉降后气井产能的主控因素。结果表明,支撑剂沉降大幅度降低了气井产能;考虑压裂过程中支撑剂运移沉降,应在油气藏中下部进行射孔;页岩气藏裂缝导流能力达到4 μm2·cm即可满足气井的有效开采,选用40/70目支撑剂进行压裂施工,建议优先造主缝;基质渗透率越高,支撑剂沉降对气井产能影响越大,高渗带要采取防止支撑剂沉降的措施。此模型考虑了支撑剂沉降的特性,对页岩气井产能的预测和现场压裂施工具有重要指导意义。     

页岩气体积压裂缝网模型分析及应用

对低渗透页岩储层进行体积压裂改造以形成复杂裂缝网络是获得页岩气经济产能的关键,压裂改造体积和缝网导流能力是评价体积压裂施工效果的关键指标,同时对压裂优化设计、压后产能预测及经济评价也具有重要意义。为此,在分析页岩气体积压裂特点的基础上,对两种主要页岩气体积压裂缝网模型的假设、数学方程及参数优化方法进行了比较分析,并结合美国Marcellus页岩区块现场参数对页岩储层压裂方案进行了优选。结果表明：离散化缝网模型及线网模型均能有效表征复杂缝网几何特征,模拟缝网的扩展规律和缝网中压裂液流动及支撑剂运移,获得缝网几何形态参数,可优选压裂施工方案;天然裂缝发育的页岩层是体积压裂改造的重点,水平地应力差越小则越易形成复杂缝网,施工排量越大,压裂液泵入总量越大,则储层改造体积范围越大,缝网导流能力越高,页岩气产能就越高。     

页岩气储层蠕变特性及其对页岩气开发的影响

页岩气储层渗透率极低,必须经过压裂改造才能形成有效产能,大量狭小自支撑裂缝在天然气解吸及流动中具有重要作用。页岩气储层生产周期长,人工裂缝导流能力对裂缝变形极其敏感。研究结果表明,页岩气储层具有一定的蠕变特性,并随着粘土含量的增加而增强。压裂改造后,储层会产生大量裂缝,裂缝闭合蠕变是蠕变形变的主要形式。裂缝的存在会使储层蠕变速率大幅度提高,并对裂缝导流能力产生不可忽视的影响。裂缝闭合蠕变速率与裂缝界面之间、裂缝界面与支撑剂间的相互作用有关,并与基质蠕变速率成正比。压裂改造形成的裂缝网络越发育、单裂缝宽度越小,蠕变对裂缝导流能力的影响越大。在页岩气数值模拟中,考虑裂缝闭合蠕变的累积产量与未考虑裂缝闭合蠕变的累积产量相差较大。同时,在地应力计算、储层可改造性、支撑剂和施工参数优选以及生产方式的选择等方面也应考虑蠕变的影响,保持流体压力有利于减小蠕变形变,维持裂缝导流能力,提高气井产能和采收率。     

页岩储层吸水特征及其对裂缝导流能力的影响

页岩储层体积压裂后普遍存在压裂液返排率低的问题,大量压裂液滞留在储层内不仅会对页岩气的流动及解吸产生影响,还会影响到压裂后的裂缝导流能力。文中以四川盆地某区块龙马溪组页岩储层为研究对象,在分析了页岩储层特征的基础上,开展了页岩储层吸水能力实验,并评价了页岩吸水对裂缝导流能力的影响。结果表明:目标区块页岩储层具有超低孔、低渗、低初始含水饱和度的特点,且黏土矿物质量分数较高,具备较强的吸水性。页岩岩心在蒸馏水中的吸水能力最强,在地层水中次之,在滑溜水压裂液中最弱。由于页岩的吸水作用明显降低了裂缝表面的强度,导致支撑剂滑动或者嵌入,从而明显降低了支撑裂缝的导流能力。页岩导流板通入蒸馏水时裂缝导流能力下降幅度最大(83.02%),而通入滑溜水压裂液时裂缝导流能力下降幅度最小(39.13%)。因此,可以通过调整压裂液体系组成来抑制页岩储层的吸水作用,从而提高压裂液的返排率,降低页岩储层吸水对裂缝导流能力的影响程度。     

气悬浮支撑剂技术在长庆致密气压裂中的应用

滑溜水压裂液对致密储层伤害较低,但携砂能力弱,难以实现高砂比、长距离携砂,造成支撑缝面积远低于改造缝面积。通过气悬浮支撑剂技术,对支撑剂表面进行特殊改性,使其具有吸附气泡的能力,吸附气泡后的支撑剂体积密度大幅降低,运移能力大幅增强。室内实验表明,经气悬浮剂改性的20/40目及以下粒径的支撑剂,在常温、常压、黏度为15 mPa·s的滑溜水中可100%悬浮,观察2 h无沉降。动态输砂实验表明支撑剂在裂缝中呈整体均匀铺置,高温高压条件下气泡仍能对支撑剂有效悬浮。岩心伤害实验表明,破胶液和含气悬浮剂的破胶液对岩心渗透率的伤害率接近,且均低于10%,说明气悬浮剂不会对储层带来明显的附加伤害。该气悬浮支撑剂压裂技术在长庆油田鄂尔多斯盆地东部致密砂岩气藏开展了7口井先导实验,以黏度9～15 mPa·s的滑溜水在5 m³/min排量下施工,压后产量为邻井常规压裂的1.2～1.9倍。气悬浮支撑剂将对压裂液黏度的需求从40～80 mPa·s的线性胶降至10 mPa·s左右的滑溜水,大幅降低了对压裂液黏度的依赖,从而降低了储层伤害,同时增加裂缝铺置效率,有利于提高单井产量及开发效益。     

脆性页岩网络裂缝中支撑剂的沉降特性

与常规砂岩储层压裂形成的双翼平面裂缝不同,脆性页岩储层压裂形成的是网络裂缝.因影响网络裂缝与双翼裂缝中支撑剂沉降的因素不同,故通过理论公式推导、计算结果与现场数据验证的方式,研究了脆性页岩网络裂缝中支撑剂的沉降特性.结果表明,支撑剂颗粒沉降达到收尾速度的时间极短,网络裂缝中支撑剂的实际沉降幅度远远小于理论计算结果;网络裂缝中支撑剂沉降主要受网络裂缝复杂程度和页岩复合层理效应的影响,受携砂液体粘度的影响较小.在脆性页岩中,压裂后支撑剂回流是影响压裂缝高和裂缝导流能力的主要因素.压裂后,采用类似常规储层的快速放喷和强制闭合技术,会加大裂缝中支撑剂回流造成的导流能力损失,极端情况下甚至会使支撑剂全部回流,导致压裂裂缝闭合成为无效裂缝,最终影响脆性页岩储层压裂后的产量.长时间停泵可减少支撑剂回流,有利于保持裂缝的有效导流能力.     

页岩储层体积压裂复杂裂缝支撑剂的运移与展布规律

为了研究页岩储层体积压裂复杂裂缝支撑剂的运移与展布规律,构建了大尺度复杂裂缝支撑剂运移与展布评价实验系统,测试了次裂缝角度、注入排量、加砂浓度、支撑剂粒径、压裂液黏度等对支撑剂运移与展布的影响,研究了主/次裂缝中支撑剂的运移与展布规律。结果表明:(1)裂缝中流体流态随裂缝支撑高度增加逐步由层流向紊流转变;(2)支撑剂在裂缝中的运移方式主要包括悬浮运移和滑移运动;(3)分支前主裂缝的支撑剂展布形态与次裂缝角度、注入排量、加砂浓度和支撑剂粒径等参数相关,其中注入排量为最主要的影响因素;(4)分支后主裂缝的支撑剂质量比与次裂缝角度、注入排量、液体黏度、加砂浓度和支撑剂粒径呈正比,同次裂缝与主裂缝的流量比呈反比;(5)分支后次裂缝的支撑剂质量比与注入排量、次裂缝与主裂缝的流量比、压裂液黏度呈正比,与次裂缝角度、加砂浓度和支撑剂粒径呈反比;(6)分支后主裂缝的砂堤前缘角度同加砂浓度、支撑剂粒径、次裂缝与主裂缝的流量比呈正比,与次裂缝角度、注入排量和压裂液黏度呈反比;(7)次裂缝的砂堤前缘角度同次裂缝角度、加砂浓度与支撑剂粒径呈正比,和注入排量、压裂液黏度、次裂缝与主裂缝的流量比呈反比。结论认为,该研究成果可以为页岩储层体积压裂支撑剂的优选和压裂方案设计提供理论支撑。     

纤维支撑剂团静态沉降速度计算方法

水力压裂过程中,脉冲注入含纤维的支撑剂团可以有效保持其在裂缝输送沉降过程中的完整性,从而形成柱状支撑裂缝。通过实验再现了纤维支撑剂团静态沉降过程中的完整性,将压裂液-纤维-支撑剂三相混合物处理为单相流体,通过修正液相的流变性获得混合物的物性,考虑纤维支撑剂团在静态沉降过程中所受的重力、浮力、壁面摩擦力和绕流阻力,建立其沉降速度计算公式及数值计算迭代算法。对比实验中纤维支撑剂团沉降速度发现,所建模型预测结果与实验结果符合度较高。通过支撑剂密度、支撑剂体积分数、纤维支撑剂团直径和裂缝宽度等因素对纤维支撑剂团沉降速度的影响发现:随着支撑剂密度、支撑剂体积分数和裂缝宽度的增大,纤维支撑剂团沉降速度随之增大;纤维支撑剂团直径对其沉降速度影响较小。     

压裂液对致密油储层人工裂缝渗透率的影响分析

对于致密油储层来说,目前国内外对其开采主要是通过压裂形成人工裂缝增加储层的渗流能力,提高原油产量。然而在压裂施工的过程中势必会造成压裂液对地层的伤害及对支撑裂缝导流能力的伤害。弄清压裂液对人工裂缝渗透率的影响因素,对于提高致密油储层压裂改造效果及提高原油产量有着重要的意义。本文是针对致密油储层的真实岩心人工裂缝,进行室内试验研究,主要从压裂液破胶液对人工裂缝的伤害出发,研究了破胶液对人工裂缝的伤害及对渗透率的影响,支撑剂的分布对人工裂缝渗透率的影响及破胶液对支撑剂分布的影响等几个方面进行了系统的研究。并得出了影响人工裂缝渗透率的主要因素是裂缝断面粗糙度、支撑剂的运移及裂缝表面的性质等。