郭建春;马健;张涛;赵志红;杨若愚
【摘 要】Channel fracturing is the key technology to develop low and ultra-low permeability reservoirs with high efficiency and low cost.The key of channel fracturing is to create the unimpeded channel network in the fractures for oil and gas flow.However,researches on the proppant shape and channel characteristics in channel fracturing are in the initial stage.A large-scale visual slot equipment was used to simulate the proppant transport process in the channel fracturing.The effects of fiber,fracturing fluid,proppant,pumping velocity and pulse time on proppant transport and flow channel were studied.The experimental results show that the fiber and fracturing fluid determine whether the flow channel can be formed within the propped fracture,and the pump velocity and pulse time have a great influence on the flow channel morphology.The proppant density and size have less influence on the flow channel morphology.The molecular chain of guar gum is wound on the fiber surface,which makes the range of fiber network increase and the strength enhance.The fiber network and molecular chain together improve the stability of the slurry pulse in the transportation process.The flow channels can be divided into three categories and the flow channel morphology is controlled by product of pump velocity and pulse time.When the injection parameter of pulse unit is 2.5-5 L,the flow channel morphology obtained is optimal and the conductivity of propped fracture is the largest.%通道压裂是低渗透致密油气
藏高效、低成本开发的关键技术,其关键是在水力裂缝中形成供油气流动的畅通通道网络,但目前针对通道压裂支撑剂铺置形态、流动通道特征研究尚处于起步阶段.通过大型平板裂缝可视装置,开展通道压裂支撑剂动态输送实验研究,分析纤维、压裂液、支撑剂、泵注排量和脉冲时间对支撑剂输送和流动通道形态的影响.实验结果表明:纤维和压裂液决定能否在支撑裂缝中获得流动通道,而泵注排量和脉冲时间对流动通道形态有较大影响,而支撑剂密度和粒径对流动通道形态几乎无影响;胍胶分子链缠绕在纤维表面,使得纤维网状结构范围增大、强度增强,两者共同提高了携砂液脉冲段在输送过程中的稳定性;流动通道类型可以分为3类,且流动通道形态受到泵注排量和脉冲时间乘积的控制.当脉冲单元注入参数为2.5～5.0L时,形成的高速通道形态最优,支撑裂缝导流能力最大. 【期刊名称】《油气地质与采收率》 【年(卷),期】2017(024)005 【总页数】6页(P115-119,126)
【关键词】通道压裂;流动通道;支撑剂输送;纤维;脉冲单元注入参数 【作 者】郭建春;马健;张涛;赵志红;杨若愚
【作者单位】西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610500;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610500;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610500;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610500;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610500 【正文语种】中 文
【中图分类】TE357.12
随着油气田勘探开发的深入，低渗透、特低渗透油气藏在整个油气产量中所占的比重越来越大。如美国2015年致密油年产量达2.59×108t/a，占其石油年产量的45%；非常规气年产量达4 500×108m3/a，占其天然气年产量的50%［1］。同样，低渗透油气藏也是中国重要的油气藏类型。新增天然气探明地质储量统计分析结果表明，2000—2012年，中国新增天然气探明地质储量中低渗透、特低渗透储层比例高达75%［2］，其储层物性差、自然投产产量低，必须经过水力压裂才能实现经济开发。
通道压裂技术是通过交替泵注含支撑剂（携砂液脉冲段）和不含支撑剂（纯压裂液脉冲段）的脉冲段，在水力裂缝中形成不连续的支撑剂团状铺置形态的新型压裂技术［3-5］。与常规压裂导流能力来源于支撑剂充填层的多孔介质不同，通道压裂导流能力主要来源于支撑剂团之间的流动通道。目前，该技术已在阿根廷、美国和俄罗斯等20多个国家的低渗透、致密砂岩和页岩等储层中进行了超过30 000段次的现场应用；与常规压裂相比，该技术降低支撑剂使用量为28%～50%，提高改造效果为30%～89%［6-9］。通道压裂技术在中国四川盆地、胜利油区等多个油气田进行了超过300井次的压裂施工；与常规压裂相比，该技术降低支撑剂使用量为10%～46%，提高改造效果为10%～200%，且已成为四川盆地等油气田增产改造的常规模式［10-13］。
通道压裂技术的关键是在水力裂缝中形成供油气流动的畅通通道网络，但目前针对通道压裂中流动通道形态研究尚处于起步阶段。Medvedev等采用脉冲式加砂工艺和纤维技术在可视化平板中得到了非均匀支撑剂团状铺置形态，证明了形成流动通道的可行性［14］。温庆志等采用自制的可视化平板装置研究纤维加量、压裂液粘度、排量、段塞注入时间等对通道面积占比（流动通道所占面积与整个平板面积之比）的影响［15］。为此，笔者通过大型平板裂缝可视装置，开展通道压裂
支撑剂动态输送实验研究，分析纤维、压裂液、支撑剂、泵注排量和脉冲时间对流动通道形态和支撑剂输送的影响，为通道压裂工艺参数优化、压裂材料优选提供指导。 1.1 实验器材
大型平板裂缝可视装置主要由2个储液罐、泵送系统、管路输送系统、可视化裂缝测试系统和高清视频采集系统等组成。储液罐1中配制纯冻胶压裂液，储液罐2中配制携砂液，其中加入纤维和支撑剂；实验中通过开关储液罐阀门控制泵注液体类型。可视化裂缝测试系统主要由2套长度为2 m、高度为0.6 m和宽度为6 mm的可视平板组成，裂缝测试系统总长为4 m。
实验用流体为羟丙基胍胶交联压裂液。在实验温度为25℃、剪切速率为170 s-1的条件下，持续剪切1 h后，压裂液粘度约为120 mPa·s。
实验用支撑剂为20/40目的石英砂（1.6 g/cm3）、超低密度陶粒（1.4 g/cm3）和中密度陶粒（1.76 g/cm3）以及30/50目的中密度陶粒等4种，实验砂比为20%。
实验用纤维为通道压裂现场常用的聚酯纤维，纤维长度为6 mm，纤维质量分数为0.2%。实验中只在携砂液脉冲段中加入纤维。 1.2 实验参数
实验排量根据速度相似准则将现场施工排量转换化为实验排量。川西气田通道压裂现场施工排量为3.5～4.5 m3/min，获得的人工裂缝高度大约为50 m，裂缝宽度大约为10 mm，根据实验平板的高度和宽度，计算得到实验排量为12.6～16.2 L/min，同时考虑实验平板的承压能力，选用5，10和15 L/min等3种排量进行实验。
脉冲时间脉冲时间为纯压裂液脉冲段或者携砂液脉冲段交替泵注时的阶段泵注时间。该实验中纯压裂液脉冲段和携砂液脉冲段采用相同的脉冲时间，脉冲时间为10～
90 s。 1.3 实验方案
通过交替开关储液罐阀门来实现通道压裂的脉冲泵注过程，整个过程采用高清摄像机进行录像，具体的实验步骤为：①排除空气。泵注清水，排除整个管线和平板中的气体。②实验液体的配制。在储液罐1中配制纯冻胶压裂液，在储液罐2中配制携砂液。③前置液阶段。泵注储液罐1中的纯冻胶压裂液，用于模拟水力压裂过程中的前置液阶段。④携砂液阶段。交替开关储液罐，实现纯压裂液脉冲段和携砂液脉冲段的交替泵注，模拟通道压裂的脉冲泵注过程。 2.1 纤维
在泵注排量为5 L/min的条件下，未加入纤维时，虽采用了脉冲泵注加砂方式，但携砂液脉冲段在输送过程中分散严重，支撑剂充满整个平板，未能形成流动通道（图1a）；加入纤维后，平板中能观察到明显的流动通道，表明携砂液脉冲段在经过泵注设备、管线和入口孔眼过程中保持了良好的完整性（图1b）。当泵注排量为15 L/min时，无论是否加入纤维均可观察到流动通道（图1c，1d）；但加入纤维后，支撑剂脉冲段形状更完整，且颜色均匀、更明亮，表明纤维在高泵注排量时，也能有效提高携砂液脉冲段的完整性。
通过对通道压裂流动通道形态（图2a）进行二值化处理（图2b），可以得到流动通道面积，从而计算得到流动通道在整个平板中的面积占比。在排量和脉冲时间相同的条件下，该值越大，表明携砂液脉冲段的分散越少。当泵注排量为15 L/min时，加入纤维后的流动通道面积占比为42.6%，远大于未加纤维时的20.5%，同样证明纤维有利于提高携砂液脉冲段的完整性。
由图3a可以看出，纤维在携砂液中取向杂乱，相互交错形成三维网状结构，束缚了支撑剂的运动，从而保持了携砂液脉冲段的完整性。从携砂液的扫描电镜结果（图3b）可以看出，大量的胍胶分子链吸附在纤维表面，有利于纤维形成网状结
构，纤维和胍胶分子链共同作用来束缚支撑剂的运动，从而在裂缝中实现了不连续的支撑剂团状铺置，获得了流动通道。 2.2 压裂液
为研究压裂液对流动通道形态的影响，实验中纯压裂液脉冲段和携砂液脉冲段采用了不同的液体组合。实验结果（图4）表明：当纯压裂液脉冲段使用基液时，不管携砂液脉冲段使用基液还是冻胶，支撑剂都主要分布在平板中、下部，没有形成流动通道；只有当携砂液脉冲段和纯压裂液脉冲段都采用冻胶时，才能在平板中形成流动通道。其原因是当纯压裂液脉冲段采用基液时，由于基液粘度较低，携砂液脉冲段在输送过程中发生明显沉降，将纯压裂液脉冲段驱替到平板上部；同时，平板上部的无支撑剂区域在停泵后发生闭合，形成的流动通道为无效流动通道。 2.3 支撑剂
对比使用不同类型支撑剂时的流动通道形态（图5）可以看出：用不同粒径的支撑剂进行实验，得到的形态相似，表明支撑剂密度对通道压裂流动通道形态无明显影响；粒径不同的中密度陶粒支撑剂得到的流动通道形态也几乎相同，说明支撑剂粒径对通道压裂流动通道形态也未产生明显影响。 2.4 泵注排量
由不同泵注排量下的流动通道形态（图6）可以看出：当泵注排量为5和10 L/min时，支撑剂主要在裂缝底部以连续的形式运移；当泵注排量为15 L/ min时，携砂液脉冲段被中顶液分隔，以段塞的方式在平板中推进。随着泵注排量的不断增大，流动通道逐渐加宽，通道结构由复杂变简单，但通道连通性逐渐变差，尤其是在泵注排量为15 L/min时，通道与通道间完全被携砂液脉冲段隔离。通过对图6进行二值化处理，得到不同泵注排量下的通道面积占比。研究发现，随着泵注排量的不断增大，通道面积占比逐渐减小，由49.2%减至41.5%；这是由于泵注排量较大时，压裂液对携砂液脉冲段的剪切力更大，携砂液脉冲段更易分散。
2.5 脉冲时间
由不同脉冲时间下的流动通道形态（图7）可以看出：随着脉冲时间的不断增加，支撑剂逐渐由连续流过渡为段塞流；同时，流动通道逐渐加宽，通道结构由复杂变简单，但通道连通性逐渐变差，尤其是当脉冲时间为30 s时，通道与通道间完全被携砂液脉冲段隔离。通过对图7进行二值化处理，得到不同脉冲时间下的通道面积占比。研究发现，随着脉冲时间的不断增加，通道面积占比先由40.2%（脉冲时间为10 s）增至47%（脉冲时间为20 s），再减至41.5%（脉冲时间为30 s）。这是由于当脉冲时间较短时，纯压裂液和携砂液脉冲段交替泵注的频率较快，两液段在螺杆泵中发生强烈的混合，造成携砂液脉冲段更易分散，从而导致携砂液脉冲段之间的流动通道面积减小。
对不同因素组合下的流动通道形态进行分析发现，流动通道可以分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3种类型（图8）。从图8可以看出：Ⅰ型流动通道连通性好、形状复杂，主要分布在平板中、上部，但通道小，且平板上部的流动通道可能得不到有效支撑，导致流动通道闭合失效；Ⅱ型流动通道大、连通性好、均匀分布在整个平板中；Ⅲ型流动通道大、形状简单，但通道被携砂液脉冲段完全隔离开，连通性差，且可能得不到有效支撑，导致流动通道中部位置发生闭合而失效。对比分析各类流动通道特征（表1）可知，Ⅱ型流动通道最优，可以最大程度地提高支撑裂缝的导流能力。 对不同参数组合下流动通道形态进一步分析发现，流动通道形态主要受泵注排量和脉冲时间乘积的控制。当泵注排量和脉冲时间乘积相同时，得到的流动通道具有相似的形态。如图6a中的泵注排量为5 L/min，脉冲时间为30 s；图7a中的泵注排量为15 L/min，脉冲时间为10 s。为更好地表征泵注排量和脉冲时间共同对流动通道形态的影响，可将泵注排量和脉冲时间的乘积定义为脉冲单元注入参数，其表达式为
式中：Pu为脉冲单元注入参数，L；QE为泵注排量，L/min；Δt为脉冲时间，s。
根据流动通道分类，脉冲单元注入参数也可以分为3个区间，分别为Ⅰ型流动通道对应的脉冲单元注入参数小于2.5 L，Ⅱ型流动通道对应的脉冲单元注入参数为2.5～5.0 L，Ⅲ型流动通道对应的脉冲单元注入参数大于5.0 L。其中，当脉冲单元注入参数为2.5～5.0 L时，得到的流动通道能够最大程度地提高支撑裂缝的导流能力，也就是说2.5～5.0 L为最佳的脉冲单元注入参数，以该脉冲单元注入参数为目标，建立通道压裂工艺参数优化图版（图9），可以实现现场施工排量和脉冲时间的优化。如现场施工排量为4 m3/min时，则脉冲时间为10～21 s，该条件下得到的流动通道能够最大程度地提供支撑裂缝的导流能力。
纤维和压裂液类型决定能否获得流动通道；在加入纤维和使用冻胶压裂液的条件下，泵注排量和脉冲时间对流动通道形态有较大的影响，而支撑剂密度和粒径对流动通道形态几乎无影响。
胍胶分子链缠绕在纤维表面，使得纤维网状结构的范围增大、强度增强，纤维和交联胍胶网络共同约束了支撑剂的运动，提高了携砂液脉冲段在输送过程中的稳定性。 分析流动通道特征发现，流动通道可以分为3类，且流动通道形态受到泵注排量和脉冲时间乘积的控制。当脉冲单元注入参数为2.5～5 L时，形成的高速通道形态最优，支撑裂缝导流能力最大。
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