CN114622888B - 一种复杂裂缝支撑剂动态运移规律测试方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复杂裂缝支撑剂动态运移规律测试方法及其应用，针对主裂缝、支裂缝、微裂缝等多级复杂裂缝***，本发明考虑实际压裂施工过程中支裂缝和微裂缝会早于主裂缝停止延伸，为模拟实际压裂过程，在各级裂缝出口处安装开关阀门，并安装压力计及流量计，测试压裂过程中支裂缝和微裂缝逐渐关闭的支撑剂动态运移规律。本发明可有效解决目前测试评价方法的局限性，提高模拟实验与压裂实际情况的符合程度，形成一种复杂裂缝内支撑剂动态运移规律测试方法。
Description
技术领域
本发明涉及裂缝内支撑剂运移规律等基础实验研究，尤其涉及复杂裂缝支撑剂动态运移规律的研究，具体地，涉及一种复杂裂缝支撑剂动态运移规律测试方法及其应用。
背景技术
目前，随着页岩气体积压裂及水平井分段压裂技术的普及，在油气田的勘探开发中发挥了重要的作用。不管是体积压裂还是水平井分段压裂技术，其核心就是要形成复杂的裂缝***，即在原先主裂缝的基础上，通过缝内净压力的大幅度提升(调整施工参数或缝内暂堵等措施)，促使主裂缝侧翼方向一个或多个分支裂缝的产生。而在上述复杂裂缝形成的基础上，如何实验评价不同粒径及密度支撑剂的动态运移规律，显得尤为重要。
目前，国内外已有三级复杂裂缝***支撑剂动态运移规律测试装置及相应的评价方法。所谓三级裂缝指的是宽度最大的主裂缝，与主裂缝相连且有不同夹角的宽度次之的支裂缝(一级分支缝)，以及与支裂缝相连且有不同夹角的宽度更次之的微裂缝(二级分支缝)。上述各级裂缝宽度可调，且在支裂缝或微裂缝***中，还有反应裂缝壁面凸凹度影响的贴片等。且支裂缝及微裂缝的数量都可调节。可以说在实验装置方面考虑的因素非常全面。但在测试评价方法上还存在一定的弊端，如各个支裂缝的出口一直有流量流出，这显然不符合实际情况。实际上，支裂缝因承受的闭合应力要高于主裂缝的，加上支裂缝条数多，每个支裂缝吸收的排量有限，因此，支裂缝扩展速度会越来越慢，最终会早于主裂缝停止延伸；此外，支裂缝及微裂缝的入口端都没有压力计及流量计，对支撑剂在支裂缝中的运移规律缺乏定量描述依据。
文献《复杂裂缝网络内支撑剂运移及铺置规律分析》自主设计了多裂缝携砂液运移规律实验装置，通过室内模型实验，研究了砂比、主裂缝与分支裂缝夹角以及支撑剂种类对支撑剂在复杂裂缝网络中运移和铺置规律的影响。但是该文献所设计多裂缝携砂液运移规律实验装置并未在出口处安装开关阀门，且未安装压力计和流量计，不能测试压裂过程中分支缝和微裂缝逐渐关闭的支撑剂动态运移规律，与实际压裂情况不太相符，存在一定局限性。
文献《复杂裂缝内支撑剂沉降运移CFD数值模拟》通过CFD数值模拟方法，开展了带有分支缝的裂缝内支撑剂输送规律研究，分析了主裂缝、分支缝内砂堤生长模式，评价了携砂液注入速度、注入位置、分支缝位置对裂缝内砂堤展布形态的影响，提出了现场针对性措施。该文献主要是通过数值模拟方法研究裂缝内支撑剂运移规律，并未结合物理模拟实验方法，存在一定局限性。
文献《页岩复杂裂缝支撑剂分流机制》针对页岩水力压裂复杂裂缝支撑剂分流问题，研发了复杂裂缝支撑剂分流运移评价试验***，通过物理模拟实验，开展了复杂裂缝内支撑剂分流规律研究。该文献主要是研究复杂裂缝内支撑剂的分流机制，且所设计复杂裂缝支撑剂分流运移评价试验***并未在出口处安装开关阀门，未安装压力计和流量计，不能测试压裂过程中分支缝和微裂缝逐渐关闭的支撑剂动态运移规律，与实际压裂情况不太相符，存在一定局限性。
因此，亟需研究提出一种新的支撑剂在复杂裂缝***中动态运移规律的评价方法，以解决上述问题的局限性。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供了一种复杂裂缝支撑剂动态运移规律测试方法及其应用，具体地，针对主裂缝、支裂缝(一级分支缝)、微裂缝(二级分支缝)等多级复杂裂缝***，考虑实际压裂施工过程中支裂缝和微裂缝会早于主裂缝停止延伸，为模拟实际压裂过程，在各级裂缝出口处安装开关阀门，并安装压力计及流量计，测试压裂过程中支裂缝和微裂缝均逐渐关闭的支撑剂动态运移规律，以解决目前测试评价方法的局限性，提高模拟实验与压裂实际情况的符合程度，形成一种复杂裂缝内支撑剂动态运移规律测试方法。
本发明的总体思路如下：
思路(1)：支裂缝出口端采用逐级降流量的测试方法，而不是像以往那样一直保持一个大气压出口压力并一直有流量的流出。
因支裂缝的起裂与扩展难度大于主裂缝，而压裂液更易于在扩展阻力最小的主裂缝方向运移，因此，各个支裂缝可能在不同时间内纷纷停止扩展，此时进液的速度趋于零，因此，小粒径支撑剂即使已运移到支裂缝的入口处，也没有动力被携带进入支裂缝中。因此，以往那种支裂缝一直有流量的测试方法，获得的支撑剂运移规律尤其是小粒径支撑剂在支裂缝中的运移规律显著不同，也不符合实际情况(过于乐观地评价小粒径支撑剂在支裂缝中的分布)。
为此，可基于上述支裂缝进液速度的规律性认识，在测试过程中逐渐降低进液速度直至停止注入。具体进液速度控制可通过在支裂缝及微裂缝出口处安装逐渐变小的挡板开度来实现。
至于各个支裂缝降低排量的时机及排量的大小，应基于实际加砂过程中支裂缝的扩展规律来确定。但考虑到该扩展规律极端复杂且具有高度的不确定性，为简化起见，可视总的注入时间，各个支裂缝的出口处的挡板开度分别独立地设置为100％-80％-60％-40％-20％-0％，每个支裂缝出口挡板开度的注入时间都分别取总注入时间的16.7％。
如果支裂缝及微裂缝数量较多，同步控制各支裂缝及微裂缝出口挡板开度的难度相对较大，可多个实验人员进行实验。
思路(2)：所有三级裂缝的出口处及入口处都安装压力计及流量计，考虑到不同黏度压裂液对流量计的计量影响不同，应先对不同黏度不同排量下压裂液流量校核系数进行修正。
思路(3)：微裂缝出口挡板开度的控制方法及参数参照思路(1)中支裂缝的做法。
本发明的目的之一在于提供一种复杂裂缝支撑剂动态运移规律测试方法，包括：
(1)对三级复杂裂缝支撑剂输砂实验装置的改造：在所有三级裂缝的出口处及入口处均安装压力计及流量计，所述三级裂缝包括主裂缝、支裂缝(一级分支缝)和微裂缝(二级分支缝)；
(2)实验参数的相似性分析；
(3)对不同黏度不同排量下压裂液流量校核系数进行修正；
(4)在测试过程中逐渐降低各个支裂缝和微裂缝的进液速度直至停止注入。
其中，在步骤(1)中，在所有三级裂缝的出口处及入口处均安装压力计及流量计，考虑到不同黏度压裂液对流量计的计量影响不同，应先对不同黏度不同排量下压裂液流量校核系数进行修正。
同时，在步骤(4)中，支裂缝和微裂缝出口端采用逐级降流量的测试方法，而不是像以往那样一直保持一个大气压出口压力并一直有流量的流出。
因支裂缝和微裂缝的起裂与扩展难度大于主裂缝，而压裂液更易于在扩展阻力最小的主裂缝方向运移，因此，各个支裂缝和微裂缝可能在不同时间内纷纷停止扩展，此时进液的速度趋于零，因此，小粒径支撑剂即使已运移到支裂缝和微裂缝的入口处，也没有动力被携带进入支裂缝和微裂缝中。因此，以往那种支裂缝和微裂缝一直有流量的测试方法，获得的支撑剂运移规律尤其是小粒径支撑剂在支裂缝和微裂缝中的运移规律显著不同，也不符合实际情况(过于乐观地评价小粒径支撑剂在支裂缝中的分布)。
在一种优选的实施方式中，在步骤(1)中，考虑到微裂缝的尺寸相对较小，微裂缝入口处的压力计及流量计尺寸也相对较小，相应的，压力计及流量计的量程也相对较小。
具体地，用于微裂缝的压力计的量程小于用于支裂缝的压力计的量程，用于微裂缝的流量计的量程小于用于支裂缝的流量计的量程。
在进一步优选的实施方式中，对于主裂缝、支裂缝和微裂缝，流经的最大的压力及流量应分别达到压力计及流量计相应量程的70％-80％，以实现精细计量的目的，尤其是微裂缝更是如此。
在一种优选的实施方式中，在步骤(2)中，应用动力学相似性进行注入参数设计。
在进一步优选的实施方式中，在步骤(2)中，设计测试时的线速度为实际施工时的线速度的90％～110％、优选95％～105％、例如100％。
在更进一步优选的实施方式中，在步骤(2)中，设计三级裂缝的宽度为不同粒径支撑剂的平均粒径的3～6倍。
其中，考虑到三级复杂裂缝的尺寸与实际相差甚远，因此，应当应用动力学相似性进行注入参数设计。为简化起见，起码应线速度相近，这样，三级裂缝的宽度与不同粒径支撑剂的平均粒径的比值应与实际情况接近。这个比值一般应在3-6倍。
在一种优选的实施方式中，在步骤(3)中，由于三级裂缝的排量相差较大，分别进行相应流量计参数的校核。
在进一步优选的实施方式中，由于主裂缝的流量计量程最大，则先把支裂缝及微裂缝的所有出口全部关掉，再进行不同黏度及排量下流量计的读数与实际流入的液体体积及注入时间比值进行校核。
在更进一步优选的实施方式中，先根据实际注入流体体积与时间计算得到实际流量，再对比流量计读数进行校核，以此分别进行支裂缝和微裂缝的对应流量计系数的校核。
在一种优选的实施方式中，在步骤(4)中，在支裂缝及微裂缝出口处安装逐渐变小的挡板开度，以控制进液速度。
基于上述支裂缝和微裂缝进液速度的规律性认识，在测试过程中逐渐降低进液速度直至停止注入。具体进液速度控制可通过在支裂缝及微裂缝出口处安装逐渐变小的挡板开度来实现。这样，支裂缝的开度逐渐变小，微裂缝的开度也逐渐变小。在本发明中，支裂缝开度逐渐变小是基于支裂缝原始的开度而言，微裂缝开度逐渐变小也是基于微裂缝原始的开度而言。
在进一步优选的实施方式中，在步骤(4)中，视总注入时间为100％，每个支裂缝和微裂缝出口挡板开度的注入时间均分别取总注入时间的10～20％(例如16.7％)，且各个支裂缝和微裂缝的出口处的挡板开度(按时间先后)分别独立地依次设置为100％-80％-60％-40％-20％-0％。
其中，至于各个支裂缝和微裂缝降低排量的时机及排量的大小，应基于实际加砂过程中支裂缝和微裂缝的扩展规律来确定。但考虑到该扩展规律极端复杂且具有高度的不确定性，为简化起见，可视总的注入时间为100％，(按时间先后)各个支裂缝和微裂缝的出口处的挡板开度分别独立地设置为100％-80％-60％-40％-20％-0％，每个支裂缝和微裂缝出口挡板开度的注入时间都分别取总注入时间的10～20％(例如16.7％)，且保证总和为100％。
如果支裂缝及微裂缝数量较多，同步控制各支裂缝及微裂缝出口挡板开度的难度相对较大，可多个实验人员进行实验。
在一种优选的实施方式中，步骤(4)包括以下子步骤：
(4-1)打开所有三级裂缝出口处流量计挡板的开度100％，按设计的携砂液阶段总注入时间的10～20％、优选16.7％注入，支撑剂类型及粒径按设计要求的阶段进行更换；
(4-2)将所有支裂缝及微裂缝出口处挡板开度打开80％，按设计的携砂液阶段总注入时间的10～20％、优选16.7％注入，支撑剂类型及粒径按设计要求的阶段进行更换；
(4-3)将所有支裂缝及微裂缝出口处挡板开度打开60％，按设计的携砂液阶段总注入时间的10～20％、优选16.7％注入，支撑剂类型及粒径按设计要求的阶段进行更换；
(4-4)将所有支裂缝及微裂缝出口处挡板开度打开40％，按设计的携砂液阶段总注入时间的10～20％、优选16.7％注入，支撑剂类型及粒径按设计要求的阶段进行更换；
(4-5)将所有支裂缝及微裂缝出口处挡板开度打开20％，按设计的携砂液阶段总注入时间的10～20％、优选16.7％注入，支撑剂类型及粒径按设计要求的阶段进行更换；
(4-6)将所有支裂缝及微裂缝出口处挡板关闭，按设计的携砂液阶段总注入时间的10～20％、优选16.7％注入，支撑剂类型及粒径按设计要求的阶段进行更换；
其中，步骤(4-1)至步骤(4-6)的总注入时间为100％。
在进一步优选的实施方式中，在步骤(4-1)～(4-6)中，压力计对应流量计安装到位；记录所有三级裂缝入口及出口处相应的压力及流量，并将支撑剂在不同尺度裂缝内的动态运移及沉降过程拍摄下来，以便进行实时及事后分析。
在一种优选的实施方式中，在步骤(4)之前进行步骤(4’)：
(4’)不同黏度压裂液的制备，不同类型及粒径的支撑剂选择。
在一种优选的实施方式中，在步骤(4’)中，基于压裂设计方案中的不同黏度压裂液要求，进行压裂液配方优选。除了黏度达到要求外，降阻率也应达到要求，否则也影响三级裂缝的排量分配及支撑剂进入的量及分布形态。
在进一步优选的实施方式中，在步骤(4’)中，同样地基于压裂设计方案要求，选择相应的类型、密度及粒径。
在一种优选的实施方式中，在步骤(4)之前或之后(优选之后)进行如下试验：一直保持三级裂缝出口处挡板开度100％，按设计要求进行注入，并将结果与步骤(4)的对应结果进行对比；尤其是支裂缝及微裂缝中支撑剂运移及分布规律的对比，为后续复杂裂缝导流能力实验及产量预测等提供依据。
在一种优选的实施方式中，在步骤(4)之后进行步骤(5)～(6)：
(5)实验结束后，用清水冲洗复杂裂缝***装置。
其中，为充分清洗，可分多次(例如三次)，先关闭其余两级裂缝***，按裂缝级别逐一进行清洗。
(6)记录全程的实验原始数据，分析实验及对比分析结果，录入电脑存盘。
在本发明中，所述三级裂缝包括主裂缝、支裂缝和微裂缝。
本发明的目的之二在于提供本发明目的之一所述复杂裂缝支撑剂动态运移规律测试方法在压裂设计中的应用。
其中，所述方法可以为压裂设计提供基础理论依据。
在本发明中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。在下文中，各个技术方案之间原则上可以相互组合而得到新的技术方案，这也应被视为在本文中具体公开。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)与现有的复杂裂缝***支撑剂动态运移规律测试装置及相应的评价方法相比，本发明提出一种新的裂缝内支撑剂运移规律测试方法，针对主裂缝、支裂缝、微裂缝等多级复杂裂缝***，考虑实际压裂施工过程中支裂缝和微裂缝会早于主裂缝停止延伸，为模拟实际压裂过程，在各级裂缝出口处安装开关阀门，并安装压力计及流量计，测试压裂过程中分支缝和微裂缝逐渐关闭的支撑剂动态运移规律；
(2)本发明可有效解决目前测试评价方法的局限性，提高模拟实验与压裂实际情况的符合程度，形成一种复杂裂缝内支撑剂动态运移规律测试方法。
附图说明
图1示出本发明所述复杂裂缝支撑剂动态运移规律测试方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在以下具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，由此而形成的技术方案属于本说明书原始公开内容的一部分，同时也落入本发明的保护范围。
实施例中采用的原料，如果没有特别限定，那么均是现有技术公开的，例如可直接购买获得或者根据现有技术公开的制备方法制得。
【实施例】
(1)在现有的复杂裂缝支撑剂输砂实验装置的各级裂缝入口出安装压力计和流量计。主裂缝压力计量程为0-500KPa，流量计量程为0-10m3/h；一级分支缝(支裂缝)压力计量程为0-200KPa，流量计量程为0-5m3/h；二级分支缝(微裂缝)压力计量程为0-100KPa，流量计量程为0-3m3/h。
(2)各级裂缝宽度设置：主裂缝宽度10mm，支裂缝宽度5mm，微裂缝宽度2mm。
(3)对各级裂缝流量计读数进行校核。
(4)配置压裂液：本实施例采用压裂液配方为0.2％SRFP-1增稠剂+0.3％SRCS-1黏土稳定剂+0.1％SRCU-1助排剂+0.12％SRFC-1交联剂，黏度为24～27mPa·s。
(5)支撑剂选择：本实施例选用40/70目陶粒支撑剂，密度分别为1.67×103kg/m3。
(6)开始实验。打开所有三级裂缝出口处流量计挡板的开度100％，按设定排量4m3/h注入携砂液30s；然后将所有支裂缝及微裂缝出口处挡板开度打开80％，按设定排量4m3/h注入携砂液30s；然后将所有支裂缝及微裂缝出口处挡板开度打开60％，按设定排量4m3/h注入携砂液30s；然后将所有支裂缝及微裂缝出口处挡板开度打40％，按设定排量4m3/h注入携砂液30s；然后将所有支裂缝及微裂缝出口处挡板开度打开20％，按设定排量4m3/h注入携砂液30s；然后将所有支裂缝及微裂缝出口处挡板关闭，按设定排量4m3/h注入携砂液30s。
(7)打开所有三级裂缝出口与入口处流量计挡板的开度100％，按设定排量4m3/h注入携砂液180s。
(8)结束实验，用清水冲洗复杂裂缝***装置，并记录实验数据。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种复杂裂缝支撑剂动态运移规律测试方法，包括：
（1）在所有三级裂缝的出口处及入口处均安装压力计及流量计，所述三级裂缝包括主裂缝、支裂缝和微裂缝；
（2）实验参数的相似性分析；应用动力学相似性进行注入参数设计；
（3）对不同黏度不同排量下压裂液流量校核系数进行修正；
（4）在测试过程中逐渐降低各个支裂缝和微裂缝的进液速度直至停止注入；在支裂缝及微裂缝出口处安装逐渐变小的挡板开度，以控制进液速度；
在步骤（4）中，视总注入时间为100%，每个支裂缝和微裂缝出口挡板开度的注入时间均分别取总注入时间的10~20%，且各个支裂缝和微裂缝的出口处的挡板开度分别独立地依次设置为100%-80%-60%-40%-20%-0%；压力计对应流量计安装到位；记录所有三级裂缝入口及出口处相应的压力及流量，并将支撑剂在不同尺度裂缝内的动态运移及沉降过程拍摄下来，以便进行实时及事后分析。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，对于主裂缝、支裂缝和微裂缝，流经的最大的压力及流量应分别达到压力计及流量计相应量程的70%-80%。
3. 根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，
设计测试时的线速度为实际施工时的线速度的90%~110%；和/或
设计三级裂缝的宽度为不同粒径支撑剂的平均粒径的3~6倍。
4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤（4）包括以下子步骤：
（4-1）打开所有三级裂缝出口处流量计挡板的开度100%，按设计的携砂液阶段总注入时间的16.7%注入；
（4-2）将所有支裂缝及微裂缝出口处挡板开度打开80%，按设计的携砂液阶段总注入时间的16.7%注入；
（4-3）将所有支裂缝及微裂缝出口处挡板开度打开60%，按设计的携砂液阶段总注入时间的16.7%注入；
（4-4）将所有支裂缝及微裂缝出口处挡板开度打开40%，按设计的携砂液阶段总注入时间的16.7%注入；
（4-5）将所有支裂缝及微裂缝出口处挡板开度打开20%，按设计的携砂液阶段总注入时间的16.7%注入；
（4-6）将所有支裂缝及微裂缝出口处挡板关闭，按设计的携砂液阶段总注入时间的10~20% 16.7%注入；
其中，步骤（4-1）至步骤（4-6）的总注入时间为100%。
5.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在步骤（4）之前进行步骤（4’）：
（4’）不同黏度压裂液的制备，不同类型及粒径的支撑剂选择。
6.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在步骤（4）之前或之后进行如下试验：一直保持三级裂缝出口处挡板开度100%，按设计要求进行注入，并将结果与步骤（4）的对应结果进行对比。
7.根据权利要求1~6之一所述的测试方法，其特征在于，在步骤（4）之后进行步骤（5）~（6）：
（5）实验结束后，用清水冲洗复杂裂缝***装置；
（6）记录全程的实验原始数据，分析实验及对比分析结果，录入电脑存盘。
8.权利要求1~7之一所述复杂裂缝支撑剂动态运移规律测试方法在压裂设计中的应用。
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