压裂裂缝内支撑剂沉降及运移规律研究现状与展望

万红碧 李天柱

摘      要：世界范围内非常规油气藏具有储藏面积大、储量巨大、开发潜力大的特点。当前对于开发非常规油气藏占有重要的增产改造的手段就是利用水力压裂对油气储层进行压裂改造。由于在水力压裂过程中，储层压裂改造的最终效果取决于由裂缝内支撑剂的沉降及运移规律影响着的支撑剂颗粒在压裂裂缝内的铺置情况。因此，研究压裂裂缝内支撑剂沉降及运移规律对未来增加非常规油气藏的产量极具必要性。根据非常规油气藏水力压裂后裂缝中支撑剂的沉降和运移规律研究现状和发展历史，探讨了压裂裂缝中支撑剂沉降和运移规律的发展趋势。

关  键  词：水力压裂;理论研究;室内研究;数值模拟

中图分类号：TE 357       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）08-1775-04

Abstract： The unconventional oil and gas reservoirs in the world have the characteristics of large storage area， huge reserves and great development potential. At present， hydraulic fracturing is an important means of stimulating unconventional oil and gas reservoirs. In the process of hydraulic fracturing， the final effect of reservoir fracturing depends on the distribution of proppant particles in the fractured fracture， which is influenced by the deposition and migration of proppant in the fracture. Therefore， it is necessary to study the deposition and migration of proppant in fractured fracture to increase the production of unconventional reservoirs in the future. According to the research status and development history of proppant settlement and migration law in unconventional reservoirs after hydraulic fracturing， the research trend of proppant settlement and migration law in fractured fractures was discussed.

Key words： Hydraulic fracturing; Theoretical research; Laboratory research; Numerical simulation

目前我國，各大老油田油气开采产量逐渐递减、同时常规油气资源产量后续补充跟不上能源消耗，致使油气产量已经无法满足中国经济发展的需求。世界各地新开发出的油气储藏中，致密砂岩气和页岩气等非常规油气资源在世界油气储藏中占据的比例不断扩大，被国内外学者称为常规油气能源的接替者，因此非常规油气资源的开发越来越得到人们的重视[1，2]。由于利用于常规油气藏的开采方式已经无法适用于包括页岩气在内的非常规油气资源的开发，因此选取适用、有效的开采方式是充分开发非常规油气资源的首要目标。水力压裂成为非常规油气藏获得自然产能的主要技术之一，使得非常规油气藏开发产出油气符合工业产量的要求 [3，4]。水力压裂技术是通过地面上的高压泵车向地层注入大于地层压力的高压流体，在地层中憋起的高压流体通过射孔使地层岩石破裂，形成一条或多条的裂缝结构，之后将压裂液与支撑剂的混合物输送到压裂裂缝内，使得经过压裂过后的裂缝在支撑剂颗粒的填充、支撑的作用下形成具有高导流能力的填砂裂缝。其中，要想获得填砂裂缝内的导流能力强的效果，则压裂裂缝内中形成支撑剂的砂堤形态就必须满足裂缝高导流能力的条件。

因此研究压裂裂缝内支撑剂的沉降及运移规律对裂缝内形成合理的砂堤形态与压裂增产效果具有重要意义。

针对压裂裂缝内支撑剂的沉降及运移问题，国内外众多学者对其进行了大量的理论研究、室内试验及数值仿真模拟研究，研究了裂缝结构、压裂液类型及浓度、支撑剂性质、砂浓度等多种影响因素对压裂裂缝内支撑剂的沉降及运移的作用效果。因此本文将从压裂裂缝内支撑剂的沉降及运移规律的研究现状和发展趋势展开论述与分析。

1  国内外研究现状

1.1  理论研究

Stokes[5]用解析方法求解出了单颗粒支撑剂在理想状态下的自由沉降速度和阻力系数计算公式，但是使用范围仅限于层流（即雷诺数<1的情况下），与忽略惯性项作用的条件下。

A.T.Unwin和P.S.Hammondp[6]结合Lax-Wendroff解法提出了支撑剂在自身重力下沉降和在对流状态下的运移模型，解法却极为繁琐。

Novotoy[7]研究了牛顿与非牛顿流体中支撑剂颗粒的沉降运移情况，建立了支撑剂在牛顿与非顿两种流体中的沉降速度公式，并修正了沉降速度在砂比与壁面效应作用下的数值。

2.2  理论模型与仿真模拟逐渐成熟化发展

对于压裂裂缝内支撑剂的沉降及运移规律的研究，最开始只是针对单个支撑剂颗粒在静止液体中的理论研究、公式推导，建立单颗粒在流体中的运动力学机制，没有考虑到流体与颗粒、颗粒与颗粒之间的相互影响，所以很难准确的表达裂缝内支撑剂的运动机理。近年来，随着数学、计算机等相关学科领域的迅速发展，支撑剂沉降、运移数学模型的建立与完善、颗粒流及计算流体力学仿真软件的研发方面取得不小的进展，尤其是在数值仿真模拟方面。人们利用多种比较成熟的商业仿真模拟软件对裂缝中支撑剂的沉降及运移规律进行模拟，验证支撑剂理论方程的正确性。因此，结合物理实验结果完善理论数学模型、提高计算机仿真模拟软件的精度、进一步开发与应用仿真模拟软件，为现场施工提高更加有力的设计基础是未来的一个最重要的发展趋势。

3  结束语

随着世界石油行业对压裂裂缝深入的研究与对页岩气等非常规油气藏开发的需要，压裂裂缝内的支撑剂沉降及运移规律是现在非常规油气藏压裂急需解决的关键问题之一。油田现场施工过程中，携砂液排量、支撑剂性质、泵注压力等参数，只能凭借有经验的现场工作人员确定，缺少理论依据，导致现场出现各种问题，储层压裂效果不理想。所以只有支撑剂在裂缝内沉降及运移规律方面的研究成果更加显著，才能准确的预测流体黏度、支撑剂密度、粒径、砂比、壁面效应及现场施工条件等多种因素对支撑剂的铺置情况的影响。设计出更为科学、合理、优化的支撑剂输送方案，更加有效地指导现场施工，增加非常规油气藏的产量。

4  创新点

现在国内外学者研究的都是理想化的颗粒沉降理论公式，并没有考虑在流動过程中颗粒与颗粒之间的相互作用力、流体与颗粒之间的相互作用力、裂缝壁面对颗粒的作用力以及地层内温度对流体黏度的影响，所以今后要从上述几个方面建立、完善颗粒运动的理论模型，同时现在的室内试验装置都是利用表面光滑的有机玻璃板进行的支撑剂输送实验，但是实际的岩石裂缝壁面都是表面凹凸不平的，这样就对实验数据结果造成了一定的影响。所以今后要从研发实验装置的材料方面下功夫，同时可以在材料内部加入电阻丝，之后利用计算机控制温度，来模拟地温，模拟地层温度对携砂液的影响关系。

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