【文章內(nèi)容簡介】 的方式 。 它有三大好處 ： 一是減輕了壓裂液對地層的傷害 ； 二是井筒脫砂顯著改善了支撐劑在近井筒帶的充填 ， 提高了裂縫的導(dǎo)流能力 ； 三是快速返排使得支撐劑還沒有大量沉降到裂縫端部前 ， 裂縫己經(jīng)閉合 ， 從而形成較長的支撐裂縫 。 支撐劑回流研究現(xiàn)狀 支撐劑回流現(xiàn)象是近幾年來研究的一個(gè)熱門問題 ， 到目前為止 ， 針對支撐劑回流的研究主要是以物理模型實(shí)驗(yàn)為主 。 限于設(shè)備的原因 ， 國內(nèi)尚未見這一方面的研制和應(yīng)用的詳細(xì)報(bào)道 。 國外的研究人員已經(jīng)進(jìn)行了大量的物模實(shí)驗(yàn)來研究支撐劑的回流現(xiàn)象 。 常見的實(shí)驗(yàn)?zāi)?型有如下幾種 ： (1)圓管 —射孔模型 [8] 這種模型主要是研究射孔附近沒有側(cè)限應(yīng)力時(shí) ， 支撐劑發(fā)生回流的臨界流速 。 實(shí)驗(yàn)時(shí) ， 不銹鋼管中先充填支撐劑 ， 然后用實(shí)驗(yàn)流體使其飽和 。 實(shí)驗(yàn)開始后 ， 慢慢增加流體流速 ， 直到發(fā)現(xiàn)裝置末端的集砂器中出現(xiàn)支撐劑為止 。 這種實(shí)驗(yàn)方法較為簡單 ， 不能模擬縫寬變化和閉合壓力變化對臨界流速的影響 。 (2)狹槽模型 [9] 這種模型主要是研究不同支撐劑顆粒尺寸 、 裂縫寬度和地層閉合壓力條件下的臨界流速 。 裝置右端的多個(gè)入口處 ， 可以模擬裂縫中的線性流 ， 左端的三個(gè)孔眼可以模擬裂縫向井筒的流動(dòng) 。 實(shí)驗(yàn)過程中 ， 先 將狹槽調(diào)到一定寬度 ， 再將支撐劑和水的混砂漿從左端孔眼泵入狹槽中充填中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 裂縫 ， 然后利用水力錨給支撐劑充填層施加一定的閉合壓力 。 返排模擬開始 ， 從右端入口處逐漸增加泵入速度 ， 直到發(fā)現(xiàn)有支撐劑產(chǎn)出 。 (3) API 線性流動(dòng)巖芯夾持器 該裝置主要用來觀察和測量支撐劑充填帶在不同應(yīng)力條件下的支撐劑回流現(xiàn)象 。 該實(shí)驗(yàn)可以模擬裂縫中的閉合壓力和地層中的溫度 ， 并可以得到不同流速和支撐縫寬時(shí)支撐劑發(fā)生回流的臨界點(diǎn) 。 研究人員對造成支撐劑充填層松動(dòng)并導(dǎo)致支撐劑回流的主要原因的解釋有如下三種觀點(diǎn) ： Gidley[10]等人認(rèn)為 ， 支撐劑充 填層的失穩(wěn)主要是因?yàn)槌涮顚右酝獾淖杂缮皩ζ洳粩嗲治g而造成的 。 隨著縫中流體流速的增加 ， 這種侵蝕現(xiàn)象就越嚴(yán)重 。 Sparlin[11]等人認(rèn)為 ， 由于支撐劑的沉降 ， 支撐劑充填層的頂部及其內(nèi)部很容易形成不規(guī)則的小通道 ， 如果縫中流體的流速過大 ， 小通道周圍的支撐劑顆粒就會(huì)流化 ， 從而使小通道在支撐劑充填層中迅速擴(kuò)展 ，導(dǎo)致大量的支撐劑回流 。 Bratli[12]等人提出 ， 支撐劑充填層在靠近射孔區(qū)域有可能形成多為半球狀的砂拱 ， 砂拱形成的不完善或遭到破壞則直接導(dǎo)致支撐劑充填層的松動(dòng)和支撐劑的回流 。 并且他們認(rèn)為 ， 砂拱的失效有可能 是由于砂拱受到過大的來自流體的剪切應(yīng)力以及法向閉合應(yīng)力在支撐劑充填層中所誘發(fā)的徑向擠壓力而造成的 。 在對支撐劑充填層穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究中 ， 研究人員提出了兩個(gè)臨界參數(shù)來評估支撐劑充填層的穩(wěn)定性 ： 臨界返排流量和裂縫寬度與支撐劑顆粒直徑的臨界比 。 Romero 和 Feraud[13]通過考察支撐劑顆粒從支撐劑充填層被侵蝕的情況來確定臨界返排流量 。 Sparlin 和 Hagen[11]根據(jù)最小流化速度來量化臨界返排流量 ， 建議支撐劑回流的臨界流量為 。 Nava Goelld[9]等人對臨界返排流量做了進(jìn) 一步的研究 。 他們主要通過觀察砂拱的失穩(wěn)來確定臨界返排流量 ， 并考慮不同的實(shí)驗(yàn)條件 ， 諸如不同的支撐劑粒徑 、 裂縫寬度和閉合壓力等 ， 對臨界返排流量的影響 。 中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 除了研究臨界返排流量外 ， 一些學(xué)者還研究了支撐劑充填層穩(wěn)定時(shí)的縫寬與支撐劑直徑的臨界比 。 Milton 和 Tayler[14]等人在他們的實(shí)驗(yàn)中觀測到 ， 當(dāng)縫寬與支撐劑粒徑的比值小于 6 時(shí) ， 支撐劑充填層是穩(wěn)定的 。 Naval Goel[9]等人則在實(shí)驗(yàn)中觀測到 ， 隨著縫寬與支撐劑粒徑的比值從 增加到 ， 臨界返排流量是減少的 。 對于相同的縫寬與支撐劑粒徑的比值 ， 在閉合壓力為 0Mpa 時(shí)的臨界流量遠(yuǎn)比閉合壓力為 時(shí)所對應(yīng)的臨界返排流量大 。 目前 ， 對支撐劑充填層穩(wěn)定性所進(jìn)行的數(shù)值模擬研究很少 ， 基本還出于嘗試階段 。 Asgian[15]等人采用 Cundall 等人發(fā)展的離散單元法模擬了支撐劑充填層中顆粒的受力運(yùn)動(dòng) 。 Mark Parke[8]等人采用 King 和 Biezen 提出的隨機(jī)方法 ， 并結(jié)合Darcy 方程建立了隨機(jī)模型去預(yù)測支撐劑的回流 。 明尼蘇達(dá)大學(xué)利用邊界元方法開發(fā)了 Trubal 軟件來模擬支撐劑的回流 [16]。 但這些研究成果均未有詳細(xì)的理論介紹和報(bào)道 。 就在國外的支撐劑回流控制技術(shù)不斷完善和進(jìn)步的同時(shí) ， 國內(nèi)卻尚未見這一方面的研制和應(yīng)用的詳細(xì)報(bào)道 。 四川石油管理局井下作業(yè)處曾在 8o 年代末試圖開題研究 ， 但因技術(shù)難度較大而擱淺 。 中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 二 章 壓裂油井支撐劑回流及出砂控制模型的建立 通過分析支撐劑回流機(jī)理 ， 來建立壓裂液返排過程中臨界返排流量 、 支撐劑返排速度和沉降速度計(jì)算模型 、 提出控制支撐劑回流的放噴油嘴選擇原則 。 在考慮油井生產(chǎn)過程中既要返排注入地層中的壓裂液 ，同時(shí)又不將地層砂 (包括支撐劑 )帶入井筒的前提下 ， 推導(dǎo)壓裂氣井的臨界產(chǎn)量計(jì)算公式 ， 為指導(dǎo)壓 裂液返排和確定油井合理產(chǎn)能提供依據(jù) 。 臨界流量的建立 以縫口單顆粒支撐劑為研究對象 ， 得出支撐劑發(fā)生回流的臨界流速為 2 ( )3pslcdgu ? ??? ? （ 21） 式中 ， ulc—臨界返排流速 ， m/s； dp—支撐劑顆粒直徑 ， m； ρs— 支撐劑顆粒密度 ， kg/ m3； ρ—攜帶介質(zhì)密度 ， kg/ m3。 臨界流速還受返排壓裂液黏度 、 裂縫閉合壓力和裂縫寬度的影響 ，對臨界流速修正為 , lcuu? ? （ 22） 則防止支撐劑回流返排量為的臨界 215lc lcQ D u??? （ 23） 式中 ， α —放大系數(shù) ， 一般在 1。 0~1。 2 之間取值 ； D—井筒直徑 ， m； Qlc—臨界返排流量 ， m3/min。 支撐劑的回流速度 當(dāng)實(shí)際的返排流量大于臨界返排流量時(shí) ， 就會(huì)發(fā)生支撐劑回流 。單個(gè)支撐劑顆粒 在返排流體攜帶力 、 阻力和重力作用下的回流速度為 4 d ( )[]3dps lsu dsd ugu Ct? ? ? ????? （ 24） 中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 式中 ， ul—攜帶介質(zhì)流速 ， m/s； t—時(shí)間 ， S； Cd—阻力系數(shù) 。 考慮到停泵時(shí)刻壓裂液黏度 ?? 和流動(dòng)狀態(tài)的影響 ， 結(jié)合諾沃特尼阻力系數(shù)計(jì)算公式 ， 可得不同流動(dòng)條件下支撐劑顆粒的回流速度 ? ?? ?? ?2Re1 Red,218 d 5 d, 2 50 0dd 4 , 50 0dps slasps sluasps slsd guNtd guuNtd guNt??? ? ? ? ?????? ???????? ??? ? ? ???? ? ?? ? ? ?? ? ?????????? ???? ? ? ??????????????? （ 25） 放噴油嘴選擇 在油井壓后強(qiáng)制返排過 程中 ， 可能會(huì)有很少一部分支撐劑回流到地面 。 排液過程中的支撐劑回流量由支撐劑回流速度和排液時(shí)間確定 。 為防止在壓裂液返排過程中出現(xiàn)大量支撐劑回流 ， 要把支撐劑的臨界返排流量作為一個(gè)重要的參考依據(jù) ， 控制支撐劑返排 。 在前面建立模型基礎(chǔ)上還必須結(jié)合井筒內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算 。 但需要說明的是 ， 隨著返排的進(jìn)行 ， 井口壓力是隨時(shí)間降低的 ， 所以 ， 油嘴尺寸的優(yōu)化過程是動(dòng)態(tài)的[17]。 控制壓裂油井出砂的合理產(chǎn)量 對于壓裂油井 ， 臨界產(chǎn)量確定主要考慮了以下因素： （ 1）油井在生產(chǎn)過程中要能返排注入地層中的壓裂液 ； （ 2）油井 生產(chǎn)過程中 ， 不能將壓裂裂縫中的支撐劑帶入井筒 ， 否則壓裂裂縫就會(huì)閉合 ； （ 3）要考慮在一定的生產(chǎn)壓差范圍內(nèi)生產(chǎn) ； （ 4）考慮一定的穩(wěn)定期 。 根據(jù)低滲壓裂油井臨界產(chǎn)量的確定原則 ， 即可得到油井生產(chǎn)的臨界產(chǎn)量必須存在關(guān)系 中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 qq? 攜 液生 產(chǎn) （ 26） qq? 攜 砂生 產(chǎn) （ 27） maxpp? ?? （ 28） 油井?dāng)y液產(chǎn)量的計(jì)算公式為 ? ? 12 44 . 7 6 1 0 lopqA ?