【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 支撐劑是通過(guò)大液量的壓裂液以較小的填砂強(qiáng)度泵入地層的，這樣延長(zhǎng)了裂縫閉合時(shí)間，此時(shí)就有必要采取“ 反向脫砂”方式，使支撐劑在井筒附近脫砂，形成橋堵，而通過(guò)尾追支撐劑的方法即能加速這一過(guò)程。基于這種認(rèn)識(shí)，1995 年 Barree 和 Mukherjee 提出了“反向脫砂” （Reverse Screenout）工藝。Barre 和 Mukherjee 使用全二維裂縫幾何模擬器，系統(tǒng)研究了裂縫閉合期間支撐劑的沉降規(guī)律， 討論了返排速度、射孔段位置、最 終鋪砂濃 度、裂縫幾何形態(tài)對(duì)保持閉合后裂縫內(nèi)鋪砂濃度的影響，解釋了“強(qiáng)制裂縫閉合”與“反向脫砂 ”在返排程序設(shè)計(jì)上的區(qū)別，并且深入到多個(gè)射孔段之間的交叉流動(dòng)對(duì)支撐劑運(yùn)移規(guī)律的影響，至今仍是水力壓裂作業(yè)返排設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性原則。Barre 和 Mukherjee 認(rèn)為，井筒內(nèi)液體的膨 脹性、液體濾失、支撐劑的對(duì)流、停泵期間水擊效應(yīng)引起的壓力波動(dòng)、關(guān)井后裂縫的延伸和泵送結(jié)束時(shí)剩余壓力梯度的消解、不同閉合應(yīng)力的層段間的交叉流動(dòng)，是引起支撐劑運(yùn)移與沉降的六個(gè)主要因素。他們針對(duì)不同的裂縫形態(tài)，分 別就對(duì)稱裂縫、向上延伸裂縫、向下延伸裂縫、層內(nèi)延伸裂縫、高濾失下的對(duì)稱裂縫、端部脫砂壓裂及多層 限流壓裂做了模擬研究，給出了以下推薦做法：（1）以高填砂強(qiáng)度、小液量脫砂設(shè)計(jì)，比依 賴壓后返排保持裂縫導(dǎo)流能力更可行。（2）只有當(dāng)層內(nèi)裂縫保持良好延伸，或者有較高應(yīng)力差的上下層遮擋時(shí)，才有通過(guò)適當(dāng)?shù)姆蹬懦绦蚋纳谱罱K鋪砂濃度的可能，而必須的返排程序是施工結(jié)束后立即開始返排，并且返排速度要高于裂縫內(nèi)液體的濾失速度。如果是多層裂縫，返排速度還必須大大超過(guò)層間交叉流動(dòng)的速度。（3）在向上延伸的裂縫或裂縫高度過(guò)快發(fā)育的情況下，從加強(qiáng)膠體殘?jiān)蹬诺慕嵌戎v，有控制的返排或許有益。此時(shí) 裂縫閉合期間聚合物膠體聚積于濾失帶，很小的返排速度避免精選資料可修改編輯了裂縫過(guò)快閉合，使得膠體殘?jiān)懦龅耐瑫r(shí)，支撐 劑通過(guò)沉降或?yàn)V失的方式向下運(yùn)移，有助于減小有效縫高（即支撐縫高）。（4）裂縫向下延伸時(shí)，無(wú)論泵送期間還是裂縫閉合期間，支撐劑都是沉降的，此 時(shí)再大的返排速度也不足以影響裂縫體積，支撐劑可能填充在射孔孔眼處，但不可能覆蓋整個(gè)裂縫段。（5）在向上延伸的裂縫里，裂縫閉合期間支撐劑的沉降將大大增加裂縫內(nèi)鋪砂濃度，強(qiáng)制裂縫閉合方式會(huì)使裂縫過(guò)早閉合。此時(shí)不宜用強(qiáng)化排液法。（6）在層內(nèi)裂縫延伸良好的情況下，大于地層濾失速度的返排速度有助于支撐劑向射孔孔眼方向運(yùn)移，這是有控制的返排方式的最佳應(yīng)用。（7）高濾失地層厚度比整個(gè)裂縫高度相對(duì)薄時(shí)，利用地層的天然濾失性能比返排更有效地使支撐劑向高濾失帶運(yùn)移。此時(shí)也不宜采用強(qiáng)化返排法。（8）有較大應(yīng)力差的多層水力壓裂作業(yè)，壓后返排速度必須快于層間交叉流動(dòng)的速度，以免低應(yīng)力層支撐劑過(guò)剩而高應(yīng)力層支撐劑不足，而且必須在停泵后立即開始返排。Barre 和 Mukherjee 的“反向脫砂”工藝，實(shí)際上是一種快速返排加井筒脫砂方式， 這種方式至少有三點(diǎn)好處：首先，減輕了壓裂液對(duì)地層的傷害；其次，井筒脫砂顯著改善了支撐劑在近井筒帶的填充，提高了裂縫的無(wú)因次導(dǎo)流能力；最后，快速返排使得支撐劑未能大量沉降到裂縫端部前，裂縫己 經(jīng)閉合，從而形成 較長(zhǎng)的支撐縫。 為了減少快速返排和井筒脫砂可能對(duì)循環(huán)系統(tǒng)造成的磨損，國(guó)外一般還要采取控制支撐劑倒流的措施，使用尾追樹脂包裹支撐劑（樹脂砂）就是其中的一種。在克羅拉多州的 Dodell 低滲透（～ ）致密砂巖氣層的水力壓裂作業(yè)中，就采用了支撐劑中混入纖維材料23μm10??的辦法，返排速度高達(dá) 320L/min 時(shí)也無(wú)支撐劑返出。 國(guó)內(nèi)壓裂液返排的研究現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)學(xué)者認(rèn)為，在殘液返排上主要集中在 3 個(gè)方面：工程上提高排液效率；集中在影響排液因素上的研究，以理論結(jié)合實(shí)際提高排液效率；排液預(yù)測(cè)模型的研究上。劉川生 [8]等提出對(duì)于氣井酸化，利用間隙放噴排液的方法來(lái)增加返排率，當(dāng)氣井酸化后精選資料可修改編輯經(jīng)自噴和誘噴轉(zhuǎn)入放噴階段。在這一階段對(duì)每次放噴時(shí)間間隔和放噴強(qiáng)度進(jìn)行控制，由于酸化規(guī)模、井身結(jié)構(gòu)和氣產(chǎn)量的不同，作者采用定性的方法總結(jié)了一套氣井間隙放噴的方法，應(yīng)用效果較好。劉應(yīng)學(xué) [25]等提出酸化解堵增能返排技術(shù)，其技術(shù)是在擠酸液之前或之后將增能液注入地層，通過(guò)控制其反應(yīng)速度，在地 層中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 產(chǎn)生大量熱量和氣體，使射孔段地層“ 瞬間” 升溫。利用這種熱化學(xué)反應(yīng)，配合酸化處理，可以溶解近井地帶及井筒內(nèi)復(fù)雜的有機(jī)（無(wú)機(jī)）沉積垢，疏通油流通道。反應(yīng)放出的高溫高壓氣體，借助起泡 劑的作用，在地層產(chǎn)生強(qiáng)大的推動(dòng)力，造成強(qiáng)烈的壓力波動(dòng)，沖擊喉道堵塞物，不 僅有助于解堵，還起到助排作用。王尤富 [26]論述了入井液表面張力與儲(chǔ)層損害關(guān)系的實(shí)驗(yàn)室研究。降低入井液的表面張力，可以減小毛細(xì)管阻力和提高入井液的返排率，從而達(dá)到保護(hù)儲(chǔ)集層的目的。 實(shí)際油氣儲(chǔ)集層具有不同的滲透率和不同的潤(rùn)濕性，毛細(xì)管阻力對(duì)不同滲透率和不同潤(rùn)濕性的儲(chǔ)集層造成的損害不同，因此，對(duì)入井液的表面張力應(yīng)有不同要求，以得出它們的變化規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)油氣層和確定入井液的合理表面張力提供可靠依據(jù)。賀承祖 [27]論述了水鎖效應(yīng)與儲(chǔ)層傷害的關(guān)系。未開發(fā)的油氣 層處于殘余水飽和狀態(tài)，可以認(rèn)為油、氣 驅(qū)動(dòng)壓力與毛細(xì)管力處于平衡狀態(tài)。當(dāng)儲(chǔ)層鉆開后在地層未受到傷害時(shí)，會(huì)出現(xiàn)水鎖效應(yīng)，一般 認(rèn)為外來(lái)流體在地層中的毛細(xì)管力越高，水 鎖效應(yīng)越強(qiáng)，油氣 產(chǎn)量越低。研究表明，并不是所有能降低表面張力的物質(zhì)都能降低水鎖效應(yīng)和儲(chǔ)層傷害，水鎖程度的大小是受毛管力控制的，表面張力只是影響毛管力的一個(gè)因素。 裂縫形態(tài)的數(shù)學(xué)模型在進(jìn)行返排程序設(shè)計(jì)的時(shí)候，研究人員必須知道停泵時(shí)刻裂縫的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而就要用到分析裂縫形態(tài)的數(shù)學(xué)模型 [2832]。到目前為止，確定裂縫形態(tài)的數(shù)學(xué)模型已經(jīng)從二維模型、擬三 維模型發(fā)展到全三 維模型。精選資料可修改編輯對(duì)于全三維模型，國(guó)外，Clifton 與 Abousaved 及 Cleary 等人提出兩種具有代表性的全三維裂縫延伸模型；國(guó)內(nèi)的趙金洲、吳迪祥等人也在裂縫三維延伸方面作了大量的研究工作，并取得了一些成果。在全三維模型中，縫寬方程是奇異積分方程， 對(duì)于這類方程，當(dāng)源點(diǎn)和 場(chǎng)點(diǎn)重合時(shí)，被積函數(shù)無(wú)窮大，僅在柯西主 值的意義上收斂。因此， 這類方程的直接數(shù)值求解是繁瑣、困難的。基于這種情況，目前對(duì)全三維模型的求解依舊是一個(gè)很大的研究課題。在成熟的 軟件里或在現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際應(yīng)用中， 還是以二維模型和擬三維模型為主。精選資料可修改編輯第 3 章 裂縫閉合期間壓裂液返排模型本章將主要運(yùn)用流體力學(xué)和數(shù)值模擬的相關(guān)理論以及物質(zhì)平衡原理對(duì)壓裂液返排期間裂縫閉合的過(guò)程建立壓裂液返排的數(shù)學(xué)模型。給出壓裂液返排數(shù)學(xué)模型的數(shù)值解法，根據(jù)實(shí)例計(jì)算及方巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)考察裂縫閉合過(guò)程中井底或井口壓力的變化規(guī)律，對(duì)所選模型進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)。 裂縫閉合過(guò)程中模型的假設(shè)條件壓裂施工停泵后井底或井口壓力一般都會(huì)隨時(shí)間下降。這是因?yàn)榈孛嫱１煤?，壓裂液的注入量?0，裂縫內(nèi)的壓 裂液在內(nèi)外壓差的作用下繼續(xù)濾失到地層，從而導(dǎo)致井底（井口）壓力下降。壓力下降是與濾 失量以及裂縫寬度的變化緊密地聯(lián)系在一起的。所以，就可以根據(jù)閉合期間裂縫內(nèi)的流體體積平衡方程并結(jié)合巖石力學(xué)的理論來(lái)得到壓力的變化情況。在壓裂液返排過(guò)程中，裂縫參數(shù)的一些基本假設(shè)為：（1）停泵后縫中壓力短時(shí)間內(nèi)平衡，裂縫立即停止延伸；（2）設(shè)地層為線彈性體，層間無(wú)滑動(dòng)，停 泵后裂縫形狀呈矩形；（3）裂縫在閉合期間，井底裂縫的縫高和縫長(zhǎng)不變，僅縫寬發(fā)生變化；（4）支撐劑不影響裂縫的自由閉合。則根據(jù)注入階段和閉合期間裂縫內(nèi)的流體體積平衡原理，就可以建立分析停泵后壓力遞減規(guī)律。 壓裂液返排的二維數(shù)學(xué)模型無(wú)論是一維濾失系數(shù)的計(jì)算方法還是修正的濾失系數(shù)的計(jì)算方法都只考慮了一維單相流動(dòng)。本 節(jié)在參考前人方法的基礎(chǔ)上，考 慮返排壓裂液在地層中作二維流動(dòng)和壓裂液為非牛頓流體的實(shí)際情況，建立 壓裂液返排的二維模型，該模型綜合考慮了地層條件、油藏 邊界精選資料可修改編輯條件和壓裂液性質(zhì)對(duì)壓裂液返排的影響，目的就是讓計(jì)算的結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工具有指導(dǎo)意義。 壓裂液從地層返排的數(shù)學(xué)模型在壓裂施工過(guò)程及裂縫閉合的過(guò)程中，只要裂縫是張開著，在裂縫壁面與油藏之間就會(huì)形成一定的壓差，而壓裂液的返排速度的大小又受裂縫與儲(chǔ)層之間的壓力梯度所控制 [3639]。在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)分別 考慮濾液在濾餅區(qū)和侵入?yún)^(qū)的輸運(yùn)過(guò)程以及地層流體在儲(chǔ)層區(qū)的滲流過(guò)程，而且，假定地層流體驅(qū)替濾液采取的是活塞式，侵入?yún)^(qū)與 儲(chǔ)層區(qū)交界處的流速連續(xù)。 壓裂液在侵入?yún)^(qū)的滲流考慮壓裂液非牛頓性質(zhì)對(duì)返排的影響，結(jié)合壓裂液或?yàn)V液的特性，將其假定為冪律流體。本文采用由 Teeuw 和 Hesselink 提出的適合于冪律流體的已修訂的達(dá)西定律： （31）112n83nnKpL?????????????式中，v 為返排速度，m/s； 為地層孔隙度，無(wú)因次； 為壓裂液流態(tài)指數(shù)，無(wú)因次； 地K層滲透率， ； 為壓裂液稠度系數(shù)，Pa?s n； 為壓降，Pa；L 為多孔介質(zhì)的長(zhǎng)度（侵入?yún)^(qū)2μmnKp長(zhǎng)度）， m。結(jié)合式（31 ），壓裂液在侵入?yún)^(qū)的運(yùn)動(dòng)方程如下： （32）deKVpG????（ － ）其中 為啟動(dòng)壓 力梯度。將式（32）寫成分量形式xy,)G?＝ ( （33）dxeye()xypKV?????????精選資料可修改編輯和 與 和 同號(hào)，說(shuō)明由于啟動(dòng)壓力梯度的作用使得滲流速度降低。 px?yx?y （34）??1112de n38nnKp?????????????式中，μ e為濾液的有效黏度，Pa?s ； 為侵入?yún)^(qū)的滲透率，m 2； 為侵入?yún)^(qū)的孔隙度，無(wú)d d?因次。值 得注意的是，由于壓裂液濾失造成了地層損 害，致使侵入?yún)^(qū)的孔隙度 和滲透率d與儲(chǔ)層 區(qū)的孔隙度 和滲透率 是不同的。dK?K根據(jù)質(zhì)量守恒定律，可得到連續(xù)方程： （35）??0?????Vt?考慮流體及多孔介質(zhì)的可壓縮性，流體密度變化及地層孔隙度變化的狀態(tài)方程如下： （36）0f0[1()]cp? （37）φ???式中， 和 分別為流體及孔隙的壓縮系數(shù)，Pa 1；令 ， 為綜合壓縮系數(shù)，fc? ?c??ft tPa1。結(jié)合式（36 ）和（37 ），將式（33）代入式（35），則可得到如下的偏微分方程： （38）??220dxf0fxfe 22y0df0fyfe()1()()KVppcccxy??? ?? ???????????????? ????????????? ?? ??將式（38 ）中兩式相加，略去 項(xiàng)，這樣可以得到：2fipcx??????? （39）??2 etf0fxyd1() cpcpK?????????令 ， ，由于不考慮油藏的非均質(zhì)性，則可令ff 0()???ttf01()cp??，因此式（29 ）可以寫成：xy?精選資料可修改編輯 （310）2 etf dcppcxyK??????????????方程（310 ）描述了濾液在侵入?yún)^(qū)的非穩(wěn)態(tài)滲流。 地層流體在儲(chǔ)層區(qū)的滲流地層流體在儲(chǔ)層區(qū)的滲流一般被看作牛頓流體的流動(dòng)。通?？蓪⑴ｎD流體的流動(dòng)視為冪律流體流動(dòng)的一種特殊情況。因此，在上述方程中 設(shè) n=1 并采用原始地層的孔隙度和滲透率，按照相同的推導(dǎo)步驟 ，則可得到地層流體在儲(chǔ)層 區(qū)的滲流方程： （311）2 tf cppcxyK??????????????式中，μ 為地 層流體的黏度，Pa?s； 為原始地層的孔隙度，無(wú)因次； 為原始地層的滲K透率，m 2。 濾餅區(qū)的滲流如果將濾餅視為滲透率 ，孔隙度 的多孔介質(zhì)，并考慮壓裂液的非牛頓特性（假定cKc?為冪律流體），結(jié)合方程（31 ），可得到 壓裂液在濾餅 區(qū)的運(yùn)動(dòng)方程： （312）12ccfwn8123nnpL????????????式中， 為濾餅區(qū)的滲透率， m2； 為濾餅區(qū)的孔隙度，無(wú)因次； 為裂縫中的壓力，cKc fPPa； 為濾餅 與侵入?yún)^(qū)交界面的壓力，Pa；?L 為濾餅的厚度，m 。wP在濾餅的形成過(guò)程中，可以認(rèn)為濾餅的體積與濾過(guò)的液體體積成正比，則有： （313）dlV???式中的比例系數(shù) 可以寫成下式， 是形成濾餅物質(zhì)的體積濃度，dsc （314）sdc1()C??將式（310 ）及式（311 ）代入式（39）中，整理后得到： （315）12sccfwn l3128nnnpKVCK????????????????????精選資料可修改編輯從上式看到，濾餅兩端的壓力差與濾失速度及濾失體積所形成的濾餅厚度有關(guān)。上式可以寫成更簡(jiǎn)單的形式： （316）fwclnpV????其中， 是冪律流體的濾餅因數(shù)，它的物理意義是指單位面積的單位濾失體積與達(dá)到c?n 冪的濾失速度所產(chǎn)生的濾餅壓降。它是取決于流體和濾餅性質(zhì)的一個(gè)綜合參數(shù)。但是， 濾餅形成過(guò)程的復(fù)雜性常使濾餅壓降與式