玛湖致密砾岩储层多簇迂曲裂缝中支撑剂运移与充填规律

许志涵; 张景臣; 郭晓东; 邱士鑫; 林汉雄; 袭祥瑞; 程新旺

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503729

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (17) :7209-7221 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503729

石油、天然气工业

玛湖致密砾岩储层多簇迂曲裂缝中支撑剂运移与充填规律

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Proppant Transport and Placement in Multi-cluster Tortuous Fractures of Mahu Tight Conglomerate Reservoir

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摘要

致密砾岩储层水力压裂过程中普遍形成具有三维几何非均质特征的迂曲裂缝,其缝面起伏与空间迂曲性对裂缝内流体分配及支撑剂沉积行为具有重要影响。针对现有研究多基于二维或规则裂缝模型、难以反映砾岩裂缝真实几何特征的问题,依托大型真三轴水力压裂物理模拟实验,获取了玛湖致密砾岩裂缝的三维缝面形态及迂曲度、相对起伏度等几何参数分布特征。在此基础上,构建了包含井筒-多簇耦合及三维缝面起伏特征的迂曲裂缝三维数值模型,并采用欧拉-欧拉两相流方法对支撑剂在裂缝中的运移与充填过程进行了模拟分析。通过与文献实验中砂堆形态及高度分布的对比,验证了模型的可靠性,主裂缝砂堆高度的综合相对误差为 6.3%。结果表明:裂缝迂曲度显著改变局部流场结构,易在曲折部位形成低速区和滞砂区,控制砂堆的分段沉积特征;在多簇裂缝体系中,迂曲结构通过影响局部阻力与压力梯度,强化簇间流量竞争,导致进砂差异加剧,当迂曲度为1.0~1.5 时,多簇进砂不均匀性最为显著。研究结果可为致密砾岩储层多簇压裂参数优化及支撑剂铺置调控提供技术参考。

Abstract

Tight conglomerate reservoirs commonly develop tortuous fractures with pronounced three-dimensional geometric heterogeneity during hydraulic fracturing. Fracture-surface undulation and spatial tortuosity exert significant control on fluid distribution and proppant deposition within fractures. However, most existing studies are based on two-dimensional or idealized fracture models, which fail to capture the true geometric characteristics of conglomerate fractures. Large-scale true triaxial hydraulic-fracturing physical simulation experiments were conducted to obtain the three-dimensional fracture-surface morphology of the Mahu tight conglomerate reservoir, and the spatial distributions of fracture tortuosity and relative undulation were quantified. Based on these experimental observations, a three-dimensional tortuous fracture numerical model incorporating wellbore-multi-cluster coupling and fracture-surface undulation was established. Proppant transport and placement behavior within fractures were simulated using an Euler-Euler two-phase flow approach. Model reliability was verified by comparison with published experimental results of sand-pile morphology and height distribution, yielding a combined relative error of 6.3% for the main-fracture sand-pile height. The results indicate that fracture tortuosity significantly alters the local flow field, promoting the formation of low-velocity and proppant-retention zones at tortuous segments and leading to segmented proppant deposition. In multi-cluster fracture systems, tortuous structures modify local flow resistance and pressure gradients, intensifying inter-cluster flow competition and resulting in pronounced nonuniform proppant intake. When the tortuosity ranges from 1.0 to 1.5, proppant distribution among clusters becomes most uneven. These findings provide technical guidance for multi-cluster fracturing design and proppant placement optimization in tight conglomerate reservoirs.

Graphical abstract

关键词

支撑剂运移 / 致密砾岩 / 迂曲裂缝 / 流固耦合 / 数值模拟

Key words

proppant transport / tight conglomerate reservoir / tortuous fractures / fracture tortuosity / numerical simulation

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许志涵, 张景臣, 郭晓东, 邱士鑫, 林汉雄, 袭祥瑞, 程新旺. 玛湖致密砾岩储层多簇迂曲裂缝中支撑剂运移与充填规律[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(17): 7209-7221 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503729

XU Zhi-han, ZHANG Jing-chen, GUO Xiao-dong, QIU Shi-xin, LIN Han-xiong, XI Xiang-rui, CHENG Xin-wang. Proppant Transport and Placement in Multi-cluster Tortuous Fractures of Mahu Tight Conglomerate Reservoir[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(17): 7209-7221 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503729

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玛湖凹陷作为准噶尔盆地最重要的致密油战略接替区之一,储量规模巨大,勘探开发潜力丰富^[1]。近年来,随着玛湖致密砾岩油藏勘探开发的持续推进,其砾岩储层水力压裂增产技术成为提高开发效果的关键环节^[2]。根据最新地质评价成果,玛湖地区砾岩油藏已探明石油资源量达 176 亿t,储层分布广、厚度大,是当前新疆油田最具现实价值的致密油开发领域^[3]。与常规砂岩或页岩储层相比,砾岩储层具有强非均质性、砾石含量高、胶结方式复杂、粒度差异显著、应力差异大等显著特征^[4],在压裂过程中呈现出完全不同的裂缝扩展与支撑剂运移行为,给高效开发带来巨大挑战^[5]。

玛湖砾岩储层内部砾石呈随机分布,砾石粒径可达20~60 mm,含量常超过40%^[6]。高含量且粒度不均的砾石对压裂裂缝的扩展起显著阻挡作用,使得水力裂缝在遇到砾石时发生偏折、分支或绕砾扩展,形成普遍存在的迂曲裂缝^[7]。与理论模型或常规砂岩储层中较为规则的裂缝不同,迂曲裂缝在几何形态上表现为多方向曲折、局部狭窄、非对称波动、弯折角多变等复杂特征,引起裂缝宽度沿程变化剧烈、局部低速区与滞流区广泛存在^[8-11]。裂缝几何的高度复杂性不仅影响裂缝形态、延伸路径及主-次裂缝关系,还显著改变携砂液的流场结构和颗粒沉降行为。其对粒子-壁面相互作用及簇间竞争分流过程具有重要控制作用,是决定致密砾岩压裂改造效果的关键因素^[12-14]。

支撑剂在裂缝中的迁移与沉降过程是形成有效支撑空间、保障裂缝导流能力的关键环节。然而,玛湖砾岩裂缝中普遍发育的迂曲结构,使支撑剂在复杂缝网中表现出显著的非线性输运特征^[15]。裂缝内部复杂的低速区、回流区和绕流区进一步导致颗粒发生二次沉降、翻滚上浮或团聚堆积,难以随主流持续前移^[16]。与此同时,裂缝曲折造成局部压力梯度急剧变化,携砂液速度明显衰减,使支撑剂易在近井段集中沉积,而中远段则难以实现有效铺置。此外,裂缝表面的多方向粗糙度增强了壁面效应,颗粒与壁面之间的动量交换更加剧烈,从而强化了局部沉积并改变砂堆形态的演化趋势^[17]。系统分析迂曲裂缝中支撑剂输运的动力学机制,明确其对砂堆高度、充填比例以及滞砂区和悬砂区演化特征的影响规律,对于优化砾岩压裂设计、实现多簇均衡进砂、扩大有效改造体积具有重要意义^[18]。

为揭示支撑剂运移行为,中外学者开展了大量物理模拟试验、计算流体动力学-离散单元法(computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM)数值模拟、欧拉两相模型模拟以及试井/微地震反演等研究。Kong等^[19]通过 DEM 或 CFD-DEM 方法研究颗粒沉降、滚动及碰撞行为,较好反映了粒子之间的微观动力学作用,但其计算代价巨大、网格尺度受限,难以实现米级复杂裂缝的工程尺度模拟。欧拉-欧拉模型由于能够有效降低计算量、对颗粒浓度场与流场耦合描述较好,被广泛用于工程尺度支撑剂运移分析^[20]。然而,现有研究普遍存在一个共性问题:大部分模型基于规则平行板裂缝、理想分支裂缝或简单折线裂缝构建,裂缝壁面粗糙度与迂曲度采用简单函数描述,无法真实反映砾岩中“由砾石主导的天然几何不规则性”^[21]。

另一方面,尽管部分研究尝试分析迂曲裂缝对支撑剂沉积行为的影响,但仍存在3方面明显不足。第一,裂缝迂曲度多采用二维简化方式进行描述,难以反映砾岩储层中普遍存在的非对称三维缝面起伏特征。第二,既有研究多数集中于单簇裂缝,对多簇裂缝体系中复杂几何形态下的流体分流与颗粒输运过程缺乏系统性研究。第三,当前缺乏对裂缝迂曲度、颗粒沉降行为与多簇竞争分流之间关系的定量表征,尚未形成能够用于指导工程优化的明确认识,包括迂曲度对应的进砂不均匀性规律、进砂差异产生的临界迂曲度范围,以及迂曲结构对砂堆形成与演化路径的控制机制等关键问题^[22-24]。

基于此,现依托万吨级超大型真三轴水力压裂模拟装置,在真实应力条件和实尺度人工砾岩岩心条件下开展裂缝扩展物理模拟,获得真实裂缝缝面形态与多方向粗糙度分布。利用结构光三维扫描技术提取裂缝相对起伏度与迂曲度的空间分布特征,构建可反映砾岩典型几何特征的井筒-多簇-迂曲裂缝三维几何模型。在此基础上,采用欧拉-欧拉两相流模型耦合颗粒输运与湍流模型,系统研究不同迂曲度、不同粗糙度与不同簇数条件下支撑剂在裂缝中的输运、分布、沉积、堆积及不均匀扩散规律,分析其对砂堆最大高度、平均高度、充填比例及簇间差异性的控制作用。通过与典型文献的实验结果对比,验证模型可靠性,并探讨迂曲裂缝中局部流场结构形成机理及其对二次沉降与颗粒团聚的影响,为建立迂曲裂缝支撑剂输运理论提供依据。

1 实验与方法

1.1 研究思路

为了揭示砾岩迂曲裂缝中的支撑剂运移与铺置机理,综合采用大尺度真三轴压裂实验、三维裂缝扫描、参数化裂缝几何提取及欧拉-欧拉两相流数值模拟等方法开展系统研究。总体技术路线包括4个环节。

(1)制备人工砾岩岩样并开展真三轴压裂实验,获取真实裂缝形态。

(2)采用结构光扫描系统获取裂缝三维缝面点云,通过表面重建提取裂缝的粗糙度与迂曲度参数。

(3)基于扫描数据构建多方向迂曲的三维裂缝几何模型,并按相似理论完成实验尺度到工程尺度的转换。

(4)建立欧拉-欧拉多相流模型,模拟单簇及多簇迂曲裂缝中的支撑剂运移与铺置过程,并通过实验结果进行验证。

1.2 人工砾岩制备与力学参数表征

为获取真实的裂缝缝面形态,针对玛湖砾岩油藏某区块储层应力环境,结合水平井完井方式。砾石含量及粒径分布,参照玛湖1井区储层取心的真实数据设置。其中,砾石粒径分布范围为20~60 mm,砾石含量控制在40%~60%。

为确保实验岩样力学性质高度逼近真实砾岩,通过制备不同组分配比的人工砾岩岩心,开展三轴压缩测试(有效围压20 MPa),对水灰比进行优选。玛湖某井下砾岩岩心的岩石力学参数如下:杨氏模量为15.21~24.37 GPa,泊松比为0.16~0.21,抗拉强度为2.17~5.14 MPa。不同组分配比人工砾岩岩心的岩石力学参数测试结果如表1所示。由表1可知,当砾石粒径分布于 20~60 mm、砾石含量在 40%~60% 时,人工岩样的岩石力学参数,与井下岩石力学参数范围相符。

设计并搭建尺寸为2.0 m×2.0 m×1.0 m的人工砾岩浇筑模具,模具采用钢结构进行固定,通过精密的加工和安装工艺,确保岩样各表面达到平整度要求。在浇筑前,将水泥砂浆与砾石按设计比例充分搅拌,保证砾石在水泥砂浆中均匀分布。同时,采用筛网对砾石粒径进行筛选,确保其符合实验要求。在浇筑过程中,使用混凝土液压振捣棒进行振捣,确保砂浆与砾石紧密固结,避免出现气泡。试件固结后脱模,并按照标准养护流程持续养护28 d。

采用5.5 in(1 in=2.54 cm)的P110钢级套管构建模拟井筒,为增大射孔方向的裂缝扩展空间,将模拟井筒预置于y=1.5 m、z=1.0 m的平面处(图1),射孔方向沿y方向,射孔位置定于x=0.5 m处。射孔孔径设计为10 mm,穿深15 cm,孔眼方向沿最大水平主应力(σ_H)方向。井筒中心至岩样边界的最远距离为1.5 m,该距离为井筒内径的10.74倍。这一设计可有效降低试样边界效应的影响,为水力裂缝的扩展提供充足空间,提高实验结果的可靠性。

利用万吨级超大型真三轴水力压裂模拟实验装置开展砂砾岩储层水力裂缝扩展模拟试验,参考玛湖X井区进行参数设计,模拟储层原位应力环境,采用真实压裂车组模拟施工泵注排量,实验所用的压裂液与施工现场保持一致,泵注排量按现场施工排量进行折算,即排量0.1 m³/min,实验装置如图2所示。

依据玛湖某井区砾岩油藏储集层的实际地质参数,现场水平主应力差为12 MPa,垂向应力差为18 MPa,采用液压加载方式,配合稳定伺服系统,实现精准的应力加载与控制。

在压裂模拟实验中,模拟施工排量由真实压裂泵车组完成,单孔排量维持在0.1 m³/min。压裂液采用与实际施工一致的免配变黏乳液,其黏度为5 mPa·s,实验全程利用微地震监测技术,对压裂过程进行实时追踪。

实验结束后,采用裂缝观测仪对岩样表面裂缝展布形态、缝宽进行精确描述,进而获得真实的裂缝缝面粗糙度相关参数。

1.3 裂缝形态表征与迂曲度定义

采用结构光三维扫描仪进行图像采集,选取距离井筒0~1.5 m范围内的4组缝面进行扫描,点云分辨率≤0.5 mm以保证细节捕获(图3)。为定量描述裂缝的“起伏”和“迂曲”特征,采用下列指标:相对起伏度R_a、峰谷高度R_z、迂曲度T_w。计算以沿裂缝主流方向(轴向s)采样得到的标高函数 z(s)为基础。

相对起伏度用于衡量裂缝中心线或截面轮廓相对于其平均高度的平均绝对偏差,表达式为

(1)R_a=$\frac{1}{L}{\int }_{0}^{L}\mathrm{ }\left|z\left(s\right)-\stackrel{-}{z}\right|$ds

式(1)中:L为沿裂缝轴向的总长度,m;z(s)为在轴坐标s处的局部标高,m;$\stackrel{-}{z}$为平均标高,m。

峰谷高度反映局部最大波动,表达式为

(2)R_z=maxz(s)-minz(s)

迂曲度用于衡量裂缝中心线(或流道)实际路径长度与直线距离的比值。对三维中心线曲线 r(s)(参数取为弧长),定义为

(3)T_w= $\frac{{L}_{\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{h}}}{{L}_{\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{g}\mathrm{h}\mathrm{t}}}$

式(3)中:L_path=${\int }_{0}^{S}\mathrm{ }$‖r(s)‖ds为中心线实际弧长,m;L_straight=‖r(s)-r(0)‖为起点到终点的直线距离,m。

2 数值模型构建

2.1 两相控制方程

常用的多相流求解方法主要包括三类:用于描述均质流体界面的流体体积法(volume of fluid,VOF)模型、基于混合平均思想的Mixture模型,以及能够处理非均质多相体系的欧拉(Eulerian)模型。本文研究关注支撑剂颗粒在压裂液中的迁移规律,属于固-液及固-固耦合条件下的典型多相流过程,颗粒可能发生上浮、悬浮、相互碰撞及局部聚集等复杂行为。相比之下,VOF与Mixture模型难以准确刻画此类强非均匀性与多尺度相互作用。基于上述需求,选择更适用于处理颗粒运动、相间动量交换和非均匀分布特征的欧拉模型作为求解方法,表达式为

(4)$ \frac{\partial}{\partial t}\left(\rho_{\mathrm{m}}\right)+\nabla\left(\rho_{\mathrm{m}} \boldsymbol{v}_{\mathrm{m}}\right)=S_{\mathrm{m}}$

式(4)中:ρ_m为混合流体的密度,kg/m³;v_m为混合流体的平均速度,m/s;$ \nabla$为算子符号;∂t为流体流动的时间,s;S_m为其他流体分散量或自定义源相附加到连续相的质量,kg。

在流体动力学数值求解的过程中,动量守恒定律会被拆分成3个独立方向的方程分别进行迭代求解,即x、y、z 3个方向的动量守恒方程。在x方向上,动量守恒方程的表达式为

(5)$\frac{\partial \left(\rho v\mathrm{ }\right)}{\partial t}$+div(pvu)=-$\frac{\partial p}{\partial x}$+$\frac{\partial {\tau }_{xx}}{\partial x}$+$\frac{\partial {\tau }_{yx}}{\partial x}$+$\frac{\partial {\tau }_{zx}}{\partial x}$+F_x

式(5)中:p为流体微元体所承受的压力;τ_xx、τ_yx和τ_zx分别为流体中因流体分子黏性作用而产生的流体微元表面的切应力τ在3个方向的分量;F_x、F_y和F_z为所研究流体的流体微元体所受的体积力。

(6)Re= $\frac{\rho vd}{\mu }$

式(6)中:Re为雷诺数;v为流速,m/s;ρ为密度,kg/m³;μ为黏度,Pa·s;d为管道直径,m。

经计算在固液两相流中湍流模型选用标准k-ε的湍流模型,表达式为

(7)$\frac{\partial \left({\rho }_{\mathrm{f}}k\right)}{\partial t}$+$\frac{\partial \left({\rho }_{\mathrm{f}}k{v}_{i}\right)}{\partial {x}_{i}}$=$\frac{\partial \left[\left(\mu +\frac{{\mu }_{\mathrm{t}}}{{\sigma }_{k}}\right)\frac{\partial k}{\partial {x}_{j}}\right]}{\partial {x}_{j}}$+ρ_f(P_k-ε)

(8)$\frac{\partial \left({\rho }_{\mathrm{f}}\epsilon \right)}{\partial t}$+$\frac{\partial \left({\rho }_{\mathrm{f}}\epsilon {v}_{i}\right)}{\partial {x}_{i}}$=$\frac{\partial \left[\left(\mu +\frac{{\mu }_{\mathrm{t}}}{{\sigma }_{\epsilon }}\right)\frac{\partial \epsilon }{\partial {x}_{j}}\right]}{\partial {x}_{j}}$+ρ_f$\frac{\epsilon }{k}$(C₁P_k-C₂ε)

式中:ρ_f为流体密度;μ_t为湍流黏度,mPa·s;P_k为湍流动能生成项。μ_t、P_k的表达式如下。

(9)μ_t=ρ_fC_μ $\frac{{k}^{2}}{\epsilon }$

(10)P_k= $\frac{{\mu }_{\mathrm{t}}}{{\rho }_{\mathrm{f}}}\left(\frac{\partial {v}_{i}}{\partial {x}_{j}}+\frac{\partial {v}_{j}}{\partial {x}_{i}}\right)\frac{\partial {v}_{i}}{\partial {x}_{j}}$

式中:C_μ为经验常数。

基于流体流态为完全湍流假设,不考虑分子黏性的标准k-ε模型,对于求解湍流问题具有极佳的稳定性和较高的精确度。在选定标准湍流模型的基础上,通过SIMPLE算法对各项方程进行数值迭代求解,利用二阶迎风格式对离散方程进行控制。

2.2 支撑剂运移模型及网格划分

根据大尺度砾岩水力压裂物理模拟实验的裂缝扫描结果,裂缝迂曲度主要分布于 0.1~2.0(占 94.3%),局部出现 2.0~3.0 的强迂曲特征,裂缝相对起伏度集中在 0~500 mm 范围内。为将实验特征引入数值模拟,采用相似理论对物理试样裂缝几何进行归一化并按长度相似准则扩展至工程尺度,使实验裂缝的等效延伸与现场典型裂缝半长相匹配,最终确定模型裂缝半长为 5.5 m。考虑井筒-多簇耦合效应及计算效率,水平井段长度取 6 m,以完整容纳三簇裂缝的迂曲传播路径与相互干扰。基于上述实验统计、缩放方法及尺度约束,构建了具有多方向迂曲度的井筒-裂缝三维几何模型,并将其用于后续的欧拉-欧拉两相流耦合模拟,为分析迂曲裂缝中的流体分流及支撑剂运移行为提供可靠基础。

基于物理模拟实验以及砾岩裂缝迂曲特征,建立考虑多方向迂曲度的井筒-裂缝几何模型(图4)。井筒-裂缝的三维几何模型和数值模拟的详细参数如表2所示。

2.3 数值模型拟合

模型的验证可以通过将数值模拟结果与文献[25]中的实验数据进行比较来完成。文献[25]中所使用实验装置为大型可视化复杂裂缝颗粒运移模拟装置,该装置包含1条主缝和多条多角度的分支缝,根据文献中的实验参数构建一个具有相同尺寸的几何模型,并且使用实验参数对数值模型进行模拟求解;而后,针对数值模拟所得可视化结果与文献[25]中所进行的物理实验得到的结果进行比较分析。实验与数值模型如图5所示。

对比文献实验与本研究数值模拟结果(图 5)可知,主缝及 90°、水平和 60° 分支缝的砂堆形态整体一致,砂堆高度沿裂缝长度的变化趋势高度匹配。主缝砂堆在 90° 分支附近均出现显著抬升,越过分支后下降,并在 60° 分支处再次升高,实验与模拟展现出一致的响应模式。

分段对比显示:0~120 cm 区段内实验砂堆平均高度比模拟高约 3 cm;120~300 cm 区段模拟略高于实验约 4.6 cm;300~500 cm 区段实验再次略高约 4.8 cm。越过 90° 分支后,两者砂堆均明显抬升(实验 14.7 cm、模拟 11.2 cm);越过水平分支后均显著下降(实验 6.7 cm、模拟 7.1 cm),整体一致性良好。

上述差异主要源自3方面:文献实验中裂缝内流量会随局部高度变化而调整,而数值模型采用恒定入口流量;实验缝面粗糙度与模型设定的壁面粗糙度不完全一致,导致颗粒阻力不同;实验砂堆描绘过程中部分滚流区可能被计入高度。综合评价,两者的综合相对误差为 6.3%,表明所建模型具有较高可靠性,可有效用于支撑剂输运行为的定量研究。

3 数值模拟及结果分析

3.1 单簇不同迂曲度裂缝颗粒运移规律

基于控制变量的实验原则,使裂缝迂曲度在X-Y方向为一定值,选定X-Y方向迂曲度为1.2。Y-Z方向相对起伏度R_a根据插值原理,呈2倍增加,从50增加至800;Y-Z方向的迂曲度详细参数如表3所示。

如表4所示,裂缝在X-Y方向下的砂堤形态均以井筒为中心,呈双翼对称分布,砂堤整体呈现纵向增长而后稳定向后端铺置的运移特征;裂缝在60 s时缝内仍有较大面积的悬砂区;在高速压裂液的携带作用下,裂缝无砂区内会有部分颗粒被冲进并沉降,形成一些不规则砂团散布在裂缝无砂区。

如表5所示,裂缝在模拟时间为60 s时砂堤高度均未达到平衡状态,且缝内砂堤高度随着Y-Z方向的相对起伏度R_a的增加而减少,砂堤平均高度从R_a=50时的40.91 cm下降到R_a=800时的15.78 cm,下降幅度高达61.43%;裂缝填充面积S₀也从22 658.86 cm²下降到8 643.96 cm²,下降幅度为61.85%;裂缝充填比例从20.6%下降到7.86%,减少了12.74%,充填程度急剧下降;砂堤起伏度从14.55降为3.71,减少了74.5%。

如图6所示,砂堤高度随着Y-Z方向所设定迂曲度R_a的增加而下降,在Y-Z方向的裂缝曲折处砂堤高度均出现波动,砂堤高度在经过裂缝曲折时出现先上升后下降的趋势,在裂缝长度的前60%段(0~350 cm段),砂堤高度整体呈上升趋势,直至达到模拟时间内的最大砂堤高度;在裂缝长度的后40%段,砂堤高度呈现下降趋势,砂堤每经过一处裂缝曲折,砂堤下降一定高度,且越靠近裂缝尖端,下降趋势越明显,下降幅度越大。

为了分析考虑迂曲度复杂裂缝的裂缝簇数对支撑剂在裂缝内运移规律的影响,将单簇裂缝增加为多簇裂缝进行支撑剂在复杂裂缝中运移情况的探究;除裂缝簇数不同外,其他数值模拟计算参数与单段单簇完全相同。

如表6所示,支撑剂在多簇裂缝中的砂堤沉降形态是在每簇裂缝中均为双翼对称,阶梯状分布;并且在壁面效应的作用下,对应同一迂曲度下的不同簇裂缝中的砂堤外侧形态也基本一致;由于Y-Z方向裂缝迂曲的存在,裂缝无砂区内会随机地分布一些不规则砂团,悬砂区的面积随着R_a的增大而增大。

如图7 所示,平行直板裂缝体系中各簇砂堆高度存在显著差异。除第一簇呈不规则砂团外,第二、第三簇裂缝中的砂堆平均高度相差 5.79 cm。R_a=0 时,第一簇与第二簇的平均砂堆高度几乎一致,仅相差 0.04 cm,砂堆形态高度相似;第三簇的砂堆形态虽与前两簇相近,但其平均高度低 5.58 cm。

当R_a=50、200 和 800 时,各簇裂缝的砂堆形态整体趋于一致。其中,R_a=50与R_a=200 工况下第二簇的平均砂堆高度仍略高于其余两簇;而在R_a=800 时,砂堆高度随裂缝距入口距离的增加而降低,如表6所示,支撑剂在多簇裂缝中的砂堤沉降形态是在每簇裂缝中均为双翼对称,阶梯状分布;并且在壁面效应的作用下,对应同一迂曲度下的不同簇裂缝中的砂堤外侧形态也基本一致;由于Y-Z方向裂缝迂曲的存在,裂缝无砂区内会随机地分布一些不规则砂团,悬砂区的面积随着R_a的增大而增大。

当R_a=50、200 和 800 时,各簇裂缝的砂堆形态整体趋于一致。其中,R_a=50与R_a=200 工况下第二簇的平均砂堆高度仍略高于其余两簇;而在R_a=800 时,砂堆高度随裂缝距入口距离的增加而降低,各簇平均砂堆高度差分别为 0.67 cm 和 0.75 cm,簇间差异显著缩小。

随着裂缝迂曲度的增加,各簇进砂不均匀程度依次为 25.8%、10.12%、7.72%、4.37%、6.61%,表明簇间进砂逐渐趋于均衡,竞争性分流现象明显减弱。

如图8所示,当R_a≤ 50 时,各簇裂缝的进砂量随迂曲度增大而逐渐减小。对于平直板裂缝及迂曲度较低的裂缝而言,其缝面相对光滑、壁面效应较弱,即便进入裂缝的颗粒数量较大,也难以在裂缝内形成有效滞留;而高迂曲度裂缝由于缝面更加复杂,壁面效应与水动力干扰更为显著,可有效降低携砂液对颗粒的曳力,使更多颗粒在裂缝中沉降。因此,随着R_a的增大,裂缝内砂堤的充填程度及平均高度均呈升高趋势,各簇充填比例亦由平直板条件下的 11.76%、8.38% 提高至 17.21%、17.30%、14.68%,砂堆起伏度亦随砂堆高度与充填比例的增加而升高。

当 50 < R_a≤ 800 时,各簇裂缝的进砂量显著增加,增幅约为 50%;但砂堆平均高度却大幅下降,降幅约达 67%,充填比例与砂堆起伏度也随迂曲度进一步增大而明显降低。由此可见,除进砂量与R_a呈正相关外,砂堆平均高度、充填比例及砂堆起伏度均与R_a呈显著负相关。

综上,当R_a增长至一定阈值后,迂曲度增加所带来的壁面复杂性对颗粒滞留的促进作用不再显著。反之,在相同裂缝长度与宽度条件下,更高的迂曲度使裂缝内部等效空隙体积增大,需要更多颗粒才能实现有效填充。同时,复杂缝壁强化了流体的壁面阻滞与水动力扰动,使携砂液速度进一步降低,大量颗粒在裂缝无砂区发生无序沉积并形成不规则砂团;悬砂区多分布于Y-Z方向的曲折部位,难以沉降至 X-Y方向的砂堆区域,从而导致整体铺砂效率下降。

4 结论

(1)砾岩裂缝迂曲度与起伏度具有典型的多尺度分布特征。大型物理模拟实验表明,约 94.3% 的迂曲度分布于 0.1~2.0,内部相对起伏度集中于 0~500。裂缝三维起伏是控制流—固耦合过程的关键几何因素。

(2)构建了适用于砾岩储层的三维多方向迂曲裂缝模型。基于相似理论将实验尺度等效至工程尺度,建立了包含井筒—多簇互作、三维缝面起伏和粗糙壁面特征的几何模型,可真实表征多簇裂缝传播与分流环境。

(3)模型具有可靠性并可用于工程预测。与文献实验对比显示,模拟与实验的砂堆高度相对误差为 6.3%,砂堆形态一致性良好,模型适用于评估迂曲裂缝中的支撑剂沉积趋势,为砾岩压裂优化提供定量参考。

(4)迂曲度决定多簇竞争分流与进砂差异。当R_a为1.0~1.5 时,进砂不均匀性显著增强;迂曲度越高,主缝越易形成局部高阻区,促使流体偏向次级簇,从而产生明显的簇间砂量差异。

(5)迂曲裂缝显著改变支撑剂运移方式。迂曲结构导致局部流速降低与颗粒滞留区形成,使砂堆高度在窄缝处显著升高,推动支撑剂沉降行为呈现“分段式堆积-局部再输运”的复杂响应。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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