0 引言
为进一步描述支撑剂在储层压裂改造迂曲粗糙裂缝内的运移输送行为，本文采用铸模工艺对致裂的大尺寸致密砂岩露头裂缝面进行立体重建，拓印出反映真实粗糙壁面特征的可视化粗糙裂缝模型，并搭建一套大型可视化粗糙裂缝支撑剂运移实验装置。基于该装置系统研究支撑剂在迂曲粗糙裂缝内的典型运移特征及内在机制，分析裂缝倾斜程度、裂缝宽度以及压裂液黏度对支撑剂在粗糙壁面裂缝内运移和铺置的影响规律。研究结果有助于深化对储层压裂改造粗壁面糙裂缝中支撑剂运移行为及机理的认识，为支撑剂泵注参数优化设计提供理论支撑。
1 实验装置与方案
1.1 实验装置
为了更准确地还原储层压裂改造中人工裂缝粗糙形态特征影响下的支撑剂运移行为，本文选用鄂尔多斯盆地野外致密砂岩大尺寸露头进行劈裂造缝，以获得与水力压裂人工裂缝类型相同、特征相近的拉张型裂缝。图1a 和图1b 分别给出了岩样劈裂后的粗糙裂缝面以及利用高精度三维激光扫描仪扫描得到的裂缝表面不同位置高度图像。采用立方体覆盖法计算得到该裂缝面的分形维数为2.27。然后基于该裂缝利用硅胶、树脂等材料，采用铸模工艺分别拓印劈裂裂缝两侧壁面，进而得到具有真实裂缝表面粗糙形态特征的大型可视化裂缝模型。图1c 给出了制作的粗糙裂缝模型的正视图和侧视图，可以看出制作得到的裂缝模型具有明显的迂曲、粗糙特征。
1.2 实验方案
为研究支撑剂在压裂改造形成的粗糙裂缝中的典型运移特征，本文选择现场作业中常见的压裂材料和施工参数进行方案设计。
胍胶具有优异的增黏效果和携砂性能，是当前现场压裂施工中广泛应用的压裂液稠化剂。因此，实验中采用自来水与胍胶配制胍胶质量分数分别为0.25%，0.30%，0.35%的3种压裂液，同时为了保证实验工作流体的透光性而未使用其他添加剂。由于模型中裂缝的长度和高度按比例缩放，而裂缝的宽度与实际接近，实验中选择现场常用的425/212 μm（40/70目）石英砂支撑剂。所选支撑剂的粒径为212~425 μm，视密度为2.64 g/cm3，圆度、球度均为0.7。实验中砂比为10%。
如前所述，除了裂缝模型尺寸与实际水力裂缝尺寸需要满足几何相似外，实验工作流体泵注与实际裂缝中压裂液流动还需要满足动力相似。由于压裂液在裂缝内的流动主要受黏滞力的影响，因此选择雷诺相似准则进行动力相似计算，计算公式如下：
$\frac{{{\rho }_{\text{s}}}{{v}_{\text{s}}}{{d}_{\text{s}}}}{{{\mu }_{\text{s}}}}=\frac{{{\rho }_{\text{m}}}{{v}_{\text{m}}}{{d}_{\text{m}}}}{{{\mu }_{\text{m}}}}$
由于裂缝模型宽度与实际裂缝宽度接近，并且配制的3种压裂液密度在1.01 g/cm3左右，与现场实际使用的胍胶压裂液密度接近，因此由（1）式可得：
${{v}_{\text{m}}}=\frac{{{\mu }_{\text{m}}}{{v}_{\text{s}}}}{{{\mu }_{\text{s}}}}$
对于非常规油气储层水力压裂中使用的胍胶压裂液，其黏度超过80 mPa·s时一般能够满足携砂要
表1 实验方案设计 |
| 实验 编号 | 裂缝与垂直方向夹角/(°) | 裂缝 宽度/mm | 胍胶质量 分数/% | 流体黏度/ (mPa·s) | 泵注排量/ (L·min-1) | 砂比/ % |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 2.0 | 0.30 | 12 | 1.80 | 10 |
| 2 | 10 | 2.0 | 0.30 | 12 | 1.80 | 10 |
| 3 | 20 | 2.0 | 0.30 | 12 | 1.80 | 10 |
| 4 | 0 | 1.5 | 0.30 | 12 | 1.35 | 10 |
| 5 | 0 | 3.0 | 0.30 | 12 | 2.70 | 10 |
| 6 | 0 | 2.0 | 0.25 | 5 | 1.80 | 10 |
| 7 | 0 | 2.0 | 0.35 | 19 | 1.80 | 10 |
2 实验结果及分析
2.1 粗糙壁面裂缝内支撑剂运移特征
为了揭示支撑剂在粗糙壁面裂缝内运移的典型特征及其内在机制，选择平均裂缝宽度为2 mm的实验1进行分析，实验1中支撑剂的运移铺置过程如图3 所示。在光滑平面裂缝中，泵注进裂缝中的支撑剂通常先均匀地悬浮在流体中向前运移，然后在重力的作用下沉降铺置在裂缝底部形成平坦的砂丘[11,13]。从图3 可以看出，粗糙壁面裂缝内携砂液在注入初期（1~3 min）的流动形态呈现条纹状，说明悬浮在裂缝中的支撑剂分布不均匀，这是由于粗糙壁面裂缝内缝宽复杂变化，支撑剂颗粒往往沿着特定的优势流动通道运移。随着携砂液的持续泵注，裂缝内堆积的砂丘不断增长，直到高度达到一个相对平衡状态时不再变化。而与光滑平面裂缝内堆积的砂丘不同的是，粗糙壁面裂缝内的砂丘形态不规则且中间分散着空白未填充区域。
裂缝表面形态会对岩石裂缝中的流体流动和颗粒的运动行为产生影响。图4 给出了实验中携砂液在粗糙裂缝内流动时的一些典型特征，可以看出，与在光滑平面裂缝中规则有序的流动不同，携砂液在粗糙壁面裂缝中的流动表现出更强的复杂性。如图4a 所示，携砂液在进入粗糙壁面裂缝后，出现了窜流、反向流、绕流等多种流动行为。裂缝中的流体流动与流道形状密切相关，而裂缝流道的空间结构及缝宽分布受裂缝面粗糙特征的影响，因此携砂液在水力压裂产生的粗糙裂缝内流动时会出现复杂多变的流动行为。
在携砂液流动过程中支撑剂会在粗糙壁面裂缝中的一些区域发生桥接而聚集堆积，形成多种形状的支撑剂簇（见图4b ），使得携砂液的流动受到限制。图5 给出了当携砂液流经桥接堆积的支撑剂簇时该区域的流场分布，可以看出壁面粗糙特征对流体在裂缝内的流动产生明显影响，堆积的支撑剂簇会使流体发生绕流，从而改变支撑剂的运动状态，最终导致堆积的砂丘中出现未充填区域（见图4c ）。
通过对实验图像的观察可知，支撑剂在粗糙裂缝内运移时发生桥接并形成未充填区是区别于其在光滑平面裂缝内运移铺置行为最明显的特征。裂缝面粗糙特征对流道几何形状的影响最为直接[30]，以实验中平均缝宽2 mm的裂缝为例，给出了裂缝缝宽变化示意图如图6 所示：对于光滑壁面，在流道发生迂曲的部位会出现局部缝宽缩小的情况，尤其是在迂曲度变化较为剧烈的位置，缝宽的缩减值会更大，进而引起支撑剂桥接（见图6a ）；在相同的流道形状下，相比于光滑壁面，粗糙壁面裂缝在曲折位置处的有效宽度将进一步减小（见图6b ），增大了支撑剂运移过程中发生桥接的可能性。由于粗糙度的影响，裂缝的水力孔径通常低于机械孔径[31]，同时根据壁面边界层理论可知，当携砂液流经流道转弯处时，如图7 所示，在S1点为顺压梯度，作用在流体质点上的压力合力与流动方向一致；而当流体经过S2点之后，压力梯度为正，作用在流体质点上的压力合力与流动方向相反，并且在逆压梯度与黏性阻力的双重作用下，在S3点开始发生压裂液分离从而造成流动损失，不利于支撑剂的输送。因此支撑剂在粗糙裂缝内形状迂曲变化的位置更容易发生桥接堆积。
从以上分析中可以看出，与简化的光滑平面裂缝不同，水力压裂中裂缝壁面固有的粗糙特征会带来流道形状和流动模式的改变，造成复杂的流体流动和支撑剂桥接堆积，进而对支撑剂的运动行为和砂丘的铺置形态产生影响，最终影响人工裂缝的充填效果。
2.2 裂缝倾斜程度的影响
压裂改造时，储层地质特征（如应力分布、天然裂缝、层理等）可能会导致水力裂缝的扩展延伸轨迹在垂直方向上发生偏转，形成具有一定倾斜角度的裂缝。因此，实验1、实验2和实验3设置了3种与垂直方向呈不同夹角的裂缝，分别为0°（垂直），10°，20°，以此来研究支撑剂在倾斜水力裂缝中的运移和铺置特征。图8 给出了实验中支撑剂在不同倾斜程度裂缝中的运移和铺置过程，可以观察到裂缝的倾斜程度对支撑剂运移行为和砂丘分布形态影响显著。相较于垂直裂缝，在相同的注入时间下支撑剂在倾斜的裂缝中具有更远的运移距离，且铺置面积更大。这是由于裂缝在重力方向上的倾斜会增强颗粒与壁面的接触（碰撞、摩擦等）（见图9 ），并且在粗糙壁面裂缝中颗粒与壁面接触对颗粒沉降的影响会更加显著，进而导致支撑剂沉降速度降低，提升支撑剂的运移距离和分布范围。
此外，从图8 中还可以观察到随着裂缝倾斜程度增大，在裂缝中铺置的砂丘更容易发生突破窜流而形成新的支撑剂运移通道，而在Chun等[32]开展的平面倾斜裂缝内支撑剂运移实验中并未出现类似现象。这表明裂缝表面粗糙形态不仅会对携砂液的流动路径产生影响，同时还控制着支撑剂铺置的稳定性。
通过计算裂缝内堆积砂丘的正视图投影面积与裂缝模型的正视图投影面积之比可得支撑剂在裂缝中的铺置率。图11 给出了实验中不同裂缝倾斜程度对应的支撑剂铺置率随时间变化曲线，可以看出：随着时间增加，支撑剂铺置率呈现出先增加后平稳的变化趋势；支撑剂在裂缝内的铺置率和铺置效率均与裂缝的倾斜程度呈正相关，10°和20°倾斜裂缝中的铺置率相较于垂直裂缝分别增加了14.69，22.16个百分点。此外20°倾斜裂缝中的铺置率在泵注10 min之后有一定程度的降低，结合图8 和图10 可知这是因为裂缝内砂丘发生了明显的突破窜流，部分支撑剂被携带出裂缝模型。支撑剂在倾斜的粗糙壁面裂缝中不仅铺置率更高，同时能够更快地达到平稳状态，表明在储层改造过程中产生的倾斜裂缝容易获得更好的支撑。
2.3 裂缝宽度的影响
在储层压裂改造中，通常形成的主裂缝具有较大的宽度，而开启的天然裂缝或层理形成的分支裂缝宽度较小。此外，从对泵注压力曲线的分析中可以发现，不当的支撑剂尺寸可能会导致泵注超压从而对注入管线和设备产生不同程度的损害，且会对支撑剂在裂缝内的铺置率产生负面影响，不利于对人工裂缝形成有效支撑，因此泵注时选择合适的支撑剂尺寸至关重要。根据颗粒粒径与缝宽之比对裂缝内砂丘铺置的影响分析可知，在泵注过程中可考虑首先泵注小尺寸支撑剂对缝宽较小的分支裂缝进行支撑，而后选择合适尺寸的支撑剂充填主裂缝，进而通过有效利用分支裂缝来最大化提升储层改造体积。
2.4 压裂液黏度的影响
添加稠化剂调节压裂液黏度是提高压裂液携砂能力的主要途径。实验6、实验1和实验7通过添加0.25%，0.30%，0.35%的胍胶，得到黏度分别为5，12，19 mPa·s的压裂液，以此来研究不同压裂液黏度下支撑剂在粗糙裂缝中的运移铺置规律。图15 给出了不同压裂液黏度下支撑剂的运移铺置过程，可以看出压裂液黏度为5 mPa·s的实验6中，即低黏度压裂液情况下，注入的支撑剂更倾向于在入口处堆积，并且在注入的初期便铺置在整个裂缝中。在光滑平面裂缝内支撑剂运移的相关研究中，即使采用低黏低速压裂液也很少出现支撑剂完全铺置在裂缝中的现象，砂丘顶部和裂缝顶部之间总会存在一定高度的流动通道[12-13]。本文研究表明：在支撑剂的实际运移中，由于裂缝粗糙形态特征的影响，在近井地带可能出现将裂缝通道完全堵塞的情况，进而发生砂堵。此外，压裂液黏度为5 mPa·s的实验中，在支撑剂完全堵塞裂缝通道后，泵注压力明显上升，当压力超过一定值后堆积的砂丘出现突破窜流，同时注入压力急剧下降（见图16 ），形成了携砂液流动的优势流动通道，并且流动通道的路径随时间而变化，表明粗糙壁面裂缝中优势流动路径并不固定。
对于压裂液黏度为12 mPa·s和19 mPa·s的实验，从图15 中可以看出由于压裂液黏度的增大，对支撑剂的悬浮能力增强，支撑剂在裂缝内能够运移更远的距离。同时还可以观察到，增大压裂液黏度后削弱了支撑剂在裂缝粗糙度和迂曲度较大区域的桥接堆积现象，砂丘的分布更加均匀，同时在泵注携砂液时所需要的压力更低，即水力能量消耗更小（见图16 ）。这表明提高压裂液黏度能够在一定程度上抑制裂缝面粗糙特征引起的支撑剂桥接堵塞，有利于支撑剂在裂缝内的运移铺置。
3 结论
裂缝壁面粗糙形态特征影响缝宽和流道空间结构，使得携砂液流动模式和支撑剂运移行为复杂多变。粗糙壁面裂缝内支撑剂运移时易发生桥接堆积并形成未充填区，携砂液流场不均匀分布且存在窜流、反向流和绕流等多种流动形式。相较于光滑平面裂缝，粗糙壁面裂缝内铺置的砂丘稳定性差。
储层改造中产生的倾斜裂缝容易获得更好的支撑。支撑剂在倾斜裂缝中运移距离更远，铺置率和铺置效率更高；相较于垂直裂缝，10°和20°倾斜裂缝中的铺置率分别增加了14.69，22.16个百分点；随着粗糙壁面裂缝倾斜程度增加，裂缝内铺置砂丘的不稳定性增大，更容易发生突破窜流而形成新的支撑剂运移通道。
缝宽变化对支撑剂运移铺置影响显著。缝宽减小会使支撑剂在粗糙壁面裂缝内的运移出现更多的桥接堆积，同时注入压力曲线波动明显且水力能量需求更大。压裂中可首先泵注小尺寸支撑剂对较窄的分支裂缝进行支撑，而后选择合适尺寸的支撑剂充填主裂缝。
增大压裂液黏度能够削弱裂缝粗糙特征引起的支撑剂桥接堵塞。低黏度压裂液在粗糙壁面裂缝内携砂易堵塞裂缝，且砂丘突破窜流后的优势流动路径随时间而变化；高黏度压裂液能使粗糙裂缝内砂丘的分布更加均匀，并减少携砂液在裂缝内流动时的压力损耗。
符号注释：
ds，dm——压裂现场、实验模拟裂缝宽度，m；F——摩擦阻力，N；G——重力，N；u1，u2，u3——S1、S2、S3点处的速度场，m/s；vs，vm——压裂现场、实验模拟裂缝内流体流速，m/s；ρs，ρm——压裂现场、实验模拟裂缝内流体密度，kg/m3；μs——实际压裂液黏度，mPa·s；μm——实验工作流体黏度，mPa·s。