刘浩琦, 陈富红, 余致理, 龚伟, 罗西, 林魂

油气藏评价与开发 2025, 15 (3): 528-536. DOI:10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.2025.03.021

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水力压裂作为页岩气藏开发的重要技术，如何有效提高深层页岩储层“狭长缝”内的支撑剂铺置效果成为目前亟须解决的难题。研究基于模拟深层页岩储层狭长裂缝的平板实验装置，对压裂液黏度、注入排量、支撑剂粒径、加砂质量浓度、裂缝宽度、支撑剂类型等参数进行对比实验，以了解支撑剂颗粒在深层页岩储层狭长裂缝内的沉降运移规律。结果表明：与宽缝相比，相同条件下支撑剂颗粒在深层页岩狭长缝内形成的砂堤前缘坡度降低，前后砂堤高度差距减少，支撑剂颗粒的整体铺置效果更加均匀平缓；在深层页岩狭长缝内，末端砂堤面积占整体砂堤面积的比重随压裂液黏度、注入排量的增大而增大，而加砂质量浓度对其影响程度较低；微小粒径支撑剂颗粒同样对末端砂堤的铺置具有促进作用，并且更有利于整体砂堤的均匀铺置；深层页岩狭长缝内裂缝宽度的收缩对收缩前裂缝内的砂堤铺置无明显影响，但会阻碍收缩后裂缝内支撑剂颗粒的流动铺置。收缩后裂缝内砂堤的覆盖面积减小，平衡高度降低，砂堤整体铺置更加均匀。但支撑剂的沉降量减少，同时增大了深层页岩储层裂缝有效压裂支撑的难度。该实验研究成果可为深层页岩储层的压裂改造设计提供有力的支撑。

图2为实验2覆膜陶粒在不同时刻狭长缝内的砂堤形态。当t为155 s时（图2a），在滑溜水的携带和自身重力作用下，支撑剂颗粒从右边入口流向左边出口，同时逐渐沉积在平板裂缝底部非均匀铺置，形成具有一定高度的砂堤。当t为315 s时（图2b），支撑剂颗粒更多地沉降在裂缝出口端附近，裂缝入口端支撑剂颗粒沉积较少。裂缝内的流动区域呈现出3处支撑剂质量浓度存在明显差异的区域，分别为砂堤区、悬浮区、无砂区。通过对比t为315、465、560 s时3个不同时刻裂缝内支撑剂分布情况（图2b—图2d）发现：随着实验时间的增加，砂堤区逐渐增大，悬浮区边界逐渐上移，无砂区相对减少。产生这种现象主要有以下两个原因：一是支撑剂颗粒的不断沉积，砂堤区高度上升，悬浮区下限上移；二是相比宽缝而言，狭长缝内砂堤区面积变化对携砂液的过流断面的影响更大，砂堤区面积增加，流体的过流断面减小，流体流速增大，支撑剂颗粒在水平方向上的运移更高更远，因此，悬浮区上限上移。同时，当t为465 s时，入口处悬浮区内可观察到支撑剂颗粒出现明显团簇现象（图2c）。其原因在于与清水相比，具有一定黏度的滑溜水引起支撑剂颗粒出现空间非均质性的聚团效应。在这种聚团效应的作用下，支撑剂颗粒进入裂缝后立刻发生快速沉降，向入口端的颗粒损耗区迅速填充，导致入口端的砂堤形态逐渐趋于平行。当t为800 s时，平板裂缝中间段的部分支撑剂颗粒由于表面剪切力大于自身所受浮力，故在砂堤表面发生滑移（图2e），逐渐向出口端砂堤进行堆积，同时伴随着支撑剂颗粒的沉降，共同引起出口端砂堤高度上升。从t为465 s到t为800 s，砂堤前缘高度由8 cm增至26 cm，而出口端砂堤高度由12 cm增至24 cm，增幅仅为入口端的44%。当实验进行到1 200 s时，平板裂缝底部砂堤区铺置达到平衡，砂堤形态固定不变，悬浮区及无砂区也达到稳定状态。平衡后，测得砂堤前缘坡度为3°，前缘砂堤几乎与平板垂直铺置，平衡高度的百分比和覆盖面积的百分比分别为27%和48%，入口端砂堤高度为28 cm，出口端的砂堤高度为36 cm，前后砂堤高度相差8 cm（图2f）。