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為了改進(jìn)不均勻的流體和支撐劑分散進(jìn)入每個(gè)預(yù)放置的儲(chǔ)層集群，采用數(shù)值模型來(lái)研究一種顆粒發(fā)散體系在特定井下條件下優(yōu)化儲(chǔ)層刺激或促產(chǎn)策略的有效性。正如對(duì)不同非傳統(tǒng)儲(chǔ)層多口井的統(tǒng)計(jì)分析那樣，近三分之一計(jì)劃的儲(chǔ)層集群可能并不活躍，無(wú)法返流碳?xì)浠衔?，原因是這些儲(chǔ)層集群水力壓裂的效率太低。對(duì)于那些非生產(chǎn)性儲(chǔ)層集群，不能形成水壓裂縫或裂縫無(wú)法完全傳播到更遠(yuǎn)的區(qū)域，因此裂縫發(fā)育的數(shù)量和程度遠(yuǎn)小于預(yù)期。

這一異?，F(xiàn)象主要?dú)w結(jié)于井筒附近水壓裂縫的萌生和延伸情況。為了充分了解這一意想不到的現(xiàn)象、最大程度地提高裂縫波及率、使投入的資產(chǎn)獲得最大產(chǎn)能，各石油公司一直在尋找切實(shí)可行的解決方案。裂縫潛能的變化是多種地質(zhì)力學(xué)和儲(chǔ)層特性的復(fù)雜函數(shù)，這種變化可以改變裂縫的萌生和延伸。

固體顆粒發(fā)散劑

現(xiàn)場(chǎng)觀察和三維（3D）數(shù)值模擬建議可以在近井筒區(qū)域沖洗出一種復(fù)雜的水力沖擊裂縫形狀。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，采用固體顆粒發(fā)散劑來(lái)有效阻斷現(xiàn)有的流體進(jìn)入，引導(dǎo)非傳統(tǒng)儲(chǔ)層在壓裂和再壓裂處治過(guò)程中的流體分布。一種先進(jìn)的顆粒發(fā)散體系已獲得成功開(kāi)發(fā)，并被廣泛用于井內(nèi)流體的發(fā)散處治，包括水力壓裂和儲(chǔ)層基質(zhì)酸化。與現(xiàn)有技術(shù)和發(fā)散劑不同，下一代的顆粒發(fā)散劑可適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行設(shè)計(jì)，用于具有時(shí)間效率的階段性發(fā)散和緊密間隔的裂縫的形成，而且，其自降解能力可省去一些暫時(shí)密封處理的成本和時(shí)間。

壓裂和再壓裂作業(yè)過(guò)程中，為了確保固體顆粒發(fā)散劑成功發(fā)散，需根據(jù)儲(chǔ)層和井筒情況對(duì)顆粒發(fā)散劑進(jìn)行優(yōu)化。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，建議要充分了解擠進(jìn)和堵塞的基本機(jī)理，這會(huì)最終有益于所選顆粒發(fā)散劑的設(shè)計(jì)和泵入策略?；谖锢韺W(xué)和發(fā)散的力學(xué)特性，以下介紹一種綜合設(shè)計(jì)的工作流程，意在指導(dǎo)顆粒發(fā)散劑的設(shè)計(jì)和使用。

擠進(jìn)和堵塞過(guò)程

在前人工作的基礎(chǔ)上，工程師們重點(diǎn)研究了固體顆粒設(shè)計(jì)對(duì)擠進(jìn)和堵塞過(guò)程的影響以及相關(guān)的壓裂效率。新的分析表明，新興的發(fā)散劑能在惰性儲(chǔ)層集群中產(chǎn)生額外的流道，從而在流體發(fā)散處理時(shí)可以增加儲(chǔ)層疏通的體積。

方法和工作流程。為了評(píng)價(jià)和優(yōu)化顆粒發(fā)散在再壓裂過(guò)程中的應(yīng)用，進(jìn)行了全面的地質(zhì)力學(xué)分析。工程師們利用計(jì)算流體力學(xué)/離散單元法建模，簡(jiǎn)稱(chēng)CFD-DEM，以及一種3D裂縫模擬裝置來(lái)模擬顆粒的運(yùn)移、流體發(fā)散和相關(guān)的再壓裂過(guò)程。預(yù)測(cè)了附近儲(chǔ)層和井筒狀況下總的儲(chǔ)層疏通體積和相關(guān)產(chǎn)能，比較了不同的設(shè)計(jì)方案。采用CFD-DEM對(duì)顆粒漿液在注液過(guò)程中的運(yùn)移情況和流體發(fā)散過(guò)程中逐次堵塞的效果進(jìn)行了建模。

幾個(gè)相關(guān)聯(lián)的CFD-DEM模型能夠模擬顆粒—顆粒、顆粒—流體和顆粒—張開(kāi)的相互作用，其作用決定了發(fā)散漿液的位移和堵塞現(xiàn)象。圖1為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的CFD-DEM模型。這幾個(gè)模型已根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了校準(zhǔn)，包括不同顆粒的表征、張開(kāi)的形狀、流體的流變學(xué)及泵入的條件。校準(zhǔn)的CFD-DEM引擎可以被定制，以優(yōu)化特定場(chǎng)所實(shí)施時(shí)所需的流量條件和發(fā)散特性。

一種3D水壓裂縫傳播模擬裝置，加之采用了與其它建模程序的組合方案，確定了動(dòng)態(tài)流體流動(dòng)和偽靜態(tài)顆粒沉積兩種形態(tài)都參與了流體的發(fā)散過(guò)程。考慮到建模工具的基本機(jī)理和可用的復(fù)雜性，提出了一種工程設(shè)計(jì)工作流程和顆粒發(fā)散應(yīng)用的綜合分析，圖2示意了設(shè)計(jì)流程和綜合分析，由四個(gè)主要步驟組成。
 
圖2

顆粒設(shè)計(jì)

服務(wù)提供商決定專(zhuān)注于篩目顆粒設(shè)計(jì)，以確定這些設(shè)計(jì)是否會(huì)對(duì)再壓裂應(yīng)用過(guò)程中的促產(chǎn)效率有影響。在帶有固體顆粒的流體發(fā)散處理中，發(fā)散劑應(yīng)與地面設(shè)施攜帶的流體進(jìn)行混合。然后，入井的混合漿液被泵入井筒，漿液可流入其通過(guò)的任何打開(kāi)的流道。當(dāng)通過(guò)這些流道的開(kāi)口時(shí)，顆粒發(fā)散劑會(huì)從攜帶的漿液中沉淀下來(lái)，在流道開(kāi)口處形成塞滿或卡住的結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，額外的固體顆粒層可逐漸地從含顆粒的漿液中沉降，形成過(guò)橋流道，限制刺激液或促產(chǎn)液的通過(guò)。
這樣，促產(chǎn)液會(huì)被迫進(jìn)入具有挑戰(zhàn)性的儲(chǔ)層區(qū)域，這些區(qū)域促產(chǎn)液通常是不會(huì)進(jìn)去的。動(dòng)態(tài)流體流動(dòng)和顆粒聚集都參與了漿液的散流過(guò)程。從廣泛的調(diào)研中，我們對(duì)擠進(jìn)和堵塞機(jī)理的理解在本節(jié)中進(jìn)行了總結(jié)。根據(jù)我們的發(fā)現(xiàn)，一種固體雙顆粒可降解體系可被選擇為漿液發(fā)散的臨時(shí)發(fā)散劑。在本研究中，兩種不同大小的顆粒包含有憩室藥丸。見(jiàn)圖3，自降解顆粒發(fā)散劑的二元體。
  
圖3
在新的實(shí)驗(yàn)中，這些顆粒的混合物被證明能有效堵塞裂縫的開(kāi)口，形成一種具有承受重新定向壓裂液、暫時(shí)密封儲(chǔ)層所需壓力的健全能力。從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析中觀察到，為了使?jié){液發(fā)散，基礎(chǔ)物理學(xué)決定了雙顆粒漿液體系對(duì)通道開(kāi)口擠進(jìn)和后續(xù)堵塞的機(jī)理。在這一漸進(jìn)的封堵過(guò)程中，相對(duì)較大的顆粒主要用于堵塞開(kāi)口，形成一個(gè)穩(wěn)定的阻塞結(jié)構(gòu)。隨后，較小的顆?？梢栽谳^大顆粒之間的空隙空間內(nèi)滯留和聚集，以降低阻塞結(jié)構(gòu)的孔隙度和滲透率。這樣，就可以建立一個(gè)限制流體流動(dòng)通過(guò)開(kāi)口的臨時(shí)堵塞。

工程師們研究了創(chuàng)建一個(gè)穩(wěn)定阻塞結(jié)構(gòu)的概率，這是后續(xù)封堵過(guò)程的先決條件。圖4為顆粒大小和形狀對(duì)擠進(jìn)效率的影響，球形對(duì)柱形的實(shí)驗(yàn)測(cè)試以及不同開(kāi)口尺寸的數(shù)值分析，表明顆粒大小和形狀決定了擠進(jìn)過(guò)程的穩(wěn)定性和效率，一旦建立起成功的阻塞結(jié)構(gòu)，就可以形成密封，用于預(yù)期的壓力積累和流體發(fā)散。
 
圖4
為了評(píng)價(jià)相關(guān)的密封效率，采用不同的數(shù)據(jù)源來(lái)確定擠進(jìn)和密封過(guò)程的效率，并在雙顆粒發(fā)散體系的工程設(shè)計(jì)中對(duì)顆粒的聚集狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。二元混合物可以有效阻塞開(kāi)口，積累流體壓力，減弱因其最佳顆粒塞滿的流體流動(dòng)，其中小顆粒成分起到了重要作用。對(duì)于實(shí)際情況而言，可通過(guò)運(yùn)行相關(guān)聯(lián)的CFD-DEM模擬和分析模型來(lái)生成設(shè)計(jì)建議，這些建議定義了與機(jī)械穩(wěn)定性（擠進(jìn)）和壓力積累（密封）有關(guān)的有利條件。根據(jù)所需的壓差和開(kāi)口的形狀，可以掌控和優(yōu)化所提出的發(fā)散體系的工程設(shè)計(jì)，以確保流體發(fā)散的有效性。

案例研究

根據(jù)選定的顆粒設(shè)計(jì)，采用了一種3D裂縫模擬裝置對(duì)壓裂過(guò)程進(jìn)行建模。預(yù)測(cè)了總的儲(chǔ)層疏通體積和相應(yīng)的產(chǎn)量，對(duì)比不同設(shè)計(jì)方案之間的壓裂效率。根據(jù)從一口水力壓裂的水平井獲得的一組數(shù)據(jù)建立了一個(gè)地質(zhì)力學(xué)模型。該井位于南美洲的一個(gè)致密氣田，是在最小水平應(yīng)力方向（325°）的情況下鉆成的，這口井所鉆地層的平均滲透率為0.1mD（毫達(dá)西），孔隙壓力梯度為0.5psi/ft。在最初的完井設(shè)計(jì)中，以每級(jí)9個(gè)儲(chǔ)層集群進(jìn)行10級(jí)分步完井，圖5示意了完井設(shè)計(jì)。

圖5
研究中，我們分析了6級(jí)分步射孔壓裂作業(yè)。最初在原先的設(shè)計(jì)（基本案例）中，采用65 bpm（桶/分鐘）的速率、以每級(jí)注入60min的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行了即封堵即射孔壓裂作業(yè)。每一級(jí)，由于采用了即封堵即射孔 + 壓裂發(fā)散的方法，我們觀察到壓力略有增加，圖6示意了各級(jí)射孔之間的常規(guī)機(jī)械隔離。
 
圖6
為了量化完井設(shè)計(jì)和泵入策略對(duì)促產(chǎn)效率及總的儲(chǔ)層疏通體積的影響，我們對(duì)其進(jìn)行了敏感性分析。在敏感性分析中，為使顆粒發(fā)散所采取的機(jī)械隔離方法（即封堵即射孔）被下一代顆粒發(fā)散劑所取代。在每一級(jí)的壓裂促產(chǎn)時(shí)（級(jí)內(nèi)發(fā)散），工程設(shè)計(jì)用來(lái)計(jì)算這些發(fā)散劑的濃度。比較兩種情況預(yù)測(cè)的壓力響應(yīng)，很明顯，采用下一代顆粒發(fā)散劑可更有效地促成顆粒發(fā)散，見(jiàn)圖7所示，圖7示意了級(jí)內(nèi)的顆粒發(fā)散。
 
圖7
與傳統(tǒng)的機(jī)械隔離技術(shù)相比，由于顆粒發(fā)散劑的出現(xiàn)，每一級(jí)的壓力增加都更高了。為了了解裂縫的生成和促產(chǎn)效率，我們分析了每個(gè)儲(chǔ)層集群中分布的流體體積，這將有助于我們了解每個(gè)案例總的儲(chǔ)層疏通體積。圖8示意了壓裂促產(chǎn)效率。
 
圖8
圖8比較了不同設(shè)計(jì)方案6個(gè)促產(chǎn)分級(jí)射孔之間壓裂液總的體積分布。與采用了工程設(shè)計(jì)的案例（增產(chǎn)案例）相比，非工程設(shè)計(jì)的案例（基本案例），從初始儲(chǔ)層集群的第2、3和5級(jí)壓裂的情況來(lái)看，所產(chǎn)生的裂縫較少。對(duì)于改進(jìn)的案例（增產(chǎn)案例），從第2級(jí)壓裂的三個(gè)儲(chǔ)層集群的情況來(lái)看，裂縫可能最初就得以形成且得到了延伸。這種工程設(shè)計(jì)是基于發(fā)散體系和井筒狀況的特征提出的。只有少量流體通過(guò)放置的發(fā)散包才能產(chǎn)生顯著的壓差和有效的流體散流。因此，所有的流體都能擴(kuò)散到非活性的儲(chǔ)層集群中，使未被刺激的區(qū)域產(chǎn)生裂縫。如果所有的能量都能得到適當(dāng)?shù)睦茫湍墚a(chǎn)生更多的裂縫，最大限度地增大儲(chǔ)層的疏通體積，從而增加產(chǎn)量。
改進(jìn)的設(shè)計(jì)（對(duì)18個(gè)儲(chǔ)層集群進(jìn)行5級(jí)分步射孔壓裂作業(yè)）。工程團(tuán)隊(duì)研究了將兩級(jí)合并為一級(jí)射孔壓裂的效果，以減少分級(jí)射孔壓裂的總數(shù)（每個(gè)合并的級(jí)以65bpm的速率注液2小時(shí)），但儲(chǔ)層集群的總數(shù)與初始設(shè)計(jì)保持不變，見(jiàn)圖9所示。
 
圖9
為了提高堵塞和射孔技術(shù)的效率，工程團(tuán)隊(duì)采用下一代顆粒發(fā)散劑和預(yù)測(cè)的壓力響應(yīng)來(lái)“提高效率”。圖10示意了兩種設(shè)計(jì)方案：堵塞 + 射孔 + 向儲(chǔ)層壓裂下一代顆粒發(fā)散劑；堵塞 + 射孔 + 下一代顆粒發(fā)散劑壓裂作業(yè) + 級(jí)內(nèi)的下一代顆粒發(fā)散劑壓裂作業(yè)。
 
圖10
檢查顯示，采用下一代顆粒發(fā)散劑，發(fā)散獲得了更有效的實(shí)施。為了了解裂縫的形成和壓裂效率，工程師們分析了每個(gè)儲(chǔ)層集群中分布的流體體積，這有助于確定每個(gè)案例總的儲(chǔ)層疏通體積。
 
圖11
圖11示意了堵塞 + 射孔 + 下一代顆粒發(fā)散劑壓裂作業(yè)的促產(chǎn)效率。比較了兩種不同設(shè)計(jì)方案6級(jí)分步促產(chǎn)射孔壓裂之間壓裂液總的體積分布。與改進(jìn)的、采用工程設(shè)計(jì)的顆粒發(fā)散劑的方案相比（增加效率的案例），非工程設(shè)計(jì)（基本案例）的案例， 從第1、2、3和4級(jí)分步壓裂的情況來(lái)看，產(chǎn)生的裂縫較少。從改進(jìn)的設(shè)計(jì)案例（提高效率的案例）的情況來(lái)看，從增加的流體體積的分布推斷，產(chǎn)生了更多的裂縫。這一工程設(shè)計(jì)是根據(jù)顆粒發(fā)散體系和井筒狀況的特征提出的。只有少量流體通過(guò)放置的發(fā)散包才能產(chǎn)生顯著的壓差和有效的流體散流。因此，所有的流體都能擴(kuò)散延伸到非活性的儲(chǔ)層集群中，使未被刺激的區(qū)域產(chǎn)生裂縫。
 
圖12
圖12示意了堵塞 + 射孔 + 下一代顆粒發(fā)散劑 + 級(jí)內(nèi)的下一代顆粒發(fā)散劑壓裂作業(yè)的促產(chǎn)效率。比較了兩種不同設(shè)計(jì)方案6級(jí)分步促產(chǎn)射孔壓裂之間壓裂液總的體積分布。與組合設(shè)計(jì)的案例相比，非工程設(shè)計(jì)的案例（基本案例）， 從第2和第3級(jí)分步壓裂的情況來(lái)看，產(chǎn)生的裂縫較少。而組合設(shè)計(jì)的案例，從增加的流體體積的分布推斷，產(chǎn)生了更多的裂縫。
這一工程設(shè)計(jì)是根據(jù)顆粒發(fā)散體系和井筒狀況的特征提出的。只有少量流體通過(guò)放置的發(fā)散包才能產(chǎn)生顯著的壓差和有效的流體散流。因此，所有的流體都能擴(kuò)散延伸到非活性的儲(chǔ)層集群中，使未被刺激的區(qū)域產(chǎn)生裂縫。如果所有的能量都能得到適當(dāng)?shù)睦茫湍墚a(chǎn)生裂縫處治案例研究表明，顆粒設(shè)計(jì)可以工程化進(jìn)行，以提高顆粒的發(fā)散效率，優(yōu)化發(fā)散劑的使用。本文提出的設(shè)計(jì)流程和分析方法將會(huì)更好地讓石油公司或作業(yè)者設(shè)計(jì)和定制固體顆粒，實(shí)現(xiàn)有效的流體發(fā)散。最后，工程設(shè)計(jì)工作流程還可以前瞻性地?cái)U(kuò)展到再壓裂以及用于儲(chǔ)層酸化的酸液分散。