CN110501266A - 一种评价支撑剂砂堆纵向变形的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种评价支撑剂砂堆纵向变形的方法，主要步骤：将支撑剂均匀铺置在一块钢片上，用另一块相同的钢片覆盖在支撑剂上面；并分别在两块钢片的外侧面上放置活塞，组合形成测试单元；将测试单元放置于裂缝导流能力测试仪上，施加0.6MPa的压力将支撑剂砂堆压实，分别在钢片四角位置测量两块钢片之间的宽度，求其平均值；安装左、右位移计，利用压力控制系统将闭合压力从6.9MPa加至69MPa，增幅为6.9MPa，共10组，在每组加压停止且位移计稳定时，记录左、右位移计的数据，得到实验器材和支撑剂的总变形；作出砂堆厚度随压力的变化关系曲线图，采用杨氏模量表征支撑剂砂堆变形。本发明的评价方法弥补了现有技术中支撑剂砂堆变形研究的技术空白。
Description
技术领域
本发明涉及油气开采技术领域，特别是一种评价支撑剂砂堆纵向变形的方法。
背景技术
在压裂作业完成后，支撑裂缝受到闭合压力的影响，支撑剂颗粒几何尺寸收缩、支撑剂之间空隙减少、碎屑脱落和运移都会造成裂缝导流能力的下降。水力压裂中导流能力是评价该通道流动能力的关键因素。裂缝宽度是计算导流能力的主要参数。理想的支撑剂必须抵抗变形和断裂的嵌入，以保持裂缝宽度及导流能力。然而，在实际操作中，即使选择了适当的支撑剂，这也不可能实现。目前针对支撑剂砂堆的研究大部分是考虑支撑剂嵌入对裂缝导流能力的影响，而单独考虑支撑剂砂堆的变形规律的实验较少。由于支撑剂砂堆变形规律不明确，导致裂缝宽度计算不准确，导流能力预测存在偏差。本发明将通过开展支撑剂砂堆变形实验研究，分析支撑剂砂堆变形特征和主控因素，为裂缝导流能力预测提供依据。
发明内容
本发明的目的针对现有技术中缺少单独考虑支撑剂砂堆的变形规律的实验研究的现状，提供一种评价支撑剂砂堆纵向变形的方法。
本发明提供的评价支撑剂砂堆纵向变形的方法，包括如下步骤：
S1、称取总质量mc的支撑剂，采用电动振筛机及20目、30目、40目、50目、70目、100目的筛网对支撑剂进行粒径筛选并记录支撑剂压前粒径分布情况；
S2、将支撑剂均匀铺置在一块钢片上，所述钢片长17.8cm、宽3.8cm、厚0.5mm，两端部呈半圆形，用另一块相同的钢片覆盖在支撑剂上面；并分别在两块钢片的外侧面上放置活塞，组合形成测试单元；铺置支撑剂时，首先铺置一块钢片，然后把支撑剂铺置在钢片上并用十字架将支撑剂铺平，再将另一块钢片覆盖在支撑剂上。
S3、将测试单元放置于裂缝导流能力测试仪上，开启电源，手动施加0.5-0.7MPa的压力(优选0.6MPa的压力)将支撑剂砂堆压实，然后分别在钢片四角位置测量两块钢片之间的宽度，求其平均值；
S4、安装左、右位移计，然后重置位移显示屏上数据，关闭回油阀，使泵处于开启状态；
S5、利用裂缝导流能力测试仪的压力控制系统将闭合压力从6.9MPa加至69MPa，增幅为6.9MPa，共10组，在每组加压停止且位移计稳定时，记录左、右位移计的数据，得到实验器材和支撑剂的总变形；
S6、加压至69MPa并记录完该组数据后，打开回油阀卸压，取下测试单元，将压后的支撑剂再次进行粒径筛选，采用电动振筛机及20目、30目、40目、50目、70目、100目的筛网，记录压后支撑剂的粒径分布情况；
S7、器材校正：在两块钢片之间没有铺置支撑剂的情况下，重复支撑剂变形实验，将闭合压力从6.9MPa加至69MPa，增幅为6.9MPa，共10组，并在每组加压停止且位移计稳定时，记录左右位移计的数据，得到实验器材的变形；利用步骤S5得到的实验器材与支撑剂的总变形减去实验器材变形，得到支撑剂砂堆的变形；
S8、作出器材校正后砂堆厚度随压力的变化关系曲线图，得出砂堆厚度与压力的关系趋于线性关系，因此，采用杨氏模量表征支撑剂砂堆变形，杨氏模量计算公式如下：
式中，E—杨氏模量，MPa；σ—砂堆所受应力，MPa；ε—砂堆应变；
S9、计算支撑剂破碎率η，公式如下：
式中，η—支撑剂破碎率，mp—破碎支撑剂的质量，g；mc—支撑剂的总质量，g；
施压过程中大颗粒支撑剂被压碎，压后支撑剂中大颗粒的质量减少；破碎支撑剂的质量mp等于支撑剂中所有大颗粒支撑剂压前质量与压后质量的差值之和。
上述方法中，步骤S1中，改变称取的支撑剂总质量mc，然后进行后续的步骤S2-S9，研究不同铺砂浓度条件下的支撑剂砂堆纵向变形规律。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
其一、本发明提供了一种评价支撑剂砂堆纵向变形的方法，得出支撑剂砂堆厚度与压力的关系趋于线性关系，因此，采用杨氏模量表征支撑剂砂堆变形并计算出具体数值。该方法弥补了现有技术中缺少针对支撑剂变形研究评价方法。
其二、评价方法中采用钢片，钢片可以看作强度、硬度较高的岩板，在较高闭合压力作用下仍会嵌入，但使嵌入的程度减少，降低了嵌入对支撑剂砂堆变形的影响。采用的主要仪器是现有的裂缝导流能力测试仪，方法操作简单。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1、支撑剂铺置及实验器材示意图。
图2、器材校正前20/40目金刚陶粒砂堆厚度与压力关系图。
图3、实验器材校正后20/40目金刚陶粒砂堆厚度与压力关系图。
图4、实验器材校正后30/50目金刚陶粒砂堆厚度与压力关系图。
图5、实验器材校正后40/70目金刚陶粒砂堆厚度与压力关系图。
图6、实验器材校正后20/40目与30/50目按质量比例1:1混合的金刚陶粒砂堆厚度与压力关系图。
图7、实验器材校正后20/40目与30/50目按质量比例1.5:1混合的金刚陶粒砂堆厚度与压力关系图。
图8、实验器材校正后，石英砂砂厚度与压力关系图。
图9、20/40目金刚陶粒压前压后粒径分布对比图。
图10、30/50目金刚陶粒压前压后粒径分布对比图。
图11、40/70目金刚陶粒压前压后粒径分布对比图。
图12、20/40目与30/50目的金刚陶粒以1:1比例混合的压前压后粒径分布对比图。
图13、20/40目与30/50目的金刚陶粒以1.5:1比例混合的压前压后粒径分布对比图。
图14、石英砂3kg/m2的铺砂浓度压前压后粒径分布对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
陶粒和石英砂因其圆球度好，强度高，造价低等优点被作为支撑剂广泛使用，所以选择有代表性金刚陶粒和石英砂进行实验。
由于钢片强度较大，在实验中使用钢片，目的是不考虑钢片变形的影响，但实际情况是钢片在承压后仍有较大变形，且其他实验器材均有不同程度的变形。由于器材变形影响较大，且现有的数据不能求出真实的砂堆厚度，所以要进行校正实验。
一、实验器材校正
以20/40目的金刚陶粒为例。实验初期的校正未考虑器材变形，只减去钢片压实后的厚度，导致最后校正的缝宽在铺砂浓度较小及压力较大的时候为负，如图2显然不符合实际情况，所以需要进行除支撑剂以外的器材变形测试。
误差分析：首先，支撑剂砂堆上下铺置钢片的目的是不考虑支撑剂的嵌入，但实际情况是支撑剂会嵌入钢板，这是计算产生误差的原因之一；第二，需要安装的器材中的胶圈安装后会稍高于出器材，在受到较低压力时变形较小，仍会高于器材之上，当压力升高至69MPa，胶圈变形程度较大导致计算误差；第三，未考虑高压下的器材变形。综上所述，导致计算的不准确。由于支撑剂粒径嵌入钢片的深度很小，用肉眼并不能明显看出，因此，本实验对支撑剂砂堆变形规律的研究中不考虑支撑剂嵌入误差。
为避免过大误差，进行器材校正，在两块钢片之间不加陶粒的情况下重复支撑剂变形实验，同样将压力分十组加至69MPa，并记录每一组位移计稳定时的读数，实验器材随压力的变形测试数据见表1。利用步骤S5得到的实验器材与支撑剂的总变形减去实验器材变形，得到支撑剂砂堆的真实变形。
表1、实验器材随压力变形数据
| 压力/Mpa | 左位移/mm | 右位移/mm | 平均/mm | 测量宽度/mm |
| 0.6 | 0 | 0 | 0 | 17.7925 |
| 6.9 | 1.2689 | 1.276 | 1.27245 | 16.52005 |
| 13.8 | 1.604 | 1.605 | 1.6045 | 16.188 |
| 20.7 | 1.778 | 1.7685 | 1.77325 | 16.01925 |
| 27.6 | 1.8964 | 1.8612 | 1.8788 | 15.9137 |
| 34.5 | 1.9878 | 1.946 | 1.9669 | 15.8256 |
| 41.4 | 2.0805 | 2.0354 | 2.05795 | 15.73455 |
| 48.3 | 2.1503 | 2.1004 | 2.12535 | 15.66715 |
| 55.2 | 2.2086 | 2.1568 | 2.1827 | 15.6098 |
| 62.1 | 2.266 | 2.2149 | 2.24045 | 15.55205 |
| 69 | 2.3217 | 2.2717 | 2.2967 | 15.4958 |
二、经过实验器材校正后，支撑剂砂堆厚度变化规律情况如下：
(1)单一金刚陶粒
除去实验器材变形对数据的影响，20/40目金刚陶粒不同铺砂浓度的缝宽变化规律如图3所示。30/50目金刚陶粒砂堆厚度与压力关系如图4所示。40/70目金刚陶粒砂堆厚度与压力关系如图5所示。
(2)混合金刚陶粒
为讨论不同目数的金刚陶粒支撑剂以不同比例混合后杨氏模量的关系，将20/40目的金刚陶粒与30/50目的金刚陶粒以质量比1:1的比例和1.5:1的比例混合。最终得到的不同铺砂浓度的砂堆厚度与压力关系如图6和7所示。
(3)除陶粒外，石英砂也是常见的支撑剂之一，所以也选择石英砂进行实验，结果如下图8所示。
从上述图中可以看出，得出砂堆厚度与压力的关系趋于线性关系，因此，采用杨氏模量表征支撑剂砂堆变形。
另外，从上述图中可以看出，铺砂浓度为3kg/m2的砂堆厚度可能会在压力增大时减小，说明不加支撑剂的器材变形在加相同压力时小于支撑剂与器材的总变形，显然与客观经验不符。通过对实验过程分析，主要因素可能是，手动加压时压力控制不准确，该组支撑剂砂堆在初始加压时，将支撑剂砂堆压实时压力大于0.6MPa，导致校正之前的变形量偏大，导致校正后6.9MPa前的变形量减少。其次，在装置器材时支撑剂砂堆的铺置不平或不同大小的支撑剂在砂堆中分布方式不同，以及装置器材时对支撑剂砂堆的压实程度不同。以上因素都会影响到砂堆厚度的计算，使计算结果出现误差。
三、计算不同支撑剂砂堆的杨氏模量
根据上述的金刚陶粒的实验数据可得支撑剂砂堆厚度变化幅度如表2所示。
表2、不同支撑剂砂堆缝宽变化幅度
得到砂堆厚度变化规律后可以根据其应变和闭合压力计算杨氏模量。将支撑剂砂堆看做一个整体，根据校正后的数据计算出最终的变形量及应变，再根据已知的应力计算杨氏模量。因此根据69MPa下应力及应变所计算的得到的支撑剂砂堆杨氏模量如表3所示。
表3、支撑剂砂堆杨氏模量
四、金刚陶粒支撑剂受压前后粒径分布情况
(1)为得到支撑剂砂堆的粒径变化，变形实验前后都要进行支撑剂粒径大小的筛选，利用电动振筛机及20目、30目、40目、50目、70目、100目的筛网进行筛选，以金刚陶粒3kg/m2的铺砂浓度为例，压前压后粒径分布对比图如图9-13。图9是20/40目粒径分布对比图。图10是30/50目粒径分布对比图。图11是40/70目粒径分布对比图。图12是20/40目与30/50目的金刚陶粒以1:1比例混合的粒径分布对比图。图13是20/40目与30/50目的金刚陶粒以1.5:1比例混合的粒径分布对比图。图14是石英砂3kg/m2的铺砂浓度压前压后粒径分布对比图。
(2)破碎质量的占比计算方法
破碎率的计算主要依据SY/T5108-2006标准
式中，η—支撑剂破碎率；
mp—破碎样品的质量，g；
mc—支撑剂样品的质量，g；
考虑到压后减少的粒径质量一定是破碎所致，本实验中破碎样品质量的计算是通过较低目数的粒径即颗粒较大的粒径的压前质量与压后的质量差值之和计算而成。
(3)破碎比例的计算及分析
通过实验数据计算69MPa下金刚陶粒破碎比例如表4所示。
表4金刚陶粒破碎比例
| 铺砂浓度(kg/m<sup>2</sup>) | 20/40目 | 30/50目 | 40/70目 |
| 3 | 22.7％ | 16.5％ | 13.1％ |
| 5 | 15.8％ | 14.5％ | 9.7％ |
| 7 | 14.3％ | 6.6％ | 6.5％ |
| 10 | 16.1％ | 8.2％ | 7.8％ |
由表中数据可得，相同铺砂浓度下从20/40目到40/70目粒径的支撑剂破碎率逐渐增加，可初步得到结论粒径较低的支撑剂砂堆破碎率较低。同一种类支撑剂从3kg/m2到7kg/m2的铺砂浓度，破碎率逐渐降低，但铺砂浓度为10kg/m2时，破碎率又上升，因此推测在7kg/m2与10kg/m2的铺砂浓度中间存在一个最低破碎率的铺砂浓度，高于或低于此铺砂浓度都会导致破碎率的上升。或实验数据存在误差，破碎率随铺砂浓度升高而降低。
混合金刚陶粒破碎比例如表5所示。
表5、20/40目与30/50目混合金刚陶粒破碎比例
混合后的金刚陶粒在较低的铺砂浓度下，破碎率仍是随铺砂浓度升高而降低，20/40目：30/50目混合比例为1.5:1时破碎率较高。比例为1.5:1时的大粒径占比较高，因此大粒径支撑剂较高可能会导致破碎率的提升。
(3)石英砂破碎比例如表6所示。
表6、石英砂破碎比例
| 铺砂浓度(kg/m<sup>2</sup>) | 破碎比例 |
| 3 | 39.8％ |
| 5 | 34.1％ |
石英砂同样是在铺砂浓度较高的情况下破碎比例较低，且相同铺砂浓度的石英砂与金刚陶粒，石英砂的破碎质量的比例远高于金刚陶粒。在地层条件下，破碎后的残渣会阻塞流体运移，降低裂缝的渗透率，从而降低裂缝导流能力，因此石英砂不适合用于较深地层的裂缝支撑。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种评价支撑剂砂堆纵向变形的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、称取总质量mc的支撑剂，对支撑剂进行粒径筛选并记录支撑剂压前粒径分布情况；
S2、将支撑剂均匀铺置在一块钢片上，用另一块相同的钢片覆盖在支撑剂上面；并分别在两块钢片的外侧面上放置活塞，组合形成测试单元；
S3、将测试单元放置于裂缝导流能力测试仪上，开启电源，施加0.5-0.7MPa的压力将支撑剂砂堆压实，然后分别在钢片四角位置测量两块钢片之间的宽度，求其平均值；
S4、安装左、右位移计，然后重置位移显示屏上数据，关闭回油阀，使泵处于开启状态；
S5、利用裂缝导流能力测试仪的压力控制系统将闭合压力从6.9MPa加至69MPa，增幅为6.9MPa，共10组，在每组加压停止且位移计稳定时，记录左、右位移计的数据，得到实验器材和支撑剂的总变形；
S6、加压至69MPa并记录完该组数据后，打开回油阀卸压，取下测试单元，将压后的支撑剂再次进行粒径筛选，记录压后支撑剂的粒径分布情况；
S7、器材校正：在两块钢片之间没有铺置支撑剂的情况下，重复支撑剂变形实验，将闭合压力从6.9MPa加至69MPa，增幅为6.9MPa，共10组，并在每组加压停止且位移计稳定时，记录左右位移计的数据，得到实验器材的变形；利用步骤S5得到的实验器材与支撑剂的总变形减去实验器材变形，得到支撑剂砂堆的变形；
S8、作出器材校正后砂堆厚度随压力的变化关系曲线图，得出砂堆厚度随压力变化曲线为直线，因此，采用杨氏模量表征支撑剂砂堆变形，杨氏模量计算公式如下：
式中，E—杨氏模量，MPa；σ—砂堆所受应力，MPa；ε—砂堆应变；
S9、计算支撑剂破碎率η，公式如下：
式中，η—支撑剂破碎率，mp—破碎支撑剂的质量，g；mc—支撑剂的总质量，g；
施压过程中大颗粒支撑剂被压碎，压后支撑剂中大颗粒的质量减少；破碎支撑剂的质量mp等于支撑剂中所有大颗粒支撑剂压前质量与压后质量的差值之和。
2.如权利要求1所述的评价支撑剂砂堆纵向变形的方法，其特征在于，步骤S1和S6中均采用电动振筛机及20目、30目、40目、50目、70目、100目的筛网对压前和压后支撑剂进行筛选，并记录支撑剂粒径分布情况。
3.如权利要求1所述的评价支撑剂砂堆纵向变形的方法，其特征在于，所述钢片长17.8cm、宽3.8cm、厚0.5mm，两端部呈半圆形。
4.如权利要求3所述的评价支撑剂砂堆纵向变形的方法，其特征在于，铺置支撑剂时，首先铺置一块钢片，然后把支撑剂铺置在钢片上并用十字架将支撑剂铺平，再将另一块钢片覆盖在支撑剂上。
5.如权利要求1所述的评价支撑剂砂堆纵向变形的方法，其特征在于，步骤S3中，采用手动施加0.6MPa的压力将支撑剂砂堆压实。
6.如权利要求1所述的评价支撑剂砂堆纵向变形的方法，其特征在于，步骤S1中，改变称取的支撑剂总质量mc，然后进行后续的步骤S2-S9，研究不同铺砂浓度条件下的支撑剂砂堆纵向变形规律。
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