摘要: 水力压裂技术是最常见的储层改造关键技术，支撑剂的铺置运移对天然裂缝的活化和人工裂缝的形成有巨大影响，因此研究支撑剂在裂缝中的运移规律对优化裂缝内砂堤形态，改善压裂效果具有重要意义。针对该规律的研究，可视化支撑剂运移装置随着研究的展开也不断改进，目前有单缝、二级缝、复杂缝等多种装置，各有优缺点。未来朝着设计一套能够模拟真实地层条件下支撑剂运移和导流的可视化实验装置及系统的方向努力，一步步缩小室内实验与现场实际情况的差距，揭示出支撑剂在实际裂缝中的运移规律。
Abstract: Hydraulic fracturing technology is the most common key technology for reservoir reconstruction. The placement and transport of proppant has a great impact on the activation of natural fractures and the formation of artificial fractures. Therefore, it is of great significance to study the transport law of proppant in fractures to optimize the shape of sand banks in fractures and improve the fracturing effect. In view of the study of this law, the visual proppant transport device has been continuously improved with the development of research. At present, there are many kinds of devices such as single seam, secondary seam, and complex seam, each of which has advantages and disadvantages. In the future, efforts should be made to design a set of visual experimental devices and systems that can simulate proppant transport and diversion under real formation conditions, step by step to narrow the gap between laboratory experiments and the actual situation in the field, and reveal the law of proppant transport in actual fractures.
1. 引言
在传统石油和天然气资源日益枯竭的情况下，非常规油气资源如页岩油气由于其丰富的可采储量，已经成为全球能源开发的焦点。为了提高开采效率，通常需要利用水力压裂技术对储层进行改造。支撑剂在裂缝中的分布和运移对于天然裂缝和人工裂缝的激活起到重要作用，因此研究支撑剂在裂缝中的运移规律，对于优化裂缝内的砂堤分布形态，改善压裂效果具有重要意义。国内外的研究学者们已经开始对多裂缝模型展开研究，但目前对于支撑剂运移过程的可视化装置仍然存在一些不足。本文的目的在于综述国内外支撑剂运移可视化装置的发展历程，总结各种实验装置的优缺点，并提出改进可视化实验装置的方向。
2. 实验装置的发展与改进
2.1. 单缝装置
支撑剂运移单缝装置的发展经历了多个阶段，其设计和功能不断优化以满足研究需求[1]。最初，研究者们使用简单的单裂缝装置，如R. S. Schol [2]在1974年设计的实验装置，如图1，它由两块平行的透明玻璃板组成，裂缝长250 cm、高25 cm、宽6.3 mm。这种装置用于研究支撑剂的铺置过程，并揭示了支撑剂铺置的三个阶段。随后，装置的设计开始考虑可调节性，以便研究不同缝宽对支撑剂运移的影响。例如，Vander Vis [3]在1975年设计了一套可调节缝宽的单裂缝实验装置，而Clark [4]在1977年设计的装置则具有更大的尺寸和可调节的缝宽，同时引入了高速摄像机来记录实验过程。进入20世纪80年代后，随着对支撑剂运移铺置规律的深入研究，更多的可视化单裂缝实验装置不断涌现。这些装置不仅提高了实验的可视化程度，还使得研究人员能够更精确地控制和监测实验条件。总的来说，支撑剂运移单缝装置的发展是一个不断迭代和优化的过程，旨在更精确地模拟和研究地层中压裂裂缝内支撑剂的沉降及运移规律。这些研究对于提高油气开采效率和资源利用率具有重要意义。
Figure 1. Diagram of single slit experimental device
图1. 单缝实验装置图
2.2. 复杂裂缝装置
近年来，支撑剂输送规律的实验装置继续得到改进与优化。装置从最初的单一裂缝逐渐发展到能够模拟更复杂的裂缝类型和多层次的缝网结构。这些装置通常具有多个裂缝分支和交汇点，能够模拟地层中的复杂裂缝网络。这些装置不仅考虑了裂缝的宽度、长度和角度等参数，还引入了流体流动、温度变化和支撑剂性质等因素，以更全面地研究支撑剂的运移规律。目前有正交离散的复杂裂缝装置如“T”型、“H”型、“F”型、“十”型等形态的裂缝(见图2)以及非正交的网络裂缝装置[5]。
Figure 2. Diagram of experimental device types for complex cracks
图2. 复杂裂缝的实验装置类型图
动态缝宽模拟方面，张涛、郭建春等(2021)发明了一种可用于支撑剂输送实验的动态缝宽调节平板裂缝，可以通过拧紧或拧松螺帽实现平板裂缝缝宽大小的改变，但是无法观察多支缝的情况[6]。同年，张涛等人发明公开了一种模拟水平井多簇双翼水力裂缝支撑剂输送实验装置，该装置可以模拟水平井多簇双翼水力裂缝支撑剂输送[7]情况，为水平井分段压裂提供了技术支持。段抗等(2023)发明一种适用于不同裂缝形式支撑剂运移模拟装置，可以适应不同裂缝高度的需求。郑黎明等(2024)发明了可变裂缝支撑剂输送–闭合–回流模拟实验装置[8] (见图3)，该装置最大特点在于可以实现不同位置的裂缝宽度可以灵活改变，可以得到压裂过程中裂缝宽度不断变化的情况下支撑剂输送–闭合挤压–回流变化规律，更加真实地模拟地层内压裂裂缝充填与闭合特征。
Figure 3. Variable fracture proppant transport-closure-reflux simulation experimental device
图3. 可变裂缝支撑剂输送–闭合–回流模拟实验装置
多级裂缝形态模拟方面，段抗、张晋元等(2023)发明了一种适用于不同裂缝形式的支撑剂运移模拟装置及方法[9] (见图4)，多裂缝模型中模块间的接头作为裂缝间连接的节点，且模块所形成的裂缝两端的高度均可调节，能够适应不同的高度需求，满足不同现场要求，更加真实的模拟现场真实情况。
Figure 4. Proppant transport simulators for different fracture patterns
图4. 适用于不同裂缝形式的支撑剂运移模拟装置
随着科技的进步和实验技术的不断创新，支撑剂运移复杂裂缝装置的设计和功能也得到了进一步的提升。例如，一些装置引入了先进的测量技术，如激光粒度分析仪[10]、高速摄像机和图像处理技术等，以实时监测和记录支撑剂的运移过程。这些技术的引入不仅提高了实验的精度和可靠性，还为后续的数据分析和理论建模[11]提供了有力的支持。此外，一些研究者还尝试将数值模拟方法与实验研究相结合，以更深入地了解支撑剂在复杂裂缝网络中的运移机制[12]。通过对比实验结果和数值模拟结果，可以验证和优化数值模型的准确性，从而为实际油气开采提供更科学的指导。总的来说，支撑剂运移复杂裂缝装置的发展是一个不断创新和完善的过程。这些装置的设计和功能不断优化，以更真实地模拟实际地层条件，为油气开采领域的研究和实践提供更准确、更科学的工具和方法。
3. 目前装置存在的问题
国内外研究学者对于支撑剂在裂缝内运移规律的探究自20世纪50年代至今，根据自己的研究需要发明创造出了不少可视化支撑剂运移装置，探究出了一些支撑剂在裂缝内的运移规律，并且一步步缩小室内实验与现场实际情况的差距。目前对于可视化支撑剂运移装置明显存在以下的不足和缺点：
(1) 现有的可视化支撑剂运移装置的注入方式大多数仍是水平注入，而且注入的流速恒定，与现场实际情况不符；
(2) 地层高温高压环境对流体流动状态有很大影响，目前无法实现室内高温高压原位条件下可视化实验；
(3) 现有的可视化复杂裂缝支撑剂运移装置的分支缝只能在水平方向上调整角度，极大限制了分支缝角度的多样性；
(4) 现有的可视化支撑剂运移装置大多数粗糙度无法调整，而真实裂缝形态的粗糙曲折度不是恒定的。
4. 未来发展方向
(1) 现有注入方式大多是水平注入且注入流速恒定，未来可以更多探究现场施工时的流速变化规律，在实验模拟时更贴近现场实际；
(2) 常温常压平板型支撑剂铺置实验研究的条件与地下原位条件差异大，无法有效指导现场实践，因此未来有必要设计一套能够模拟真实地层条件下支撑剂运移的可视化实验装置及系统，进而揭示支撑剂在实际裂缝中运移规律与压嵌特性；
(3) 目前实验装置在分支缝角度的多样性上受到了限制，因此可以进一步增加装置的迂回度以及分支缝的灵活性；
(4) 目前支撑剂运移实验大多采用平板代替真实裂缝进行模拟实验，由于平板粗糙度的不同，其影响结果与实际裂缝携砂相差较大，可以进一步探究裂缝粗糙度对支撑剂在粗糙缝中的影响。
5. 结束语
近年来，国内外研究学者对支撑剂在裂缝内运移规律的探究取得了重大研究进展，对于实验装置也取得了多方面的创新成果，不仅有单缝的可视化装置、还有二级缝、多级缝以及其他复杂缝装置，壁面也在不断地创新，不再是单一光滑的平板而是用具有一定粗糙度的平板替代。虽然目前各种装置还存在注入方式单一、高温高压条件难以实现、分支缝角度多样性受限以及裂缝粗糙度影响等问题，但是未来将针对这些问题进一步完善改进，最终实现高温高压、装置迂回度更高、分支缝灵活性更强，一步步贴近能够模拟真实地层条件下支撑剂运移可视化实验装置。我们未来也将继续瞄准国家政策与战略需求，突出前瞻性、系统性、持续性的发展理念，做好科学的规划，坚持走自主创新的发展战略，全面提高科学研究能力，为我国油气资源的进一步开采做出贡献。
基金项目
重庆科技大学研究生创新计划项目“纤维增强脉冲压裂支撑剂运移与分布研究”(YKJCX2320119)；重庆科技大学创新计划项目“微支撑剂渗流能力研究”(2024201007)。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。