為了改進不均勻的流體和支撐劑分散進入每個預放置的儲層集群，采用數值模型來研究一種顆粒發散體系在特定井下條件下優化儲層刺激或促產策略的有效性。正如對不同非傳統儲層多口井的統計分析那樣，近三分之一計劃的儲層集群可能并不活躍，無法返流碳氫化合物，原因是這些儲層集群水力壓裂的效率太低。對于那些非生產性儲層集群，不能形成水壓裂縫或裂縫無法完全傳播到更遠的區域，因此裂縫發育的數量和程度遠小于預期。

這一異常現象主要歸結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象、最大程度地提高裂縫波及率、使投入的資產獲得最大產能，各石油公司一直在尋找切實可行的解決方案。裂縫潛能的變化是多種地質力學和儲層特性的復雜函數，這種變化可以改變裂縫的萌生和延伸。

固體顆粒發散劑

現場觀察和三維（3D）數值模擬建議可以在近井筒區域沖洗出一種復雜的水力沖擊裂縫形狀。為了實現這些目標，采用固體顆粒發散劑來有效阻斷現有的流體進入，引導非傳統儲層在壓裂和再壓裂處治過程中的流體分布。一種先進的顆粒發散體系已獲得成功開發，并被廣泛用于井內流體的發散處治，包括水力壓裂和儲層基質酸化。與現有技術和發散劑不同，下一代的顆粒發散劑可適當地進行設計，用于具有時間效率的階段性發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密封處理的成本和時間。

壓裂和再壓裂作業過程中，為了確保固體顆粒發散劑成功發散，需根據儲層和井筒情況對顆粒發散劑進行優化。為了實現這一目標，建議要充分了解擠進和堵塞的基本機理，這會最終有益于所選顆粒發散劑的設計和泵入策略。基于物理學和發散的力學特性，以下介紹一種綜合設計的工作流程，意在指導顆粒發散劑的設計和使用。

擠進和堵塞過程

在前人工作的基礎上，工程師們重點研究了固體顆粒設計對擠進和堵塞過程的影響以及相關的壓裂效率。新的分析表明，新興的發散劑能在惰性儲層集群中產生額外的流道，從而在流體發散處理時可以增加儲層疏通的體積。

方法和工作流程。為了評價和優化顆粒發散在再壓裂過程中的應用，進行了全面的地質力學分析。工程師們利用計算流體力學/離散單元法建模，簡稱CFD-DEM，以及一種3D裂縫模擬裝置來模擬顆粒的運移、流體發散和相關的再壓裂過程。預測了附近儲層和井筒狀況下總的儲層疏通體積和相關產能，比較了不同的設計方案。采用CFD-DEM對顆粒漿液在注液過程中的運移情況和流體發散過程中逐次堵塞的效果進行了建模。

幾個相關聯的CFD-DEM模型能夠模擬顆粒—顆粒、顆粒—流體和顆粒—張開的相互作用，其作用決定了發散漿液的位移和堵塞現象。圖1為實驗驗證的CFD-DEM模型。這幾個模型已根據實驗數據進行了校準，包括不同顆粒的表征、張開的形狀、流體的流變學及泵入的條件。校準的CFD-DEM引擎可以被定制，以優化特定場所實施時所需的流量條件和發散特性。

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，確定了動態流體流動和偽靜態顆粒沉積兩種形態都參與了流體的發散過程。考慮到建模工具的基本機理和可用的復雜性，提出了一種工程設計工作流程和顆粒發散應用的綜合分析，圖2示意了設計流程和綜合分析，由四個主要步驟組成。
 
圖2

顆粒設計

服務提供商決定專注于篩目顆粒設計，以確定這些設計是否會對再壓裂應用過程中的促產效率有影響。在帶有固體顆粒的流體發散處理中，發散劑應與地面設施攜帶的流體進行混合。然后，入井的混合漿液被泵入井筒，漿液可流入其通過的任何打開的流道。當通過這些流道的開口時，顆粒發散劑會從攜帶的漿液中沉淀下來，在流道開口處形成塞滿或卡住的結構。在此基礎上，額外的固體顆粒層可逐漸地從含顆粒的漿液中沉降，形成過橋流道，限制刺激液或促產液的通過。
這樣，促產液會被迫進入具有挑戰性的儲層區域，這些區域促產液通常是不會進去的。動態流體流動和顆粒聚集都參與了漿液的散流過程。從廣泛的調研中，我們對擠進和堵塞機理的理解在本節中進行了總結。根據我們的發現，一種固體雙顆粒可降解體系可被選擇為漿液發散的臨時發散劑。在本研究中，兩種不同大小的顆粒包含有憩室藥丸。見圖3，自降解顆粒發散劑的二元體。
  
圖3
在新的實驗中，這些顆粒的混合物被證明能有效堵塞裂縫的開口，形成一種具有承受重新定向壓裂液、暫時密封儲層所需壓力的健全能力。從實驗和數值分析中觀察到，為了使漿液發散，基礎物理學決定了雙顆粒漿液體系對通道開口擠進和后續堵塞的機理。在這一漸進的封堵過程中，相對較大的顆粒主要用于堵塞開口，形成一個穩定的阻塞結構。隨后，較小的顆粒可以在較大顆粒之間的空隙空間內滯留和聚集，以降低阻塞結構的孔隙度和滲透率。這樣，就可以建立一個限制流體流動通過開口的臨時堵塞。

工程師們研究了創建一個穩定阻塞結構的概率，這是后續封堵過程的先決條件。圖4為顆粒大小和形狀對擠進效率的影響，球形對柱形的實驗測試以及不同開口尺寸的數值分析，表明顆粒大小和形狀決定了擠進過程的穩定性和效率，一旦建立起成功的阻塞結構，就可以形成密封，用于預期的壓力積累和流體發散。
 
圖4
為了評價相關的密封效率，采用不同的數據源來確定擠進和密封過程的效率，并在雙顆粒發散體系的工程設計中對顆粒的聚集狀態進行了評價。二元混合物可以有效阻塞開口，積累流體壓力，減弱因其最佳顆粒塞滿的流體流動，其中小顆粒成分起到了重要作用。對于實際情況而言，可通過運行相關聯的CFD-DEM模擬和分析模型來生成設計建議，這些建議定義了與機械穩定性（擠進）和壓力積累（密封）有關的有利條件。根據所需的壓差和開口的形狀，可以掌控和優化所提出的發散體系的工程設計，以確保流體發散的有效性。

案例研究

根據選定的顆粒設計，采用了一種3D裂縫模擬裝置對壓裂過程進行建模。預測了總的儲層疏通體積和相應的產量，對比不同設計方案之間的壓裂效率。根據從一口水力壓裂的水平井獲得的一組數據建立了一個地質力學模型。該井位于南美洲的一個致密氣田，是在最小水平應力方向（325°）的情況下鉆成的，這口井所鉆地層的平均滲透率為0.1mD（毫達西），孔隙壓力梯度為0.5psi/ft。在最初的完井設計中，以每級9個儲層集群進行10級分步完井，圖5示意了完井設計。

圖5
研究中，我們分析了6級分步射孔壓裂作業。最初在原先的設計（基本案例）中，采用65 bpm（桶/分鐘）的速率、以每級注入60min的時長進行了即封堵即射孔壓裂作業。每一級，由于采用了即封堵即射孔 + 壓裂發散的方法，我們觀察到壓力略有增加，圖6示意了各級射孔之間的常規機械隔離。
 
圖6
為了量化完井設計和泵入策略對促產效率及總的儲層疏通體積的影響，我們對其進行了敏感性分析。在敏感性分析中，為使顆粒發散所采取的機械隔離方法（即封堵即射孔）被下一代顆粒發散劑所取代。在每一級的壓裂促產時（級內發散），工程設計用來計算這些發散劑的濃度。比較兩種情況預測的壓力響應，很明顯，采用下一代顆粒發散劑可更有效地促成顆粒發散，見圖7所示，圖7示意了級內的顆粒發散。
 
圖7
與傳統的機械隔離技術相比，由于顆粒發散劑的出現，每一級的壓力增加都更高了。為了了解裂縫的生成和促產效率，我們分析了每個儲層集群中分布的流體體積，這將有助于我們了解每個案例總的儲層疏通體積。圖8示意了壓裂促產效率。
 
圖8
圖8比較了不同設計方案6個促產分級射孔之間壓裂液總的體積分布。與采用了工程設計的案例（增產案例）相比，非工程設計的案例（基本案例），從初始儲層集群的第2、3和5級壓裂的情況來看，所產生的裂縫較少。對于改進的案例（增產案例），從第2級壓裂的三個儲層集群的情況來看，裂縫可能最初就得以形成且得到了延伸。這種工程設計是基于發散體系和井筒狀況的特征提出的。只有少量流體通過放置的發散包才能產生顯著的壓差和有效的流體散流。因此，所有的流體都能擴散到非活性的儲層集群中，使未被刺激的區域產生裂縫。如果所有的能量都能得到適當的利用，就能產生更多的裂縫，最大限度地增大儲層的疏通體積，從而增加產量。
改進的設計（對18個儲層集群進行5級分步射孔壓裂作業）。工程團隊研究了將兩級合并為一級射孔壓裂的效果，以減少分級射孔壓裂的總數（每個合并的級以65bpm的速率注液2小時），但儲層集群的總數與初始設計保持不變，見圖9所示。
 
圖9
為了提高堵塞和射孔技術的效率，工程團隊采用下一代顆粒發散劑和預測的壓力響應來“提高效率”。圖10示意了兩種設計方案：堵塞 + 射孔 + 向儲層壓裂下一代顆粒發散劑；堵塞 + 射孔 + 下一代顆粒發散劑壓裂作業 + 級內的下一代顆粒發散劑壓裂作業。
 
圖10
檢查顯示，采用下一代顆粒發散劑，發散獲得了更有效的實施。為了了解裂縫的形成和壓裂效率，工程師們分析了每個儲層集群中分布的流體體積，這有助于確定每個案例總的儲層疏通體積。
 
圖11
圖11示意了堵塞 + 射孔 + 下一代顆粒發散劑壓裂作業的促產效率。比較了兩種不同設計方案6級分步促產射孔壓裂之間壓裂液總的體積分布。與改進的、采用工程設計的顆粒發散劑的方案相比（增加效率的案例），非工程設計（基本案例）的案例， 從第1、2、3和4級分步壓裂的情況來看，產生的裂縫較少。從改進的設計案例（提高效率的案例）的情況來看，從增加的流體體積的分布推斷，產生了更多的裂縫。這一工程設計是根據顆粒發散體系和井筒狀況的特征提出的。只有少量流體通過放置的發散包才能產生顯著的壓差和有效的流體散流。因此，所有的流體都能擴散延伸到非活性的儲層集群中，使未被刺激的區域產生裂縫。
 
圖12
圖12示意了堵塞 + 射孔 + 下一代顆粒發散劑 + 級內的下一代顆粒發散劑壓裂作業的促產效率。比較了兩種不同設計方案6級分步促產射孔壓裂之間壓裂液總的體積分布。與組合設計的案例相比，非工程設計的案例（基本案例）， 從第2和第3級分步壓裂的情況來看，產生的裂縫較少。而組合設計的案例，從增加的流體體積的分布推斷，產生了更多的裂縫。
這一工程設計是根據顆粒發散體系和井筒狀況的特征提出的。只有少量流體通過放置的發散包才能產生顯著的壓差和有效的流體散流。因此，所有的流體都能擴散延伸到非活性的儲層集群中，使未被刺激的區域產生裂縫。如果所有的能量都能得到適當的利用，就能產生裂縫處治案例研究表明，顆粒設計可以工程化進行，以提高顆粒的發散效率，優化發散劑的使用。本文提出的設計流程和分析方法將會更好地讓石油公司或作業者設計和定制固體顆粒，實現有效的流體發散。最后，工程設計工作流程還可以前瞻性地擴展到再壓裂以及用于儲層酸化的酸液分散。