鄭浩然

（中國石油大學（北京）石油工程學院，北京 102200）

0 引言

在油田各項增產措施中，水力壓裂是一種常見而有效的方法.水力壓裂的目的是形成一條高導流能力的裂縫，以使地層流體能順利流到井筒［1］.裂縫的導流能力是指裂縫的閉合寬度與支撐劑滲透率的乘積.裂縫導流能力與油層巖石性質及支撐劑類型、粒徑、鋪砂濃度及閉合壓力等有關［2-7］，同時也受壓裂液殘渣含量的影響［8-10］.肖勇軍［11］、金智榮［12］和王雷［13］等研究不同類型支撐劑對導流能力的影響特征，認為與大粒徑支撐劑相比，小粒徑支撐劑在承壓能力上更有優(yōu)勢，但在提供的導流能力上低于大粒徑支撐劑，同時高強度支撐劑有利于形成高導流能力的裂縫.Rivers M［14］、孫海成［15］、盧聰［6］等認為支撐劑的嵌入將顯著影響導流能力的變化，鋪砂濃度越低，地層巖石越軟，嵌入越嚴重，進而導流能力的損害越大.吳柏志［16］研究認為提高鋪砂濃度，可以增大裂縫的有效寬度，維持較高的導流能力.郭布民［17］等通過實驗研究認為同砂巖地層裂縫相比，支撐劑嵌入對煤層裂縫導流能力的傷害更大.與常規(guī)天然氣儲層不同，煤層氣儲層具有彈性模量低、硬度低、泊松比大及天然裂縫發(fā)育等特點［18］，因此其壓裂裂縫的短期和長期導流能力具有自身的變化特征［19-20］，常規(guī)石油天然氣儲層壓裂裂縫導流能力的研究結論對煤層壓裂裂縫導流能力的評價不再適用.

目前，大部分研究是利用鋼板或砂巖板充填支撐劑進行的，而針對采自現場的煤巖板充填裂縫導流能力的研究還有待探討.筆者通過實驗對石英砂（20～40目）支撐劑在煤巖中的導流能力進行評價，分析裂縫閉合壓力、時間、鋪砂濃度、煤巖天然裂縫及煤巖性質對煤巖壓裂裂縫導流能力的影響.

1 實驗

1.1 實驗原理和設備

使用美國Core-Lab公司生產的FCES-100裂縫導流儀.該儀器可以模擬地層條件，對不同類型支撐劑進行短期或長期導流能力評價.該儀器按照API標準設計，采用API標準支撐劑導流室.

根據FCES-100型導流儀API標準導流室的規(guī)格參數，按照API標準執(zhí)行操作，支撐劑滲透率為

式中：K為支撐裂縫滲透率；μ為流體黏度；Δp為測試段兩端的壓力差；Wf為支撐裂縫閉合寬度；Q為裂縫內流量.通過實驗，測定壓差和流量.

1.2 巖樣制備

首先對晉城煤塊進行粗加工；然后對煤板進行較細的加工，使其成為實驗所需要的煤板形狀.加工后的煤板尺寸：長度為17.8cm，寬度為3.8cm，厚度為1.0cm.

1.3 實驗方法

用兩煤板夾持中間填充的支撐劑模擬煤層裂縫.在實驗過程［21］中，將實驗流體以穩(wěn)定的流速通過兩煤片之間的支撐劑夾層，以3MPa為起點，3MPa為增量，逐漸增大閉合壓力，直至達到15MPa，從而得到裂縫導流能力隨閉合壓力的變化曲線；然后通過改變閉合壓力作用時間得到在一定閉合壓力下，裂縫導流能力隨時間的變化曲線；改變巖樣中裂縫的鋪砂濃度，得到2種鋪砂濃度下裂縫導流能力變化曲線.

1.4 實驗方案

共進行7組實驗，采用的支撐劑是石英砂，對2種鋪砂濃度下的導流能力進行測試.6組實驗是用晉城煤塊加工而成的煤板夾持支撐劑進行的，另外1組實驗是用砂巖板夾持支撐劑進行的.短期導流能力實驗中每個壓力點測試時間為12h，長期導流能力實驗中每個壓力點測試時間為48h（見表1）.

表1 實驗方案Table 1 Experimental scheme

2 實驗結果分析

2.1 閉合壓力的影響

閉合應力作用結果是引起支撐劑破碎，使支撐劑顆粒尺寸減小，圓球度變差，面積增大，粒徑不均勻，充填層滲透率降低.同時，受閉合應力作用，將進一步壓實充填層支撐劑，使得孔隙度變小，從而降低滲透率，也可使支撐劑嵌入地層，導致縫寬減小，滲透率降低.10kg／m2的鋪砂濃度下20～40目的石英砂在煤板中表現較高的導流能力（見圖1），即使閉合壓力加至15MPa時，煤板所造裂縫的導流能力也在1.4 μm2·m以上.隨著閉合壓力的增加，2組晉城煤板和砂巖板裂縫導流能力明顯下降，晉城煤板1＃裂縫導流能力下降47.4%，2＃裂縫導流能力下降44.8%，砂巖板對比組裂縫導流能力下降50.0%.由此可見，閉合壓力對煤層裂縫導流能力的影響是顯著的.

2.2 煤層天然裂縫的影響

煤層中的天然裂縫，尤其是與流體滲流方向一致的天然裂縫的存在將會增大該方向的滲透率，進而使壓裂裂縫呈現更高的導流能力.由圖1可見，晉城煤板2組實驗的實驗條件雖然相同，但是結果差異較大.晉城煤板1＃的導流能力實驗結果明顯低于晉城煤板2＃的，最大差異達到0.5μm2·m左右.產生差異的主要原因是所用煤板不同.晉城煤板1＃所用的煤板中天然裂縫和割理較少，而晉城煤板2＃所用的煤板中有明顯的沿滲流方向的天然裂縫存在（肉眼可見）（見圖2）.由于煤板中天然裂縫和割理的數量和長度難以精確測量和統(tǒng)計，所以無法得出較為精細的影響程度評價.從實驗結果看，晉城煤板2＃所測得的導流能力在9MPa后高于晉城1＃的，甚至略微高于砂巖對比組的導流能力.這說明天然裂縫和割理（尤其是沿滲流方向的天然裂縫和割理）在較高閉合壓力下對導流能力有較大的影響.

2.3 時間的影響

閉合壓力作用可能引起支撐劑的破碎或產生煤粉，在較長時間閉合壓力作用下，裂縫中發(fā)生顆粒的運移而堵塞孔道，引起裂縫導流能力的下降.閉合應力為6MPa和12MPa下的裂縫導流能力隨時間的變化關系見圖3和圖4.由圖3和圖4可見，隨著閉合壓力作用時間的延長，裂縫導流能力逐漸下降.導流能力在前10h下降較快，后期導流能力下降逐漸變慢.另外，在測試后期，導流能力并沒有保持穩(wěn)定，而是有較小幅度的下降.這種現象是石英砂在煤板中嵌入和摩擦產生部分煤粉而導致導流能力的小幅下降.

2.4 鋪砂濃度的影響

比較2組2kg／m2鋪砂濃度下的晉城煤板的導流能力和2組10kg／m2的高鋪砂濃度下的晉城煤板的導流能力（見圖5）.由圖5可見，石英砂在2kg／m2鋪砂濃度下的支撐裂縫能力遠小于10kg／m2的高鋪砂濃度下的.在鋪砂濃度為2kg／m2時，2組晉城煤板的導流能力從3MPa時的1.5μm2·m隨閉合壓力不斷增加而不斷下降，閉合壓力15MPa時的導流能力已經降至0.4μm2·m左右.高鋪砂濃度的優(yōu)勢較為明顯，在同等閉合壓力下，10kg／m2高鋪砂濃度下的導流能力高于2kg／m2低鋪砂濃度下的0.9 μm2·m以上.

2.5 煤巖性質的影響

由于韓城煤塊質軟且易破碎，給實驗加工煤板帶來困難，因此韓城煤板的導流能力實驗只設計一組單層鋪砂的測試實驗.韓城煤板在單層鋪砂下的導流能力見圖6.由圖6可見，當閉合壓力3MPa時導流能力為1.3μm2·m，隨著閉合壓力增加導流能力不斷下降；當閉合壓力加至15MPa時導流能力下降至0.1 μm2·m左右.比較韓城煤板和2組晉城煤板單層鋪砂時的測試結果：韓城組的單層鋪砂導流能力整體低于晉城組的.這是因為相對于晉城煤板，實驗中所用韓城煤板具有質軟且摩擦后極易產生煤粉的特點.這種特性在高閉合壓力下損害壓裂裂縫的導流能力.

3 結論

（1）閉合壓力對導流能力的影響較大，當閉合壓力從3MPa增加到15MPa時，各組煤巖板的導流能力下降50%.在高閉合壓力作用下，煤層與常規(guī)石油天然氣儲層相比，由于摩擦產生煤粉且更容易發(fā)生支撐劑的嵌入，從而導致壓裂裂縫導流能力下降.

（2）在較高的鋪砂濃度（10kg／m2）下，20～40目石英砂能夠起到良好的支持裂縫能力.即使在閉合壓力大于15MPa時或者在12MPa的閉合壓力夾持超過48h后，實驗所得的煤板裂縫導流能力也全部在1.2μm2·m以上.在煤層壓裂施工中，增大鋪砂濃度有利于獲得較高導流能力的裂縫.

（3）時間對煤板裂縫導流能力有顯著影響，隨著時間的增加導流能力逐漸下降，其下降速度在開始時較快，后期較緩.在測量至48h后，導流能力的總體降幅為20%～30%.相對常規(guī)石油天然氣儲層，煤層壓裂裂縫導流能力的變化對時間更敏感，在對煤層實施壓裂后，要考慮時間對裂縫導流能力變化的影響.

（4）相對常規(guī)石油天然氣儲層，煤層中的天然裂縫發(fā)育，有利于提高壓裂裂縫導流能力.煤板中的天然裂縫和割理對導流能力影響顯著.

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