曲占慶，黃德勝，楊陽，2，李小龍，李楊

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島266580；2.中海油研究總院鉆采研究院，北京100027）

0 引言

提高氣藏單井產(chǎn)量的主要措施是進(jìn)行壓裂增產(chǎn)改造，能否形成高導(dǎo)流能力的裂縫是壓裂作業(yè)成功的關(guān)鍵［1-6］。支撐劑性能的好壞直接影響裂縫的導(dǎo)流能力，因此，支撐劑充填層導(dǎo)流能力的測試是室內(nèi)評價(jià)壓裂效果的重要環(huán)節(jié)，測試結(jié)果可為壓裂施工設(shè)計(jì)中支撐劑的優(yōu)選提供依據(jù)。

目前，支撐劑導(dǎo)流能力測試評價(jià)大多采用API 標(biāo)準(zhǔn)推薦的方法，使用蒸餾水或鹽水測試閉合壓力下的液體導(dǎo)流能力，而對氣測導(dǎo)流能力的研究較少［7］。另外，由于在測試時(shí)沒有考慮支撐劑在地層內(nèi)所處的復(fù)雜條件，所得到的結(jié)果與實(shí)際地層條件下的狀態(tài)存在較大差異［8］。

影響支撐劑導(dǎo)流能力的因素很多，文獻(xiàn)［9-18］分析了閉合壓力、鋪砂濃度、支撐劑強(qiáng)度等對導(dǎo)流能力的影響。本文利用改進(jìn)的API 裂縫導(dǎo)流儀，采用現(xiàn)場取得的巖心和支撐劑，測試分析了支撐劑嵌入、 壓裂液殘?jiān)?、支撐劑不同粒徑組合、酸蝕等復(fù)雜條件對延長氣田壓裂中支撐劑充填層氣體導(dǎo)流能力的影響，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了提高裂縫導(dǎo)流能力的有效措施，對現(xiàn)場支撐劑的選用和壓裂施工設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)條件與材料

實(shí)驗(yàn)采用根據(jù)API 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的裂縫導(dǎo)流能力評價(jià)系統(tǒng)，可以模擬地層條件，對不同類型支撐劑進(jìn)行導(dǎo)流能力評價(jià)［19］。該儀器模擬地層最高溫度120°C，最大閉合壓力200 MPa，完全能滿足我國氣田支撐劑裂縫導(dǎo)流能力評價(jià)的需要。

實(shí)驗(yàn)流體為N2，實(shí)驗(yàn)固化溫度為90 ℃，鋪砂濃度為10 kg/m2，閉合壓力按6.9 MPa 的級別遞增。

實(shí)驗(yàn)材料：取自延長氣田常用20/40 目陶粒、30/50目陶粒和樹脂砂，水基壓裂液，天然巖心。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)原理可用達(dá)西定律表示：

式中：Kg為支撐裂縫滲透率，μm2；Q0為裂縫內(nèi)氣體流量，cm3/s；p0，p1，p2分別為大氣壓力、進(jìn)口壓力、出口壓力，kPa；μ 為氣體黏度，mPa·s；L 為測試段長度，cm；A為支撐裂縫橫截面積，cm2。

裂縫導(dǎo)流系統(tǒng)使用API 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)流室，取L=12.7 cm，導(dǎo)流室寬度3.81 cm，則A=3.81 Wf，將有關(guān)單位換算成實(shí)驗(yàn)單位，支撐裂縫滲透率計(jì)算公式變?yōu)?/p>

支撐劑充填層導(dǎo)流能力：

式中：Q1為裂縫內(nèi)氣體流量，cm3/min；Wf為充填裂縫寬度，cm。

1.3 巖樣制備

實(shí)驗(yàn)巖心取自延長氣田，按照API 標(biāo)準(zhǔn)將天然巖心加工成長為12.7 cm、寬為3.81 cm、厚為1～2 cm 的巖板，端部為半圓形。實(shí)驗(yàn)時(shí)用巖板代替導(dǎo)流室上下鋼板，以便更真實(shí)地模擬地層條件。

2 實(shí)驗(yàn)方法

利用FCES-100 裂縫導(dǎo)流儀，在導(dǎo)流室中夾持巖板，模擬地層裂縫，將氣體以穩(wěn)定的流速通過2 片巖板之間的支撐劑填充層，逐漸增大閉合壓力，得到裂縫導(dǎo)流能力隨閉合壓力的變化曲線。通過改變巖板類型、支撐劑粒徑及其組合等實(shí)驗(yàn)條件，得出不同情況下導(dǎo)流能力隨閉合壓力變化的關(guān)系曲線，然后比較不同的曲線，得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 支撐劑嵌入對導(dǎo)流能力的影響

選用20/40 目陶粒支撐劑，鋪砂濃度為10 kg/m2，分別用鋼板和巖板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，巖板力學(xué)性質(zhì)如表1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

表1 巖板力學(xué)性質(zhì)

圖1 支撐劑嵌入對裂縫導(dǎo)流能力的影響

由圖1可以看出，在閉合壓力較低（小于41.4 MPa）時(shí)，用鋼板和巖板測得的導(dǎo)流能力幾乎沒有差別，表明支撐劑沒有發(fā)生嵌入現(xiàn)象或嵌入傷害不明顯。但是，當(dāng)閉合壓力超過41.4 MPa 后，用巖板2 得到的導(dǎo)流能力開始與鋼板測得的結(jié)果發(fā)生偏離，且隨著閉合壓力的增大，兩者之間的導(dǎo)流能力相差越大，說明在高閉合壓力下支撐劑發(fā)生了嵌入。巖板1 在閉合壓力超過55.2 MPa 后發(fā)生支撐劑嵌入現(xiàn)象。

由于2 種巖板強(qiáng)度不同，所測得的導(dǎo)流能力表現(xiàn)出一定的差異。在同樣的高閉合壓力下，與硬地層巖板相比，用軟地層巖板測得的導(dǎo)流能力更小，下降幅度越大，嵌入傷害越嚴(yán)重。分析認(rèn)為：支撐劑強(qiáng)度與地層巖石嵌入強(qiáng)度不匹配，在高閉合壓力下，支撐劑嵌入會(huì)降低裂縫有效寬度，同時(shí)會(huì)使巖石破碎產(chǎn)生碎屑，且地層越軟產(chǎn)出碎屑越多，巖石碎屑在支撐劑充填裂縫中運(yùn)移，堵塞孔隙通道，導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力下降。

3.2 壓裂液殘?jiān)鼘?dǎo)流能力的影響

實(shí)驗(yàn)一： 用現(xiàn)場水基壓裂液對導(dǎo)流室內(nèi)支撐劑進(jìn)行處理，在6.9 MPa 下承壓3 h，使壓裂液破膠后用N2在流量為200 cm3/min 條件下驅(qū)替返排4 h，最后測定氣體導(dǎo)流能力；實(shí)驗(yàn)二：支撐劑未用壓裂液處理，直接用氣體測定導(dǎo)流能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 壓裂液殘?jiān)鼘α芽p導(dǎo)流能力的影響

由圖2可以看出，實(shí)驗(yàn)一測得的導(dǎo)流能力遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)二。其主要原因是，壓裂液中的殘?jiān)谥蝿┏涮顚又蟹e聚，堵塞孔隙，造成導(dǎo)流能力降低；壓裂液殘?jiān)鼈Τ潭入S閉合壓力的增加而增加，在6.9 MPa 時(shí)傷害率為46.4%，89.7 MPa 時(shí)傷害率為84.2%。因此，在壓裂設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能采用低殘?jiān)鼔毫岩汉蛪毫岩簹堅(jiān)舛聞﹣慝@得理想的導(dǎo)流能力。

3.3 支撐劑不同粒徑組合對導(dǎo)流能力的影響

目前，氣田壓裂所用支撐劑多數(shù)為單一粒徑支撐劑，單一大粒徑支撐劑雖然可以提供較高的裂縫導(dǎo)流能力，但是在施工時(shí)加砂困難，易造成砂堵，且抗壓強(qiáng)度低，在高閉合壓力下易破碎，不能提供長期有效的高裂縫導(dǎo)流能力［20］。單一小粒徑支撐劑雖然抗壓強(qiáng)度高，但不能提供較高的裂縫導(dǎo)流能力［21-22］。綜合考慮上述2方面因素，進(jìn)行了支撐劑不同粒徑組合導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)研究，方案如表2所示，結(jié)果如圖3所示。

表2 支撐劑不同粒徑組合實(shí)驗(yàn)方案

圖3 支撐劑不同粒徑組合下裂縫導(dǎo)流能力變化規(guī)律

單一粒徑情況下，在閉合壓力較低時(shí)，大粒徑支撐劑導(dǎo)流能力比小粒徑支撐劑導(dǎo)流能力高。其主要原因是，大粒徑支撐劑在低閉合壓力下沒有破碎，其孔隙相對較大，氣體通過較容易。因此，其導(dǎo)流能力比小粒徑支撐劑高。隨著閉合壓力的增加，2 種支撐劑導(dǎo)流能力的差距縮小。其主要原因是，大粒徑支撐劑的接觸面積小、破碎率高，碎屑填充孔隙減弱了大粒徑支撐劑的優(yōu)勢，而小粒徑支撐劑的接觸面積大、抗壓能力強(qiáng)，在相同閉合壓力下不容易破碎。因此，導(dǎo)流能力與大粒徑支撐劑差距縮小。

支撐劑不同粒徑組合后，在低閉合壓力（小于55.2 MPa）條件下，大粒徑支撐劑所占比例越大，其導(dǎo)流能力越大，隨著閉合壓力的增加，導(dǎo)流能力差距逐漸減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是，小粒徑支撐劑的加入，增加了支撐劑之間的接觸面積，使組合后的支撐劑抗壓能力增強(qiáng)，在高閉合壓力下破碎率降低，因此，不同粒徑組合支撐劑所測得的導(dǎo)流能力差距較小。此外，由圖3還可以看出，對于7∶3 的組合方式，在閉合壓力超過69 MPa 后，其導(dǎo)流能力大于相同條件下20/40 目單粒徑支撐劑的導(dǎo)流能力。

3.4 酸蝕對導(dǎo)流能力的影響

壓裂支撐劑在地層復(fù)雜環(huán)境下工作時(shí)要承受各種腐蝕，壓裂酸化復(fù)合改造工藝對支撐劑的傷害更為嚴(yán)重［23-24］。通過對比實(shí)驗(yàn)，研究了酸蝕對裂縫導(dǎo)流能力的影響，方案如表3所示，結(jié)果如圖4所示。

表3 酸蝕對裂縫導(dǎo)流能力影響實(shí)驗(yàn)方案

圖4 酸蝕對裂縫導(dǎo)流能力的影響

對比方案6 和8 可知，在同等閉合壓力條件下，方案8 測得的導(dǎo)流能力遠(yuǎn)小于方案6，說明酸蝕對支撐劑充填層裂縫導(dǎo)流能力影響很大，其主要原因是，酸性環(huán)境溶解支撐劑，使其粒徑變小，同時(shí)使支撐劑承壓能力降低，從而導(dǎo)致裂縫有效寬度減小，導(dǎo)流能力降低。

對比方案6，7，8 可知，陶粒尾隨樹脂砂可以減弱酸液對裂縫導(dǎo)流能力的影響，在高閉合壓力條件下效果尤為明顯。分析認(rèn)為，樹脂砂強(qiáng)度大，即使在高閉合壓力下發(fā)生破碎，樹脂砂外層的樹脂薄膜可以將破碎顆粒包在其內(nèi)，防止碎屑顆粒堵塞地層，同時(shí)樹脂砂外層的樹脂薄膜還可以減少酸液對支撐劑的腐蝕。

4 結(jié)論

1）巖石強(qiáng)度不同，支撐劑嵌入程度不同；巖石強(qiáng)度越小，嵌入傷害越嚴(yán)重，對導(dǎo)流能力傷害越大。在壓裂施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)地層閉合壓力和巖石嵌入強(qiáng)度選擇支撐劑類型。此外，可以考慮增加鋪砂質(zhì)量濃度克服支撐劑嵌入的影響。

2）壓裂液殘?jiān)鼘α芽p導(dǎo)流能力的傷害程度隨著閉合壓力的增大而增大。為了減小壓裂液殘?jiān)鼘?dǎo)流能力的傷害，可以采用低傷害壓裂液和壓裂液殘?jiān)舛聞﹣斫档蛪毫岩涸斐傻膫Α?/p>

3）根據(jù)地層閉合壓力的情況選擇合適的支撐劑，在地層閉合壓力較低時(shí)，選用大粒徑支撐劑，以獲得較高的裂縫導(dǎo)流能力；當(dāng)閉合壓力較高時(shí)，考慮到現(xiàn)場施工的難易程度和裂縫導(dǎo)流能力的大小，采用不同粒徑支撐劑組合的方式，克服小粒徑支撐劑不能獲得高導(dǎo)流能力和大粒徑支撐劑承壓能力弱等缺點(diǎn)。

4）在實(shí)施壓裂酸化復(fù)合改造工藝時(shí)或在地層酸性較強(qiáng)環(huán)境下，使用抗酸性能好的支撐劑，減弱酸性環(huán)境對支撐劑的影響，也可采用陶粒尾隨樹脂砂使支撐劑充填層保持較高的裂縫導(dǎo)流能力，以達(dá)到理想效果。

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