袁 旭，許冬進(jìn)*，陳世海，何小東，承 寧，陳 進(jìn)

(1.長(zhǎng)江大學(xué)非常規(guī)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430100；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司采油采氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)江大學(xué)分室，荊州 434023；3.陜西延安石油天然氣有限公司，西安 710016；4.中石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，克拉瑪依 834000)

頁(yè)巖氣高效開(kāi)發(fā)依賴于水平井壓裂技術(shù)，保持裂縫有效導(dǎo)流能力是壓裂施工成敗的關(guān)鍵[1-4]。頁(yè)巖儲(chǔ)層條件復(fù)雜，且導(dǎo)流能力影響因素眾多[5-6]，因此模擬地層條件進(jìn)行大量室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)顯得極為重要，測(cè)試結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)選支撐劑，達(dá)到最佳壓裂改造效果[7-8]。

常規(guī)支撐劑導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)以蒸餾水為流動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，而頁(yè)巖儲(chǔ)層自身復(fù)雜特性，導(dǎo)致常規(guī)儲(chǔ)層的普遍規(guī)律與方法并不適用[9-10]。針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層，進(jìn)行氣測(cè)導(dǎo)流能力研究將更符合地層實(shí)際情況[11-12]。頁(yè)巖儲(chǔ)層通常采用大液量、大砂量形成復(fù)雜縫網(wǎng)[13-14]，研究表明大多數(shù)頁(yè)巖地層壓裂液返排率低于50%(有些甚至小于5%)，壓裂返排結(jié)束后仍有大量壓裂液長(zhǎng)期滯留在地層中[15]。蔣建方等[16]進(jìn)行液測(cè)與氣測(cè)導(dǎo)流能力對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)液測(cè)與氣測(cè)導(dǎo)流能力存在的較大差異，認(rèn)為氣測(cè)導(dǎo)流能力對(duì)指導(dǎo)氣藏壓裂更加合理。曲占慶等[17]研究了壓裂液浸泡以及殘?jiān)繉?duì)氣測(cè)導(dǎo)流能力傷害。Zhang等[18-19]研究了壓裂液對(duì)頁(yè)巖、砂巖兩種地層導(dǎo)流能力傷害，表明壓裂液對(duì)不同巖性地層傷害程度差異較大，對(duì)頁(yè)巖地層造成嚴(yán)重傷害。徐正輝[20]研究了壓裂液對(duì)頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)傷害，表明液體浸泡加劇支撐劑嵌入程度，大幅降低導(dǎo)流能力。

目前，針對(duì)壓裂液造成頁(yè)巖地層裂縫導(dǎo)流能力傷害規(guī)律的認(rèn)識(shí)尚不充分，為此，首先通過(guò)對(duì)破碎率測(cè)試與長(zhǎng)期導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)支撐劑抗壓性能以及支撐劑嵌入條件下導(dǎo)流能力變化規(guī)律；之后模擬頁(yè)巖氣儲(chǔ)層在壓裂、返排和正常生產(chǎn)等不同階段，研究壓裂液侵入對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層氣測(cè)導(dǎo)流能力傷害，并分析支撐劑粒徑、鋪砂濃度、液體類型等不同條件下的傷害規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化提供理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與原理

1.1 支撐劑長(zhǎng)期導(dǎo)流能力測(cè)試裝置

實(shí)驗(yàn)使用長(zhǎng)江大學(xué)自主研發(fā)的HXDL-2C長(zhǎng)期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置(圖1)所示，由液壓機(jī)向填充實(shí)驗(yàn)樣品的API導(dǎo)流室施加閉合壓力，實(shí)驗(yàn)最大閉合壓力150 MPa，最高溫度120 ℃。

圖1 長(zhǎng)期導(dǎo)流能力測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Long-term conductivity test system

如實(shí)物裝置示意圖(圖2)所示，美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)導(dǎo)流室前端設(shè)置有液體、氣體兩套供給管線，實(shí)現(xiàn)不同階段液測(cè)與氣測(cè)導(dǎo)流能力切換；導(dǎo)流室前后均設(shè)置高精度壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力變化；導(dǎo)流室出口設(shè)計(jì)回壓系統(tǒng)，維持系統(tǒng)穩(wěn)定；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)壓力、溫度、流量以及裂縫寬度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并計(jì)算，監(jiān)測(cè)導(dǎo)流能力的變化。

圖2 評(píng)估液體侵入對(duì)導(dǎo)流能力傷害裝置示意圖Fig.2 Schematic of the setup to evaluate the conductivity damage by liquid intrusion

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

導(dǎo)流能力測(cè)試基于達(dá)西定律，其中液體為層流狀態(tài)，氣體為單向線性流，液測(cè)導(dǎo)流能力(Kwwf)、氣測(cè)導(dǎo)流能力(Kgwf)計(jì)算公式如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

式中：Kw、Kg分別為液測(cè)滲透率和氣測(cè)滲透率，μm2；wf為支撐劑厚度，cm；Qw、Qg分別為液體流量、氣體流量，mL/s；μw、μg分別為液體黏度、氣體黏度，mPa·s；L為測(cè)試點(diǎn)兩端的長(zhǎng)度，cm；W為導(dǎo)流槽寬度，cm；P0為大氣壓，10-1MPa；ΔP為液測(cè)兩點(diǎn)間差壓，10-1MPa；P1、P2為氣測(cè)兩點(diǎn)的壓力，10-1MPa。

標(biāo)準(zhǔn)API導(dǎo)流室寬度為3.81 cm，壓力測(cè)試點(diǎn)間距離12.7 cm，大氣壓P0為10-1MPa，式(1)、式(2)可分別簡(jiǎn)化為

(3)

(4)

式中：Qw、Qg為液體、氣體流量，mL/min；ΔP為液測(cè)兩點(diǎn)間差壓，kPa；P1、P2為氣測(cè)兩點(diǎn)的壓力，kPa。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)巖板：實(shí)驗(yàn)頁(yè)巖巖板由采集的頁(yè)巖露頭利用巖石線割機(jī)加工而成(圖3)，符合API導(dǎo)流室尺寸，厚度為1.5 cm。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的巖板Fig.3 Shale slab after the experiment

實(shí)驗(yàn)流體：實(shí)驗(yàn)液體準(zhǔn)備2%KCl溶液、破膠液以及清水；實(shí)驗(yàn)氣體為干燥氮?dú)狻?/p>

支撐劑：根據(jù)油田現(xiàn)場(chǎng)石英砂替代陶粒的趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)選用壓裂現(xiàn)場(chǎng)使用的20/40、30/50、40/70目三種粒徑的石英砂樣品。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 破碎率測(cè)試

破碎實(shí)驗(yàn)所用標(biāo)準(zhǔn)破碎室(圖4)，準(zhǔn)備定量的支撐劑，在破碎室中以液壓機(jī)勻速加載至模擬地層壓力后，穩(wěn)壓2 min后，取出后過(guò)篩，得到支撐劑破碎率。為進(jìn)行干燥條件與液體浸泡的破碎率對(duì)比評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，將相同量支撐劑在2%KCl溶液浸泡24 h，后置于干燥箱內(nèi)蒸發(fā)多余水分，在潮濕條件下破碎后置于105 ℃干燥箱內(nèi)烘干后篩析稱取質(zhì)量。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)破碎室Fig.4 Standard breakage chamber

2.2.2 導(dǎo)流能力測(cè)試

依據(jù)《頁(yè)巖支撐劑充填層長(zhǎng)期導(dǎo)流能力測(cè)定推薦方法》(NB/T 14023—2017)進(jìn)行支撐劑氣測(cè)、液測(cè)長(zhǎng)期導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)[21]。實(shí)驗(yàn)溫度為室溫25 ℃，模擬地層閉合壓力為恒壓28 MPa，液體流速為5 mL/min，氣體流速為300 mL/min，保證流量穩(wěn)定，回壓設(shè)定為1 MPa。

在頁(yè)巖巖板間均勻鋪置定量的支撐劑，巖板置于導(dǎo)流室中，連接入口、出口管線后，加載壓力至設(shè)定壓力，以平流泵恒定流量注入液體或高壓氮?dú)馄糠€(wěn)定供給干燥氮?dú)?，設(shè)置流量計(jì)、位移傳感器以及壓力傳感器等，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化，同步計(jì)算得到導(dǎo)流能力值。

評(píng)價(jià)液體侵入對(duì)支撐劑導(dǎo)流能力傷害實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為三個(gè)階段。

(1)前期氣測(cè)階段：氮?dú)庾⑷脒M(jìn)行氣測(cè)長(zhǎng)期導(dǎo)流能力，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)24 h；測(cè)試壓裂液傷害前導(dǎo)流能力。

(2)中期液測(cè)階段：2%KCl溶液注入，液測(cè)導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)72 h；模擬壓裂液侵入地層以及返排流動(dòng)過(guò)程。

(3)后期氣測(cè)階段：再次通入氮?dú)?，進(jìn)行長(zhǎng)期氣測(cè)導(dǎo)流能力，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)24 h；壓裂液返排完全后，模擬地層穩(wěn)定產(chǎn)氣階段，測(cè)試壓裂液傷害后導(dǎo)流能力。

數(shù)據(jù)采集：導(dǎo)流室閉合壓力加載至穩(wěn)定，初始流量處于穩(wěn)定狀態(tài)，開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)。每分鐘記錄1次數(shù)據(jù)，在每小時(shí)記錄的60組數(shù)據(jù)中，取穩(wěn)定性最好的數(shù)據(jù)點(diǎn)，與其誤差在10%以內(nèi)的數(shù)據(jù)同樣視為穩(wěn)定值，取穩(wěn)定數(shù)據(jù)的平均值得到該時(shí)間段內(nèi)的導(dǎo)流能力值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 液體浸泡對(duì)支撐劑抗壓強(qiáng)度的影響

實(shí)驗(yàn)在28 MPa壓力下對(duì)三種粒徑(20/40、30/50、40/70目)石英砂，進(jìn)行干燥條件與液體浸泡后破碎率對(duì)比測(cè)試。破碎率變化(圖5)所示。粒徑越大，破碎率越高；在2%KCl溶液浸泡后，潮濕條件下較干燥條件下破碎率明顯升高，粒徑越大破碎率上升率越高，20/40目石英砂破碎率上升率達(dá)到65.1%。

圖5 液體浸泡對(duì)支撐劑抗壓強(qiáng)度損害Fig.5 Proppant compressive strength damage by liquid immersion

支撐劑粒徑越大，顆粒之間的接觸點(diǎn)面積小，承受應(yīng)力大，破碎率高，而小粒徑支撐劑接觸面積大，抗壓能力強(qiáng)，不易破碎。液體浸泡會(huì)明顯降低支撐劑抗壓強(qiáng)度，破碎率上升；浸泡后支撐劑抗壓強(qiáng)度與地層應(yīng)力條件不匹配，不利于維持有效裂縫寬度，破碎產(chǎn)生的碎屑也會(huì)造成地層傷害。

30/50目石英砂兩種條件下破碎率測(cè)試后顯微鏡條件下觀察(圖6)，液體浸泡后支撐劑破碎碎屑明顯增加，支撐劑抗壓強(qiáng)度降低，顆粒間擠壓破碎導(dǎo)致圓球度大幅降低。

現(xiàn)行支撐劑抗壓強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，是在干燥條件下進(jìn)行，考慮從泵注開(kāi)始支撐劑持續(xù)浸泡于壓裂液中，液體浸泡后破碎率測(cè)試更符合實(shí)際情況。為保證支撐劑抗壓強(qiáng)度與地層應(yīng)力條件相匹配，對(duì)支撐劑抗壓強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步改進(jìn)。

圖6 不同條件下支撐劑破碎后顯微圖像(30/50目)Fig.6 Microscopic image of proppant after breaking under different conditions (30/50 mesh)

3.2 支撐劑嵌入對(duì)導(dǎo)流能力的影響

實(shí)驗(yàn)選用30/50目石英砂，鋪砂濃度為5 kg/m2，分別使用鋼板和巖板，進(jìn)行長(zhǎng)期氣測(cè)與液測(cè)導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，相同條件下氣測(cè)導(dǎo)流能力為液測(cè)導(dǎo)流能力的5～6倍。長(zhǎng)期氣測(cè)導(dǎo)流能力變化小，巖板組導(dǎo)流能力119 μm2·cm較鋼板組導(dǎo)流能力135 μm2·cm降低了12%；長(zhǎng)期液測(cè)導(dǎo)流能力下降速度快，且?guī)r板組導(dǎo)流能力值7.4 μm2·cm較鋼板組導(dǎo)流能力9.6 μm2·cm降低了23%。

由于氣體黏度低，滲流能力遠(yuǎn)高于液體，因此氣測(cè)導(dǎo)流能力明顯高于液測(cè)，通常表現(xiàn)為氣藏有效開(kāi)發(fā)所需導(dǎo)流能力明顯低于油藏。

巖板組導(dǎo)流能力均低于鋼板組，并在液測(cè)時(shí)更為顯著，主要由于巖板強(qiáng)度低，發(fā)生支撐劑嵌入，降低有效裂縫寬度，導(dǎo)流能力隨之降低；且在液測(cè)條件下，液體浸泡導(dǎo)致支撐劑與巖石強(qiáng)度降低，支撐劑破碎率與嵌入程度加劇，產(chǎn)生大量碎屑顆粒堵塞孔隙，因此液體侵入會(huì)加劇支撐劑嵌入造成的導(dǎo)流能力傷害。

3.3 支撐劑粒徑對(duì)導(dǎo)流能力的影響

實(shí)驗(yàn)對(duì)20/40、30/50、40/70目石英砂，鋪砂濃度5 kg/m2，分別進(jìn)行液體進(jìn)入對(duì)導(dǎo)流能力傷害實(shí)驗(yàn)，分為氮?dú)鈿鉁y(cè)、2%KCl溶液液測(cè)及二次注氮?dú)鈿鉁y(cè)三個(gè)階段。導(dǎo)流能力變化如圖8所示。由圖8可知，支撐劑粒徑越大，氣測(cè)與液測(cè)導(dǎo)流能力值越高；對(duì)比液體侵入前后氣測(cè)導(dǎo)流能力值，支撐劑粒徑越小，液體侵入后對(duì)氣測(cè)導(dǎo)流能力傷害程度越高，40/70目支撐劑傷害率達(dá)到70.4%。

支撐劑抗壓強(qiáng)度測(cè)試可知，支撐劑粒徑越大，抗壓強(qiáng)度低，破碎率較高，然而導(dǎo)流能力測(cè)試值卻較高，主要原因是大粒徑支撐劑顆粒間孔隙越大，破碎后仍具有一定的體積，提供支撐作用，大部分未破碎支撐劑顆粒間維持一定孔隙體積，提供較高導(dǎo)流能力。

液體浸泡作用后，支撐劑破碎率大，產(chǎn)生大量碎屑，隨著液體流動(dòng)運(yùn)移堆積至出口端，與支撐劑表面發(fā)生固結(jié)，堵塞小粒徑支撐劑間本就較小的流動(dòng)通道，導(dǎo)流能力大幅降低，因此小粒徑支撐劑受液體侵入造成導(dǎo)流能力傷害越大。

頁(yè)巖氣井壓后返排與前期產(chǎn)液過(guò)程中，壓裂液流動(dòng)將碎屑顆粒運(yùn)移堆積在近井筒附近，加重導(dǎo)流能力傷害，而大粒徑支撐劑具有一定抗堵塞作用，壓裂設(shè)計(jì)時(shí)，前期使用抗壓強(qiáng)度高的小粒徑支撐劑，維持有效裂縫寬度，后期尾追大粒徑支撐劑，降低近井筒裂縫導(dǎo)流能力傷害，獲得較好壓裂效果。

3.4 鋪砂濃度對(duì)導(dǎo)流能力的影響

考慮不同粒徑的基礎(chǔ)上，降低鋪砂濃度，采用2.5 kg/m2與5 kg/m2進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試2%KCl溶液對(duì)兩種不同鋪砂濃度下導(dǎo)流能力傷害，各階段導(dǎo)流能力測(cè)試結(jié)果如圖9所示。鋪砂濃度由5 kg/m2降低至2.5 kg/m2，氣測(cè)與液測(cè)導(dǎo)流能力均大幅降低，液體對(duì)氣測(cè)導(dǎo)流能力傷害加重，其中40/70目支撐劑氣測(cè)導(dǎo)流能力傷害率由70.4%上升至78.2%，上升率最高；提高鋪砂濃度有利于維持較高導(dǎo)流能力，降低壓裂液對(duì)地層傷害。

鋪砂濃度直接決定有效裂縫寬度，鋪砂濃度較低時(shí)，支撐劑嵌入巖石深度占裂縫寬度比例升高，難以維持有效裂縫寬度；且在低鋪砂濃度下，支撐劑顆粒受力增大，支撐劑破碎率上升，易產(chǎn)生碎屑顆粒堵塞流動(dòng)孔隙；因此，壓裂設(shè)計(jì)時(shí)，考慮支撐劑成本條件下，適當(dāng)提高鋪砂濃度，以獲得更高導(dǎo)流能力，壓裂效果更好。

3.5 液體類型對(duì)導(dǎo)流能力的影響

壓裂液優(yōu)選也是壓裂設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，目前頁(yè)巖儲(chǔ)層主要使用滑溜水+胍膠的壓裂液體系。研究不同液體導(dǎo)流能力傷害，實(shí)驗(yàn)使用清水、破膠液以及2%KCl三種液體，進(jìn)行30/50目石英砂壓裂液導(dǎo)流能力傷害實(shí)驗(yàn)，各階段導(dǎo)流能力測(cè)試結(jié)果如圖10所示。前期氣測(cè)導(dǎo)流能力值接近，但是分別注入三種液體后，2%KCl溶液中期液測(cè)導(dǎo)流以及后期氣測(cè)導(dǎo)流能力最高，清水組測(cè)試結(jié)果最低；清水造成氣測(cè)導(dǎo)流能力傷害高達(dá)81.7%，其次為破膠液72.6%，2%KCl溶液67.9%最低。

圖9 液體侵入對(duì)不同鋪砂濃度下長(zhǎng)期導(dǎo)流能力影響Fig.9 Effect of liquid intrusion on long-term conductivity of different proppant concentrations

圖10 不同液體類型對(duì)支撐劑長(zhǎng)期導(dǎo)流能力傷害Fig.10 Proppant long-term conductivity damage by different fluid types

清水的注入會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖表面黏土礦物吸水膨脹，巖石軟化，抗壓強(qiáng)度降低，加劇了支撐劑嵌入傷害；另外，產(chǎn)生大量碎屑堵塞孔隙造成導(dǎo)流能力傷害，而添加KCl作為黏土穩(wěn)定劑，能有效降低液體侵入造成的傷害程度。

破膠液中添加了黏土穩(wěn)定劑，但其黏度較高，流動(dòng)性差，導(dǎo)流能力較低，且破膠液殘?jiān)彩窃斐煽紫抖氯闹匾蛩兀粔毫岩浩颇z不完全時(shí)，流動(dòng)性差導(dǎo)致壓后返排率低，壓裂液滯留地層，加劇地層傷害；因此，優(yōu)選防膨性能好、破膠徹底、低殘?jiān)膲毫岩后w系，降低對(duì)地層傷害，提高壓裂改造效果。

4 結(jié)論

(1)地層中壓裂液浸泡對(duì)巖石與支撐劑抗壓強(qiáng)度影響較大，加劇支撐劑嵌入，無(wú)法維持有效裂縫寬度，達(dá)不到預(yù)期設(shè)計(jì)的壓裂效果。為匹配地層應(yīng)力條件優(yōu)選支撐劑，模擬壓裂液浸泡，在潮濕條件下進(jìn)行支撐劑抗壓強(qiáng)度測(cè)試更符合地層實(shí)際情況。

(2)大粒徑支撐劑抗壓強(qiáng)度低，易破碎，在地層閉合壓力較低時(shí)，選用大粒徑支撐劑，以獲得較高裂縫導(dǎo)流能力；而當(dāng)?shù)貙娱]合壓力較大時(shí)，選用小粒徑支撐劑，適當(dāng)提高鋪砂濃度，減小支撐劑嵌入傷害，同時(shí)在壓裂后期尾追大粒徑支撐劑，降低近井筒堵塞傷害。

(3)頁(yè)巖氣藏進(jìn)行支撐劑長(zhǎng)期氣測(cè)導(dǎo)流能力測(cè)試更加合理，而壓裂液的侵入造成氣測(cè)導(dǎo)流能力的傷害達(dá)到60%以上；因此，優(yōu)選低殘?jiān)?、破膠性能好的壓裂液體系，制定合理的返排制度，提高返排率，縮短返排時(shí)間，減少壓裂液滯留地層時(shí)間，以達(dá)到理想的壓裂改造效果。

(4)通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)宏觀條件下研究了壓裂液侵入對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層導(dǎo)流能力的傷害程度，為現(xiàn)場(chǎng)支撐劑與壓裂液優(yōu)選提供依據(jù)。下階段將針對(duì)壓裂液與頁(yè)巖巖石表面?zhèn)Φ奈⒂^作用機(jī)理進(jìn)行深入研究。