吳百烈， 楊 凱， 程宇雄， 劉善勇， 張 艷

（1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2. 海洋石油高效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028；3. 中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300452；4. 長(zhǎng)江大學(xué)錄井技術(shù)與工程研究院，湖北荊州 434023；5. 陜西省油氣井及儲(chǔ)層滲流與巖石力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710065；6. 長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100）

珠江口盆地是我國(guó)南海富集油氣的重點(diǎn)區(qū)域，目前開發(fā)的主力油層多為新近系珠江組[1]。隨著勘探開發(fā)不斷深入，勘探重心逐漸轉(zhuǎn)向陸豐凹陷古近系地層，并在文昌組取得重要油氣突破，文昌組油層埋藏較深（深于3 500 m），儲(chǔ)層物性差，平均孔隙度12.6%，平均滲透率16.5 mD，屬于典型的低孔低滲儲(chǔ)集層[2-3]。對(duì)于低滲油氣田，陸上一般采用水力壓裂方式開發(fā)，但海上油田受平臺(tái)空間和作業(yè)成本的限制，難以實(shí)施水力壓裂，造成該類儲(chǔ)層動(dòng)用程度較低[4]。目前，針對(duì)南海古近系儲(chǔ)層進(jìn)行了9井次的增產(chǎn)改造，主要措施為爆燃?jí)毫?，改造效果較差。另外，還針對(duì)文昌組油層在1口井進(jìn)行了水力壓裂試驗(yàn)，但由于加砂強(qiáng)度僅0.31 m3/min，鋪砂濃度低，影響了裂縫導(dǎo)流能力，壓裂效果也不甚理想，亟需提高壓裂效果。

壓裂的目的是將支撐劑高效輸送并鋪置到開啟的人工裂縫中，使裂縫得到有效支撐并保持較高的導(dǎo)流能力[5-6]。壓裂過程中的加砂工藝、支撐劑組合方式等，不僅會(huì)影響支撐劑在裂縫中的鋪置狀態(tài)及支撐效率，還會(huì)影響壓裂后裂縫的導(dǎo)流能力和壓裂增產(chǎn)效果[7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)裂縫中支撐劑短期和長(zhǎng)期導(dǎo)流能力的變化規(guī)律以及導(dǎo)流能力影響因素等進(jìn)行了大量研究：郭天魁、曲占慶等人[8-9]利用FCES-100型裂縫導(dǎo)流儀分析了氣測(cè)導(dǎo)流能力的影響因素，并提出了改善導(dǎo)流能力的有效措施；A.Khanna等人[10]研究了支撐時(shí)間、閉合壓力、溫度以及支撐劑嵌入等因素對(duì)導(dǎo)流能力的影響，評(píng)估了上述各因素對(duì)導(dǎo)流能力的傷害程度；R.Duenckel、王中學(xué)等人[11-12]分析了壓裂液對(duì)不同類型支撐劑裂縫導(dǎo)流能力的影響，發(fā)現(xiàn)破膠液殘?jiān)鼫羰窃斐蓪?dǎo)流能力下降的主要原因，其對(duì)導(dǎo)流能力的傷害率可達(dá)90%以上；李超等人[13]考慮巖石礦物組成以及力學(xué)性質(zhì)對(duì)導(dǎo)流能力的影響，分析總結(jié)了影響致密油儲(chǔ)層支撐劑嵌入的因素；李勇明等人[14]基于微元受力分析，討論了不同因素對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響，定量分析了支撐劑的嵌入程度。但是，以上研究只分析了導(dǎo)流能力的影響因素，未系統(tǒng)分析各因素對(duì)導(dǎo)流能力的影響程度。南海LF油田開展了微壓裂、小規(guī)模爆燃?jí)毫雅c酸化配合的儲(chǔ)層改造增產(chǎn)試驗(yàn)，取得了一定的效果，但這些方法在近井地帶形成的裂縫規(guī)模較小，同時(shí)裂縫沒有支撐，后期裂縫可能閉合，有效期較短。目前，針對(duì)海上低滲透儲(chǔ)層水力壓裂的研究較少，尚未開展裂縫導(dǎo)流能力的研究。為此，筆者以南海LF油田儲(chǔ)層為研究對(duì)象，在分析目標(biāo)儲(chǔ)層特征的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)試驗(yàn)分析了黏土礦物含量、支撐劑組合方式以及壓裂液破膠液黏度對(duì)壓裂裂縫導(dǎo)流能力的影響，研究結(jié)果可為海上低滲儲(chǔ)層壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 研究區(qū)儲(chǔ)層特征

1.1 LF油田礦物組分分析

LF油田文昌組存在泥巖夾層，儲(chǔ)層非均質(zhì)性顯著，收集了該油田9口井不同埋深處儲(chǔ)層的巖屑，采用X-衍射方法分析了巖屑全巖礦物和黏土礦物，結(jié)果見表1和表2。

從表1和表2可以看出，目標(biāo)儲(chǔ)層全巖礦物以石英為主，含量31.7%～69.9%，脆性礦物含量較高，含有少量鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、方解石、石鹽、方沸石和重晶石等；黏土礦物含量差異性較大，在13.7%～46.2%，主要以伊/蒙混層為主，含量基本都在50%以上，平均為61.5%，不含純蒙脫石，伊/蒙混層的混層比為10%～20%。進(jìn)行水力壓裂時(shí)，需要考慮黏土礦物對(duì)支撐劑嵌入的影響。

1.2 天然裂縫發(fā)育情況

利用掃描電子顯微鏡掃描LF油田儲(chǔ)層的巖樣，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，LF油田儲(chǔ)層巖石裂縫不發(fā)育，只有一些晶間微裂縫，因此在評(píng)價(jià)裂縫導(dǎo)流能力時(shí)可忽略天然裂縫的影響。

2 試驗(yàn)原理、設(shè)備及材料

2.1 試驗(yàn)原理

參考石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“支撐劑充填層短期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)推薦方法”（SY/T6302—2009），測(cè)試支撐裂縫的導(dǎo)流能力。利用達(dá)西定律計(jì)算支撐劑充填層在層流（達(dá)西流）下的導(dǎo)流能力，設(shè)支撐劑填充層厚度為Wf，則支撐裂縫導(dǎo)流能力KWf為：

表1 LF油田儲(chǔ)層巖屑全巖礦物組分Table 1 Whole-rock mineral composition of reservoir cuttings in LF Oilfield

表2 LF油田儲(chǔ)層巖屑黏土礦物組分Table 2 Clay mineral composition of reservoir cuttings in LF Oilfield

式中：K為支撐裂縫滲透率，D；Wf為裂縫中支撐劑的填充厚度，c m；Q為流過裂縫的流體流量，cm3/min；μ為流體黏度，mPa·s；Δp為支撐裂縫兩端的壓差，kPa。

基于氣體達(dá)西滲流定律測(cè)試裂縫的導(dǎo)流能力。單向線性流裂縫的導(dǎo)流能力為：

式中：Q0為氣體流過裂縫的流量，cm3/min；μ0為氣體黏度，mPa·s；L為壓力端口間的長(zhǎng)度，cm；A為支撐裂縫截面積，cm2；p0為大氣壓，atm；p1，p2為支撐裂縫入口、出口測(cè)試點(diǎn)的壓力，kPa。

圖1 LF油田儲(chǔ)層巖心掃描電子顯微鏡掃描結(jié)果Fig. 1 Results of scanning electron microscopy on reservoir cores in LF Oilfield

由于入口前壓力表一般測(cè)試壓力較大，而精度較低，因此將式（2）修正為：

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用HXDL-2C支撐劑長(zhǎng)期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)系統(tǒng)（見圖2）測(cè)試支撐劑的導(dǎo)流能力。HXDL-2C支撐劑長(zhǎng)期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)系統(tǒng)的導(dǎo)流室按照API標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，利用該系統(tǒng)能進(jìn)行支撐劑短期和長(zhǎng)期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)、壓裂酸化工作液巖心板濾失試驗(yàn)、支撐劑嵌入巖板評(píng)價(jià)、裂縫寬度測(cè)量等。該系統(tǒng)有測(cè)試液體和氣體導(dǎo)流能力的2個(gè)導(dǎo)流室，可以同時(shí)測(cè)試液體和氣體的導(dǎo)流能力；最高測(cè)試溫度120 ℃，最大加載閉合壓力150 MPa，試驗(yàn)液體壓力0～10 MPa，試驗(yàn)液體流量0～20 mL/min，氣體流量0～1 000 mL/min，流動(dòng)壓力0～10 MPa，位移傳感器最大位移20 mm。

圖2 支撐劑導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)系統(tǒng)Fig.2 Proppant conductivity evaluation system

2.3 試驗(yàn)材料

為了準(zhǔn)確模擬地層條件下水力裂縫的導(dǎo)流能力，考慮目標(biāo)儲(chǔ)層黏土礦物組分差異，根據(jù)LF油田儲(chǔ)層的礦物組分，制作了4組不同黏土礦物含量的人工巖板。研究了不同工程條件對(duì)導(dǎo)流能力的影響，選用了國(guó)內(nèi)水力壓裂中常用的2 0/4 0目、30/50目和40/70目3種不同粒徑的中密度陶粒。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)苛黧w介質(zhì)，選用蒸餾水、N2、黏度為1，10和20 mPa·s的破膠壓裂液。

3 儲(chǔ)層黏土礦物含量對(duì)導(dǎo)流能力的影響

在不同黏土礦物含量巖板間分別鋪置濃度為10 kg/m3的20/40目、40/70目陶粒，測(cè)試40 MPa閉合壓力下的短期導(dǎo)流能力和10 h后的長(zhǎng)期導(dǎo)流能力，結(jié)果見表3。

由表3可知，對(duì)于相同粒徑的支撐劑，隨著黏土礦物含量增大，支撐劑導(dǎo)流能力逐漸降低，鋼板導(dǎo)流能力最高，黏土礦物含量50%的巖板最低。考慮黏土礦物對(duì)支撐劑嵌入的影響，閉合壓力40 MPa下保持10 h，黏土礦物含量從15%增至50%，20/40目陶粒導(dǎo)流能力的降低率從13.84%增至31.34%，40/70 目陶粒也有相同的變化規(guī)律。對(duì)于不同粒徑的支撐劑，在閉合壓力長(zhǎng)時(shí)間作用下（承壓范圍內(nèi)），大粒徑支撐劑相比小粒徑支撐劑更能保持裂縫導(dǎo)流能力，其導(dǎo)流能力變化率明顯更低。

試驗(yàn)結(jié)束后，觀察巖板和支撐劑，發(fā)現(xiàn)：支撐劑的破碎率沒有隨黏土含量變化而變化，但黏土含量越高，支撐劑嵌入情況越嚴(yán)重；巖板間的支撐劑因擠壓而破碎的不多，少量破碎主要是由支撐劑顆粒相互擠壓造成的，如圖3所示。

表3 不同黏土礦物含量下的導(dǎo)流能力試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of conductivity under different clay mineral contents

4 不同粒徑支撐劑組合方式對(duì)導(dǎo)流能力的影響

壓裂施工時(shí)，常規(guī)泵注程序是先泵入小粒徑支撐劑，用于開啟人工裂縫，支撐劑隨壓裂液運(yùn)移至裂縫端部，保持有效裂縫長(zhǎng)度。然后，再加入大粒徑支撐劑，大粒徑支撐劑鋪置于裂縫入口處，保持裂縫寬度、保證近井筒地帶的裂縫導(dǎo)流能力[15-16]。地層條件下，地層中的流體經(jīng)支撐劑支撐裂縫流向井筒，因此試驗(yàn)中流體入口填充粒徑較小的支撐劑，向裂縫出口部位支撐劑粒徑逐漸增大，不同粒徑支撐劑的填充順序?yàn)?0/70目、30/50目和20/40目。按此泵注順序研究不同粒徑支撐劑以不同比例鋪置時(shí)的導(dǎo)流能力。

圖3 不同黏土礦物含量下支撐劑的破碎情況Fig.3 Proppant crushing under different clay mineral contents

1）鋼板間鋪置濃度為10 kg/m3的20/40目、30/50目和40/70目陶粒（20/40目、30/50目和40/70目陶粒的比例為1∶1∶1），以蒸餾水為工作液，測(cè)試其分別在10，20，30和40 MPa閉合壓力下的短期導(dǎo)流能力，結(jié)果見圖4；

2）在上述同樣條件下，20/40目、30/50目和40/70目陶粒以3∶1∶1的比例鋪置在鋼板間，測(cè)試其分別在10，20，30和40 MPa閉合壓力下的短期導(dǎo)流能力，結(jié)果見圖4；

3）在上述同樣條件下，20/40目、30/50目和40/70目陶粒以1∶3∶1的比例鋪置在鋼板間，測(cè)試其分別在10，20，30和40 MPa閉合壓力下的短期導(dǎo)流能力，結(jié)果見圖4；

4）在上述同樣條件下，20/40目、30/50目和40/70目陶粒以1∶1∶3的比例鋪置在鋼板間，測(cè)試其分別在10，20，30和40 MPa閉合壓力下的短期導(dǎo)流能力，結(jié)果見圖4。

由圖4可知：大粒徑支撐劑的占比越大，導(dǎo)流能力越高；隨著閉合壓力升高，導(dǎo)流能力下降明顯，閉合壓力由10 MPa升至40 MPa，20/40目、30/50目和40/70目陶粒的4種不同比例組合，其導(dǎo)流能力分別降低45.9%、43.9%、49.5%和55.6%；20/40目、30/50目和40/70目陶粒以3∶1∶1的比例鋪置時(shí)最優(yōu)，40 MPa閉合壓力下導(dǎo)流能力為116.7 D·cm；20/40目、30/50目和40/70目陶粒以1∶1∶3的比例鋪置時(shí)最差，4 0 M P a閉合壓力下導(dǎo)流能力為59.6 D·cm。

圖4 裂縫導(dǎo)流能力與閉合壓力的關(guān)系Fig. 4 Relationship between fracture conductivity and closure pressure

隨著閉合壓力升高，裂縫寬度的下降幅度不大（見圖5），裂縫滲透率的下降幅度明顯（見圖6）。所以，對(duì)于南海低滲透油藏，對(duì)壓裂后裂縫導(dǎo)流能力影響最大的是滲透率。試驗(yàn)結(jié)束后，用顯微鏡觀察試驗(yàn)用支撐劑，發(fā)現(xiàn)大粒徑支撐劑的破碎程度相比小粒徑支撐劑更大（見圖7），主要是因?yàn)榇罅街蝿╇m然破碎程度大，但破碎后的支撐劑顆粒仍具有一定的尺寸，仍有支撐能力，且大粒徑支撐劑顆粒間空隙較大，而小粒徑支撐劑由于本身顆粒間距離小，破碎后易堵塞流動(dòng)通道，造成小粒徑支撐劑占比大時(shí)裂縫滲透率急劇降低。

圖5 裂縫寬度與閉合壓力的關(guān)系Fig. 5 Relationship between fracture width and closure pressure

圖6 裂縫滲透率與閉合壓力的關(guān)系Fig. 6 Relationship between fracture permeability and closure pressure

5 破膠液黏度對(duì)導(dǎo)流能力的影響

壓裂液對(duì)導(dǎo)流能力的影響主要包括：1）壓裂液與巖石相互作用導(dǎo)致巖石物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，增加支撐劑的嵌入；2）壓裂液殘留在裂縫和支撐劑表面，降低了裂縫的導(dǎo)流能力[17-18]。為了規(guī)避其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，筆者以鋼板為巖板。

壓裂液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的傷害與壓裂液的破膠性能密切相關(guān)，破膠液黏度和殘?jiān)瞧淦颇z性能的主要表現(xiàn)。筆者主要討論破膠液黏度對(duì)導(dǎo)流能力的影響。將20/40目陶粒以10 kg/m3的濃度鋪置在鋼板間，首先以N2為工作流體，測(cè)試20/40 目陶粒在40 MPa閉合壓力下的導(dǎo)流能力；接著，泵入不同黏度的破膠液，排量在每個(gè)壓差下穩(wěn)定15 min；最后，再以N2為工作流體，測(cè)定40 MPa閉合壓力下的導(dǎo)流能力，結(jié)果見表4。

表4 不同破膠液黏度下的導(dǎo)流能力Table 4 Experimental results of conductivity under different gel-breaking liquid viscosity

由表4可知，壓裂液破膠液的黏度越高，支撐劑支撐裂縫的導(dǎo)流能力越低，說明壓裂液破膠越徹底，壓裂裂縫的導(dǎo)流能力越高。

圖7 不同粒徑支撐劑的破碎情況Fig. 7 Crushing of proppants with different grain sizes

6 結(jié)論與建議

1）黏土礦物對(duì)支撐劑嵌入有較大影響，隨著黏土礦物含量增大，裂縫導(dǎo)流能力下降明顯，大粒徑支撐劑相比小粒徑支撐劑更能保持裂縫導(dǎo)流能力，在支撐劑承壓范圍內(nèi)，支撐劑破碎主要由于顆粒間的相互擠壓而非支撐劑與儲(chǔ)層間的相互作用。

2）隨著閉合壓力升高，裂縫的導(dǎo)流能力降低明顯，但在相同條件下，大粒徑支撐劑的占比越大，裂縫的導(dǎo)流能力越高。在高閉合應(yīng)力條件下，滲透率降低對(duì)導(dǎo)流能力的影響要高于裂縫寬度減小的影響，這主要是因?yàn)?，支撐劑破碎后，破碎顆粒填充于流動(dòng)通道孔隙中造成的。

3）在相同條件下，壓裂液破膠越徹底，破膠液的黏度越低，壓裂裂縫的導(dǎo)流能力越高。因此，壓裂時(shí)應(yīng)優(yōu)選易破膠的清潔壓裂液。為提高壓裂液的返排率，可加入N2或CO2等進(jìn)行助排，以提高裂縫的導(dǎo)流能力。