孫業(yè)恒 殷代印 劉凱

1.中國(guó)石化勝利油田勘探開發(fā)研究院；2.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

致密油藏增產(chǎn)措施主要為縫網(wǎng)壓裂，對(duì)儲(chǔ)層改造區(qū)域內(nèi)人工裂縫導(dǎo)流能力的正確認(rèn)識(shí)是優(yōu)化壓裂參數(shù)的基礎(chǔ)［1-2］。目前，對(duì)人工裂縫導(dǎo)流能力的研究主要有理論法和實(shí)驗(yàn)法，李勇明等［3-8］基于彈性力學(xué)理論，考慮支撐劑的材料特性參數(shù)建立了支撐劑嵌入的理論模型；朱海燕等［9］應(yīng)用離散元顆粒程序，建立了人工裂縫導(dǎo)流能力數(shù)值模擬模型。以上理論模型在描述導(dǎo)流能力時(shí)都進(jìn)行了很大程度的簡(jiǎn)化，難以準(zhǔn)確地描述導(dǎo)流能力真實(shí)變化情況。張靜嫻等［10］通過(guò)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)法研究了人工裂縫導(dǎo)流能力的影響因素；熊俊杰等［11-13］應(yīng)用實(shí)驗(yàn)法研究并分析了支撐劑嵌入對(duì)導(dǎo)流能力的影響；曲占慶等［14］結(jié)合導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用灰度關(guān)聯(lián)分析算法研究了主控因素；吳百烈等［8］設(shè)計(jì)了新型導(dǎo)流能力測(cè)試裝置，開展了導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)。以上實(shí)驗(yàn)法研究導(dǎo)流能力時(shí)，并沒(méi)有考慮致密油藏壓裂后支撐劑在近井地帶濃度高，裂縫遠(yuǎn)端濃度低的分布特征，只采用均勻鋪砂方式與致密儲(chǔ)層的真實(shí)情況存在差異。

致密油藏不同埋深及不同區(qū)域的沉積巖類型不同，應(yīng)用多段非均勻鋪砂裝置，模擬支撐劑非均勻的分布特征，分別研究了不同類型沉積巖巖板(灘壩砂、砂礫巖、濁積巖和2種露頭巖心)在非均勻鋪砂條件下的導(dǎo)流能力，更加符合儲(chǔ)層實(shí)際狀況。

1 非均勻鋪砂導(dǎo)流能力測(cè)試原理

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)在模擬實(shí)際儲(chǔ)層壓裂后支撐劑的非均勻分布狀態(tài)時(shí)，將導(dǎo)流巖板分成了3段，如圖1所示。各導(dǎo)流段分別鋪置不同濃度或不同目數(shù)的支撐劑，分別描述井附近支撐劑高濃區(qū)、裂縫中部支撐劑中濃區(qū)和裂縫遠(yuǎn)端支撐劑低濃區(qū)。

致密油藏通常埋深2 200~4 000 m，水平應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)，人工導(dǎo)流條帶存在較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，應(yīng)用常規(guī)的指數(shù)型函數(shù)描述這種現(xiàn)象則流體的滲流方程為

圖1 多段非均勻鋪砂裝置Fig.1 Multi-section nonuniform sanding device

通過(guò)任意截面的流量為

對(duì)式(2)進(jìn)行分離變量處理，對(duì)支撐劑高濃區(qū)導(dǎo)流條帶進(jìn)行積分

對(duì)支撐劑中濃區(qū)導(dǎo)流條帶進(jìn)行積分

對(duì)支撐劑低濃區(qū)導(dǎo)流條帶進(jìn)行積分

考慮流動(dòng)的連續(xù)性，各段導(dǎo)流條帶與注入端的流量相同

聯(lián)立方程(2~6)，推導(dǎo)出了各段導(dǎo)流能力的計(jì)算公式

對(duì)各段導(dǎo)流能力進(jìn)行長(zhǎng)度加權(quán)，推導(dǎo)出了平均導(dǎo)流能力的表達(dá)式

式中，v為滲流速度，m/s；k為人工裂縫滲透率，10?3μm2；μ為流體黏度，mPa · s；α為應(yīng)力敏感系數(shù)，MPa?1；p為儲(chǔ)層壓力，MPa；pi為人工裂縫初始有效應(yīng)力，MPa；kf為導(dǎo)流條帶的導(dǎo)流能力，μm2· c m；d為導(dǎo)流條帶的寬度，m；L1、L2、L3為各段導(dǎo)流條帶端點(diǎn)距初始點(diǎn)的距離，m；q1、q2、q3為通過(guò)各段導(dǎo)流條帶的流量，m3；kf1,kf2、kf3為各段導(dǎo)流條帶的導(dǎo)流能力，μm2· cm；p0、p1、p2分別為各導(dǎo)流條帶的流動(dòng)壓力，MPa；為導(dǎo)流條帶的平均導(dǎo)流能力，μm2· c m。

2 非均勻?qū)Я髂芰y(cè)試實(shí)驗(yàn)

采用非均勻鋪砂的方式，模擬了實(shí)際儲(chǔ)層人工裂縫中的支撐劑分布狀態(tài)，基于以上推導(dǎo)的多段導(dǎo)流能力測(cè)試原理，研究了不同閉合應(yīng)力條件下，各段導(dǎo)流條帶的導(dǎo)流能力。

2.1 閉合應(yīng)力范圍

致密油藏開發(fā)孔隙壓力改變，引起有效應(yīng)力的變化，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)通常設(shè)置不同圍壓來(lái)模擬有效應(yīng)力。通過(guò)查考相關(guān)文獻(xiàn)，致密油藏埋深通常為2 200~4 000 m，水平最小有效應(yīng)力的壓力梯度為0.013 MPa/m［15］，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)為了包含整個(gè)有效應(yīng)力范圍，閉合應(yīng)力范圍是20~60 MPa。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

實(shí)驗(yàn)儀器：液體儲(chǔ)集器、液體計(jì)量器、液體收集器、平流泵、恒溫箱、液壓設(shè)備、輔助填砂裝置、導(dǎo)流室、壓力傳感器、光電傳感器、流體過(guò)濾器和真空泵。

實(shí)驗(yàn)材料：不同沉積巖制成的巖板，40/70目的陶粒支撐劑。

2.3 實(shí)驗(yàn)流程

相對(duì)常規(guī)人工裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)需要額外監(jiān)測(cè)導(dǎo)流能力條帶分段處的壓力及位移。通過(guò)在導(dǎo)流條帶分段處安裝測(cè)壓點(diǎn)和光電位移傳感器，實(shí)現(xiàn)了分段壓力監(jiān)測(cè)和各段縫寬監(jiān)測(cè)。此外，通過(guò)逐漸增加閉合應(yīng)力的方式模擬了實(shí)際儲(chǔ)層壓裂后逐漸泄壓的過(guò)程，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experiment device

實(shí)驗(yàn)步驟：(1)選取致密儲(chǔ)層天然露頭板狀巖心作為實(shí)驗(yàn)巖板的制作材料，將其加工成與導(dǎo)流室匹配的長(zhǎng)方體巖板，共2塊；(2)將其中一塊加工好的巖板置于導(dǎo)流室，使用分段鋪砂裝置進(jìn)行鋪砂，向各導(dǎo)流段填充40/70目數(shù)的支撐劑，從注入端到出口端填充濃度依次降低，濃度分別為8、5、3 kg/m2，完成鋪砂后，裝入另1塊巖板，閉合導(dǎo)流室；(3)將安裝好的導(dǎo)流室置于液壓裝置的加壓平臺(tái)，固定夾持器，設(shè)置1 MPa的閉合應(yīng)力，使人工導(dǎo)流條帶初步壓實(shí)，設(shè)置恒溫箱溫度為60℃；(4)對(duì)導(dǎo)流室側(cè)面安裝的光電位移傳感器進(jìn)行校零處理，對(duì)線路上和裝置上連接的壓力計(jì)進(jìn)行校零處理，對(duì)線路進(jìn)行檢漏測(cè)試，完成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作；(5)設(shè)置閉合應(yīng)力為10 MPa，開啟平流泵，平流泵的流量設(shè)置為0.1 mL/min，開始人工裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)；(6)2 h后記錄閉合應(yīng)力、平流泵流量和各部位瞬時(shí)壓力等參數(shù)，根據(jù)多段導(dǎo)流能力算法計(jì)算各段導(dǎo)流條帶的導(dǎo)流能力；(7)以10 MPa為步長(zhǎng)，逐漸增加閉合應(yīng)力，每個(gè)閉合應(yīng)力持續(xù)2 h，測(cè)試不同閉合應(yīng)力下的導(dǎo)流能力；(8)閉合應(yīng)力增加至60 MPa后，關(guān)閉平流泵，使液壓裝置卸壓并關(guān)閉液壓裝置和恒溫箱，拆除導(dǎo)流室，取出巖板，整理線路和儀器裝置，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

3 致密油藏導(dǎo)流能力影響因素

分別研究了不同鋪砂方式和不同沉積巖對(duì)人工裂縫導(dǎo)流能力的影響。

3.1 鋪砂方式對(duì)導(dǎo)流能力的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了多段非均勻鋪砂方式和常規(guī)均勻鋪砂方式人工裂縫導(dǎo)流能力的差異，支撐劑均為40/70目，常規(guī)均勻鋪砂方式支撐劑濃度為5 kg/m2其他實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)如表1所示。以灘壩砂儲(chǔ)層為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。多段非均勻鋪砂方式與常規(guī)均勻鋪砂方式相比，主要差異有：非均勻鋪砂方式的導(dǎo)流能力總體小于均勻鋪砂；非均勻鋪砂下，越靠近井底導(dǎo)流能力損失越大，而均勻鋪砂下，各部分導(dǎo)流能力損失基本一致；非均勻鋪砂導(dǎo)流能力穩(wěn)定后，各段導(dǎo)流能力分布規(guī)律仍是從井底到裂縫遠(yuǎn)端逐漸降低，但差異變小。

表1 不同沉積巖導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of flow conductivity testing experiment for different sedimentary rocks

圖3 不同鋪砂方式的導(dǎo)流能力測(cè)試結(jié)果Fig.3 Tested flow conductivity in different sanding modes

3.2 沉積巖類型對(duì)導(dǎo)流能力的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了不同類型沉積巖的導(dǎo)流能力差異，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。砂礫巖巖板的支撐劑嵌入深度最大，濁積巖居中，灘壩砂最??；砂礫巖巖板的導(dǎo)流能力損失最大，濁積巖居中，灘壩砂最小，分別為53.7%，44.4%和38.9%。

3.3 不同沉積巖導(dǎo)流能力差異分析

根據(jù)導(dǎo)流能力的定義，在支撐劑目數(shù)和濃度相同的條件下，人工裂縫導(dǎo)流能力主要與縫寬有關(guān)，不同沉積巖的抗壓強(qiáng)度不同［16-19］；施加閉合應(yīng)力后，支撐劑嵌入深度不同，導(dǎo)致縫寬不同，進(jìn)而影響導(dǎo)流能力。統(tǒng)計(jì)了不同沉積巖的粒度和成分解釋結(jié)果，分析了導(dǎo)流能力差異產(chǎn)生的原因。

(1)不同沉積巖的粒級(jí)解釋數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。灘壩砂儲(chǔ)層中碳酸鹽質(zhì)砂巖和粉砂巖含量較高，大顆粒間由粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖充填，壓實(shí)后抗壓能力強(qiáng)，支撐劑嵌入深度小，導(dǎo)流能力損失??；砂礫巖主要由含礫砂巖、中粗砂巖和粉細(xì)砂巖組成，結(jié)構(gòu)欠成熟直接壓實(shí)形成儲(chǔ)層，當(dāng)施加閉合應(yīng)力后，顆粒會(huì)重新排列，支撐劑嵌入深度相對(duì)較大，導(dǎo)流能力損失大。

圖4 不同類型沉積巖導(dǎo)流能力測(cè)試結(jié)果Fig.4 Tested flow conductivity of different types of sedimentary rocks

(2)不同沉積巖的成分解釋數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。灘壩砂的成分成熟度較高，石英含量高，抗壓能力強(qiáng)，支撐劑嵌入深度小，導(dǎo)流能力損失?。簧暗[巖(礫狀砂巖、含礫砂巖、中粗砂巖、粉細(xì)砂巖)中巖屑含量較高，當(dāng)施加閉合應(yīng)力后，支撐劑嵌入深度相對(duì)較大，導(dǎo)流能力損失大。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)設(shè)計(jì)非均勻鋪砂方式導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，模擬了致密儲(chǔ)層壓裂后支撐劑從井底到裂縫遠(yuǎn)端濃度逐漸降低的分布狀態(tài)，相比于常規(guī)均勻鋪砂方式下的導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)流能力保持率降低4.7~8.5個(gè)百分點(diǎn)。

表2 不同類型沉積巖的粒度組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Size compositions of different types of sedimentary rocks(mass fraction)

表3 不同類型沉積巖的成分比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 Composition proportions of different types of sedimentary rocks (mass fraction)

(2)通過(guò)開展不同沉積巖的導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，明確了灘壩砂儲(chǔ)層導(dǎo)流能力保留率最高，為61.1%；濁積巖居中，為55.6%；砂礫巖最低，為50.2%。

(3)從沉積巖成分和粒度組成方面，分析了不同沉積巖導(dǎo)流能力差異的原因，主要在于閉合應(yīng)力逐漸增加，巖石抗壓能力不同，導(dǎo)致支撐劑嵌入深度不同。