章思鵬，許明勇，宋菊香，居迎軍，李攀

1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院（陜西西安 710065）

2.中國石油長慶油田分公司第六采油廠（陜西定邊 718606）

3.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠（內(nèi)蒙古烏審旗 017300）

0 引言

隨著常規(guī)油氣藏的不斷開采，非常規(guī)油氣藏的開發(fā)開采也已受到關(guān)注，非常規(guī)油氣藏的開發(fā)過程離不開壓裂改造，壓裂改造是以實現(xiàn)長縫為目標(biāo)。隨著勘探開發(fā)的深入，鉆遇大厚度的油氣藏更多，對于此類儲層多級加砂具有良好的裂縫縱向延展和長度，可有效提高裂縫導(dǎo)流能力，對于低滲透油氣藏具有較好的增產(chǎn)效果[1-5]。

多級加砂與傳統(tǒng)的加砂相比，其裂縫寬度更大，鋪墊效率更高。多級加砂是將設(shè)計的總砂量多次泵入儲層，第一級壓裂結(jié)束后停泵，支撐劑沉降，之后裂縫閉合，然后進(jìn)行下一級壓裂，一級一級鋪置。多級加砂每一級支撐劑會覆蓋上一級支撐劑向裂縫深處延展。宋紫玥[6]提出多級加砂加砂級數(shù)與裂縫導(dǎo)流能力呈現(xiàn)出加砂級數(shù)越多，裂縫縫長、縫高和導(dǎo)流能力都在增加。張潦源[7]通過對支撐劑近井帶充填和分支縫支撐效果進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)支撐劑支撐效果的最優(yōu)方案是先充填小粒徑的支撐劑后充填大粒徑的支撐劑，可以使分支縫具有較好的運移能力。

本文在對多級鋪砂砂堤形態(tài)認(rèn)知的基礎(chǔ)上，對其在近井地帶各級支撐劑之間的縱向接觸、橫向接觸和混和鋪置3 種接觸方式進(jìn)行測試，明確其在不同閉合壓力下對多級壓裂裂縫導(dǎo)流能力的影響。采用API 標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)流室，氮氣模擬天然氣在閉合壓力下的氣相流動，測試裂縫導(dǎo)流能力，該實驗研究認(rèn)知對揭示多級加砂各級支撐劑不同接觸方式對裂縫導(dǎo)流能力的影響規(guī)律，對完善多級加砂壓裂優(yōu)化設(shè)計具有重要的理論價值[8-12]。

1 實驗

1.1 實驗儀器

實驗所用儀器為根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的裂縫導(dǎo)流能力系統(tǒng)，主要由平流泵、導(dǎo)流室、氣體流量計、壓差傳感器和液壓機構(gòu)成，可以模擬地層條件，對不同類型支撐劑進(jìn)行裂縫導(dǎo)流能力評價。儀器最高實驗溫度120 ℃，最大閉合壓力120 MPa。

1.2 實驗原理

根據(jù)圖1所示多級加砂壓裂二級壓裂支撐劑會覆蓋一級壓裂支撐劑，從而在裂縫中呈現(xiàn)出兩種接觸方式，一二級支撐劑延裂縫延展垂線方向的縱向接觸和一二級支撐劑延裂縫方向的橫向接觸，以及一二級支撐劑發(fā)生混合的混合加砂。

圖1 多級加砂壓裂縱向接觸和橫向接觸示意圖

根據(jù)線性流達(dá)西公式，氣體滲透率測定公式如下：

式中：K為支撐裂縫滲透率，μm2；Q為裂縫內(nèi)流量，cm3/s；μ為流體黏度，mPa·s；L為測試段長度，cm；A為支撐裂縫截面積，cm2；T為導(dǎo)流室溫度，℃；P0為大氣壓，MPa；P1為入口壓力，MPa；P2為出口壓力，MPa。

根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)將導(dǎo)流室數(shù)據(jù)與公式中參數(shù)進(jìn)行置換，支撐劑裂縫導(dǎo)流能力計算公式變?yōu)椋?/p>

式中：KWf為導(dǎo)流能力，μm2·cm。

1.3 實驗材料

1）支撐劑：20～40目石英砂、40～70目石英砂、20～40 目陶粒、40～70 目陶粒和70～140 目陶粒5種支撐劑。

2）實驗流體：N2。

1.4 實驗條件

實驗過程中閉合壓力分別加載6.9、13.8、27.6、41.4、55.2 MPa。

1.5 實驗方案

根據(jù)支撐劑各級鋪置不同支撐劑類型、不同支撐劑目數(shù)和不同鋪砂濃度，設(shè)計實驗共14組。鋪砂濃度總濃度為10 kg/m2,各級鋪砂濃度分別為2.5、5.0、7.5 kg/m2。支撐劑小粒徑和大粒徑之比分別為1∶3、1∶1和3∶1。

根據(jù)圖2 示意的鋪置方法，在導(dǎo)流室中充填支撐劑，根據(jù)一級加砂和二級加砂的次序依次加入支撐劑，每次加入支撐劑用刮板刮平整，使支撐劑分層均勻。使用氣體流量計使N2以穩(wěn)定的流速通過導(dǎo)流室，逐漸增加閉合壓力，得到不同閉合壓力下的支撐劑裂縫導(dǎo)流能力變化曲線。通過改變支撐劑類型，進(jìn)行單級支撐劑鋪置、混合支撐劑鋪置、支撐劑橫向接觸和支撐劑縱向接觸，得到裂縫在不同閉合壓力下的不同裂縫導(dǎo)流能力實驗數(shù)據(jù)。通過對實驗數(shù)據(jù)的處理，得到不同實驗條件下隨閉合壓力變化的裂縫導(dǎo)流能力結(jié)果曲線，比較曲線的變化，分析各因素對裂縫導(dǎo)流能力的影響。

圖2 多級加砂壓裂3種接觸方式示意圖

2 實驗結(jié)果與分析

多級加砂各級支撐劑會呈現(xiàn)出隨著加砂級數(shù)的增加，覆蓋上一級加砂的支撐劑，各級支撐劑之間會出現(xiàn)3種接觸方式：縱向接觸、橫向接觸和混合加砂，接觸方式如圖1 所示。根據(jù)3 種接觸方式及上述實驗方案，開展不同支撐劑鋪置狀態(tài)的裂縫導(dǎo)流能力實驗，通過對縱向接觸、橫向接觸和混合加砂3種接觸方式不同閉合壓力下的裂縫導(dǎo)流能力進(jìn)行分析，對實驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2.1 支撐劑縱向接觸鋪置對裂縫導(dǎo)流能力的影響

根據(jù)圖1示意一級加砂支撐劑先在裂縫中沉降，二級加砂的支撐劑再沉降覆蓋一級加砂支撐劑。實驗過程中縱向接觸是先將一級加砂支撐劑鋪置導(dǎo)流室，再將二級加砂支撐劑鋪置導(dǎo)流室，使導(dǎo)流內(nèi)支撐劑變?yōu)閮蓪又蝿?，實驗具體方案見表1。

表1 縱向接觸實驗方案

2.1.1 小粒徑和大粒徑組合對縱向接觸的影響

多級加砂會在井筒周圍鋪置小粒徑支撐劑，可以提高抗壓能力，防止裂縫閉合，并且小粒徑支撐劑可以遮擋部分應(yīng)力，使井筒周圍具有良好的抗壓能力和導(dǎo)流能力。

由圖3 可知，在總鋪砂濃度為10 kg/m2的情況下，大粒徑支撐劑的鋪砂濃度越高裂縫導(dǎo)流能力越大，大粒徑支撐劑之間的孔隙大氣體更容易流動，因此其裂縫導(dǎo)流能力大。隨著閉合壓力的增加，幾組實驗在55.2 MPa 閉合壓力下的導(dǎo)流能力差別不大，閉合壓力過高時支撐劑破碎將孔隙堵塞，導(dǎo)致支撐劑在高閉合壓力下裂縫導(dǎo)流能力區(qū)別不大。由于鋪置小粒徑支撐劑可以遮擋部分裂縫閉合的應(yīng)力，小粒徑和大粒徑石英砂支撐劑鋪砂濃度比例為1∶3 時，其裂縫導(dǎo)流能力略低于大粒徑石英砂支撐劑，且大于其余各比例鋪砂濃度的石英砂支撐劑，由于總鋪砂濃度一定，小粒徑支撐劑鋪砂濃度越高其導(dǎo)流能力越低，鋪置部分的小粒徑支撐劑遮擋部分應(yīng)力，對裂縫導(dǎo)流能力影響較小。

圖3 不同閉合壓力下小粒徑大粒徑縱向接觸組合導(dǎo)流能力變化圖

二級加砂為20～40 目的大粒徑陶粒支撐劑時裂縫導(dǎo)流能力相對于石英砂支撐劑裂縫導(dǎo)流能力更好。由于陶粒具有更強的抗壓能力，對于裂縫的支撐效果更好，使導(dǎo)流能力在低閉合壓力下增長了40%，在高閉合壓力下增長了10%。多級加砂支撐劑縱向接觸，想要獲得較好的抗壓能力和導(dǎo)流能力，小粒徑支撐劑和大粒徑支撐劑的比例在1∶3 時具有較好的抗壓能力和較高的導(dǎo)流能力。

2.1.2 大粒徑對縱向接觸的影響

多級加砂壓裂裂縫能獲得更好的縫寬和縫長，支撐劑更深入裂縫，對于裂縫深處各級支撐劑縱向接觸對導(dǎo)流能力的影響，采用大粒徑支撐劑進(jìn)行實驗。

從圖4 可以看出，多級加砂均采用大粒徑支撐劑，在低閉合壓力下裂縫導(dǎo)流能力更高，閉合壓力在10 MPa左右時其裂縫導(dǎo)流能力均在200 μm2·cm，閉合壓力在30 MPa以下可以保持較高的導(dǎo)流能力，這是因為大粒徑支撐劑的孔隙空間更大，流體在孔隙中更容易流動。在高閉合壓力下裂縫導(dǎo)流能力也大于小粒徑和大粒徑組合的方式，由于測試的是短期導(dǎo)流能力大粒徑支撐劑破碎較少，裂縫支撐效果更好。

圖4 大粒徑組合導(dǎo)流能力隨閉合壓力變化圖

若采用大粒徑支撐劑，隨著石英砂支撐劑占比的逐漸提高，其導(dǎo)流能力在低閉合壓力下下降較緩，這是因為陶粒支撐劑抗壓能力更強，抗壓能力較弱的石英砂支撐劑破碎堵塞孔隙導(dǎo)致導(dǎo)流能力下降，石英砂支撐劑占比越高，其破碎越多，堵塞孔隙越嚴(yán)重。與圖3對比石英砂支撐劑從小粒徑40～70 目換成20～40 目，其導(dǎo)流能力增加約1 倍，其支撐效果更強。大粒徑支撐劑中石英砂和陶粒支撐劑不同比例鋪置在40 MPa 以上的閉合壓力下差別不大，略高于純石英砂支撐劑。

2.2 支撐劑橫向接觸鋪置對裂縫導(dǎo)流能力的影響

根據(jù)圖1示意一級加砂支撐劑先在井筒周圍沉降，二級加砂支撐劑深入裂縫沉降。實驗過程中橫向接觸是先將一級加砂支撐劑鋪置導(dǎo)流室的出口處，再將二級加砂支撐劑鋪置導(dǎo)流室的入口處，模擬氣藏開采，實驗具體方案見表2。

表2 橫向接觸小粒徑大粒徑組合實驗方案

2.2.1 小粒徑和大粒徑組合對橫向接觸的影響

隨著裂縫的延伸，二級加砂會深入裂縫與一級加砂形成橫向接觸，井筒周圍的一級加砂支撐劑和裂縫深處的二級加砂支撐劑接觸會導(dǎo)致滲流阻力加大，使裂縫導(dǎo)流能力下降。

從圖5 可以看出，在低閉合壓力下大粒徑支撐劑在鋪砂濃度中占比越高，其導(dǎo)流能力也越大，在高閉合壓力下不同實驗導(dǎo)流能力相差不大。并且，小粒徑支撐劑在鋪砂濃度中占比越高，其隨著閉合壓力的增加導(dǎo)流能力下降越緩慢。橫向接觸導(dǎo)流能力整體小于縱向接觸，根據(jù)達(dá)西公式可知，相對于縱向接觸，橫向接觸本身的滲流阻力更大，并且橫向接觸對于應(yīng)力的遮擋作用也小于縱向接觸。橫向接觸時二級加砂換成強度更高的大粒徑陶粒支撐劑，對于裂縫導(dǎo)流能力增加較少，在低閉合壓力下增長了17%，在高閉合壓力下增長了8%，比縱向接觸的增長量降低了約50%。

圖5 小粒徑大粒徑組合導(dǎo)流能力隨閉合壓力變化圖

2.2.2 小粒徑陶粒支撐劑對橫向接觸的影響

井筒周圍有時會采用更小粒徑的70～140目的支撐劑以獲得更高的抗壓能力，為獲得更高的抗壓強度通常采用抗壓能力更強的陶粒支撐劑來獲得更好的導(dǎo)流能力。

從圖6 可以看出，小粒徑支撐劑隨閉合壓力增加導(dǎo)流能力下降較緩，這是由于小粒徑支撐劑的抗壓能力較強，閉合壓力對導(dǎo)流能力的影響較小，并且采用的支撐劑是比石英砂抗壓能力更強的陶粒支撐劑。還可以看出，實驗16 和實驗18 的導(dǎo)流能力隨閉合壓力增加幾乎沒有變化，說明其抗壓能力較好，但導(dǎo)流能力較低，小粒徑支撐劑孔隙較小流體難以流動。從圖5、圖6 可以看出，小粒徑支撐劑發(fā)生橫向接觸時對導(dǎo)流能力影響很大，較高的滲流阻力導(dǎo)致大粒徑支撐劑的導(dǎo)流能力難以發(fā)揮作用。

圖6 小粒徑陶粒組合導(dǎo)流能力隨閉合壓力變化圖

2.3 支撐劑混合對導(dǎo)流能力的影響

一級加砂的支撐劑沉降后二級加砂支撐劑注入會與部分一級加砂支撐劑混合，混合后的導(dǎo)流能力會發(fā)生變化。實驗過程中將一級加砂支撐劑和二級加砂支撐劑進(jìn)行混合，混合后鋪置導(dǎo)流室內(nèi)測定其裂縫導(dǎo)流能力。

多級加砂過程中，一級支撐劑和二級支撐劑會發(fā)生混合現(xiàn)象，實驗主要對混合的不同比例進(jìn)行測試（表3）。混合加砂導(dǎo)流能力隨閉合壓力變化見圖7。

表3 混合加砂小粒徑大粒徑組合實驗方案

圖7 混合加砂導(dǎo)流能力隨閉合壓力變化圖

從圖7 可以看出，混合加砂在小粒徑和大粒徑石英砂支撐劑鋪砂濃度比例為1∶1 時，導(dǎo)流能力高于縱向接觸和橫向接觸。混合接觸的導(dǎo)流能力整體高于橫向接觸，因此3 種接觸方式的導(dǎo)流能力大小排列為：縱向接觸＞混合鋪置＞橫向接觸?；旌霞由皶r加入陶粒支撐劑使裂縫導(dǎo)流能力相對低閉合壓力下增長了30%，在高閉合壓力下增長了15%。

3 結(jié)論

1）3 種接觸方式導(dǎo)流能力大小排列為：縱向接觸＞混合鋪置＞橫向接觸?？v向接觸位于井筒附近，可以提供良好的導(dǎo)流能力，大粒徑支撐劑之間的孔隙大，氣體更容易流動，因此其裂縫導(dǎo)流能力大。在小粒徑和大粒徑之比為1∶3 時，導(dǎo)流能力效果最好。

2）橫向接觸在3 種接觸方式中導(dǎo)流能力最低，小粒徑支撐劑對導(dǎo)流能力的影響很大，在橫向接觸過程中一級加砂支撐劑和二級加砂支撐劑發(fā)生混合會提高裂縫導(dǎo)流能力。

3）當(dāng)支撐劑發(fā)生混合時，發(fā)生在縱向接觸時會降低導(dǎo)流能力，發(fā)生在橫向接觸時會增加導(dǎo)流能力，混合加砂在小粒徑和大粒徑石英砂支撐劑鋪砂濃度比例為1∶1 時，導(dǎo)流能力高于縱向接觸和橫向接觸。