陳娟 郭建春 李勇明 王文耀

(“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué))

復(fù)雜條件下支撐劑導(dǎo)流能力的實(shí)驗(yàn)研究與分析

陳娟 郭建春 李勇明 王文耀

(“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué))

地層裂縫所處的各種復(fù)雜條件對(duì)水力壓裂施工有重大的影響,利用導(dǎo)流能力測(cè)試儀器,測(cè)試分析了支撐劑嵌入、壓裂液殘?jiān)?、壓裂液破膠效果、地層微粒侵入、閉合時(shí)間、酸堿性等復(fù)雜條件對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)正確評(píng)價(jià)支撐劑性能以及合理選擇支撐劑具有一定的參考價(jià)值?；趯?shí)驗(yàn)測(cè)試的導(dǎo)流能力數(shù)據(jù),應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析原理,回歸出導(dǎo)流能力隨壓力變化的函數(shù)關(guān)系式,對(duì)分析支撐劑導(dǎo)流能力和壓裂施工設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

水力壓裂 導(dǎo)流能力 支撐劑地層傷害

水力壓裂作為目前低滲透油氣田最為有效的增產(chǎn)措施之一,在現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用[1]。支撐劑導(dǎo)流能力的測(cè)試評(píng)價(jià)是壓裂室內(nèi)評(píng)價(jià)的重要環(huán)節(jié),為壓裂設(shè)計(jì)和壓裂效果預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前,對(duì)支撐劑性能的測(cè)試評(píng)價(jià)一般是依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來測(cè)試支撐劑的短期導(dǎo)流能力,再依據(jù)經(jīng)驗(yàn)校正確定支撐劑在地層條件下的導(dǎo)流能力。由于沒有考慮到支撐劑在地層所處的復(fù)雜條件,得到的結(jié)果往往與實(shí)際存在較大的差異。為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和優(yōu)選支撐劑,本文選用油田常用的支撐劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測(cè)試分析了支撐劑嵌入、壓裂液殘?jiān)?、壓裂液破膠效果、地層微粒侵入、酸堿性和閉合時(shí)間等復(fù)雜條件對(duì)導(dǎo)流能力的影響,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,形成一套預(yù)測(cè)地層條件下支撐劑導(dǎo)流能力的計(jì)算方法,對(duì)水力壓裂的設(shè)計(jì)具有重要意義[2]。

1 實(shí)驗(yàn)儀器與原理

實(shí)驗(yàn)使用 FCES-100型裂縫導(dǎo)流儀 (圖1),該儀器可以模擬地層溫度和閉合壓力,導(dǎo)流室按照API標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[3],依據(jù)達(dá)西定律,通過測(cè)量不同流量下的壓差計(jì)算而得到支撐裂縫導(dǎo)流能力。實(shí)驗(yàn)過程中的閉合壓力按每 1 000 psi(1 psi=6.895 kPa)的級(jí)別遞增。

圖1 支撐裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試流程

實(shí)驗(yàn)原理可用達(dá)西定律表示:

式中k——巖心滲透率,μm2;

Q——流過巖心的流量,cm3/min;

μ——巖心流體黏度,mPa·s;

L——巖心長(zhǎng)度,cm;

A——巖心截面積,cm2;

ΔP——巖心室兩端的壓差,MPa。

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)使用的是API標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)流室,所以支撐劑滲透率及導(dǎo)流能力計(jì)算公式可以進(jìn)一步表達(dá)為下面的形式。

支撐劑滲透率:

式中Wf為充填寬度,cm。

支撐劑充填層導(dǎo)流能力:

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 支撐劑嵌入對(duì)導(dǎo)流能力的影響

在壓裂裂縫閉合后,由于支撐劑與裂縫面的相互作用,會(huì)產(chǎn)生支撐劑嵌入砂巖或煤巖的現(xiàn)象。支撐劑嵌入后會(huì)導(dǎo)致支撐裂縫寬度降低,進(jìn)而降低裂縫導(dǎo)流能力。

實(shí)驗(yàn)選用不會(huì)發(fā)生嵌入現(xiàn)象的鋼板來模擬裂縫縫壁,用會(huì)發(fā)生嵌入現(xiàn)象的巖心片來模擬地層,測(cè)試支撐劑在這兩種情況下的導(dǎo)流能力[4-6](圖2)。曲線1和曲線2表示在鋪砂濃度分別為10 kg/m2和5 kg/m2時(shí)測(cè)得的導(dǎo)流能力。從圖2可以看出,支撐劑在高鋪砂濃度下的導(dǎo)流能力比在低鋪砂濃度下高,說明不管有無嵌入現(xiàn)象發(fā)生,高鋪砂濃度下支撐劑的導(dǎo)流能力始終高于低鋪砂濃度下的導(dǎo)流能力。在低鋪砂濃度下,用鋼板與巖板測(cè)得的導(dǎo)流能力在閉合壓力超過34.5 MPa后便開始出現(xiàn)偏離,而在高鋪砂濃度下,閉合壓力超過41.4 MPa后兩者才開始分開,這說明支撐劑的鋪砂濃度越小,嵌入現(xiàn)象越早發(fā)生,而且隨著壓力的增大這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。這是由于在較低的鋪砂濃度下,總的鋪砂層數(shù)較少,一旦發(fā)生嵌入,嵌入層占總鋪砂層數(shù)的比例相對(duì)較大,其影響也就比高鋪砂濃度大。所以在壓裂施工作業(yè)時(shí),要盡可能采用高鋪砂濃度,才能避免因嵌入產(chǎn)生的支撐縫寬減小,得到較為理想的有效導(dǎo)流能力。

圖2 支撐劑嵌入對(duì)導(dǎo)流能力的影響

2.2 壓裂液殘?jiān)鼘?duì)導(dǎo)流能力的影響

壓裂施工中使用的壓裂液通過支撐劑時(shí),會(huì)留下很多的壓裂液殘?jiān)?造成滲流通道的堵塞,從而使支撐劑導(dǎo)流能力大大降低。圖3通過用清水和破膠液作為流體介質(zhì)來對(duì)比導(dǎo)流能力,從中可以看出用破膠液測(cè)得的導(dǎo)流能力要遠(yuǎn)小于用清水的導(dǎo)流能力,主要原因是破膠液中殘?jiān)粩喾e聚在支撐劑充填層中,堵塞孔隙,造成支撐劑充填層傷害,導(dǎo)流能力急劇下降。所以為了提高油氣藏的增產(chǎn)效果,需要開發(fā)出新型的低傷害壓裂液體系,以提高裂縫的導(dǎo)流能力。

圖3 壓裂液殘?jiān)鼘?duì)導(dǎo)流能力的影響

2.3 壓裂液破膠效果對(duì)導(dǎo)流能力的影響

壓裂液破膠性能的好壞將直接影響支撐裂縫導(dǎo)流能力及壓后增產(chǎn)效果,若壓裂液破膠時(shí)間比較長(zhǎng),破膠程度低,則壓裂施工后返排不徹底,將對(duì)地層造成損害,降低油層的滲透性[7]。

實(shí)驗(yàn)采用胍膠壓裂液基液與蒸餾水按比例混合模擬不同破膠程度的壓裂破膠液。實(shí)驗(yàn)使用蒸餾水、30%基液、60%基液和100%基液來模擬不同的破膠液,并在不同閉合壓力下測(cè)試支撐劑的導(dǎo)流能力 (圖4)。30%基液、60%基液和100%基液下導(dǎo)流能力的傷害率分別為23%～28%、39%～42%、50%～52%,可見壓裂液破膠程度越不完全,液體黏度越大,在相同閉合壓力下,支撐劑導(dǎo)流能力的傷害率越大。這是由于破膠越不完全,黏度越大的液體,反排所需的啟動(dòng)壓力越大,導(dǎo)致返排周期增長(zhǎng),從而液體滯留的時(shí)間也越長(zhǎng),對(duì)支撐劑充填層的損害也越大,其導(dǎo)流能力保持率也越低[8]。現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工返排也證實(shí),排液周期和壓裂液破膠程度直接影響增產(chǎn)效果:排液周期短及返排率高的施工井,壓裂后增產(chǎn)效果明顯。故施工時(shí)應(yīng)盡量提高壓裂液破膠效果,使用助排劑等措施,提高壓裂后液體的返排率,減少液體在支撐劑充填層的滯留,從而實(shí)現(xiàn)有效提高導(dǎo)流能力的目的。

圖4 裂縫傷害前后導(dǎo)流能力對(duì)比

2.4 地層微粒侵入對(duì)導(dǎo)流能力的影響

微粒侵入會(huì)影響支撐劑充填層的滲透率,導(dǎo)致油井產(chǎn)能不佳、產(chǎn)量過早遞減。實(shí)驗(yàn)選用兩種流體介質(zhì)來作微粒傷害對(duì)比實(shí)驗(yàn),介質(zhì)a表示清水,即沒有固相顆粒的流體;介質(zhì)b表示在清水中混有巖屑粉末的混合液,可將其看作具有地層微粒的流體[9]。從圖5可以看出,在流體介質(zhì)b下,即充填層不斷有外來地層微粒侵入時(shí),在閉合壓力較低時(shí)對(duì)導(dǎo)流能力并沒有影響,但是隨著閉合壓力的增大,這種影響越來越大,導(dǎo)致支撐劑的導(dǎo)流能力越來越低,直至趨近于零。這是因?yàn)?0/40目支撐劑的粒徑相對(duì)比較大,在閉合壓力較低時(shí)能允許地層微粒的通過,所以對(duì)導(dǎo)流能力的傷害很小。但是隨著閉合壓力的不斷增加,支撐劑逐漸被壓碎導(dǎo)致孔隙慢慢變小,使得地層微粒越來越不容易通過孔隙,在孔隙中形成的橋塞也越來越嚴(yán)重,最后堵塞孔隙。研究結(jié)果表明,防止地層微粒侵入的關(guān)鍵是形成穩(wěn)定的支撐劑充填層/地層界面。所以為了提高裂縫的導(dǎo)流能力,應(yīng)該使用黏土穩(wěn)定劑和表面涂敷有化學(xué)劑的支撐劑,因?yàn)楸砻嫱糠笥谢瘜W(xué)劑的支撐劑可與地層微粒層間形成一個(gè)穩(wěn)定的界面,抑制微粒的充填和沉積,從而增加充填層的孔隙度和滲透率。

圖5 地層微粒對(duì)支撐劑導(dǎo)流能力的影響

2.5 時(shí)間對(duì)導(dǎo)流能力的影響

時(shí)間對(duì)支撐劑導(dǎo)流能力的影響非常大,以前一些關(guān)于支撐劑導(dǎo)流能力的資料是在環(huán)境溫度下短時(shí)間內(nèi)評(píng)價(jià)的,因而比實(shí)際的結(jié)果要樂觀。實(shí)驗(yàn)用某支撐劑在不同閉合壓力13.8 MPa和69 MPa下,室溫條件下,測(cè)試24 h內(nèi)支撐劑的導(dǎo)流能力[10],實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6。從圖中可以看出,在13.8 MPa閉合壓力下,支撐劑導(dǎo)流能力的下降率為51.2%;在69 MPa閉合壓力下,支撐劑導(dǎo)流能力的下降率為43.2%,可見隨著時(shí)間的增加,導(dǎo)流能力的下降速度是非?？斓?。因此要準(zhǔn)確評(píng)價(jià)支撐劑的導(dǎo)流能力,就必須有足夠的時(shí)間,使支撐劑達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),使各種因素的影響都充分顯示出來,這樣測(cè)得的導(dǎo)流能力才可能接近實(shí)際的導(dǎo)流能力。

圖6 支撐劑導(dǎo)流能力隨時(shí)間的變化

2.6 酸堿性對(duì)導(dǎo)流能力的影響

酸性環(huán)境將溶解支撐劑,使支撐劑承受閉合壓力的能力降低,同時(shí)使得支撐劑粒徑變小,這都將減小裂縫的有效寬度[11],導(dǎo)致壓裂達(dá)不到預(yù)期的效果。實(shí)驗(yàn)表明,在66℃溫度下,將砂粒支撐劑放在100 mL靜態(tài)的 HCl/HF溶液中,過30 min后,其質(zhì)量減少了5 g,這說明酸能夠溶解支撐劑。在油田的實(shí)際操作中,支撐劑和酸的接觸時(shí)間要超過1 h,即使沒有注入酸,油層的環(huán)境也能產(chǎn)生酸性環(huán)境從而溶解支撐劑,導(dǎo)致達(dá)不到理想的壓裂效果。所以應(yīng)該使用具有抗酸性質(zhì)的支撐劑,使油層的酸性條件對(duì)支撐劑的影響減弱,從而達(dá)到理想的壓裂效果。

3 導(dǎo)流能力的預(yù)測(cè)

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果,應(yīng)用多元回歸的方法可以得到支撐劑導(dǎo)流能力與閉合壓力函數(shù)關(guān)系式。下面介紹支撐劑粒徑為10/20目的導(dǎo)流能力與閉合壓力的關(guān)系:經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)得到階數(shù)為3時(shí),其相關(guān)系數(shù)R2=0.988,這時(shí)通過多項(xiàng)式計(jì)算得到的導(dǎo)流能力曲線非常逼近實(shí)測(cè)導(dǎo)流能力的曲線 (圖7)。通過以上回歸得到導(dǎo)流能力與閉合壓力的函數(shù)關(guān)系式為:

式中FRCD——長(zhǎng)期導(dǎo)流能力值,μm2·cm;

P——閉合壓力,MPa。

同理可以得到粒徑為20/40、40/60目支撐劑與閉合壓力的函數(shù)關(guān)系式。

粒徑為20/40目:

粒徑為40/60目:

圖7 10/20目支撐劑導(dǎo)流能力和閉合壓力的關(guān)系

4 結(jié)論

(1)地層的復(fù)雜條件如支撐劑的嵌入、壓裂液殘?jiān)?、壓裂液的破膠效果、地層微粒的侵入、酸堿性對(duì)支撐劑導(dǎo)流能力的傷害是非常嚴(yán)重的,應(yīng)分析不同復(fù)雜條件,對(duì)支撐劑導(dǎo)流能力的損害機(jī)理提出相應(yīng)對(duì)策,為進(jìn)一步的壓裂施工作業(yè)提供可靠的理論及實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

(2)時(shí)間對(duì)支撐劑導(dǎo)流能力的影響是非常大的,短期內(nèi)測(cè)的導(dǎo)流能力并不能代表長(zhǎng)期導(dǎo)流能力,應(yīng)盡量延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間,使支撐劑達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),使各種因素的影響都充分顯示出來,這樣測(cè)得的導(dǎo)流能力才可能接近實(shí)際的導(dǎo)流能力。

(3)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)時(shí),應(yīng)該充分模擬地層復(fù)雜的條件,滿足地層壓力、溫度等各種因素,只有這樣實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)出來的導(dǎo)流能力才能在一定程度上反映支撐劑在地層中的真實(shí)導(dǎo)流能力。

(4)在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上回歸出支撐裂縫導(dǎo)流能力的計(jì)算公式,對(duì)壓裂施工具有一定的指導(dǎo)意義。

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2010-04-07)