袁 旭，許冬進*，陳世海，何小東，承 寧，陳 進

(1.長江大學(xué)非常規(guī)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430100；2.中國石油天然氣集團公司采油采氣重點實驗室長江大學(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)

頁巖氣高效開發(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]。頁巖儲層條件復(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行大量室內(nèi)評價實驗顯得極為重要，測試結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場壓裂設(shè)計優(yōu)選支撐劑，達到最佳壓裂改造效果[7-8]。

常規(guī)支撐劑導(dǎo)流能力評價以蒸餾水為流動介質(zhì)進行測試，而頁巖儲層自身復(fù)雜特性，導(dǎo)致常規(guī)儲層的普遍規(guī)律與方法并不適用[9-10]。針對頁巖儲層，進行氣測導(dǎo)流能力研究將更符合地層實際情況[11-12]。頁巖儲層通常采用大液量、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期滯留在地層中[15]。蔣建方等[16]進行液測與氣測導(dǎo)流能力對比實驗，發(fā)現(xiàn)液測與氣測導(dǎo)流能力存在的較大差異，認為氣測導(dǎo)流能力對指導(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渣含量對氣測導(dǎo)流能力傷害。Zhang等[18-19]研究了壓裂液對頁巖、砂巖兩種地層導(dǎo)流能力傷害，表明壓裂液對不同巖性地層傷害程度差異較大，對頁巖地層造成嚴重傷害。徐正輝[20]研究了壓裂液對頁巖力學(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，針對壓裂液造成頁巖地層裂縫導(dǎo)流能力傷害規(guī)律的認識尚不充分，為此，首先通過對破碎率測試與長期導(dǎo)流能力測試實驗對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；之后模擬頁巖氣儲層在壓裂、返排和正常生產(chǎn)等不同階段，研究壓裂液侵入對頁巖氣儲層氣測導(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，實驗結(jié)果為頁巖氣儲層壓裂設(shè)計參數(shù)優(yōu)化提供理論支撐。

1 實驗裝置與原理

1.1 支撐劑長期導(dǎo)流能力測試裝置

實驗使用長江大學(xué)自主研發(fā)的HXDL-2C長期導(dǎo)流能力評價裝置，實驗裝置(圖1)所示，由液壓機向填充實驗樣品的API導(dǎo)流室施加閉合壓力，實驗最大閉合壓力150 MPa，最高溫度120 ℃。

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

如實物裝置示意圖(圖2)所示，美國石油協(xié)會(API)導(dǎo)流室前端設(shè)置有液體、氣體兩套供給管線，實現(xiàn)不同階段液測與氣測導(dǎo)流能力切換；導(dǎo)流室前后均設(shè)置高精度壓力傳感器，實時監(jiān)測壓力變化；導(dǎo)流室出口設(shè)計回壓系統(tǒng)，維持系統(tǒng)穩(wěn)定；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對實驗壓力、溫度、流量以及裂縫寬度進行實時采集并計算，監(jiān)測導(dǎo)流能力的變化。

圖2 評估液體侵入對導(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 實驗原理

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

(1)

(2)

式中：Kw、Kg分別為液測滲透率和氣測滲透率，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為測試點兩端的長度，cm；W為導(dǎo)流槽寬度，cm；P0為大氣壓，10-1MPa；ΔP為液測兩點間差壓，10-1MPa；P1、P2為氣測兩點的壓力，10-1MPa。

標準API導(dǎo)流室寬度為3.81 cm，壓力測試點間距離12.7 cm，大氣壓P0為10-1MPa，式(1)、式(2)可分別簡化為

(3)

(4)

式中：Qw、Qg為液體、氣體流量，mL/min；ΔP為液測兩點間差壓，kPa；P1、P2為氣測兩點的壓力，kPa。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

實驗巖板：實驗頁巖巖板由采集的頁巖露頭利用巖石線割機加工而成(圖3)，符合API導(dǎo)流室尺寸，厚度為1.5 cm。

圖3 實驗結(jié)束后的巖板Fig.3 Shale slab after the experiment

實驗流體：實驗液體準備2%KCl溶液、破膠液以及清水；實驗氣體為干燥氮氣。

支撐劑：根據(jù)油田現(xiàn)場石英砂替代陶粒的趨勢，實驗選用壓裂現(xiàn)場使用的20/40、30/50、40/70目三種粒徑的石英砂樣品。

2.2 實驗方法

2.2.1 破碎率測試

破碎實驗所用標準破碎室(圖4)，準備定量的支撐劑，在破碎室中以液壓機勻速加載至模擬地層壓力后，穩(wěn)壓2 min后，取出后過篩，得到支撐劑破碎率。為進行干燥條件與液體浸泡的破碎率對比評價實驗，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 標準破碎室Fig.4 Standard breakage chamber

2.2.2 導(dǎo)流能力測試

依據(jù)《頁巖支撐劑充填層長期導(dǎo)流能力測定推薦方法》(NB/T 14023—2017)進行支撐劑氣測、液測長期導(dǎo)流能力實驗[21]。實驗溫度為室溫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氣瓶穩(wěn)定供給干燥氮氣，設(shè)置流量計、位移傳感器以及壓力傳感器等，監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)變化，同步計算得到導(dǎo)流能力值。

評價液體侵入對支撐劑導(dǎo)流能力傷害實驗過程分為三個階段。

(1)前期氣測階段：氮氣注入進行氣測長期導(dǎo)流能力，測試時長24 h；測試壓裂液傷害前導(dǎo)流能力。

(2)中期液測階段：2%KCl溶液注入，液測導(dǎo)流能力實驗，測試時長72 h；模擬壓裂液侵入地層以及返排流動過程。

(3)后期氣測階段：再次通入氮氣，進行長期氣測導(dǎo)流能力，測試時長24 h；壓裂液返排完全后，模擬地層穩(wěn)定產(chǎn)氣階段，測試壓裂液傷害后導(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)，開始記錄數(shù)據(jù)。每分鐘記錄1次數(shù)據(jù)，在每小時記錄的60組數(shù)據(jù)中，取穩(wěn)定性最好的數(shù)據(jù)點，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)的平均值得到該時間段內(nèi)的導(dǎo)流能力值。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 液體浸泡對支撐劑抗壓強度的影響

實驗在28 MPa壓力下對三種粒徑(20/40、30/50、40/70目)石英砂，進行干燥條件與液體浸泡后破碎率對比測試。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到65.1%。

圖5 液體浸泡對支撐劑抗壓強度損害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，不易破碎。液體浸泡會明顯降低支撐劑抗壓強度，破碎率上升；浸泡后支撐劑抗壓強度與地層應(yīng)力條件不匹配，不利于維持有效裂縫寬度，破碎產(chǎn)生的碎屑也會造成地層傷害。

30/50目石英砂兩種條件下破碎率測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)行支撐劑抗壓強度測試標準，是在干燥條件下進行，考慮從泵注開始支撐劑持續(xù)浸泡于壓裂液中，液體浸泡后破碎率測試更符合實際情況。為保證支撐劑抗壓強度與地層應(yīng)力條件相匹配，對支撐劑抗壓強度測試標準需要進一步改進。

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 支撐劑嵌入對導(dǎo)流能力的影響

實驗選用30/50目石英砂，鋪砂濃度為5 kg/m2，分別使用鋼板和巖板，進行長期氣測與液測導(dǎo)流能力評價實驗。實驗結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，相同條件下氣測導(dǎo)流能力為液測導(dǎo)流能力的5～6倍。長期氣測導(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%；長期液測導(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，滲流能力遠高于液體，因此氣測導(dǎo)流能力明顯高于液測，通常表現(xiàn)為氣藏有效開發(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，并在液測時更為顯著，主要由于巖板強度低，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；且在液測條件下，液體浸泡導(dǎo)致支撐劑與巖石強度降低，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 支撐劑粒徑對導(dǎo)流能力的影響

實驗對20/40、30/50、40/70目石英砂，鋪砂濃度5 kg/m2，分別進行液體進入對導(dǎo)流能力傷害實驗，分為氮氣氣測、2%KCl溶液液測及二次注氮氣氣測三個階段。導(dǎo)流能力變化如圖8所示。由圖8可知，支撐劑粒徑越大，氣測與液測導(dǎo)流能力值越高；對比液體侵入前后氣測導(dǎo)流能力值，支撐劑粒徑越小，液體侵入后對氣測導(dǎo)流能力傷害程度越高，40/70目支撐劑傷害率達到70.4%。

支撐劑抗壓強度測試可知，支撐劑粒徑越大，抗壓強度低，破碎率較高，然而導(dǎo)流能力測試值卻較高，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，隨著液體流動運移堆積至出口端，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。

頁巖氣井壓后返排與前期產(chǎn)液過程中，壓裂液流動將碎屑顆粒運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)計時，前期使用抗壓強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進行對比，測試2%KCl溶液對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，氣測與液測導(dǎo)流能力均大幅降低，液體對氣測導(dǎo)流能力傷害加重，其中40/70目支撐劑氣測導(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，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孔隙；因此，壓裂設(shè)計時，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 液體類型對導(dǎo)流能力的影響

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

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

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

清水的注入會導(dǎo)致頁巖表面黏土礦物吸水膨脹，巖石軟化，抗壓強度降低，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，流動性差，導(dǎo)流能力較低，且破膠液殘渣也是造成孔隙堵塞的重要因素；壓裂液破膠不完全時，流動性差導(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、低殘渣的壓裂液體系，降低對地層傷害，提高壓裂改造效果。

4 結(jié)論

(1)地層中壓裂液浸泡對巖石與支撐劑抗壓強度影響較大，加劇支撐劑嵌入，無法維持有效裂縫寬度，達不到預(yù)期設(shè)計的壓裂效果。為匹配地層應(yīng)力條件優(yōu)選支撐劑，模擬壓裂液浸泡，在潮濕條件下進行支撐劑抗壓強度測試更符合地層實際情況。

(2)大粒徑支撐劑抗壓強度低，易破碎，在地層閉合壓力較低時，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，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，同時在壓裂后期尾追大粒徑支撐劑，降低近井筒堵塞傷害。

(3)頁巖氣藏進行支撐劑長期氣測導(dǎo)流能力測試更加合理，而壓裂液的侵入造成氣測導(dǎo)流能力的傷害達到60%以上；因此，優(yōu)選低殘渣、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，縮短返排時間，減少壓裂液滯留地層時間，以達到理想的壓裂改造效果。

(4)通過室內(nèi)實驗宏觀條件下研究了壓裂液侵入對頁巖儲層導(dǎo)流能力的傷害程度，為現(xiàn)場支撐劑與壓裂液優(yōu)選提供依據(jù)。下階段將針對壓裂液與頁巖巖石表面?zhèn)Φ奈⒂^作用機理進行深入研究。