王雨迪, 任 屹, 鄭 彬, 龔瑞程, 牛生亮, 陳 璐, 張 涵

(1長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院 2中國(guó)石油冀東油田分公司南堡油田作業(yè)區(qū) 3中國(guó)石油青海油田公司采氣二廠 4中國(guó)石油青海油田公司采油一廠 5中國(guó)石油天門油田分公司 6中石油華北油田分公司儲(chǔ)氣庫(kù)管理處)

水力壓裂技術(shù)是油氣井增產(chǎn)增注中最常用的有效措施之一，頁(yè)巖儲(chǔ)層通常具有低孔、低滲的特點(diǎn)，在其勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中往往需要采用壓裂措施進(jìn)行儲(chǔ)層改造。頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂施工過(guò)程中需要將大量的支撐劑與壓裂液一起泵入地層，頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂開(kāi)后形成大量的人工裂縫網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而提高儲(chǔ)層的滲透率，達(dá)到壓裂增產(chǎn)的目的[1-5]。在壓裂施工作業(yè)后，壓裂液從裂縫中返排出，支撐劑留在裂縫中，在儲(chǔ)層閉合壓力條件下，支撐劑不可避免的會(huì)出現(xiàn)一定程度的嵌入現(xiàn)象，造成裂縫有效寬度的減小，進(jìn)而引起裂縫導(dǎo)流能力的下降[6-9]。因此，有必要針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層水力壓裂過(guò)程中支撐劑嵌入的影響因素進(jìn)行研究，評(píng)價(jià)支撐劑嵌入對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響程度，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工參數(shù)的設(shè)計(jì)[10-16]。

本文以四川盆地某頁(yè)巖氣區(qū)塊儲(chǔ)層段巖樣為研究對(duì)象，使用陶粒作為支撐劑，評(píng)價(jià)了閉合壓力、支撐劑粒徑、鋪砂濃度、巖石楊氏模量以及不同工作液浸泡等因素對(duì)支撐劑嵌入深度和裂縫導(dǎo)流能力的影響，為降低頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂施工過(guò)程中支撐劑嵌入對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的傷害程度提供一定的理論依據(jù)和借鑒。

一、實(shí)驗(yàn)部分

1.實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)材料：實(shí)驗(yàn)用巖樣取自四川盆地某頁(yè)巖氣區(qū)塊(巖樣的楊氏模量范圍在(10～35)×103MPa之間)；實(shí)驗(yàn)用支撐劑為不同粒徑的陶粒(6～12目、12～20目、20～40目、40～70目和70～140目)；實(shí)驗(yàn)用工作液分別為清水、3%KCl和現(xiàn)場(chǎng)壓裂返排液(清潔壓裂液體系)。

實(shí)驗(yàn)儀器：改進(jìn)型導(dǎo)流能力測(cè)試儀，儀器采用API標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，主要包括導(dǎo)流室、加壓裝置(測(cè)量精度為0.001 MPa)、位移傳感器(測(cè)量精度為0.01 mm)、溫度控制系統(tǒng)(測(cè)量精度為0.01℃)以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，其中通過(guò)位移傳感器能夠測(cè)量裂縫縫寬的變化情況，以此來(lái)計(jì)算支撐劑的嵌入深度。

2.實(shí)驗(yàn)方案

(1)將目標(biāo)區(qū)塊巖樣處理成與導(dǎo)流室尺寸相匹配的導(dǎo)流板，為考察支撐劑嵌入的影響，使用同樣尺寸的金屬鋼板作為對(duì)比。

(2)首先進(jìn)行金屬鋼板的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，將鋼板放入導(dǎo)流室中，填入支撐劑后加壓，此時(shí)沒(méi)有發(fā)生支撐劑嵌入的影響，在此實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)量裂縫的縫寬和導(dǎo)流能力。

(3)然后將金屬鋼板換成頁(yè)巖巖板，重復(fù)進(jìn)行(2)中的實(shí)驗(yàn)，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)量有支撐劑嵌入時(shí)裂縫的縫寬和導(dǎo)流能力變化情況。

(4)改變實(shí)驗(yàn)條件，重復(fù)以上步驟(2)和(3)，考察不同因素對(duì)支撐劑嵌入深度和導(dǎo)流能力的影響，實(shí)驗(yàn)溫度均為儲(chǔ)層溫度(90℃)。

二、支撐劑嵌入影響因素結(jié)果與討論

1.閉合壓力

選擇粒徑為20～40目的陶粒作為支撐劑，楊氏模量為20×103MPa的巖樣作為實(shí)驗(yàn)巖板，在鋪砂濃度為5 kg/m2的條件下，測(cè)定了不同閉合壓力條件下支撐劑的嵌入深度和導(dǎo)流能力變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1和表1。

圖1 閉合壓力對(duì)支撐劑嵌入深度的影響

表1 考慮支撐劑嵌入時(shí)閉合壓力對(duì)導(dǎo)流能力的影響

由圖1結(jié)果可知，隨著閉合壓力的逐漸增大，支撐劑嵌入深度逐漸增大，當(dāng)閉合壓力為70 MPa時(shí)，支撐劑在頁(yè)巖板上的嵌入深度可以達(dá)到0.94 mm。而由表1結(jié)果可以看出，隨著閉合壓力的增大，金屬鋼板和頁(yè)巖板的導(dǎo)流能力均逐漸減小，且閉合壓力越大，頁(yè)巖板相比較金屬鋼板而言導(dǎo)流能力降低的幅度越大，當(dāng)閉合壓力為70 MPa時(shí)，頁(yè)巖板導(dǎo)流能力降低率達(dá)到了53.5%，這是由于在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，閉合壓力越大，支撐劑嵌入深度越大，裂縫的有效縫寬越小，支撐劑嵌入造成的裂縫導(dǎo)流能力下降幅度就越大。

2.支撐劑粒徑

選擇楊氏模量為20×103MPa的巖樣作為實(shí)驗(yàn)巖板，在鋪砂濃度為5 kg/m2、閉合壓力為50 MPa的實(shí)驗(yàn)條件下，評(píng)價(jià)了支撐劑粒徑對(duì)嵌入深度和導(dǎo)流能力的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2和表2。

由圖2結(jié)果可知，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，隨著支撐劑粒徑的逐漸減小，支撐劑嵌入深度也逐漸減小，這是由于在裂縫表面積和鋪砂濃度均相同的情況下，支撐劑的粒徑越大，其數(shù)量就相對(duì)較少，單顆支撐劑所承受的壓力就相對(duì)較大，所以其嵌入深度也相對(duì)較大。而由表2結(jié)果可以看出，隨著支撐劑粒徑的減小，金屬鋼板和頁(yè)巖板的導(dǎo)流能力均逐漸減小，且支撐劑粒徑越小，頁(yè)巖板相比較金屬鋼板而言導(dǎo)流能力降低的幅度越小，這是由于在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，支撐劑的粒徑越小，其在頁(yè)巖板上的嵌入深度就越小，所以由支撐劑嵌入造成的裂縫導(dǎo)流能力下降幅度就越小。

圖2 支撐劑粒徑對(duì)嵌入深度的影響

表2 考慮支撐劑嵌入時(shí)支撐劑粒徑對(duì)導(dǎo)流能力的影響

3.鋪砂濃度

選擇粒徑為20～40目的陶粒作為支撐劑，楊氏模量為20×103MPa的巖樣作為實(shí)驗(yàn)巖板，在閉合壓力為50 MPa的條件下，測(cè)定了不同鋪砂濃度條件下支撐劑的嵌入深度和導(dǎo)流能力變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3和表3。

由圖3結(jié)果可知，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，隨著鋪砂濃度的逐漸增大，支撐劑嵌入深度逐漸減小。由表3結(jié)果可知，隨著鋪砂濃度的增大，金屬鋼板和頁(yè)巖巖板的導(dǎo)流能力均逐漸增大，且鋪砂濃度越大，頁(yè)巖板相比較金屬鋼板而言導(dǎo)流能力降低的幅度就越小，這是由于在較高的鋪砂濃度下，鋪砂層數(shù)相對(duì)較多，支撐劑發(fā)生嵌入后，嵌入層占總鋪砂層數(shù)的比例就相對(duì)較小，因此，支撐劑嵌入造成導(dǎo)流能力下降的影響就相對(duì)較小。

圖3 鋪砂濃度對(duì)嵌入深度的影響

表3 考慮支撐劑嵌入時(shí)鋪砂濃度對(duì)導(dǎo)流能力的影響

4.楊氏模量

選擇粒徑為20～40目的陶粒作為支撐劑，在鋪砂濃度為5 kg/m2、閉合壓力為50 MPa的實(shí)驗(yàn)條件下，評(píng)價(jià)了巖樣的楊氏模量對(duì)支撐劑嵌入深度和導(dǎo)流能力的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4和表4。

圖4 楊氏模量對(duì)嵌入深度的影響

由圖4結(jié)果可知，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，隨著頁(yè)巖巖板楊氏模量的逐漸增大，支撐劑嵌入深度逐漸減小，這是由于巖石的楊氏模量越大，地層巖石越堅(jiān)硬，在相同的閉合壓力等實(shí)驗(yàn)條件下支撐劑的嵌入深度就越小。而由表4結(jié)果可知，隨著楊氏模量的增大，頁(yè)巖巖板的導(dǎo)流能力逐漸增加，且楊氏模量越大，頁(yè)巖板相比較金屬鋼板而言導(dǎo)流能力降低的幅度就越小，這是由于頁(yè)巖的楊氏模量越大，支撐劑越難嵌入，其嵌入深度就越小，因此，由支撐劑嵌入造成導(dǎo)流能力下降的影響就相對(duì)較小。

表4 考慮支撐劑嵌入時(shí)楊氏模量對(duì)導(dǎo)流能力的影響

5.工作液類型

選擇粒徑為20～40目的陶粒作為支撐劑，楊氏模量為20×103MPa的巖樣作為實(shí)驗(yàn)巖板，在鋪砂濃度為5 kg/m2、閉合壓力為50 MPa的實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)定了使用不同類型工作液浸泡24 h后支撐劑嵌入深度和導(dǎo)流能力的變化情況，工作液浸泡溫度為90℃，浸泡壓力為常壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5和表5。

圖5 工作液類型對(duì)嵌入深度的影響

表5 頁(yè)巖板經(jīng)過(guò)不同工作液浸泡后導(dǎo)流能力變化情況

由圖5結(jié)果可知，頁(yè)巖巖板經(jīng)過(guò)不同類型的工作液浸泡后，與未浸泡的頁(yè)巖巖板相比支撐劑的嵌入深度均有所增大，其中使用清水浸泡后支撐劑的嵌入深度最大，達(dá)到了1.44 mm，而使用3%KCl和壓裂返排液浸泡后支撐劑的嵌入深度增幅不大，這是由于使用清水浸泡頁(yè)巖巖板后，其中的黏土礦物成分容易吸水膨脹，造成巖板強(qiáng)度下降，從而導(dǎo)致支撐劑容易嵌入，而3%KCl和壓裂返排液能夠起到良好的抑制頁(yè)巖水化膨脹的作用，使巖板強(qiáng)度不至于大幅下降，所以支撐劑的嵌入深度變化不大。

由表5結(jié)果可知，使用不同類型工作液浸泡后頁(yè)巖巖板的導(dǎo)流能力均比未浸泡時(shí)有所降低，其中使用清水浸泡后的頁(yè)巖巖板與金屬鋼板相比導(dǎo)流能力下降了73.2%，說(shuō)明支撐劑嵌入引起了裂縫導(dǎo)流能力的嚴(yán)重下降，而使用3%KCl和壓裂返排液浸泡后的頁(yè)巖巖板與金屬鋼板相比導(dǎo)流能力分別下降了48.6%和51.4%，降低幅度與未浸泡時(shí)相差不大。因此，在頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂施工過(guò)程中，應(yīng)保證壓裂液具有良好的防膨性能，以盡可能降低壓裂液浸泡后支撐劑嵌入對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響程度。

三、結(jié)論

(1)閉合壓力越大，支撐劑在頁(yè)巖板上的嵌入深度越大，支撐劑嵌入造成裂縫導(dǎo)流能力的下降幅度就越大。

(2)支撐劑嵌入深度隨著支撐劑粒徑的減小、鋪砂濃度的增大以及頁(yè)巖楊氏模量的增大而減小，并且支撐劑粒徑越小、鋪砂濃度越大、頁(yè)巖楊氏模量越大，支撐劑嵌入造成裂縫導(dǎo)流能力下降的幅度就越小。

(3)頁(yè)巖板經(jīng)過(guò)清水浸泡后，支撐劑的嵌入深度與未浸泡時(shí)相比明顯增大，導(dǎo)流能力明顯降低，而頁(yè)巖板使用3%KCl和壓裂返排液浸泡后，支撐劑的嵌入深度與未浸泡時(shí)差別不大，且導(dǎo)流能力降低幅度較小。

(4)根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建議在頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂施工過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際地層情況，合理選擇支撐劑粒徑范圍以及鋪砂濃度，以降低支撐劑嵌入的影響。另外，由于頁(yè)巖易吸水膨脹，應(yīng)選擇防膨性能良好的壓裂液體系。