趙鴻楠，歐陽傳湘，李鑫羽，曾羽佳

(長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

在致密儲層中開采油氣、壓裂儲層，使人工壓裂裂縫和天然裂縫構(gòu)成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，是發(fā)展最為成熟的技術(shù)之一[1]。為了提高油氣的采收率，需改造原始儲層結(jié)構(gòu)、提高滲透率，向裂縫中加入支撐劑成為不可或缺的方式之一。

目前，對支撐劑的應(yīng)用研究主要包括支撐劑的類型、粒度以及鋪砂濃度等影響參數(shù)[2]。在此基礎(chǔ)上，金智榮等[3]探究了不同粒徑支撐劑對裂縫導(dǎo)流能力的影響；M G Much等[4]在實驗中加入時間、溫度等因素對不同支撐劑的影響，進(jìn)而探究各種因素對充填層導(dǎo)流能力的傷害評估；王雷等[5]研究了防回流纖維對裂縫內(nèi)支撐劑導(dǎo)流能力的影響，探究不同粒徑支撐劑在纖維以及壓裂液影響下的導(dǎo)流能力。導(dǎo)流能力的影響因素及支撐劑的運用是目前研究提高油氣采收率關(guān)注的重點之一，然而，部分文獻(xiàn)[6-7]未考慮支撐劑的排列方式對充填層的導(dǎo)流能力及儲層應(yīng)力敏感性的影響。

針對支撐劑充填層對應(yīng)力敏感性和導(dǎo)流能力的影響實驗還不夠完善，大量文獻(xiàn)研究集中于各種影響因素，或定量研究充填層形變理論模型研究，而未曾考慮支撐劑充填層的排列方式。筆者分別設(shè)計2種排列方式(鋪砂濃度、鋪砂空間)的充填層及4種充填程度(鋪砂濃度和鋪砂空間分別設(shè)為各自100%、80%、60%、40%初始充填層)，用2種實驗方式(儲層應(yīng)力敏感性實驗和導(dǎo)流能力測試實驗)進(jìn)行對比分析，通過函數(shù)模型擬合等方法，分析充填層的排列方式對儲層應(yīng)力敏感性和導(dǎo)流能力的影響，最后總結(jié)提出支撐劑運用研究思路和現(xiàn)實油氣田開發(fā)中的應(yīng)用。

1 儲層應(yīng)力敏感性實驗

將巖心放入巖心夾持器中，通過計算機(jī)控制所需的圍壓[6-7]。由出口處計算出流量，獲取所需數(shù)據(jù)。實驗為液泵驅(qū)動，工作壓力為0.5 MPa，最小流速為0.01 mL/min。實驗支撐劑采用20/40目球體陶瓷顆粒填充，初始鋪砂濃度設(shè)為10 kg/m2，各巖心均填充不同的方式和程度的支撐劑。

實驗步驟：①對巖心進(jìn)行人工裂縫和支撐劑填充處理。②初始鋪砂濃度設(shè)為10 kg/m2，梯次百分比設(shè)為100%、80%、60%、40%；后將鋪砂濃度為10 kg/m2的排列方式設(shè)為初始鋪砂空間，梯次百分比設(shè)為100%、80%、60%、40%。③將已填充支撐劑的巖心放入夾持器中，進(jìn)行實驗。④改變實驗中的圍壓，分別設(shè)為5、10、15、20、25、30、35 MPa，測出巖心滲透率數(shù)據(jù)。⑤觀察各個巖心在不同有效應(yīng)力下的滲透率變化規(guī)律，得出結(jié)論。

1.1 不同的填充方式

取自塔里木吐格爾明段同一地層的樣塊，取出7塊巖心制造人工裂縫，填充支撐劑，分為2組。對2組具有近似初始滲透率的致密巖心進(jìn)行實驗(圖1、圖2)。

圖1 不同鋪砂濃度充填層Fig.1 Filling layer with different sand laying concentration

圖2 不同鋪砂空間充填層Fig.2 Filling layers in different sand laying spaces

對7塊巖心進(jìn)行應(yīng)力敏感性實驗，觀察各巖心孔隙度和滲透率的變化曲線(圖3、圖4)。實驗結(jié)果顯示：2組巖心的滲透率和孔隙度均隨著有效應(yīng)力的增大而降低，造成巖心損失率。其中，隨著有效應(yīng)力的增大，孔隙度損失率相對較小，實驗后7塊巖心的孔隙度處于同一數(shù)量級；相對巖心滲透率損失較大，且實驗后7塊巖心的滲透率彼此間存在明顯差距，當(dāng)有效應(yīng)力在5～10 MPa時，不同鋪砂濃度充填層的巖心滲透率損失接近，而鋪砂空間的巖心滲透率相對較高，隨著有效應(yīng)力的增大，充填層中整體支撐劑含量較低的巖心滲透率急劇下降，表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性。

1.2 2種填充方式對比分析

對鋪砂濃度和鋪砂空間充填層同為80%的致密巖心進(jìn)行對比實驗，并對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合(圖5)。結(jié)果顯示，隨著有效應(yīng)力的增加，2塊巖心的滲透率下降規(guī)律呈現(xiàn)出“先陡后緩”2段式遞減，80%鋪砂濃度充填層致密巖心的臨界壓力為16.08MPa，80%鋪砂空間充填層致密巖心的臨界壓力為17.13 MPa，前半段體現(xiàn)裂縫儲層滲透率的應(yīng)力敏感性，后半段體現(xiàn)基質(zhì)滲透率的應(yīng)力敏感性。

圖3 不同鋪砂濃度充填層致密巖心孔隙度和滲透率應(yīng)力敏感性Fig.3 Porosity and permeability stress sensitivity of dense core with different sand laying concentration

圖4 不同鋪砂空間充填層致密巖心孔隙度和滲透率應(yīng)力敏感性Fig.4 Porosity and permeability stress sensitivity of dense core in different sand laying spaces

圖5 80%鋪砂濃度與80%鋪砂空間充填層致密巖心應(yīng)力敏感性函數(shù)擬合對比Fig.5 Fitting comparison between 80% sand laying concentration and 80% sand laying space filling layer tight core stress sensitivity function

對鋪砂濃度和鋪砂空間充填層同為60%的致密巖心進(jìn)行對比實驗，并對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合(圖6)。如圖6所示，對比發(fā)現(xiàn)2塊巖心有效應(yīng)力的分界點接近，60%鋪砂濃度充填層巖心為17.21 MPa，60%鋪砂空間充填層巖心為17.24 MPa，且2塊巖心斜率分別為-0.067、-0.045。當(dāng)巖心裂縫處于開啟狀態(tài)時，是油氣滲流的主要通道，前半段升高相同程度的有效應(yīng)力時，60%鋪砂濃度充填層巖心滲透率損失更嚴(yán)重。

圖6 60%鋪砂濃度與60%鋪砂空間充填層致密巖心應(yīng)力敏感性函數(shù)擬合對比Fig.6 Fitting comparison of stress sensitivity function between 60% sand laying concentration and 60% sand laying space filling layer

2 導(dǎo)流能力測試實驗

2.1 實驗原理

將導(dǎo)流能力測試實驗按照線性流設(shè)計，確保地層水在穩(wěn)定的流速下通過巖心[8-10]。根據(jù)達(dá)西定律推導(dǎo)支撐劑充填層導(dǎo)流公式：

式中，K為支撐劑充填層滲透率；Wf為支撐劑充填層厚度；μ為黏度；Q為流量；Δρ為壓差。

2.2 鋪砂濃度的影響

支撐劑采用20/40目球體陶瓷顆粒，設(shè)初始鋪砂濃度為10 kg/m2，實驗中所需的4塊巖心鋪砂濃度百分比逐次為：100%、80%、60%、40%。不同鋪砂濃度充填層致密巖心的導(dǎo)流能力實驗結(jié)果如圖7所示。實驗數(shù)據(jù)表明，4塊巖心的導(dǎo)流能力均隨閉合壓力的增大而降低，當(dāng)閉合壓力增加到70 MPa時，導(dǎo)流能力下降70%以上。實驗中，鋪砂濃度相對較高的充填層，其導(dǎo)流能力相對較大。其中，以80%鋪砂濃度充填層的導(dǎo)流能力大于初始鋪砂濃度充填層，說明當(dāng)鋪砂濃度大于某個臨界值時，導(dǎo)流能力會隨之降低；此外，初始鋪砂濃度充填層與80%鋪砂濃度充填層的導(dǎo)流能力差距值在10～60 MPa閉合壓力區(qū)間保持穩(wěn)定，當(dāng)閉合壓力在60～70 MPa時，導(dǎo)流能力差距值逐漸接近，而60%鋪砂濃度充填層與40%鋪砂濃度充填層的導(dǎo)流能力差距值在閉合壓力10～40 MPa閉合壓區(qū)間已逐漸減小，隨閉合壓力的增大，2塊巖心的導(dǎo)流能力近乎一致。

圖7 不同鋪砂濃度充填層致密巖心導(dǎo)流能力對比Fig.7 Comparison of dense core conductivity of different sand laying concentration filling layers

2.3 空間密度的影響

將初始鋪砂濃度為10 kg/m2充填層設(shè)為初始鋪砂空間充填層，梯次百分比設(shè)為100%、80%、60%、40%。不同鋪砂空間充填層致密巖心的導(dǎo)流能力實驗結(jié)果如圖8所示。實驗結(jié)果顯示，初始階段，當(dāng)閉合壓力為10 MPa時，支撐劑與巖心表面接觸，可以支撐裂縫，形成大孔徑裂縫通道，促使4塊巖心有著較大的初始導(dǎo)流能力；隨著閉合壓力的增大，較大鋪砂空間充填層有著良好的導(dǎo)流能力，較低鋪砂空間充填層難以支撐，支撐劑發(fā)生形變或嵌入，導(dǎo)致導(dǎo)流能力迅速下降；80%鋪砂空間充填層的導(dǎo)流能力損失率約63.7%，優(yōu)于初始鋪砂空間充填層，而40%與60%鋪砂空間充填層的巖心在閉合壓力30～70 MPa區(qū)間的導(dǎo)流能力近乎一致，表明低鋪砂空間充填層中的支撐劑更易于發(fā)生形變、破碎或嵌入儲層表面，不能為裂縫提供良好的導(dǎo)流空間。

圖8 不同鋪砂空間充填層致密巖心導(dǎo)流能力對比Fig.8 Comparison of dense core conductivity of filling layers in different sand laying spaces

3 在油氣田開發(fā)中的應(yīng)用

國內(nèi)外學(xué)者主要對支撐劑的類型、粒徑和鋪砂濃度對裂縫導(dǎo)流能力的影響進(jìn)行研究[11]。然而，此次實驗結(jié)果得出，部分支撐面由充填層支撐，形成橋梁式的通道，可以有效提高充填層的導(dǎo)流能力?，F(xiàn)場油氣開采過程中，人工壓裂裂縫在儲層的內(nèi)部形成復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是實驗室中巖心難以模擬的重要因素之一[12-15]。實驗中，充填層的排列排列不適用于現(xiàn)實中油氣開采現(xiàn)場應(yīng)用，針對此難題，提出基本的解決思路[16]。

鋪砂排列效果如圖9所示。對裂縫填充支撐劑時，選擇合適的方位、濃度大小等因素，使不同的鋪砂濃度充填層交替填入裂縫不同位置，使較高的鋪砂濃度充填層形成支撐橋梁，較低的鋪砂濃度充填層作為導(dǎo)流通道。

圖9 鋪砂排列效果Fig.9 Arrangement effect of sand laying

4 結(jié)論

(1)2種鋪砂方式均存在當(dāng)充填層中支撐劑含量較少時，隨有效應(yīng)力或閉合壓力的增大，支撐劑難以支撐儲層表面，滲透率和導(dǎo)流能力迅速下降。原因：①低含量支撐劑鋪置方式更易發(fā)生形變、破碎或嵌入儲層表面等現(xiàn)象；②非均勻支撐劑鋪置方式，由于存在受力面積小等原因，會導(dǎo)致所受壓力增加。

(2)通過儲層應(yīng)力敏感性實驗結(jié)果表明，巖心的滲透率下降規(guī)律呈現(xiàn)出“先陡后緩”2段式遞減，80%鋪砂濃度充填層巖心的臨界壓力為16.08 MPa，80%鋪砂空間充填層巖心的臨界壓力為17.13 MPa，表明鋪砂空間排列方式可以減緩應(yīng)力敏感性；此外，導(dǎo)流能力測試實驗結(jié)果表明，當(dāng)閉合壓力在10～70 MPa時，80%鋪砂空間充填層的導(dǎo)流能力明顯高于80%鋪砂濃度充填層的導(dǎo)流能力。總體說明支撐劑的排列方式對應(yīng)力敏感性和導(dǎo)流能力有著不可忽視的影響。

(3)對于油氣田開發(fā)中的應(yīng)用，提出把充填層看作橋梁支架，可擺脫支撐劑運用的固有思維，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計獲得更多更有效的運用方法，以實現(xiàn)改造提高儲層的導(dǎo)流能力，進(jìn)而達(dá)到提高采收率的目的。

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