孟 磊，史 華，周長靜，惠 波，李 攀，趙金省

(1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室,陜西 西安 710018; 2.長慶油田分公司 油氣工藝研究院,陜西 西安 710018; 3.長慶油田分公司 第三采氣廠,陜西 西安 710018; 4.西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院,陜西 西安 710065)

引 言

鄂爾多斯盆地上古生界石盒子組氣藏屬典型的致密砂巖氣藏[1]，儲層滲透率小于1×10-3μm2，氣井自然產(chǎn)能低或基本無自然產(chǎn)能，必須采取壓裂改造才能實現(xiàn)投產(chǎn)。隨著直井產(chǎn)能逐漸降低，低產(chǎn)低效井比例逐年增加，穩(wěn)產(chǎn)壓力大，老井側(cè)鉆水平井能有效動用單井剩余儲量，已成為老井挖潛增效措施的主體技術(shù)。前期老井側(cè)鉆水平井實踐效果表明，側(cè)鉆后前3個月的平均日產(chǎn)氣達(dá)到3.0×104m3，接近側(cè)鉆前日產(chǎn)氣量的20倍。針對老井側(cè)鉆水平井的壓裂用支撐劑優(yōu)選鮮有報道。目前，長慶氣田側(cè)鉆水平井壓裂所用支撐劑類型多為20～40目陶粒。為了降低改造成本，進(jìn)一步提升單井效益，有必要探索石英砂支撐劑取代陶粒支撐劑的可行性。美國頁巖儲層壓裂石英砂用量占比平均超過71%，部分地區(qū)支撐劑已全部采用石英砂，可降低完井成本近20%[2]。支撐裂縫導(dǎo)流能力是評價壓裂作業(yè)成功的關(guān)鍵指標(biāo)[3-4]，因此，有必要對各種粒徑的石英砂和陶粒的導(dǎo)流能力進(jìn)行評價。另外，儲層基質(zhì)滲透率和裂縫導(dǎo)流能力匹配才能實現(xiàn)較好的改造效果[5]。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響因素(包括支撐劑類型、閉合應(yīng)力、鋪砂濃度等)進(jìn)行了大量研究[6-10]，但在實驗研究基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模擬來優(yōu)選支撐劑的研究還較少報道。

為此，本文采用裂縫導(dǎo)流能力儀對氣藏壓裂常用的20～40目、40～70目及70～140目石英砂、陶粒的長期導(dǎo)流能力進(jìn)行評價，并結(jié)合數(shù)值模擬開展不同滲透率儲層的裂縫導(dǎo)流能力與采收率相關(guān)性的研究，從而優(yōu)化支撐劑類型。

1 支撐裂縫長期導(dǎo)流能力實驗

1.1 實驗設(shè)備及實驗材料

實驗設(shè)備采用江蘇詩禮石油科研儀器有限公司生產(chǎn)的DLY-Ⅲ裂縫導(dǎo)流能力實驗儀，導(dǎo)流室按照API 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，可以測試模擬地層溫度、壓力條件下的裂縫導(dǎo)流能力，閉合壓力范圍0～120 MPa。

支撐劑選用長慶氣田壓裂常用的20～40目、40～70目、70～140目石英砂和陶粒，實驗流體為氮氣，閉合應(yīng)力41.4 MPa，鋪砂濃度5 kg/m2，每組測試時間不小于240 h。

1.2 實驗流程

(1)根據(jù)導(dǎo)流室的面積和鋪砂濃度稱量一定量的支撐劑，均勻鋪置在導(dǎo)流室內(nèi)；

(2)蓋上導(dǎo)流室上層蓋板，連接注入管線，施加閉合應(yīng)力至41.4 MPa；

(3)分別設(shè)定氣體流量為50 mL/min、100 mL/min和150 mL/min，記錄不同時刻不同流量下導(dǎo)流室兩端壓差，直至流動時間達(dá)到240 h；

(4)繪制導(dǎo)流能力隨時間的變化曲線。

1.3 實驗原理

根據(jù)達(dá)西定律以及導(dǎo)流室的尺寸(長度L=13.97 cm，寬度=3.81 cm)，可得出支撐裂縫的導(dǎo)流能力

(1)

式中：KgWf為支撐裂縫的導(dǎo)流能力，μm2·cm；Q為氣體流量，cm3/min；μ為氣體黏度，mPa·s；Kg為支撐裂縫的滲透率，μm2；Wf為充填寬度，cm；p1、p2分別為入口、出口的壓力，kPa。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 石英砂和陶粒的導(dǎo)流能力隨時間的變化

不同粒徑石英砂和陶粒的導(dǎo)流能力隨裂縫閉合時間的變化情況如圖1所示。

從圖1中可以看出，在41.4 MPa的閉合壓力下，支撐劑經(jīng)歷240 h承壓，不同粒徑的石英砂和陶粒的導(dǎo)流能力隨著時間整體呈現(xiàn)遞減趨勢，但下降趨勢和類型不同。

圖1 不同粒徑石英砂和陶粒的導(dǎo)流能力隨著裂縫閉合時間的變化Fig.1 Change of conductivity of quartz sand and ceramsite with different particle sizes with fracture closure time

對于20～40目石英砂和陶粒支撐劑，導(dǎo)流能力呈現(xiàn)半對數(shù)關(guān)系遞減，即初期遞減趨勢較快，隨后變緩。相比于石英砂，陶粒的導(dǎo)流能力遞減較快，石英砂在裂縫閉合后的7 h后導(dǎo)流能力降低了11.04%，而陶粒在裂縫閉合后的2 h后導(dǎo)流能力降低了20.31%。這主要與陶粒的粒徑大于石英砂的粒徑有關(guān)。其中，20～40目石英砂中占比較大的是30～40目粒徑，為66.2%；而20～40目陶粒中占比較大的是20～30目粒徑，為81.7%。較大的粒徑在閉合應(yīng)力作用下更容易壓碎，表現(xiàn)為導(dǎo)流能力下降較快。在裂縫閉合240 h以后，石英砂和陶粒的導(dǎo)流能力分別下降了22.44%、33.99%，但陶粒的導(dǎo)流能力還是石英砂的2倍，相比于初期的2.35倍有所降低。

對于40～70目石英砂和陶粒支撐劑，導(dǎo)流能力呈現(xiàn)兩段式線性關(guān)系遞減， 導(dǎo)流能力的下降主要發(fā)生在前90 h左右，隨后基本趨于平穩(wěn)。相比于石英砂，陶粒的導(dǎo)流能力遞減較快，石英砂的導(dǎo)流能力降低了10.26%，而陶粒的導(dǎo)流能力降低了13.74%。這主要與陶粒的原始粒徑大于石英砂的有關(guān)。其中，40～70目石英砂中占比較大的是50～60目粒徑，為44.3%；而40～70目陶粒中占比較大的是40～50目粒徑，為74.4%。裂縫閉合240 h以后，陶粒的導(dǎo)流能力還是石英砂的4.03倍，相比于初期的4.3倍有所降低。

對于70～140目石英砂和陶粒支撐劑，導(dǎo)流能力呈現(xiàn)兩段式線性關(guān)系，導(dǎo)流能力的下降主要發(fā)生在初期，后期基本趨于平穩(wěn)。相比于石英砂，陶粒的導(dǎo)流能力遞減較快，石英砂的導(dǎo)流能力在前10 h下降較快，下降了2.92%，而陶粒的導(dǎo)流能力在前36 h下降較快，下降了9.95%。裂縫閉合240 h以后，石英砂和陶粒的導(dǎo)流能力分別下降了6.25%、11.25%，但陶粒的導(dǎo)流能力還是石英砂的3.18倍，相比于初期的3.36倍有所降低。

整體來看，導(dǎo)流能力的下降主要發(fā)生在裂縫閉合的初期，支撐劑的粒徑越大，在閉合應(yīng)力的作用下越容易破碎，導(dǎo)流能力下降越快。支撐劑粒徑越大，支撐裂縫的導(dǎo)流能力越大，隨著裂縫閉合時間變長，不同粒徑支撐劑導(dǎo)流能力間的差異變小。20～40目和40～70目支撐劑的導(dǎo)流能力無論在裂縫閉合初期還是240 h以后均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于70～140目支撐劑的導(dǎo)流能力。20～40目和40～70目支撐劑導(dǎo)流能力間的差異在裂縫閉合240 h以后明顯變小。比如陶粒支撐劑，裂縫閉合初期，20～40目支撐劑的導(dǎo)流能力(32.39 μm2·cm)是40～70目支撐劑導(dǎo)流能力(24.75 μm2·cm)的1.31倍；裂縫閉合240 h后，20～40目支撐劑的導(dǎo)流能力(21.38 μm2·cm)已經(jīng)接近等于40～70目支撐劑的導(dǎo)流能力(21.35 μm2·cm)。對于石英砂支撐劑，裂縫閉合初期，20～40目支撐劑的導(dǎo)流能力(13.77 μm2·cm)是40～70目支撐劑導(dǎo)流能力(5.75 μm2·cm)的2.39倍；裂縫閉合240 h后，20～40目支撐劑的導(dǎo)流能力(10.63 μm2·cm)是40～70目支撐劑導(dǎo)流能力(5.16 μm2·cm)的2.06倍。

2.2 石英砂和陶粒支撐劑的破碎率隨時間的變化

為了分析裂縫閉合后支撐劑破碎對裂縫導(dǎo)流能力的影響，在41.4 MPa的閉合壓力下分別對不同支撐劑承壓不同的時間，并對承壓后的支撐劑進(jìn)行篩析和破碎率計算，結(jié)果如圖2—圖6所示。

圖2 不同支撐劑的破碎率隨時間的變化曲線Fig.2 Change curves of crushing rate of different proppants with time

從圖2中可以看出，支撐劑的破碎率隨著裂縫閉合時間增加而逐漸升高，在裂縫閉合初期(8 h以內(nèi))破碎率增加幅度較快，隨后趨于平緩。這與圖1中導(dǎo)流能力在裂縫閉合初期下降較快一致。具體來看，20～40目石英砂的破碎主要發(fā)生在裂縫閉合后的前6 h，20～40目陶粒的破碎主要發(fā)生在裂縫閉合后的前4 h，這與圖1中20～40目陶粒的導(dǎo)流能力下降要比20～40目石英砂快一致。支撐劑破碎以后的小粒徑顆粒充填在孔隙中，承壓時間越長，支撐劑充填越致密，進(jìn)而造成導(dǎo)流能力下降(圖3、圖4)。40～70目陶粒的破碎率上升速率比40～70目石英砂的快，這造成了40～70目陶粒在裂縫閉合初期的導(dǎo)流能力下降較快(圖1(b))。相對來說，由于粒徑較小，70～140目陶粒和石英砂在240 h承壓時間內(nèi)的破碎率變化曲線比較平緩，但70～140目陶粒的破碎率在初期增長幅度要大于石英砂，造成70～140目陶粒在裂縫閉合初期的導(dǎo)流能力下降較快(圖1(c))。另外，由于20～40目和40～70目陶粒的粒徑大于石英砂的粒徑，使得20～40目和40～70目陶粒的破碎率要高于石英砂的破碎率。70～140目石英砂和陶粒的粒徑分布比較接近，由于抗壓強度的差異造成70～140目石英砂的破碎率高于陶粒的破碎率。

圖3 20～40目石英砂承壓不同時間的形貌(41.4 MPa)Fig.3 Morphology of 20 ～ 40 mesh quartz sand at different times under pressure of 41.4 MPa

圖4 20～40目陶粒承壓不同時間的形貌(41.4 MPa)Fig.4 Morphology of 20 ～ 40 mesh ceramsite at different times under pressure of 41.4 MPa

從圖5、圖6中可以看出，經(jīng)歷不同時間的承壓后，大粒徑的顆粒破碎最多，隨著承壓時間增加，大粒徑顆粒減少，小粒徑顆粒增多，破碎后的最小粒徑已經(jīng)大于180目。

圖5 20～40目石英砂承壓不同時間的粒徑分布Fig.5 Particle size distribution of 20 ～ 40 mesh quartz sand at different times under pressure

圖6 20～40目陶粒承壓不同時間的粒徑分布Fig.6 Particle size distribution of 20 ～ 40 mesh ceramsite at different times under pressure

3 支撐裂縫導(dǎo)流能力對氣井采收率的影響

影響氣井采收率的因素除了孔隙度、滲透率和含氣飽和度等儲層物性參數(shù)以外，還與支撐裂縫的導(dǎo)流能力有關(guān)。對于不同滲透率的儲層，支撐裂縫導(dǎo)流能力應(yīng)該對應(yīng)有一個最佳值，超過這個最佳值，支撐裂縫導(dǎo)流能力的增加對采收率的影響變小。對此，采用數(shù)值模擬的方法研究不同的支撐裂縫導(dǎo)流能力與采收率的變化關(guān)系。

利用Petrel地質(zhì)建模軟件建立概念模型，尺寸1 200 m×600 m，有效厚度10 m，孔隙度8%，含氣飽和度85%，儲量1.214×108m3，儲層埋深2 650 m，地層壓力27.5 MPa，生產(chǎn)定氣量6×104m3，最低井底流壓6 MPa，極限產(chǎn)量1 300 m3/d。設(shè)置一口水平井，水平段長度600 m，4條垂直裂縫，裂縫間距150 m，裂縫半長200 m。蘇里格致密氣藏的滲透率通常小于1.00×10-3μm2，分別設(shè)置(0.01、0.05、0.10、1.00)×10-3μm24個儲層滲透率級別，改變支撐裂縫的導(dǎo)流能力，利用Eclipse數(shù)值模擬軟件，模擬不同儲層滲透率下支撐裂縫導(dǎo)流能力對采收率的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同儲層滲透率下支撐裂縫導(dǎo)流能力對采收率的影響Fig.7 Effect of supported fracture conductivity on recovery factor under different reservoir permeability

從圖7中可以看出，采收率隨支撐裂縫導(dǎo)流能力的增加而逐漸增加，但增幅逐漸減緩。支撐裂縫導(dǎo)流能力在0～5 μm2·cm時采收率增加較快。儲層滲透率越低，采收率對壓裂縫導(dǎo)流能力越敏感，但對于滲透率在(0.01～1.00)×10-3μm2的氣藏來說，導(dǎo)流能力的增加對采收率的影響較小(小于5%)。

為明確不同儲層滲透率下支撐裂縫導(dǎo)流能力對穩(wěn)產(chǎn)期累積產(chǎn)氣量增加幅度的影響，定義穩(wěn)產(chǎn)期相對累積產(chǎn)氣量，即某一導(dǎo)流能力下穩(wěn)產(chǎn)期累積產(chǎn)氣量與相同儲層滲透率下導(dǎo)流能力為80 μm2·cm的穩(wěn)產(chǎn)期累積產(chǎn)氣量，結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 不同儲層滲透率下支撐裂縫導(dǎo)流能力對穩(wěn)產(chǎn)期累積產(chǎn)氣量影響Fig.8 Effect of supported fracture conductivity on cumulative gas production in stable production period under different reservoir permeability

圖9 不同儲層滲透率下支撐裂縫導(dǎo)流能力對穩(wěn)產(chǎn)期相對累積產(chǎn)氣量影響Fig.9 Effect of supported fracture conductivity on relative cumulative gas production in stable production period under different reservoir permeability

從圖8中可以看出，穩(wěn)產(chǎn)期累積產(chǎn)氣量曲線和采收率曲線反映出相似的特征，即隨導(dǎo)流能力提高，穩(wěn)產(chǎn)期累積產(chǎn)氣量增幅逐漸減緩。不同地層滲透率，導(dǎo)流能力在1～5 μm2·cm穩(wěn)產(chǎn)期累積產(chǎn)氣量增加較快。相比于采收率，穩(wěn)產(chǎn)期累產(chǎn)氣量對支撐裂縫導(dǎo)流能力更加敏感。從圖9中可以看出，儲層滲透率越低，穩(wěn)產(chǎn)期相對累積產(chǎn)氣量要達(dá)到90%需要的支撐裂縫導(dǎo)流能力越大。

4 結(jié) 論

(1)在裂縫閉合壓力作用下，各種粒徑的石英砂和陶粒支撐劑的導(dǎo)流能力隨著時間呈現(xiàn)遞減趨勢，但不同粒徑的石英砂和陶粒支撐劑的導(dǎo)流能力下降趨勢和類型不同。20～40目石英砂和陶粒支撐劑的導(dǎo)流能力呈現(xiàn)半對數(shù)關(guān)系遞減。40～70目、70～140目的石英砂和陶粒支撐劑的導(dǎo)流能力呈現(xiàn)兩段式線性關(guān)系遞減。各種粒徑支撐劑在裂縫閉合壓力作用下均呈現(xiàn)初期下降較快，后期趨于平穩(wěn)的變化趨勢。

(2)支撐劑的粒徑越大，在裂縫閉合壓力作用下支撐裂縫的導(dǎo)流能力下降越快。同粒徑范圍的陶粒和石英砂支撐劑相比，陶粒支撐劑在裂縫閉合壓力作用下支撐裂縫的導(dǎo)流能力下降更快。

(3)裂縫閉合后導(dǎo)流能力下降的主要原因為支撐劑的破碎，在裂縫閉合初期(8 h以內(nèi))破碎率增加幅度較快，隨后趨于平緩，這與裂縫閉合后導(dǎo)流能力的變化規(guī)律一致。

(4)隨著支撐裂縫導(dǎo)流能力的增加，采收率和穩(wěn)產(chǎn)期累積產(chǎn)氣量逐漸增加，但當(dāng)導(dǎo)流能力大于5 μm2·cm時增幅逐漸減緩。儲層滲透率越低，采收率和穩(wěn)產(chǎn)期累積產(chǎn)氣量對壓裂縫導(dǎo)流能力越敏感，對于滲透率在(0.01～1.00)×10-3μm2的氣藏，相對于采收率，導(dǎo)流能力的增加對穩(wěn)產(chǎn)期累積產(chǎn)氣量的影響更大。

(5)儲層滲透率越低，穩(wěn)產(chǎn)期相對累積產(chǎn)氣量要達(dá)到90%需要的支撐裂縫導(dǎo)流能力越大。

(6)為節(jié)約成本，可以用石英砂支撐劑代替陶粒支撐劑，針對滲透率為(0.01～0.10)×10-3μm2的氣藏，支撐裂縫導(dǎo)流能力在5～10 μm2·cm即可，對應(yīng)的支撐劑為40～70目或者20～40目石英砂。