曲占慶,黃德勝,楊陽,2,李小龍,李楊
(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東 青島266580;2.中海油研究總院鉆采研究院,北京100027)
提高氣藏單井產(chǎn)量的主要措施是進(jìn)行壓裂增產(chǎn)改造,能否形成高導(dǎo)流能力的裂縫是壓裂作業(yè)成功的關(guān)鍵[1-6]。支撐劑性能的好壞直接影響裂縫的導(dǎo)流能力,因此,支撐劑充填層導(dǎo)流能力的測(cè)試是室內(nèi)評(píng)價(jià)壓裂效果的重要環(huán)節(jié),測(cè)試結(jié)果可為壓裂施工設(shè)計(jì)中支撐劑的優(yōu)選提供依據(jù)。
目前,支撐劑導(dǎo)流能力測(cè)試評(píng)價(jià)大多采用API 標(biāo)準(zhǔn)推薦的方法,使用蒸餾水或鹽水測(cè)試閉合壓力下的液體導(dǎo)流能力,而對(duì)氣測(cè)導(dǎo)流能力的研究較少[7]。另外,由于在測(cè)試時(shí)沒有考慮支撐劑在地層內(nèi)所處的復(fù)雜條件,所得到的結(jié)果與實(shí)際地層條件下的狀態(tài)存在較大差異[8]。
影響支撐劑導(dǎo)流能力的因素很多,文獻(xiàn)[9-18]分析了閉合壓力、鋪砂濃度、支撐劑強(qiáng)度等對(duì)導(dǎo)流能力的影響。本文利用改進(jìn)的API 裂縫導(dǎo)流儀,采用現(xiàn)場(chǎng)取得的巖心和支撐劑,測(cè)試分析了支撐劑嵌入、 壓裂液殘?jiān)?、支撐劑不同粒徑組合、酸蝕等復(fù)雜條件對(duì)延長(zhǎng)氣田壓裂中支撐劑充填層氣體導(dǎo)流能力的影響,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了提高裂縫導(dǎo)流能力的有效措施,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)支撐劑的選用和壓裂施工設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。
實(shí)驗(yàn)采用根據(jù)API 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的裂縫導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)系統(tǒng),可以模擬地層條件,對(duì)不同類型支撐劑進(jìn)行導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)[19]。該儀器模擬地層最高溫度120°C,最大閉合壓力200 MPa,完全能滿足我國(guó)氣田支撐劑裂縫導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)的需要。
實(shí)驗(yàn)流體為N2,實(shí)驗(yàn)固化溫度為90 ℃,鋪砂濃度為10 kg/m2,閉合壓力按6.9 MPa 的級(jí)別遞增。
實(shí)驗(yàn)材料:取自延長(zhǎng)氣田常用20/40 目陶粒、30/50目陶粒和樹脂砂,水基壓裂液,天然巖心。
實(shí)驗(yàn)原理可用達(dá)西定律表示:
式中:Kg為支撐裂縫滲透率,μm2;Q0為裂縫內(nèi)氣體流量,cm3/s;p0,p1,p2分別為大氣壓力、進(jìn)口壓力、出口壓力,kPa;μ 為氣體黏度,mPa·s;L 為測(cè)試段長(zhǎng)度,cm;A為支撐裂縫橫截面積,cm2。
裂縫導(dǎo)流系統(tǒng)使用API 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)流室,取L=12.7 cm,導(dǎo)流室寬度3.81 cm,則A=3.81 Wf,將有關(guān)單位換算成實(shí)驗(yàn)單位,支撐裂縫滲透率計(jì)算公式變?yōu)?/p>
支撐劑充填層導(dǎo)流能力:
式中:Q1為裂縫內(nèi)氣體流量,cm3/min;Wf為充填裂縫寬度,cm。
實(shí)驗(yàn)巖心取自延長(zhǎng)氣田,按照API 標(biāo)準(zhǔn)將天然巖心加工成長(zhǎng)為12.7 cm、寬為3.81 cm、厚為1~2 cm 的巖板,端部為半圓形。實(shí)驗(yàn)時(shí)用巖板代替導(dǎo)流室上下鋼板,以便更真實(shí)地模擬地層條件。
利用FCES-100 裂縫導(dǎo)流儀,在導(dǎo)流室中夾持巖板,模擬地層裂縫,將氣體以穩(wěn)定的流速通過2 片巖板之間的支撐劑填充層,逐漸增大閉合壓力,得到裂縫導(dǎo)流能力隨閉合壓力的變化曲線。通過改變巖板類型、支撐劑粒徑及其組合等實(shí)驗(yàn)條件,得出不同情況下導(dǎo)流能力隨閉合壓力變化的關(guān)系曲線,然后比較不同的曲線,得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。
選用20/40 目陶粒支撐劑,鋪砂濃度為10 kg/m2,分別用鋼板和巖板進(jìn)行實(shí)驗(yàn),巖板力學(xué)性質(zhì)如表1所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。
表1 巖板力學(xué)性質(zhì)
圖1 支撐劑嵌入對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響
由圖1可以看出,在閉合壓力較低(小于41.4 MPa)時(shí),用鋼板和巖板測(cè)得的導(dǎo)流能力幾乎沒有差別,表明支撐劑沒有發(fā)生嵌入現(xiàn)象或嵌入傷害不明顯。但是,當(dāng)閉合壓力超過41.4 MPa 后,用巖板2 得到的導(dǎo)流能力開始與鋼板測(cè)得的結(jié)果發(fā)生偏離,且隨著閉合壓力的增大,兩者之間的導(dǎo)流能力相差越大,說明在高閉合壓力下支撐劑發(fā)生了嵌入。巖板1 在閉合壓力超過55.2 MPa 后發(fā)生支撐劑嵌入現(xiàn)象。
由于2 種巖板強(qiáng)度不同,所測(cè)得的導(dǎo)流能力表現(xiàn)出一定的差異。在同樣的高閉合壓力下,與硬地層巖板相比,用軟地層巖板測(cè)得的導(dǎo)流能力更小,下降幅度越大,嵌入傷害越嚴(yán)重。分析認(rèn)為:支撐劑強(qiáng)度與地層巖石嵌入強(qiáng)度不匹配,在高閉合壓力下,支撐劑嵌入會(huì)降低裂縫有效寬度,同時(shí)會(huì)使巖石破碎產(chǎn)生碎屑,且地層越軟產(chǎn)出碎屑越多,巖石碎屑在支撐劑充填裂縫中運(yùn)移,堵塞孔隙通道,導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力下降。
實(shí)驗(yàn)一: 用現(xiàn)場(chǎng)水基壓裂液對(duì)導(dǎo)流室內(nèi)支撐劑進(jìn)行處理,在6.9 MPa 下承壓3 h,使壓裂液破膠后用N2在流量為200 cm3/min 條件下驅(qū)替返排4 h,最后測(cè)定氣體導(dǎo)流能力;實(shí)驗(yàn)二:支撐劑未用壓裂液處理,直接用氣體測(cè)定導(dǎo)流能力,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。
圖2 壓裂液殘?jiān)鼘?duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響
由圖2可以看出,實(shí)驗(yàn)一測(cè)得的導(dǎo)流能力遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)二。其主要原因是,壓裂液中的殘?jiān)谥蝿┏涮顚又蟹e聚,堵塞孔隙,造成導(dǎo)流能力降低;壓裂液殘?jiān)鼈Τ潭入S閉合壓力的增加而增加,在6.9 MPa 時(shí)傷害率為46.4%,89.7 MPa 時(shí)傷害率為84.2%。因此,在壓裂設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡可能采用低殘?jiān)鼔毫岩汉蛪毫岩簹堅(jiān)舛聞﹣慝@得理想的導(dǎo)流能力。
目前,氣田壓裂所用支撐劑多數(shù)為單一粒徑支撐劑,單一大粒徑支撐劑雖然可以提供較高的裂縫導(dǎo)流能力,但是在施工時(shí)加砂困難,易造成砂堵,且抗壓強(qiáng)度低,在高閉合壓力下易破碎,不能提供長(zhǎng)期有效的高裂縫導(dǎo)流能力[20]。單一小粒徑支撐劑雖然抗壓強(qiáng)度高,但不能提供較高的裂縫導(dǎo)流能力[21-22]。綜合考慮上述2方面因素,進(jìn)行了支撐劑不同粒徑組合導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)研究,方案如表2所示,結(jié)果如圖3所示。
表2 支撐劑不同粒徑組合實(shí)驗(yàn)方案
圖3 支撐劑不同粒徑組合下裂縫導(dǎo)流能力變化規(guī)律
單一粒徑情況下,在閉合壓力較低時(shí),大粒徑支撐劑導(dǎo)流能力比小粒徑支撐劑導(dǎo)流能力高。其主要原因是,大粒徑支撐劑在低閉合壓力下沒有破碎,其孔隙相對(duì)較大,氣體通過較容易。因此,其導(dǎo)流能力比小粒徑支撐劑高。隨著閉合壓力的增加,2 種支撐劑導(dǎo)流能力的差距縮小。其主要原因是,大粒徑支撐劑的接觸面積小、破碎率高,碎屑填充孔隙減弱了大粒徑支撐劑的優(yōu)勢(shì),而小粒徑支撐劑的接觸面積大、抗壓能力強(qiáng),在相同閉合壓力下不容易破碎。因此,導(dǎo)流能力與大粒徑支撐劑差距縮小。
支撐劑不同粒徑組合后,在低閉合壓力(小于55.2 MPa)條件下,大粒徑支撐劑所占比例越大,其導(dǎo)流能力越大,隨著閉合壓力的增加,導(dǎo)流能力差距逐漸減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是,小粒徑支撐劑的加入,增加了支撐劑之間的接觸面積,使組合后的支撐劑抗壓能力增強(qiáng),在高閉合壓力下破碎率降低,因此,不同粒徑組合支撐劑所測(cè)得的導(dǎo)流能力差距較小。此外,由圖3還可以看出,對(duì)于7∶3 的組合方式,在閉合壓力超過69 MPa 后,其導(dǎo)流能力大于相同條件下20/40 目單粒徑支撐劑的導(dǎo)流能力。
壓裂支撐劑在地層復(fù)雜環(huán)境下工作時(shí)要承受各種腐蝕,壓裂酸化復(fù)合改造工藝對(duì)支撐劑的傷害更為嚴(yán)重[23-24]。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn),研究了酸蝕對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響,方案如表3所示,結(jié)果如圖4所示。
表3 酸蝕對(duì)裂縫導(dǎo)流能力影響實(shí)驗(yàn)方案
圖4 酸蝕對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響
對(duì)比方案6 和8 可知,在同等閉合壓力條件下,方案8 測(cè)得的導(dǎo)流能力遠(yuǎn)小于方案6,說明酸蝕對(duì)支撐劑充填層裂縫導(dǎo)流能力影響很大,其主要原因是,酸性環(huán)境溶解支撐劑,使其粒徑變小,同時(shí)使支撐劑承壓能力降低,從而導(dǎo)致裂縫有效寬度減小,導(dǎo)流能力降低。
對(duì)比方案6,7,8 可知,陶粒尾隨樹脂砂可以減弱酸液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響,在高閉合壓力條件下效果尤為明顯。分析認(rèn)為,樹脂砂強(qiáng)度大,即使在高閉合壓力下發(fā)生破碎,樹脂砂外層的樹脂薄膜可以將破碎顆粒包在其內(nèi),防止碎屑顆粒堵塞地層,同時(shí)樹脂砂外層的樹脂薄膜還可以減少酸液對(duì)支撐劑的腐蝕。
1)巖石強(qiáng)度不同,支撐劑嵌入程度不同;巖石強(qiáng)度越小,嵌入傷害越嚴(yán)重,對(duì)導(dǎo)流能力傷害越大。在壓裂施工時(shí),應(yīng)根據(jù)地層閉合壓力和巖石嵌入強(qiáng)度選擇支撐劑類型。此外,可以考慮增加鋪砂質(zhì)量濃度克服支撐劑嵌入的影響。
2)壓裂液殘?jiān)鼘?duì)裂縫導(dǎo)流能力的傷害程度隨著閉合壓力的增大而增大。為了減小壓裂液殘?jiān)鼘?duì)導(dǎo)流能力的傷害,可以采用低傷害壓裂液和壓裂液殘?jiān)舛聞﹣斫档蛪毫岩涸斐傻膫Α?/p>
3)根據(jù)地層閉合壓力的情況選擇合適的支撐劑,在地層閉合壓力較低時(shí),選用大粒徑支撐劑,以獲得較高的裂縫導(dǎo)流能力;當(dāng)閉合壓力較高時(shí),考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工的難易程度和裂縫導(dǎo)流能力的大小,采用不同粒徑支撐劑組合的方式,克服小粒徑支撐劑不能獲得高導(dǎo)流能力和大粒徑支撐劑承壓能力弱等缺點(diǎn)。
4)在實(shí)施壓裂酸化復(fù)合改造工藝時(shí)或在地層酸性較強(qiáng)環(huán)境下,使用抗酸性能好的支撐劑,減弱酸性環(huán)境對(duì)支撐劑的影響,也可采用陶粒尾隨樹脂砂使支撐劑充填層保持較高的裂縫導(dǎo)流能力,以達(dá)到理想效果。
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