頁巖氣網(wǎng)絡(luò)壓裂支撐劑導(dǎo)流特性評價(jià)

賈長貴

(中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101)

涪陵頁巖氣田是北美以外首個(gè)成功進(jìn)行商業(yè)化和規(guī)?；_發(fā)的頁巖氣區(qū)塊。截至2013年底，投產(chǎn)試氣19口井，平均單井測試產(chǎn)量34×104m3，新建頁巖氣產(chǎn)能6×108m3,預(yù)計(jì)2015年建成50×108m3產(chǎn)能。涪陵焦石壩等頁巖氣區(qū)塊，需要進(jìn)行長水平井大型分段壓裂改造，形成大改造體積的網(wǎng)絡(luò)裂縫，才能實(shí)現(xiàn)有效改造和商業(yè)開發(fā)[1-8]。頁巖氣水平井長縫網(wǎng)絡(luò)壓裂裂縫復(fù)雜，改造面積大，支撐劑鋪置濃度低，嵌入傷害大，導(dǎo)流特性與常規(guī)油氣藏不同，與北美頁巖氣水平井中短縫壓裂也有明顯差異[9-16]。另外，涪陵地區(qū)龍馬溪組頁巖儲層壓裂裂縫的閉合壓力為48～52 MPa，明顯高于同等深度的北美頁巖[2]。閉合壓力、支撐劑類型和鋪砂濃度是影響導(dǎo)流能力的重要因素。因此，有必要對陶粒、石英砂、覆膜砂3種類型支撐劑在不同粒徑、不同鋪砂濃度和不同閉合壓力條件下的導(dǎo)流特性進(jìn)行評價(jià)，為頁巖氣ESRV(effective stimulation reservoir volume)網(wǎng)絡(luò)壓裂裂縫導(dǎo)流能力優(yōu)化和支撐劑優(yōu)選提供依據(jù)[12]。

1 試驗(yàn)儀器及原理

采用 FCES-100 裂縫導(dǎo)流儀進(jìn)行導(dǎo)流能力評價(jià)。試驗(yàn)溫度為室溫，最大閉合壓力120 MPa，使用API標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)流室。試驗(yàn)用頁巖巖板代替金屬板來模擬裂縫。支撐劑導(dǎo)流能力的計(jì)算公式為：

(1)

式中：K為支撐裂縫滲透率，D；Q為裂縫內(nèi)流量，cm3/s；μ為流體黏度，mPa·s；Δp為測試段兩端的壓差，MPa；wf為充填裂縫縫寬，cm。

由式(1)可看出，只需測得壓差及流量,即可求得支撐劑的導(dǎo)流能力[17-18]。

2 頁巖巖板及支撐劑

導(dǎo)流能力評價(jià)試驗(yàn)使用的頁巖采自四川盆地志留系龍馬溪組地層，X光衍射測定其黏土礦物含量14.0%～42.7%，平均30.4%；石英39.0%～56.0%，平均47.9%；長石5.0%～14.0%，平均8.4%；碳酸鹽4.0%～20.0%，平均13.4%。根據(jù) FCES-100 型導(dǎo)流儀(API標(biāo)準(zhǔn))導(dǎo)流室尺寸，將頁巖加工成長17.7 cm、寬3.8 cm、厚1.0～2.0 cm，端部呈半圓形的巖板。根據(jù)支撐劑應(yīng)用現(xiàn)狀和頁巖氣網(wǎng)絡(luò)壓裂技術(shù)需要，選取陶粒、石英砂、覆膜砂3種常用支撐劑：選用16/30目、20/40目、30/50目、40/60目和40/70目等5種粒徑的陶粒；選用16/20目、20/40目、40/70目3種粒徑的石英砂；選用30/50目和40/70目2種粒徑的覆膜砂。陶粒磨圓度較高，顆粒表面有毛刺，覆膜砂裹有樹脂，表面比較光滑。

3 試驗(yàn)方案及結(jié)果

在進(jìn)行不同類型支撐劑、不同粒徑支撐劑和不同鋪砂濃度對頁巖裂縫導(dǎo)流能力的影響試驗(yàn)時(shí)，鋪砂濃度采用0.5，2.5和5.0 kg/m2，閉合壓力從5 MPa開始，10～70 MPa每隔10 MPa測試一個(gè)壓力點(diǎn)，每個(gè)壓力點(diǎn)測試1 h，流體流量2～5 mL/min。

3.1 不同粒徑支撐劑的導(dǎo)流能力

圖1為在5.0 kg/m2鋪砂濃度條件下，16/30目、20/40目和40/70目的石英砂在不同閉合壓力下的導(dǎo)流能力測試結(jié)果。由圖1可以看出：閉合壓力低于40 MPa時(shí)，隨著閉合壓力的增大，導(dǎo)流能力下降較快；高于40 MPa以后，隨著閉合壓力增大，導(dǎo)流能力比較小，導(dǎo)流能力曲線趨于平緩。石英砂在閉合壓力為40 MPa時(shí)破碎嚴(yán)重，20/40目和40/70目石英砂在該閉合壓力下的導(dǎo)流能力與閉合壓力為5 MPa時(shí)相比分別下降84.4%和95.7%。

圖1 不同粒徑石英砂在不同閉合壓力下的導(dǎo)流能力Fig.1 Conductivity of different sizesand s under different closure pressure

圖2為在5.0 kg/m2鋪砂濃度條件下，30/50目和40/70目的覆膜砂在不同閉合壓力下的導(dǎo)流能力測試結(jié)果。由圖2可看出：閉合壓力從5 MPa增至70 MPa時(shí)，2種粒徑覆膜砂的導(dǎo)流能力分別下降94.4%和94.7%;當(dāng)閉合壓力高于50 MPa時(shí)，二者導(dǎo)流能力的差值逐漸減?。划?dāng)閉合壓力為70 MPa時(shí)，40/70目覆膜砂的導(dǎo)流能力仍然具有3.64 D·cm，而30/50目覆膜砂的導(dǎo)流能力比40/70目覆膜砂高27.4%；在5.0 kg/m2鋪砂濃度條件下，當(dāng)閉合壓力為50 MPa時(shí)，40/70目覆膜砂的導(dǎo)流能力為5.14 D·cm，而40/70目石英砂僅為1.94 D·cm(見圖1)，40/70目覆膜砂的導(dǎo)流能力比40/70目石英砂高165%。因此，對于中高閉合壓力的頁巖儲層，壓裂時(shí)支撐劑宜選用覆膜砂。

圖2 不同粒徑覆膜砂在不同閉合壓力下的導(dǎo)流能力Fig.2 Conductivity of differen resin coated sand size ts under different closure pressure

3.2 不同類型支撐劑的導(dǎo)流能力

在進(jìn)行不同類型支撐劑導(dǎo)流能力試驗(yàn)時(shí)，支撐劑粒徑為40/70目，覆膜砂和陶粒的鋪砂濃度均為5.0，2.5，1.0和0.5 kg/m2，石英砂的鋪砂濃度為5.0和2.5 kg/cm2。試驗(yàn)結(jié)果見圖3—圖6。

圖3 5.0 kg/m2鋪砂濃度下不同支撐劑的導(dǎo)流能力Fig.3 Conductivity of different proppant under 5.0 kg/m2 sand concentration

圖4 2.5 kg/m2鋪砂濃度下不同支撐劑的導(dǎo)流能力Fig.4 Conductivity of different proppants under 2.5 kg/m2 sand concentration

圖5 1.0 kg/m2鋪砂濃度下陶粒/覆膜砂的導(dǎo)流能力Fig.5 Conductivity of different proppant under 1.0 kg/m2 sand concentration

由圖3—圖6可以看出：在5 kg/m2鋪砂濃度下，閉合壓力在30 MPa以下時(shí)，隨著閉合壓力的增大，陶粒、石英砂和覆膜砂3種支撐劑的導(dǎo)流能力下降幅度比較大；當(dāng)閉合壓力超過40 MPa后，導(dǎo)流能力下降幅度均變小，在相同閉合壓力下，40/70目陶粒的導(dǎo)流能力最高，覆膜砂次之，石英砂最低。在2.5 kg/m2鋪砂濃度下，石英砂的導(dǎo)流能力遠(yuǎn)小于陶粒和覆膜砂，在閉合壓力為40MPa時(shí)，陶粒與覆膜砂的導(dǎo)流能力接近，而石英砂不足二者的1/4；隨著鋪砂濃度的降低，陶粒在閉合壓力較低時(shí)具有較高的導(dǎo)流能力；隨著閉合壓力增大，陶粒的導(dǎo)流能力下降速度較快；閉合壓力增至60 MPa時(shí)，在0.5 kg/m2鋪砂濃度(單層鋪砂)下覆膜砂的導(dǎo)流能力比陶粒高23.4%。

圖6 0.5 kg/m2鋪砂濃度下陶粒/覆膜砂的導(dǎo)流能力Fig.6 Conductivity of different proppant under 0.5 kg/m2 sand concentration

3.3 不同鋪砂濃度下支撐劑的導(dǎo)流能力

支撐劑類型、鋪砂濃度和鋪砂方式等因素決定了主裂縫的導(dǎo)流能力，并影響著微小裂縫，支撐劑的選擇必須根據(jù)真實(shí)的地層條件來決定。當(dāng)支撐劑鋪砂濃度減小到只有裂縫局部鋪有支撐劑時(shí)，在這些零散分布的支撐劑之間就會(huì)形成超高導(dǎo)流能力的孔道，這對于頁巖網(wǎng)絡(luò)裂縫或復(fù)雜裂縫，判斷微縫或支縫中支撐劑濃度較低，形不成連續(xù)鋪砂時(shí)，能否提供足夠的導(dǎo)流能力，進(jìn)而優(yōu)化裂縫導(dǎo)流能力和壓裂參數(shù)具有重要意義[18-20]。

測試了40/70目的陶粒和覆膜砂在單層局部鋪砂(鋪砂濃度0.1 kg/m2)、單層全局鋪砂(鋪砂濃度0.5 kg/m2)、雙層全局鋪砂(鋪砂濃度1.0 kg/m2)和多層鋪砂(鋪砂濃度2.5 kg/m2)4種情況下的導(dǎo)流能力，結(jié)果見圖7。

由圖7可看出,低鋪砂濃度下，裂縫導(dǎo)流能力與支撐劑鋪砂濃度正相關(guān)，但不是線性關(guān)系。頁巖氣網(wǎng)絡(luò)壓裂時(shí)，支撐劑鋪砂濃度過低，導(dǎo)流能力不足，但過高也不經(jīng)濟(jì)，每段壓裂時(shí)可能存在一定的臨界加砂規(guī)模，這點(diǎn)應(yīng)引起頁巖氣水平井壓裂設(shè)計(jì)人員的重視。

圖7 不同鋪砂濃度陶粒/覆膜砂導(dǎo)流能力Fig.7 Conductivity of ceramic/resin coated sand @different sand concentrations

3.4 長期導(dǎo)流能力試驗(yàn)

在研究長期導(dǎo)流能力變化規(guī)律時(shí)，支撐劑選用40/70目的覆膜砂和陶粒，鋪砂濃度采用2.5 kg/m2，閉合壓力為52 MPa，測試時(shí)間為168 h ，流體流量2～5 mL/min，結(jié)果見圖8。

圖8 陶粒/覆膜砂的長期導(dǎo)流能力Fig.8 Long-term conductivity of ceramic/resin coated sand

由圖8可以看出：當(dāng)閉合壓力為52 MPa，鋪砂濃度為2.5 kg/m2時(shí)，在試驗(yàn)初期40/70目陶粒和覆膜砂均表現(xiàn)出較高的導(dǎo)流能力，但陶粒的導(dǎo)流能力要高于覆膜砂；前30 h內(nèi)，導(dǎo)流能力急劇下降，陶粒降低57.05%，覆膜砂降低43.12%，30 h以后，2種支撐劑的導(dǎo)流能力下降幅度變小，但覆膜砂的導(dǎo)流能力已經(jīng)明顯高于陶粒;80 h后導(dǎo)流能力曲線已經(jīng)接近水平,168 h后陶粒和覆膜砂的導(dǎo)流能力分別下降71.58%和60.65%。分析認(rèn)為，陶粒硬度較大，部分陶粒嵌入頁巖巖板表面，單顆陶粒嵌入深度達(dá)其粒徑50%以上，縫寬損失較大，同時(shí)巖板表面隨時(shí)間增長泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，陶粒之間相互擠壓導(dǎo)致支撐劑破碎；相比之下，覆膜砂在裂縫中逐漸被壓實(shí)，相互粘結(jié)，嵌入程度和破碎率與硬度較大的陶粒相比均較弱。另外，陶粒和覆膜砂長時(shí)間受流體浸泡，其強(qiáng)度受損，也會(huì)導(dǎo)致其導(dǎo)流能力持續(xù)下降，但影響程度還需要進(jìn)一步通過試驗(yàn)評價(jià)。

4 綜合分析

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，石英砂僅在較低的閉合壓力時(shí)才有足夠的導(dǎo)流能力。閉合壓力高于40 MPa后，石英砂的導(dǎo)流能力遠(yuǎn)小于陶粒和覆膜砂，不足二者的20%。因此，閉合壓力超過40 MPa的頁巖儲層在進(jìn)行壓裂時(shí)，原則上不推薦選用石英砂做為支撐劑。如果考慮到石英砂成本低和降低支撐劑費(fèi)用，需要使用石英砂時(shí)，必須增大加砂規(guī)模，提高鋪砂濃度，以保證達(dá)到設(shè)計(jì)的導(dǎo)流能力。北美部分頁巖油氣已成功地進(jìn)行了類似的嘗試。陶粒強(qiáng)度高，不易變形，導(dǎo)流能力一般也比較高；但閉合壓力超過40 MPa，陶粒的嵌入程度比覆膜砂高，顆粒破碎嚴(yán)重，導(dǎo)流能力下降幅度較大。相對而言，覆膜砂韌性好，嵌入程度低，裂縫壁面顆粒脫落也少，嵌入程度、破碎率及微粒產(chǎn)生量是3種類型支撐劑中最低的，其導(dǎo)流能力比較穩(wěn)定。同時(shí)，覆膜砂的韌性好，有利于控制壓后排采時(shí)支撐劑回流，尤其對高產(chǎn)高壓頁巖氣井更是如此。

頁巖氣網(wǎng)絡(luò)壓裂中，支撐劑鋪置濃度較低，甚至在裂縫中形不成連續(xù)的單層局部鋪砂，加之頁巖裂縫壁面強(qiáng)度偏低，需要重視和加強(qiáng)支撐劑嵌入和微粒運(yùn)移對導(dǎo)流能力影響的研究。針對不同頁巖，應(yīng)選擇強(qiáng)度與頁巖相匹配的、有一定韌性和變形能力的支撐劑；同時(shí)，對支撐劑的粒徑和鋪砂濃度進(jìn)行優(yōu)化，以提高裂縫導(dǎo)流能力，從而獲得更好的壓裂效果。

5 結(jié)論與建議

1) 閉合壓力、支撐劑類型和鋪砂濃度是影響導(dǎo)流能力的重要因素。中高閉合壓力和低鋪置濃度條件下，覆膜砂導(dǎo)流能力最大，陶粒次之，石英砂最小。

2) 隨著鋪砂濃度的降低，支撐劑在閉合壓力較低時(shí)具有較高的導(dǎo)流能力，隨著閉合壓力的增大，導(dǎo)流能力下降速度較快；閉合壓力大于50 MPa時(shí)，單層鋪砂或單層局部鋪砂情況下陶粒的導(dǎo)流能力遠(yuǎn)低于覆膜砂。

3) 選擇強(qiáng)度與頁巖相匹配的、有一定韌性和變形能力的支撐劑，同時(shí)對支撐劑的粒徑和鋪砂濃度進(jìn)行優(yōu)化，可以提高裂縫導(dǎo)流能力和壓裂效果。

4) 長期導(dǎo)流能力受時(shí)間影響較大，隨時(shí)間的增長，覆膜砂和陶粒的導(dǎo)流能力會(huì)急劇降低，后期下降幅度逐漸變小。對于中高閉合壓力的頁巖地層，覆膜砂的長期導(dǎo)流能力高于陶粒。

5) 不同區(qū)塊的頁巖特性差別比較大，應(yīng)根據(jù)具體頁巖開展針對性的支撐劑導(dǎo)流特性試驗(yàn)，為支撐劑優(yōu)選和壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

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