通道壓裂支撐裂縫影響因素分析

許國(guó)慶，張士誠(chéng)，王雷，韓晶玉

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

0 引言

非常規(guī)油氣藏由于物性差，開(kāi)發(fā)難度大，儲(chǔ)量難以動(dòng)用，決定了非常規(guī)資源必須采用儲(chǔ)層壓裂增產(chǎn)改造技術(shù)，改變油氣滲流方式，提高單井產(chǎn)量，從而達(dá)到有效開(kāi)發(fā)的目的[1-5]。非常規(guī)油氣藏經(jīng)過(guò)水力壓裂后的產(chǎn)能主要由改造體積的大小決定，但裂縫的導(dǎo)流能力對(duì)產(chǎn)能也有著舉足輕重的影響。傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)很難滿(mǎn)足大幅度提高裂縫導(dǎo)流能力的需求，因此需要采用一種新型技術(shù)——通道壓裂技術(shù)[6]。傳統(tǒng)技術(shù)主要通過(guò)改善支撐劑與壓裂液的相關(guān)特性、采用新型添加劑及結(jié)合施工工藝（如提高支撐劑強(qiáng)度、降低支撐劑破碎率、改善壓裂液攜砂能力以及采用更有效的破膠劑）來(lái)提高支撐裂縫的導(dǎo)流能力[7-10]，而通道壓裂技術(shù)通過(guò)在裂縫內(nèi)不連續(xù)鋪置支撐劑充填層在支撐縫內(nèi)形成具有無(wú)限導(dǎo)流能力的敞開(kāi)通道，從而在最大程度上解決采用傳統(tǒng)壓裂技術(shù)的裂縫由于支撐劑嵌入、破碎、鈣化，微粒運(yùn)移，壓裂液傷害，多相流以及非達(dá)西效應(yīng)等因素[11-12]引起的導(dǎo)流能力過(guò)低的問(wèn)題。該技術(shù)主要通過(guò)地質(zhì)力學(xué)建模選擇合適地層，采用脈沖式加砂技術(shù)[13]以及特殊的完井方式，同時(shí)在壓裂液體系中添加可降解纖維材料保持支撐劑支柱的穩(wěn)定性等來(lái)確保在裂縫內(nèi)形成高速導(dǎo)流通道[14]。Rhein 等[15]通過(guò)對(duì)比常規(guī)壓裂和通道壓裂的效果，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用通道壓裂技術(shù)的油氣井產(chǎn)能可以提高20%～90%，并且可以?xún)?yōu)化壓裂規(guī)模，節(jié)約施工成本和施工時(shí)間。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)通道壓裂影響因素的研究較少。本文通過(guò)運(yùn)用FCES-100長(zhǎng)期裂縫導(dǎo)流儀，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，分析了纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、支撐劑類(lèi)型、粒徑、鋪砂濃度，以及不同巖性對(duì)通道壓裂導(dǎo)流能力的影響，為優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)、最大程度地降低支撐劑嵌入的影響及提高裂縫導(dǎo)流能力提供了一定的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工及應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)使用美國(guó)Core-Lab公司生產(chǎn)的FCES-100裂縫導(dǎo)流儀（API標(biāo)準(zhǔn)），該儀器可以模擬地層條件，對(duì)不同類(lèi)型支撐劑進(jìn)行短期或長(zhǎng)期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)。使用2%KCl溶液作為流體介質(zhì)。測(cè)試應(yīng)用的巖板長(zhǎng)17.7 cm，寬 3.8 cm，高 1.0～2.0 cm，端部呈半圓形。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及方案

實(shí)驗(yàn)選用2種不同的地層巖心，分別為某儲(chǔ)層砂巖和頁(yè)巖。其中，露頭砂巖的靜態(tài)彈性模量9.40～10.10 GPa，靜態(tài)泊松比0.31～0.37，抗壓強(qiáng)度113.00～117.00 MPa；露頭頁(yè)巖的彈性模量 12.65～22.88 GPa，靜態(tài)泊松比 0.14～0.27，抗壓強(qiáng)度 203.06～344.85 MPa。分別以纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、支撐劑粒徑、鋪砂濃度、支撐劑類(lèi)型、巖性為變量進(jìn)行了短期導(dǎo)流能力測(cè)試。溫度為常溫，測(cè)試壓力10～90 MPa，增幅10 MPa，每個(gè)壓力點(diǎn)測(cè)試1 h，共計(jì)9個(gè)壓力點(diǎn)。

支柱鋪置方式：預(yù)先加工內(nèi)徑為1.42 cm鏤空鋼圈，鋪置前，將鋼圈放置在巖板上；將纖維與支撐劑用酒精混合攪拌均勻后，放置在鋼圈內(nèi)，壓實(shí)，取出鋼圈即可（見(jiàn)圖 1）。

圖1 支撐劑不連續(xù)支柱式鋪置示意

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)

纖維技術(shù)是近年來(lái)國(guó)外發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，在防止支撐劑回流、降低導(dǎo)流能力傷害方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。其基本原理是，通過(guò)纖維的接觸壓力和摩擦力作用，與支撐劑顆粒接觸形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增強(qiáng)支撐劑顆粒間的內(nèi)聚力，從而將支撐劑固定在原始位置，而流體可以自由通過(guò)，達(dá)到預(yù)防支撐劑回流的目的。目前，纖維防砂以及纖維壓裂技術(shù)在川西地區(qū)得到了大量的推廣應(yīng)用，并且取得了令人滿(mǎn)意的效果。但纖維的加入對(duì)支撐劑導(dǎo)流能力的影響以及影響程度，一直是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中值得關(guān)注的問(wèn)題。通道壓裂技術(shù)需要在攜砂液中加入一定比例的纖維材料，來(lái)保持支撐劑支柱的穩(wěn)定性。為了評(píng)價(jià)纖維的性能，選用20～40目陶粒支撐劑、12 mm纖維攪拌均勻后進(jìn)行不連續(xù)支柱式鋪置，鋪砂濃度5.0 kg/m2，對(duì)加入纖維后支撐劑導(dǎo)流能力的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)巖板為砂巖板，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)導(dǎo)流能力的影響

由圖2分析可知，不同纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力影響有較大差別。在無(wú)纖維且閉合壓力小于40 MPa時(shí)，其導(dǎo)流能力小于含纖維組；當(dāng)閉合壓力大于50 MPa時(shí)，其具有和含纖維組相當(dāng)?shù)膶?dǎo)流能力。當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低 （0.2%～0.4%）時(shí)，在低閉合應(yīng)力（10～30 MPa）下，導(dǎo)流能力略有上升；在高閉合壓力下，導(dǎo)流能力少許下降。這是因?yàn)椋涸诔跗陔A段，支撐劑內(nèi)添加纖維量較少時(shí)，支撐劑支柱無(wú)法利用纖維與支撐劑間的內(nèi)聚力，導(dǎo)致在裂縫內(nèi)不能形成穩(wěn)定支柱，在流體的作用力下，支柱被流體沖散帶走，支柱高度下降明顯，因而導(dǎo)流能力不足；后期階段，被沖散的支撐劑在裂縫內(nèi)形成局部單層鋪砂，其導(dǎo)流能力效果可以達(dá)到甚至優(yōu)于多層鋪砂導(dǎo)流能力，因而與后期受高閉合壓力作用導(dǎo)致嵌入程度明顯的含纖維組相比，二者導(dǎo)流能力相差不大。此外，在低閉合壓力下，支撐劑層未被壓實(shí)，存在于支撐劑顆粒接觸面間的纖維增大了流體流通通道，從而增加了導(dǎo)流能力；在高閉合壓力下，支撐劑層被壓實(shí)，存在于支撐劑孔隙間的纖維對(duì)孔隙起到阻塞作用，因而減小了導(dǎo)流能力。綜合考慮，雖然纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，裂縫的導(dǎo)流能力與0.6%時(shí)接近，但是，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，攜砂能力較差，無(wú)法使得支撐劑在裂縫內(nèi)形成穩(wěn)定支柱，因此纖維的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%比較合適。

2.2 支撐劑粒徑

實(shí)驗(yàn)分別使用 20～40，30～50，40～70 目陶粒，在鋪砂濃度5.0 kg/m2，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%條件下，實(shí)驗(yàn)巖板為砂巖板，進(jìn)行了不連續(xù)支柱式鋪砂導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖3）。結(jié)果顯示，無(wú)論支撐劑的粒徑范圍如何變化，三者間導(dǎo)流能力的差別不大，40～70目支撐劑的導(dǎo)流能力略高于其他二者的導(dǎo)流能力。這是由于三者均采用不連續(xù)支柱式鋪砂，流通主要通過(guò)支柱間的高速流動(dòng)通道進(jìn)行流動(dòng)，而不是通過(guò)支撐劑充填層間的空隙流動(dòng)。支撐劑主要起到支撐裂縫防止裂縫閉合的作用，其對(duì)流體流動(dòng)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于高速流動(dòng)通道，不再起到連續(xù)鋪砂方式下的流通媒介的作用，因此通道壓裂中的支撐劑支柱的穩(wěn)定性對(duì)壓裂施工成功與否有至關(guān)重要的影響。

圖3 支撐劑粒徑對(duì)導(dǎo)流能力的影響

2.3 支撐劑鋪砂濃度

在研究支撐劑鋪砂濃度對(duì)通道壓裂導(dǎo)流能力的影響時(shí)，所采用的支撐劑類(lèi)型，粒徑及巖心均相同，僅鋪砂濃度不同，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%，實(shí)驗(yàn)巖板為砂巖板，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4可以看出，通道壓裂的導(dǎo)流能力隨著鋪砂濃度的減少而減少。一方面，鋪砂濃度的大小決定了支撐劑支柱的高度，而支柱的高度對(duì)支撐裂縫的高度有著重要影響，支柱高度越高，導(dǎo)流通道越寬敞，導(dǎo)流能力就越高；另一方面，對(duì)于低鋪砂濃度而言，支撐劑鋪砂層數(shù)較少，通常為1～2層，發(fā)生嵌入后，嵌入高度占據(jù)總鋪砂高度的比例相應(yīng)也越高，其對(duì)導(dǎo)流能力影響也就比高鋪砂濃度大，這在通道壓裂中尤為明顯。因?yàn)橥ǖ缐毫阎胁捎玫氖遣痪鶆蜾伾埃蝿┎荒芡耆仢M(mǎn)整個(gè)裂縫面，以此次實(shí)驗(yàn)為例，采用直徑為1.42 cm五支柱時(shí)，支撐劑與導(dǎo)流室面積比值為0.12，當(dāng)閉合壓力10 MPa時(shí)，支撐劑所承受的壓力已接近90 MPa，導(dǎo)致支撐劑嵌入成坑狀嵌入。另一方面支撐劑破碎帶來(lái)的碎屑也會(huì)阻塞孔隙等，從而導(dǎo)致滲透率和導(dǎo)流能力的降低。因此，若要明顯提高裂縫導(dǎo)流能力，可以在施工條件允許的范圍內(nèi)，適當(dāng)提高支撐劑的鋪砂濃度。

圖4 支撐劑鋪砂濃度對(duì)導(dǎo)流能力的影響

2.4 支撐劑類(lèi)型

實(shí)驗(yàn)采用陶粒、覆膜砂、石英砂3種不同的支撐劑進(jìn)行對(duì)比，鋪砂濃度5.0 kg/m2，粒徑均為30～50目，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%，實(shí)驗(yàn)巖板為砂巖板。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可以看出，覆膜砂在導(dǎo)流能力方面表現(xiàn)最好，陶粒次之，石英砂最差。這是因?yàn)椋菏⑸白罡呖蛇m用的閉合壓力在30 MPa左右，超過(guò)30 MPa，石英砂會(huì)發(fā)生大量的破碎，導(dǎo)致通道壓裂支柱效果變差，從而其導(dǎo)流能力低于覆膜砂和陶粒；另一方面，由于覆膜砂支撐劑外層包裹著一層樹(shù)脂，因此在高閉合壓力下，覆膜砂具有變形重塑的特點(diǎn)，增加了其與裂縫壁面的接觸面積，降低了支撐劑嵌入的影響，同時(shí)由于樹(shù)脂的包裹，使得碎屑不容易進(jìn)入覆膜砂充填層空隙，裂縫的導(dǎo)流能力也就相對(duì)應(yīng)下降較少，因此覆膜砂的導(dǎo)流能力高于陶粒。但是由于覆膜砂造價(jià)遠(yuǎn)高于陶粒、石英砂，因此在工程應(yīng)用上，在選擇支撐劑時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮各方面的因素。

2.5 巖性類(lèi)型

實(shí)驗(yàn)巖心分別為砂巖和頁(yè)巖。利用這2種巖心進(jìn)行了通道壓裂導(dǎo)流能力對(duì)比實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖6），其中鋪砂濃度為2.5 kg/m2，支撐劑為40～70目覆膜砂，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%。實(shí)驗(yàn)表明，砂巖嵌入程度遠(yuǎn)高于頁(yè)巖嵌入程度，導(dǎo)致其導(dǎo)流能力遠(yuǎn)低于頁(yè)巖巖心的導(dǎo)流能力。在低閉合壓力（10～40 MPa）下，頁(yè)巖巖心的導(dǎo)流能力約為砂巖巖心導(dǎo)流能力的3～6倍，最高可達(dá)10倍以上；在高閉合壓力（60～90 MPa）下，頁(yè)巖巖心導(dǎo)流能力約為砂巖巖心的2～4倍。根據(jù)巖心靜態(tài)力學(xué)參數(shù)對(duì)比可以看出，砂巖的彈性模量遠(yuǎn)低于頁(yè)巖，因此，砂巖巖心的硬度也遠(yuǎn)低于頁(yè)巖巖心。同時(shí)，砂巖的孔隙較為發(fā)育，支撐劑更容易嵌入，造成2種巖心嵌入程度差別較為明顯，這種差別導(dǎo)致二者在裂縫內(nèi)支柱高度的不同，從而造就了導(dǎo)流能力的明顯差距。所以，在進(jìn)行通道壓裂設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分考慮到壓裂井改造層段的巖石力學(xué)性質(zhì)，對(duì)嵌入嚴(yán)重、不適合進(jìn)行通道壓裂改造的壓裂井改為常規(guī)壓裂，或者增大砂比，提高裂縫的鋪砂濃度，從而獲得理想的導(dǎo)流能力。

圖6 巖性對(duì)導(dǎo)流能力的影響

3 結(jié)論

1）通道壓裂需在壓裂液中加入一定比例的纖維材料來(lái)保證裂縫內(nèi)支柱的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果為加入纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%最優(yōu)。

2）由于通道壓裂中的支撐劑支柱構(gòu)建起的導(dǎo)流通道是流體的主要流通通道，因此支撐劑粒徑對(duì)通道壓裂導(dǎo)流能力影響較弱，不同粒徑的支撐劑間的導(dǎo)流能力差別很小。

3）鋪砂濃度對(duì)通道壓裂導(dǎo)流能力的影響程度較大，鋪砂濃度越高，裂縫的導(dǎo)流能力越大。

4）支撐劑的嵌入對(duì)通道壓裂的影響較大，覆膜砂、陶粒、石英砂3種支撐劑在通道壓裂不連續(xù)鋪砂實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)不一。覆膜砂利用其可變形的特性可以顯著降低嵌入影響，陶粒次之，石英砂最差，故在選擇支撐劑時(shí)應(yīng)綜合考慮各方面因素的影響。

5）不同巖性間進(jìn)行通道壓裂時(shí)，裂縫的導(dǎo)流能力有可能差別較大，原因是二者的硬度差別較大。硬度較大的地層易獲得較高的導(dǎo)流能力，因此在進(jìn)行通道壓裂時(shí)，應(yīng)充分考慮改造儲(chǔ)層的巖石力學(xué)特性。

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