高速通道壓裂支撐裂縫導(dǎo)流能力實驗評價

曲占慶，周麗萍，曲冠政，黃德勝，楊　陽，許華儒

（1.中國石油大學(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）

高速通道壓裂支撐裂縫導(dǎo)流能力實驗評價

曲占慶1，周麗萍1，曲冠政1，黃德勝1，楊陽2，許華儒1

（1.中國石油大學(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）

支撐裂縫導(dǎo)流能力是評價壓裂施工效果的重要參數(shù)，通過室內(nèi)導(dǎo)流能力實驗，研究支撐劑粒徑和段塞數(shù)、纖維濃度及其加入方式對高速通道壓裂支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響，并采用正交試驗和灰色關(guān)聯(lián)分析法分析各參數(shù)對支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響程度。結(jié)果表明：支撐劑粒徑越大，支撐裂縫的導(dǎo)流能力越強；支撐劑段塞數(shù)越多，通過增加支撐劑段塞數(shù)得到的支撐裂縫導(dǎo)流能力增幅越?。划?dāng)閉合壓力小于41MPa時，支撐劑段塞數(shù)越多，支撐裂縫導(dǎo)流能力隨著閉合壓力的增大降幅越大；支撐裂縫導(dǎo)流能力隨纖維濃度的增加而降低，以纖維包裹支撐劑這種纖維加入方式對支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響最大；各參數(shù)對支撐裂縫導(dǎo)流能力影響程度由大到小依次為閉合壓力、支撐劑段塞數(shù)、纖維濃度、纖維加入方式、支撐劑粒徑。

高速通道壓裂 導(dǎo)流能力 支撐劑 段塞 纖維 正交試驗 灰色關(guān)聯(lián)分析

近年來，隨著油氣資源的不斷開發(fā)，對低滲透、特低滲透儲層的開采越來越受到重視，壓裂是對這類儲層改造的重要技術(shù)之一。常規(guī)壓裂［1-3］所形成的人工裂縫內(nèi)支撐劑是連續(xù)鋪置的，由于支撐劑破碎、支撐劑嵌入等原因使實際得到裂縫系統(tǒng)的導(dǎo)流能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期值［4］。為了獲得高導(dǎo)流能力的裂縫系統(tǒng)，現(xiàn)場采用一種新型的壓裂技術(shù)——高速通道壓裂［5］，與常規(guī)壓裂最大的不同是，高速通道壓裂技術(shù)所形成的人工水力裂縫被不連續(xù)的支撐劑充填層支撐。支撐劑相當(dāng)于支柱支撐裂縫，其間的通道構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)供流體流動，因而支撐裂縫導(dǎo)流能力較常規(guī)裂縫系統(tǒng)高。高速通道壓裂技術(shù)還可使支撐劑的用量大大降低，在同等加砂量的情況下造縫更長、裂縫導(dǎo)流能力更高，支撐劑利用率亦更高，同時網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使得壓裂液返排更易于進(jìn)行。

裂縫系統(tǒng)的導(dǎo)流能力是評價壓裂施工效果的重要參數(shù)［6-8］，但目前對高速通道壓裂裂縫導(dǎo)流能力的研究較少。為此，筆者利用支撐裂縫導(dǎo)流儀進(jìn)行實驗，考察支撐劑的不連續(xù)性以及纖維的加入對高速通道壓裂支撐裂縫導(dǎo)流能力（簡稱導(dǎo)流能力）的影響，以期為壓裂施工操作以及壓裂參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1　實驗儀器

由于目前對高速通道壓裂裂縫導(dǎo)流能力的研究不夠深入，尚無專門的實驗儀器，故采用按照API標(biāo)準(zhǔn)研制的支撐裂縫導(dǎo)流儀進(jìn)行模擬實驗，其可承受的最大閉合壓力為120MPa，測得的導(dǎo)流能力最大值為1200μm2·cm，可滿足實驗設(shè)計的要求。該儀器根據(jù)達(dá)西定律測定支撐裂縫的導(dǎo)流能力，其計算公式為

式中：Kfw為支撐裂縫的導(dǎo)流能力，μm2·cm；μ為工作流體粘度，mPa·s；Q為流量，cm3/min；Δp為壓差，kPa。

2　單因素影響分析

2.1支撐劑粒徑

受到實驗儀器的限制，將鋪砂濃度定為8kg/ m2?？紤]到地層閉合壓力通常較高，因此，以41 MPa為例，采用20/40，30/50和40/70目支撐劑研究支撐劑粒徑對導(dǎo)流能力的影響。結(jié)果（圖1）表明，支撐劑粒徑越大，其導(dǎo)流能力越強，但不同粒徑時的導(dǎo)流能力隨段塞數(shù)的變化趨勢大致相同。故選用在現(xiàn)場應(yīng)用廣泛的20/40目支撐劑，考察支撐劑段塞數(shù)、纖維濃度、纖維加入方式對裂縫導(dǎo)流能力的影響。

圖1　支撐劑粒徑對支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響Fig.1　Theimpactofproppantdiameteronflowconductivity

2.2支撐劑段塞數(shù)

高速通道壓裂技術(shù)的支撐劑充填層在沿著流體流動方向上呈不連續(xù)狀態(tài)，實際段塞在裂縫內(nèi)呈交錯分布，因此需研究這種不連續(xù)性對導(dǎo)流能力的影響。為忽略鋪砂濃度的影響，實驗時保證各段塞的鋪砂濃度相同。

由不同支撐劑段塞數(shù)下的導(dǎo)流能力與閉合壓力的關(guān)系（圖2）可以看出：不同支撐劑段塞數(shù)下，導(dǎo)流能力隨閉合壓力的增大均呈下降趨勢；當(dāng)閉合壓力小于41MPa時，支撐劑段塞數(shù)越多，導(dǎo)流能力隨著閉合壓力的增大降幅越大；當(dāng)閉合壓力大于41 MPa時，不同支撐劑段塞數(shù)情況下，導(dǎo)流能力隨閉合壓力的變化趨勢大致相同。造成上述差異的原因是：在各個段塞的鋪砂濃度相同的情況下，支撐劑段塞數(shù)越多，意味著導(dǎo)流室內(nèi)的孔隙體積越大，支撐劑的承壓力能力越弱。隨著閉合壓力的增大，當(dāng)支撐劑段塞數(shù)較多時，更易發(fā)生支撐劑破碎、段塞變形等現(xiàn)象，而且支撐劑隨流體流動的現(xiàn)象更加明顯，使得流體流動空間減小，導(dǎo)致不同段塞數(shù)的導(dǎo)流能力變化趨勢不同；當(dāng)閉合壓力增至41MPa時，支撐劑破碎、流動程度最大；而閉合壓力超過41 MPa后，支撐劑對導(dǎo)流能力的影響減弱。

圖2　支撐劑段塞數(shù)對支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響Fig.2　Theimpactofproppantslugonflowconductivity

對于不同支撐劑段塞數(shù)而言，支撐裂縫的導(dǎo)流能力由2部分決定：支撐劑充填層段的導(dǎo)流能力以及支撐劑段塞之間網(wǎng)絡(luò)空間的導(dǎo)流能力，閉合壓力通過改變這2部分的導(dǎo)流能力來影響整個裂縫系統(tǒng)的導(dǎo)流能力。隨著閉合壓力的增加，支撐裂縫的導(dǎo)流能力隨支撐劑段塞數(shù)增多而增大的趨勢減緩。這是因為：隨著實驗的進(jìn)行，支撐劑被壓實并發(fā)生破碎，導(dǎo)致支撐劑充填層段內(nèi)的導(dǎo)流能力降低；而且支撐劑（碎屑）會被流體攜帶流動，使得各個段塞之間的空間體積減小，從而降低了段塞之間網(wǎng)絡(luò)空間的導(dǎo)流能力，所以閉合壓力對導(dǎo)流能力的變化趨勢有影響。另外，從圖2中還可以發(fā)現(xiàn)，隨著支撐劑段塞數(shù)的增多，支撐裂縫導(dǎo)流能力逐漸增大，但是不同支撐劑段塞數(shù)下導(dǎo)流能力的增幅不同；以閉合壓力為7.9MPa為例，當(dāng)支撐劑段塞數(shù)從1依次增至4時，導(dǎo)流能力增幅分別為66.9%，45.0%和20.4%，即支撐劑段塞數(shù)越多，通過增加支撐劑段塞數(shù)得到的支撐裂縫導(dǎo)流能力增幅越小。所以在現(xiàn)場不能簡單地通過增加支撐劑段塞數(shù)來獲得高導(dǎo)流能力的支撐裂縫來實現(xiàn)油氣井增產(chǎn)，必須要考慮施工的有效性、經(jīng)濟性等因素，優(yōu)選支撐劑段塞數(shù)，設(shè)計合理的泵注程序，在滿足經(jīng)濟效益的前提下最大限度地發(fā)揮油氣井的產(chǎn)能。

2.3纖維濃度及其加入方式

為了降低壓裂液對儲層的傷害，獲得更好的增產(chǎn)效果，通常在壓裂之后實施強制裂縫閉合的壓裂液返排，但這會引起支撐劑回流，不但會對導(dǎo)流能力產(chǎn)生較大影響，而且回流的支撐劑對地面設(shè)備也會有一定損害，而在支撐劑中加入纖維可以有效解決這個問題［9-13］。為此，筆者采用3段支撐劑段塞，在纖維濃度分別為0.5%，1.0%和1.5%的條件下進(jìn)行實驗，研究纖維濃度對導(dǎo)流能力的影響。分析圖3可知：加入纖維后，導(dǎo)流能力隨閉合壓力的增加而下降；纖維使導(dǎo)流能力降低，且纖維濃度越大，其對導(dǎo)流能力的影響越大。纖維對導(dǎo)流能力的影響是由以下2個方面綜合作用的結(jié)果：纖維加入可以穩(wěn)固支撐劑，使支撐裂縫的縫寬維持穩(wěn)定，并能增加各個支撐劑顆粒間的孔隙體積，從而使導(dǎo)流能力增加；但由于纖維本身會占據(jù)一定的空間，堵塞流體的流動通道，使導(dǎo)流能力降低，但總體來說纖維降低導(dǎo)流能力的作用強于其對導(dǎo)流能力的增大作用。

圖3　不同閉合壓力下纖維濃度對支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響Fig.3　Effectoffiberconcentrationonflowconductivity underdifferentclosurepressure

為了考察纖維加入方式對導(dǎo)流能力的影響，按以下3種方式加入纖維：方式一，以纖維包裹支撐劑；方式二，將纖維鋪置在段塞之間；方式三，將纖維鋪置在導(dǎo)流室出口處，實驗時用3段支撐劑段塞支撐裂縫，在纖維濃度為1.0%的條件下進(jìn)行纖維加入方式對支撐裂縫導(dǎo)流能力影響的評價實驗。

由不同纖維加入方式下導(dǎo)流能力與閉合壓力的關(guān)系（圖4）可以看出，纖維的加入方式對導(dǎo)流能力有影響，影響程度從大到小依次為：以纖維包裹支撐劑、將纖維鋪置在導(dǎo)流室出口處、將纖維鋪置在段塞之間，這是纖維防止支撐劑回流和本身占據(jù)流動通道體積綜合作用所致。另外，與未加纖維時相比，加入纖維后，導(dǎo)流能力隨閉合壓力的變化趨勢總體上一致，但在閉合壓力為41MPa時偏差較大，此時導(dǎo)流能力明顯偏低，造成該差異的原因是：隨著實驗的進(jìn)行，纖維穩(wěn)固支撐劑的效果減弱，流體流動攜帶支撐劑使得支撐劑逐漸鋪置在整個導(dǎo)流室中，流體流動空間體積減小，而纖維的存在會進(jìn)一步占據(jù)空間，從而使導(dǎo)流能力降低；當(dāng)閉合壓力為41MPa時，纖維的加入對導(dǎo)流能力的影響最大；當(dāng)閉合壓力高于41MPa后，纖維的加入對導(dǎo)流能力的影響減弱。由于纖維的成本較高，施工時采用哪種纖維加入方式須根據(jù)具體情況而定。

圖4　不同纖維加入方式下支撐裂縫導(dǎo)流能力與閉合壓力的關(guān)系Fig.4　Relationbetweenflowconductivityandclosure pressureunderdifferentexistingwaysoffiber

盡管加入纖維會使導(dǎo)流能力降低，考慮到支撐劑回流對地面設(shè)備的損害，導(dǎo)流能力降低所引起的油氣井產(chǎn)能下降的負(fù)面影響可以忽略，加入纖維對于壓裂施工是有益的。在現(xiàn)場應(yīng)用時，考慮到油氣井產(chǎn)能、纖維穩(wěn)砂效果以及經(jīng)濟方面的因素應(yīng)優(yōu)選合適的纖維濃度和加入方式。

3　多因素組合分析

以裂縫導(dǎo)流能力為評價指標(biāo)，綜合考慮支撐劑段塞數(shù)、支撐劑粒徑、纖維濃度、纖維加入方式以及閉合壓力5個因素的影響，進(jìn)行L18（35）5因素3水平正交試驗設(shè)計，正交試驗方案見表1。

表1　正交試驗設(shè)計方案Table1　Orthogonalexperimentalproposal

采用灰色關(guān)聯(lián)分析法［14-15］分析多種因素組合的導(dǎo)流能力，通過分析系統(tǒng)中各個因素間的主要關(guān)系，確定各影響因素的關(guān)聯(lián)度，并對其排序?；疑P(guān)聯(lián)分析法的步驟主要分為3步：①將各參數(shù)進(jìn)行均值化無量綱處理；②求取灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)；③計算關(guān)聯(lián)度，其計算式分別為

式中：Xi（k）為第i個參數(shù)的均值化無量綱值；i為參數(shù)序號；k為數(shù)據(jù)序號；xi（k）為第i個參數(shù)值；xi為x的算術(shù)平均值；m為參數(shù)個數(shù)；N為數(shù)據(jù)個數(shù)；ξi（k）為灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)；和Xs（t）分別為參考序列和比較序列的均值化無量綱值；ρ為分辨系數(shù)，其值一般為0.5；γi為關(guān)聯(lián)度。

將正交試驗各參數(shù)值進(jìn)行均值化無量綱處理（表2），再求取灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，最終計算得到支撐劑段塞數(shù)、支撐劑粒徑、纖維濃度、纖維加入方式和閉合壓力與導(dǎo)流能力的關(guān)聯(lián)度分別為0.6903，0.6477，0.6637，0.6501和0.7611。綜合分析結(jié)果表明，對高速通道壓裂支撐裂縫導(dǎo)流能力影響程度從大到小依次為：閉合壓力、支撐劑段塞數(shù)、纖維濃度、纖維加入方式、支撐劑粒徑。與常規(guī)壓裂不同的是，高速通道壓裂中纖維對導(dǎo)流能力的降低可以通過調(diào)整施工時的支撐劑段塞數(shù)來彌補，這對確定壓裂施工參數(shù)以最大程度地發(fā)揮油井產(chǎn)能、獲得最大的經(jīng)濟效益有重要的指導(dǎo)意義。

表2　正交試驗數(shù)據(jù)均值化無量綱值Table2　Themeandimensionlessvaluesof orthogonalexperimentaldata

4　結(jié)論

實驗結(jié)果表明：支撐劑段塞數(shù)越多，通過增加支撐劑段塞數(shù)得到的導(dǎo)流能力增幅越?。划?dāng)閉合壓力低于41MPa時，支撐劑段塞數(shù)越多，支撐裂縫導(dǎo)流能力隨閉合壓力的增大降幅越大；隨閉合壓力的增加，導(dǎo)流能力隨段塞數(shù)增多而增大的趨勢變緩；支撐劑中纖維越多，導(dǎo)流能力降幅越大；纖維加入方式對導(dǎo)流能力的影響程度從大到小依次是：以纖維包裹支撐劑、將纖維鋪置在導(dǎo)流室出口處、將纖維鋪置在段塞之間。

采用正交試驗以及灰色關(guān)聯(lián)分析法對影響支撐裂縫導(dǎo)流能力的因素進(jìn)行多因素組合分析，發(fā)現(xiàn)對高速通道壓裂支撐裂縫導(dǎo)流能力影響程度從大到小依次為：閉合壓力、支撐劑段塞數(shù)、纖維濃度、纖維加入方式、支撐劑粒徑。

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編輯常迎梅

Experimentalevaluationoninfluencingfactorsofflow conductivityforchannelfracturingproppant

QuZhanqing1，ZhouLiping1，QuGuanzheng1，HuangDesheng1，YangYang2，XuHuaru1

（1.SchoolofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum（EastChina），QingdaoCity，ShandongProvince，266580，China；2.ResearchInstituteofDrillingandProduction，CNOOCResearchInstitute，BeijingCity，100027，China）

Flowconductivityoftheproppantfracturesystemisoneoftheimportantparametersofevaluatingtheeffectof fracturing.Theeffectofthenumbersoftheproppantdiameter，proppantslug，theconcentrationandexistingwaysoffiber wasstudiedinlaboratorythroughtheexperimentofflowconductivity.Theimportanceofparametersontheflowconductivitywasanalyzedbasedonorthogonalexperimentaldesignandgreyrelationalanalysis.Theresultsshowthat：flowconductivityincreaseswiththeproppantdiameter；thelargerthenumberoftheproppantslug，thelesstheincreasingrangeofthe flowconductivity；whentheclosurepressureislessthan41MPa，themoretheproppantslugs，thegreatermagnitudethe flowconductivitychangingwiththeclosurepressure；theflowconductivitywilldecreasewiththeincreasingofthefiberconcentration，andfiberwrapproppanthasthelargestimpactontheproppantconductivity；parametersthataffectflowconductivityarelistedinadescendingorder：closurepressure，thenumberofproppantslug，thefiberconcentration，theexiting wayoffiberinthefracture，thediameteroftheproppant.

channelfracturing；flowconductivity；proppant；slug；fiber；orthogonalexperiment；greyrelationalanalysis

TE357.12

A

1009-9603（2015）01-0122-05

2014-11-03。

曲占慶（1963—），男，山東萊州人，教授，博導(dǎo)，從事采油工程技術(shù)研究工作。聯(lián)系電話：13730981171，E-mail：quzhq@hdpu. edu.cn。

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（2011ZX05051）。