地層應(yīng)力波動(dòng)對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響

畢文韜沈雅婷盧擁軍蒙傳幼曲占慶崔 靜

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007）

地層應(yīng)力波動(dòng)對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響

畢文韜1，2沈雅婷2盧擁軍2蒙傳幼2曲占慶1崔 靜1

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007）

引用格式：畢文韜，沈雅婷，盧擁軍，等.地層應(yīng)力波動(dòng)對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響［J］.石油鉆采工藝，2015，37（6）：78-81.

支撐裂縫導(dǎo)流能力的高低在一定程度上影響著壓裂效果的好壞，施工設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮影響其導(dǎo)流能力的各種因素。為了深入解釋地層應(yīng)力波動(dòng)對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響機(jī)理，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)以不同巖性的巖心板為研究對(duì)象，利用加載循環(huán)應(yīng)力的方式模擬開(kāi)、關(guān)井過(guò)程，開(kāi)展了不同巖性儲(chǔ)層的相關(guān)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，開(kāi)、關(guān)井過(guò)程引起的地層應(yīng)力波動(dòng)對(duì)礫巖、砂巖儲(chǔ)層的導(dǎo)流能力影響較小；對(duì)煤巖儲(chǔ)層的導(dǎo)流能力影響較大，現(xiàn)場(chǎng)施工中應(yīng)盡量減少開(kāi)、關(guān)井次數(shù)。

地層應(yīng)力波動(dòng)；循環(huán)加載；支撐裂縫；導(dǎo)流能力；煤巖儲(chǔ)層

水力壓裂技術(shù)在各類油氣藏開(kāi)采中發(fā)揮著重要作用，可以使油氣層與井筒之間建立一條供油氣流動(dòng)的高導(dǎo)流通道，即在壓裂施工中泵入地層大量支撐劑，使裂縫在儲(chǔ)層閉合應(yīng)力的作用下仍能保持張開(kāi)狀態(tài)以提供較高的導(dǎo)流能力［1］。以往研究中，對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的分析主要集中在支撐劑種類、粒徑、嵌入、鋪置濃度以及閉合壓力等影響因素［2-6］，忽略了開(kāi)、關(guān)井過(guò)程以及地殼運(yùn)動(dòng)引起的地層應(yīng)力波動(dòng)對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響。這里在地層應(yīng)力波動(dòng)影響裂縫導(dǎo)流能力方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。

1　實(shí)驗(yàn)研究

1.1巖石性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)所用礫巖的平均彈性模量為40 000 MPa，泊松比為0.16，砂巖平均彈性模量為23 000 MPa，泊松比為0.17，煤巖平均彈性模量為1 500～4000 MPa，泊松比為0.3。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理

實(shí)驗(yàn)使用巖心板代替鋼板，巖心板長(zhǎng)17.7 cm，寬3.81 cm，厚1 cm，兩端呈半圓形。實(shí)驗(yàn)儀器為自主設(shè)計(jì)研發(fā)的ZCJ-300長(zhǎng)期導(dǎo)流能力測(cè)試系統(tǒng)，壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)采用雙向油缸設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)閉合壓力的增減可控；該系統(tǒng)具有可控循環(huán)加載功能，更真實(shí)地反映了在地殼運(yùn)動(dòng)和生產(chǎn)壓力變化下，支撐裂縫導(dǎo)流能力的具體變化情況。實(shí)驗(yàn)原理是根據(jù)達(dá)西定律來(lái)計(jì)算支撐劑充填層在層流（達(dá)西流）條件下的滲透率模型［7］。

1.3實(shí)驗(yàn)條件

（1）測(cè)試樣品：中密度陶粒425～850 μm（40/20目），視密度3.27 g/cm3，體積密度1.90 g/cm3；天然石英砂425～850 μm（40/20目），視密度2.64 g/cm3，體積密度1.61 g/cm3。

（2）實(shí)驗(yàn)液體：質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的KCl溶液，流量6 mL/min。

（3）實(shí)驗(yàn)溫度：礫巖、砂巖為80 ℃；煤巖為常溫（模擬地層溫度）。

（4）裂縫寬度：礫巖巖心板5 mm（鋪置濃度10 kg/m2）；砂巖巖心板1.66 mm（鋪置濃度3 kg/m2）；煤巖巖心板5 mm（鋪置濃度10 kg/m2）。

2　實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)所用的加載速率為特定儲(chǔ)層壓裂施工后的強(qiáng)制閉合速率，針對(duì)開(kāi)、關(guān)井引起的地層應(yīng)力波動(dòng)對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力影響進(jìn)行研究。選擇具有不同巖石特性的3種巖心，礫巖、砂巖使用陶粒支撐劑，煤巖使用天然石英砂支撐劑。每種巖心進(jìn)行2組長(zhǎng)期導(dǎo)流測(cè)試，實(shí)驗(yàn)1為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中逐漸加壓，當(dāng)所加壓力達(dá)到該類巖石儲(chǔ)層的地層閉合應(yīng)力時(shí)穩(wěn)載，在加載過(guò)程中測(cè)量各個(gè)壓力點(diǎn)的導(dǎo)流能力；實(shí)驗(yàn)2前期與實(shí)驗(yàn)1相同，當(dāng)壓力加載到地層閉合應(yīng)力時(shí)，穩(wěn)載72 h后逐漸減小、增大壓力，模擬開(kāi)、關(guān)井過(guò)程中地層應(yīng)力的變化，各個(gè)壓力點(diǎn)穩(wěn)定一段時(shí)間后測(cè)其導(dǎo)流能力。最后將2組實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析得出地層應(yīng)力波動(dòng)因素對(duì)導(dǎo)流能力的影響結(jié)果。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1地層應(yīng)力波動(dòng)對(duì)礫巖導(dǎo)流能力的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。圖1中隨著閉合壓力增大，裂縫導(dǎo)流能力迅速下降，主要是因?yàn)殡S著閉合壓力的增大，巖板之間的支撐劑逐漸被壓實(shí)，孔隙度降低導(dǎo)致滲透率下降，而且隨著閉合壓力的增大，支撐劑嵌入巖石，致使裂縫寬度減小，導(dǎo)流能力降低。同時(shí)隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行支撐劑會(huì)產(chǎn)生破碎，且?guī)r板表面由于刻蝕產(chǎn)生碎屑，這些破碎的支撐劑以及碎屑運(yùn)移填充至支撐劑孔隙間，降低了滲透率，最終導(dǎo)致導(dǎo)流能力降低。70 MPa穩(wěn)載55 h后導(dǎo)流能力趨于穩(wěn)定。

圖2中70 MPa穩(wěn)定72 h后開(kāi)始循環(huán)加載，循環(huán)加載后期與之前穩(wěn)載階段相比，導(dǎo)流能力變化不大。原因有兩方面：礫巖彈性模量高，裂縫寬度實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果表明循環(huán)加載過(guò)程中裂縫寬度沒(méi)有變化，說(shuō)明循環(huán)加載對(duì)該類地層支撐劑的嵌入沒(méi)有影響；礫巖巖性特性決定了循環(huán)加載過(guò)程不會(huì)加劇巖板表面碎屑的產(chǎn)生。因此，循環(huán)應(yīng)力加載對(duì)礫巖導(dǎo)流能力基本沒(méi)有影響。

圖1　礫巖裂縫導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力的變化

圖2　礫巖裂縫導(dǎo)流能力隨地層應(yīng)力波動(dòng)的變化

3.2地層應(yīng)力波動(dòng)對(duì)砂巖導(dǎo)流能力的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3　砂巖裂縫導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力的變化

圖3中砂巖與礫巖的情況基本相同，隨著閉合壓力的增大導(dǎo)流能力快速降低，當(dāng)壓力加載至30 MPa并保持穩(wěn)定時(shí)，導(dǎo)流能力下降趨緩，后期基本保持不變［8］。由圖4數(shù)據(jù)可以看出，循環(huán)加載后期與穩(wěn)載階段相比，其導(dǎo)流能力下降了6%左右，裂縫寬度降低了0.05 mm，影響了支撐劑充填層的滲透率，最終導(dǎo)致了導(dǎo)流能力的降低。循環(huán)加載對(duì)砂巖導(dǎo)流能力的影響與不循環(huán)加載相比略有下降。

圖4　砂巖裂縫導(dǎo)流能力隨地層應(yīng)力波動(dòng)的變化

3.3地層應(yīng)力波動(dòng)對(duì)煤巖導(dǎo)流能力的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5　煤巖裂縫導(dǎo)流能力隨閉合壓力的變化

圖6　煤巖裂縫導(dǎo)流能力隨地層應(yīng)力波動(dòng)的變化

圖5和圖6的導(dǎo)流能力變化在前期趨勢(shì)相同，隨著壓力的增大而快速降低。圖6中，循環(huán)加載后與之前穩(wěn)載過(guò)程相比，導(dǎo)流能力明顯降低，降低值約33%，由此可判斷開(kāi)、關(guān)井過(guò)程對(duì)煤巖裂縫導(dǎo)流能力的影響較大。分析原因有：該煤巖樣品彈性模量較低，在1 500～4 000 MPa之間，泊松比為0.3，支撐劑嵌入較為嚴(yán)重，使裂縫寬度減小，循環(huán)應(yīng)力加載后與穩(wěn)載過(guò)程相比，縫寬降低約0.13 mm，導(dǎo)流能力有所降低；循環(huán)加載對(duì)天然石英砂的抗破碎能力影響較大，隨著應(yīng)力循環(huán)加載次數(shù)的增加，破碎率上升明顯，且破碎率開(kāi)始上升較快，隨著循環(huán)次數(shù)的增加上升緩慢［9］。石英砂在20 MPa應(yīng)力循環(huán)加載中破碎率增加，破碎的支撐劑阻塞孔隙之間的流體通道，使得滲透率降低，導(dǎo)流能力下降；循環(huán)應(yīng)力加載作用在支撐劑充填層上，產(chǎn)生交變應(yīng)力，煤巖巖板和支撐劑在交變應(yīng)力的作用下加劇了煤粉的產(chǎn)生，當(dāng)閉合壓力處于10～30 MPa，2%的煤粉可以使導(dǎo)流能力下降13.1%～34.9%［10］，煤粉具有疏水性，極易聚集起來(lái)阻塞吼道孔隙，隨著煤粉微粒的不斷運(yùn)移，使得支撐裂縫堵塞更為嚴(yán)重，滲透率降低，導(dǎo)流能力下降。

4　結(jié)論

（1）利用壓力試驗(yàn)機(jī)實(shí)施循環(huán)應(yīng)力加載模擬開(kāi)、關(guān)井，開(kāi)展了研究地層應(yīng)力波動(dòng)對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力影響的實(shí)驗(yàn)，對(duì)壓裂方案設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工具有指導(dǎo)意義。

（2）地層應(yīng)力波動(dòng)對(duì)礫巖類硬性地層的支撐裂縫導(dǎo)流能力基本沒(méi)有影響，對(duì)砂巖有較小影響。

（3）地層應(yīng)力波動(dòng)對(duì)煤巖這種松軟地層的影響較大，與穩(wěn)載狀態(tài)相比導(dǎo)流能力下降了約33%，煤巖儲(chǔ)層現(xiàn)場(chǎng)施工中應(yīng)盡量減少開(kāi)、關(guān)井次數(shù)。

［1］朱怡暉，賈長(zhǎng)貴，蔣廷學(xué).多因素影響下的頁(yè)巖支撐裂縫導(dǎo)流能力計(jì)算［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2014，36（8）：129-132，145.

［2］黃禹忠，何紅梅，孫光權(quán).壓裂支撐劑導(dǎo)流能力影響因素新研究［J］.天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2012，6（5）：59-61.

［3］PARKER M A，MCDANIEL B W. Fracturing treatment design improved by conductivity measurements under in situ conditions ［R］. SPE 16901，1987.

［4］盧聰，郭建春，王文耀，等.支撐劑嵌入及對(duì)裂縫導(dǎo)流能力損害的實(shí)驗(yàn)［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（2）：99-101.

［5］劉巖，張遂安，石惠寧，等.支撐劑嵌入不同堅(jiān)固性煤巖導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油鉆采工藝，2013，35（2）：75-78.

［6］沈?qū)毭?，馮彬，李治平，等.高閉合壓力裂縫導(dǎo)流能力變化規(guī)律理論推導(dǎo)［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，34（6）：83-86.

［7］SY/T 6302-2009，壓裂支撐劑充填層短期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)推薦方法［S］.

［8］蔣建方，張智勇，胥云，等.液測(cè)和氣測(cè)支撐裂縫導(dǎo)流能力室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油鉆采工藝，2008，30（1）：67-70.

［9］宋時(shí)權(quán).循環(huán)應(yīng)力加載條件下支撐劑破碎率實(shí)驗(yàn)研究［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，14（1）：85-86.

［10］鄒雨時(shí)，馬新仿，王雷，等.中、高煤階煤巖壓裂裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（3）：473-476.

（修改稿收到日期 2015-10-10）

〔編輯 李春燕〕

Effect of reservoir stress fuctuation on conductivity of propped fractures

BI Wentao1，2，SHEN Yating2，LU Yongjun2，MENG Chuanyou2，QU Zhanqing1，CUI Jing1
（1.Petroleum Engineering College，China Uniνersity of Petroleum（East China），Qiangdao 266580，China；2. Langfang Branch，Research Institute of Petroleum Exploration and Deνelopment，CNPC，Langfang 065007，China）

The conductivity of propped fractures affect the effectiveness of fracturing，so frac design should particularly take into consideration the various factors which affect its conductivity. In order to profoundly interpret the mechanism of the effect of reservoir stress fluctuation on fracture conductivity，laboratory experiments were conducted on researches on reservoirs of different lithologies using core plates of different lithologies as object of study and using the cyclic stress loading to simulate the process of well opening and closing. The experiment result shows that the reservoir stress fluctuation caused by well opening and closing has a very little influence on the conductivity of conglomerate and sandstone reservoirs，and has a relatively large influence on the conductivity of coal rock reservoirs. The wells opening and closing should be kept to minimum.

reservoir stress fluctuation； cyclic loading； propped fracture； conductivity； coal rock reservoir

TE357

A

1000-7393（ 2015 ） 06-0078-03 doi:10.13639/j.odpt.2015.06.019

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”（編號(hào)：2011ZX05018-004）

畢文韜，1991年生。中國(guó)石油大學(xué)（華東）在讀碩士研究生，現(xiàn)主要從事油氣藏儲(chǔ)層改造的研究工作。E-mail：648815724@qq.com。