頁巖支撐裂縫長期導(dǎo)流能力測試方法及測試裝置改造

韓慧芬， 彭均亮， 吳 建， 高新平， 王 良

(1中石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院 2頁巖氣評價(jià)與開采四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3中石油西南油氣田分公司蜀南氣礦)

水力壓裂是油氣藏增產(chǎn)改造的主要技術(shù)手段，為油氣田的高效開發(fā)提供了技術(shù)保障。泵入地層中的支撐劑在儲層閉合壓力下形成支撐劑充填層，油氣通過支撐劑充填層的滲流能力即為支撐裂縫導(dǎo)流能力。支撐裂縫導(dǎo)流能力是決定水力壓裂效果的參數(shù)之一，對加砂壓裂改造效果具有重要作用，而長期裂縫導(dǎo)流能力更制約了增產(chǎn)有效期的長短，頁巖加砂壓裂后儲層的導(dǎo)流能力的影響因素以及形成的裂縫導(dǎo)流能力大小備受矚目，因此，從室內(nèi)開展頁巖氣井加砂壓裂支撐裂縫長期導(dǎo)流能力的測試研究非常必要。利用長期導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)選支撐劑和優(yōu)化加砂壓裂設(shè)計(jì)，從而為加砂壓裂改造取得較好的增產(chǎn)效果提供了保障。鑒于頁巖氣儲層的脆性特征，需采用“大排量、大液量、小粒徑、低砂比”的大規(guī)模水力壓裂作業(yè)，形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)頁巖氣的工業(yè)開采。與常規(guī)砂巖儲層的加砂壓裂工藝相比，頁巖氣加砂壓裂從施工工藝、縫網(wǎng)形成機(jī)理、施工參數(shù)等多方面均發(fā)生了很大的變化。目前國內(nèi)對于頁巖支撐導(dǎo)流能力的測試方法大多還是借鑒常規(guī)支撐劑充填層導(dǎo)流能力測試方法，無論測試方法還是測試裝備都有一定的不適應(yīng)性。

一、頁巖儲層體積壓裂復(fù)雜縫網(wǎng)模式對室內(nèi)導(dǎo)流能力測試新要求

常規(guī)砂巖儲層壓裂目的是以抑制天然裂縫擴(kuò)展而形成主縫為主，而頁巖儲層通過“大排量、大液量、大砂量、小粒徑、低砂比” 大規(guī)模水力壓裂作業(yè)，使天然裂縫不斷擴(kuò)張和脆性巖石產(chǎn)生剪切滑移，形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯(cuò)的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，增加儲層改造體積和裂縫復(fù)雜度，達(dá)到提高初始產(chǎn)量和最終采收率的目的。

目前頁巖氣井體積壓裂多采用滑溜水?dāng)y砂進(jìn)行改造，由于滑溜水?dāng)y砂能力有限，支撐劑不能在大規(guī)模裂縫網(wǎng)絡(luò)中均勻分布，主要以砂堤、斷續(xù)的支柱或單層局部分布等形式分布[1]。并隨著縫網(wǎng)復(fù)雜性的增加，支撐劑的平均支撐濃度小于0.5 kg/m2或者支撐面積小于10%[2]。大部分裂縫沒有支撐劑充填，但非支撐裂縫閉合后仍有導(dǎo)流能力，主要機(jī)理是剪切裂縫面的凸起能夠有效的支撐裂縫[3]。頁巖儲層體積壓裂后油氣滲流通道主要為支撐劑充填層裂縫和儲層剪切滑移形成的自支撐裂縫，因此，在室內(nèi)需要對支撐劑充填層裂縫和自支撐裂縫的導(dǎo)流能力進(jìn)行評價(jià)。

二、頁巖儲層體積壓裂復(fù)雜縫網(wǎng)導(dǎo)流能力測試方法

1.頁巖儲層導(dǎo)流能力測試方法

之前頁巖支撐劑充填層長期導(dǎo)流能力無統(tǒng)一測試方法，主要參照常規(guī)儲層支撐劑導(dǎo)流能力測試方法，造成測試結(jié)果不能真實(shí)反映頁巖儲層導(dǎo)流能力。為了改變這一現(xiàn)狀，中石化勘研院、中石油西南油氣田分公司工程院、中石油廊坊分院等聯(lián)合編制了NB/T 14023-2017《頁巖支撐劑充填層長期導(dǎo)流能力測定推薦方法》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了頁巖支撐劑充填層長期導(dǎo)流能力測定具體做法：頁巖支撐劑將頁巖巖板或同層位露頭巖板加工成與測試設(shè)備相匹配、兩端為弧形的巖板(長17.74±0.04 cm、寬3.76±0.05 cm、厚度大于 0.90 cm)，在儲層溫度及儲層閉合壓力下，以2～4 mL/min流量將2%KCl泵入導(dǎo)流室，設(shè)定回壓在 2.07～3.45 MPa 之間，穩(wěn)定條件下持續(xù)測定導(dǎo)流能力50±2 h。該標(biāo)準(zhǔn)將于2017年8月1日正式實(shí)施。

而國內(nèi)對于頁巖自支撐裂縫導(dǎo)流能力測試開展的工作較少，且目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)做法。西南油氣田分公司工程院、西南石油大學(xué)等根據(jù)頁巖特性和體積壓裂形成縫網(wǎng)機(jī)理，并經(jīng)過大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)摸索，在室內(nèi)從頁巖體積壓裂自支撐裂縫的形成方式、錯(cuò)動(dòng)距離、壓力加載、流速控制等都有了自己的經(jīng)驗(yàn)做法：①在頁巖巖板中部沿劈裂方向預(yù)制劃痕，將頁巖巖板沿預(yù)制劃痕劈裂成不規(guī)則的上下兩塊巖板；②將頁巖巖板沿長度方向錯(cuò)動(dòng)1～2 mm，形成剪切滑移自支撐裂縫，巖板端點(diǎn)高度差不大于0.2 mm；③將巖板多余部分切掉確保實(shí)驗(yàn)用頁巖巖板尺寸與支撐導(dǎo)流儀導(dǎo)流室匹配；④在儲層溫度及儲層閉合壓力下，采用氮?dú)庖?00～300 mL/min流速測定頁巖自支撐裂縫導(dǎo)流能力，驅(qū)替系統(tǒng)流量采用氮?dú)馄考傲髁靠刂崎y控制；⑤連續(xù)測定頁巖自支撐裂縫導(dǎo)流能力的時(shí)間為50 h或者更長。

2.頁巖儲層導(dǎo)流能力測定流體介質(zhì)

對于頁巖儲層導(dǎo)流能力測定的流體介質(zhì)，這方面存在一些爭論。一些研究學(xué)者提出了采用氮?dú)膺M(jìn)行頁巖儲層導(dǎo)流能力測試[4]，國內(nèi)很多文獻(xiàn)報(bào)道頁巖儲層導(dǎo)流能力測試仍然采用2%KCl水[5～6]。紀(jì)國法等人在文獻(xiàn)[7]中通過大量調(diào)研文獻(xiàn)得出結(jié)論是關(guān)于頁巖氣體積壓裂支撐裂縫長期導(dǎo)流能力的研究尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識。鑒于頁巖含有大量的黏土礦物，遇水容易吸水膨脹，液測導(dǎo)流能力并不能真實(shí)反映頁巖氣在地層裂縫中的滲流能力。因此，筆者建議室內(nèi)采用氮?dú)饽M儲層閉合壓力下天然氣在頁巖巖板夾持下的氣相流動(dòng)，尤其推薦采用氮?dú)膺M(jìn)行頁巖自支撐裂縫導(dǎo)流能力測定，如果單純評價(jià)支撐劑性能進(jìn)行材料優(yōu)選可以采用2%KCl水進(jìn)行導(dǎo)流能力測試。

3.頁巖支撐導(dǎo)流能力測試閉合壓力加載方式

根據(jù)采用設(shè)計(jì)的壓力試驗(yàn)機(jī)開展了地層應(yīng)力波動(dòng)對頁巖儲層支撐裂縫導(dǎo)流能力影響的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，地層應(yīng)力波動(dòng)對頁巖儲層導(dǎo)流能力的影響較大,循環(huán)加載次數(shù)增加,裂縫寬度降低,支撐劑破碎率開始上升明顯,后來趨于平緩。因此，閉合壓力加載速度的變化對于導(dǎo)流能力測試結(jié)果是有一定影響的，在頁巖儲層長期導(dǎo)流能力室內(nèi)測試中，為了更真實(shí)模擬地下情況，改變常規(guī)儲層支撐劑導(dǎo)流能力測試中閉合壓力臺階式加載方式和加載過程中不考慮裂縫閉合時(shí)間的做法，考慮了實(shí)際儲層閉合壓力及裂縫閉合時(shí)間，有別于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6302-2009《壓裂支撐劑充填層短期導(dǎo)流能力評價(jià)推薦方法》中閉合壓力加載方式。具體做法為：不固定實(shí)驗(yàn)閉合壓力，主要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際閉合壓力及閉合時(shí)間來確定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)壓力和壓力增加速率，加載速率具體計(jì)算公式為：

v=p/t

(1)

式中：V—壓力加載速率，MPa/min；p—實(shí)驗(yàn)壓力，MPa；t—閉合時(shí)間，min。

三、頁巖儲層導(dǎo)流能力測試裝置適應(yīng)性分析

壓力加載、流量及供液系統(tǒng)是導(dǎo)流能力測試的重要組成部分。NB/T 14023-2017《頁巖支撐劑充填層長期導(dǎo)流能力測定推薦方法》和SY/T 6302-2009《壓裂支撐劑充填層短期導(dǎo)流能力評價(jià)推薦方法》相比，對導(dǎo)流能力測試中的閉合壓力加載方式、流量控制及測試時(shí)間進(jìn)行了新的要求，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：①閉合壓力為一恒定值，閉合壓力加載時(shí)間為現(xiàn)場裂縫閉合時(shí)間；②測試流量由10 mL/min降為2～4 mL/min，流量誤差小于5%；③測試時(shí)間由30 min增加為50 h以上。對于頁巖自支撐裂縫導(dǎo)流能力測試，除了和以上閉合壓力要求線性加載以及連續(xù)測試50 h以上外，還要求測試流體介質(zhì)為氮?dú)狻?/p>

國內(nèi)支撐劑導(dǎo)流能力的室內(nèi)測試均采用的是支撐裂縫導(dǎo)流儀，如中石油西南油氣田分公司工程院采用的是海安生產(chǎn)的DLY-2型支撐裂縫導(dǎo)流儀，其測試流程見圖1。頁巖氣支撐劑充填層及自支撐裂縫導(dǎo)流能力測試方法與常規(guī)的支撐劑導(dǎo)流能力測試方法發(fā)生了改變，那么，對采用支撐導(dǎo)流儀開展頁巖氣支撐劑充填層及自支撐裂縫導(dǎo)流能力測試的適應(yīng)性分析就非常必要。

圖1 支撐裂縫導(dǎo)流能力測試示意圖

1.閉合壓力加載系統(tǒng)適應(yīng)性分析

大部分石油高校以及油田研究院所采用國產(chǎn)支撐裂縫導(dǎo)流儀開展頁巖支撐裂縫導(dǎo)流能力測試，其閉合壓力加載系統(tǒng)存在的主要問題是：閉合壓力通過油壓泵進(jìn)行加載，油壓泵為柱塞泵，以脈沖方式供油進(jìn)行閉合壓力加載，全通過人工操作閥門開關(guān)控制，難以精確調(diào)節(jié)流量大小，造成輸出壓力不穩(wěn)，增壓時(shí)間也無法準(zhǔn)確控制，以非線性方式加載閉合壓力(圖2)，不能實(shí)現(xiàn)頁巖支撐劑和自支撐裂縫導(dǎo)流能力測試要求閉合壓力線性加載方式。

圖2 注射泵壓力加載情況示意圖

2.流量控制系統(tǒng)適應(yīng)性分析

支撐導(dǎo)流儀大多都具備液測和氣體測試功能，且采用平流泵替代柱塞泵實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)供液。平流泵與柱塞泵相比，改進(jìn)了供油方式，使用非圓齒輪曲柄連桿結(jié)構(gòu)，減小了脈沖，但仍然存在流量波動(dòng)大，流量誤差超過10%，不能滿足2 mL/min注入流速下誤差不大于5%的要求。

3.供液系統(tǒng)適應(yīng)性分析

國產(chǎn)支撐導(dǎo)流儀多為2～3個(gè)1 L的儲液缸，按照2 mL/min注入流速計(jì)算，只需向備用儲液缸添加1～2次液體即可滿足連續(xù)測試50 h的要求。

四、頁巖儲層導(dǎo)流能力測試裝置改進(jìn)目標(biāo)

鑒于頁巖支撐劑充填層導(dǎo)流能力及自支撐裂縫導(dǎo)流能力測試要求及目前國產(chǎn)支撐導(dǎo)流儀設(shè)備性能現(xiàn)狀，需對支撐導(dǎo)流儀設(shè)備的閉合壓力加載系統(tǒng)和流量控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，改進(jìn)后的設(shè)備能達(dá)到以下目標(biāo)：

1.實(shí)現(xiàn)閉合壓力連續(xù)加載

(1)能進(jìn)行閉合壓力值及閉合時(shí)間的設(shè)定。

(2)在給定的閉合時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)閉合壓力近線性速率的控制。

2.實(shí)現(xiàn)回壓下低流量控制

(1)流量泵可接受計(jì)算機(jī)指令實(shí)現(xiàn)不同流量的自由切換。

(2)使流量泵在高低閉合壓力下，不同流量時(shí)，都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作，達(dá)到API線性流要求。

(3)注入流速能滿足2～4 mL/min，且穩(wěn)定性好，要求固定流速下的流量誤差不大于5%。

五、頁巖支撐導(dǎo)流能力測試裝置優(yōu)化

1.支撐導(dǎo)流儀閉合壓力加載系統(tǒng)改進(jìn)措施

實(shí)現(xiàn)閉合壓力線性加載且閉合時(shí)間可控有兩種措施。第一種方式是采用直接購買國產(chǎn)或者進(jìn)口恒速恒壓泵更換供油泵，確保供液平穩(wěn)、加載壓力時(shí)無脈沖、壓力增加速度可控，但是費(fèi)用較高；第二種方式是在原有機(jī)械人工操作的方式升級為通過軟件來控制，提高自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)閉合壓力近線性加載，能滿足測試需要。第二種方式費(fèi)用低，只需要編制控制軟件、自改設(shè)備管路流程、增加少量設(shè)備部件，改造費(fèi)用只有購買國產(chǎn)恒壓泵的十分之一。具體方式為升級原有泵，通過軟件自動(dòng)化控制。在原有柱塞泵上加裝伺服電機(jī)，在閉合壓力加載系統(tǒng)加裝壓力傳感器，傳感器采集的閉合壓力值傳到軟件控制系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的工作程序，控制柱塞泵的工作。西南油氣田分公司工程院改進(jìn)后的閉合壓力加載系統(tǒng)控制示意圖見圖3，軟件控制程序能根據(jù)供油泵提供壓力的最小值設(shè)置壓力增加臺階，并控制穩(wěn)定時(shí)間實(shí)現(xiàn)閉合壓力近線性加載。

圖3 改進(jìn)后的閉合壓力加載系統(tǒng)控制示意圖

2. 支撐導(dǎo)流儀流量控制系統(tǒng)改進(jìn)措施

頁巖支撐劑充填層的導(dǎo)流能力按式(2)進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中：kwf—支撐劑充填層導(dǎo)流能力，μm2·cm；μ—測試溫度條件下流體黏度，mPa.s；Q—流速，cm3/s；L—壓力端口間長度，cm；w—巖板寬度，cm；Δp—壓力差值(上游壓力減去下游壓力)，kPa。

圖4 頁巖儲層長期導(dǎo)流能力測試中流量變化曲線圖

圖5 頁巖支撐劑充填層長期導(dǎo)流能力測試結(jié)果對比

在低流量測試導(dǎo)流能力的情況下，流量的精度及供液系統(tǒng)的穩(wěn)定性對于測試結(jié)果的影響非常大。通過對比流量泵性能及使用效果，采用了進(jìn)口ISCO泵替換了流量控制系統(tǒng)核心設(shè)備平流泵，ISCO泵采用無脈沖設(shè)計(jì)，具有恒速恒壓功能，在供液平穩(wěn)方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，以流量2 mL/min進(jìn)行測量，流量波動(dòng)范圍在1.93～2.05 mL/min范圍內(nèi)，流量誤差只有3.5%，見圖4，滿足頁巖長期導(dǎo)流能力測試要求。中石油西南油氣田分公司工程院采用改進(jìn)后國產(chǎn)DLY-2型支撐裂縫導(dǎo)流儀與中石化勘研院采用進(jìn)口酸蝕裂縫導(dǎo)流儀在相同條件下進(jìn)行頁巖導(dǎo)流能力測試結(jié)果對比，見圖5，初期由于人為因素差異造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有稍微差別，但導(dǎo)流能力降落趨勢及最終的長期導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分吻合，測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。

六、結(jié)論

(1)本文提出了頁巖室內(nèi)儲層復(fù)雜縫網(wǎng)的形成方式、錯(cuò)動(dòng)距離、壓力加載、流速控制方法，為頁巖氣井體積壓裂自支撐裂縫導(dǎo)流能力測試和評價(jià)提供了依據(jù)。

(2)頁巖儲層長期導(dǎo)流能力測試包括支撐劑充填層裂縫導(dǎo)流能力和儲層剪切滑移形成的自支撐裂縫導(dǎo)流能力。大部分國產(chǎn)支撐導(dǎo)流儀不能滿足頁巖儲層長期導(dǎo)流能力測試要求，需要對其閉合壓力加載系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

(3)改進(jìn)后的支撐導(dǎo)流儀具備以下功能：①閉合壓力能線性加載且加載時(shí)間可控；②測試液體流量滿足2 ～4 mL/min，流量誤差小于5%；③連續(xù)供液保證導(dǎo)流能力測試達(dá)到50 h以上。本文提出的支撐導(dǎo)流儀改進(jìn)方法經(jīng)濟(jì)適用，測試數(shù)據(jù)可靠，能夠用于頁巖儲層長期導(dǎo)流能力的測試。

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