裂縫對致密儲層滲流能力影響實驗研究

呂金龍，盧祥國，王 威，謝 坤，胡 勇

(1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318；2.提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

0 引 言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，清潔能源需求量日益增加，天然氣在國民經(jīng)濟(jì)和日常生活中的作用受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注[1-3]。與日益增長的天然氣需求量相比較，國內(nèi)常規(guī)天然氣儲量和產(chǎn)量略顯不足，天然氣供求關(guān)系表現(xiàn)出嚴(yán)重不平衡。為此，非常規(guī)(致密氣藏和頁巖氣藏)氣藏勘探開發(fā)開始受到重視[4-6]。目前，中國低滲致密砂巖氣藏開發(fā)處于規(guī)模開發(fā)早期階段，由于技術(shù)等原因低滲致密砂巖氣藏動用程度和采出程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)砂巖氣藏。與常規(guī)氣藏相比較，低滲透砂巖氣藏具有儲層滲透率低、非均質(zhì)性嚴(yán)重和儲量豐度低等特點，自然產(chǎn)能很低，需要借助增產(chǎn)措施才能達(dá)到工業(yè)開發(fā)效益標(biāo)準(zhǔn)[7-9]。目前壓裂已成為實現(xiàn)低滲透氣藏提高采收率的一種有效技術(shù)手段，但實際實施過程中對于存在邊底水的氣藏，壓裂施工面臨較嚴(yán)重的水侵問題，一旦發(fā)生水侵，將導(dǎo)致儲量損失和產(chǎn)氣量減少[10-12]，因此，壓裂施工裂縫參數(shù)選擇對于提高氣藏開發(fā)效果意義十分重大。裂縫對基質(zhì)切割作用能改善滲透率及儲層滲流能力，但裂縫參數(shù)是如何影響儲層滲流能力還缺乏系統(tǒng)研究，相關(guān)量化研究成果尚未見報道。針對低滲透氣藏開發(fā)技術(shù)需求，開展了裂縫對儲層滲流能力改善作用機(jī)理及其影響因素研究，對壓裂施工參數(shù)設(shè)計具有重要參考價值。

1 實驗條件

1.1 人造巖心

1.1.1 巖心物性參數(shù)設(shè)計

實驗用基質(zhì)巖心均為長條狀，氣測滲透率(Km)為0.1、0.5 mD，巖心裂縫開度均為50 μm，配產(chǎn)量為1 000 mL/min，采用石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)壓制而成[13-14]，規(guī)格為30.0 cm×4.5 cm×4.5 cm。

1.1.2 巖心制作方法

在巖心多次填裝模型加壓過程中，根據(jù)裂縫設(shè)計寬度、開度、貫穿程度和位置，將設(shè)計的淀粉材質(zhì)隔層平鋪在已壓好的巖心上，最后再加壓成型并升溫固化。將制好的巖心抽真空飽和含降解酶水，之后將巖心浸泡于裝有含降解酶水溶液的容器中，并放置于70 ℃烘箱中48 h，淀粉材質(zhì)隔層被分解為多糖小分子，進(jìn)入水溶液，產(chǎn)生設(shè)計規(guī)格裂縫。

1.1.3 儀器設(shè)備

實驗采用高精度壓力傳感器記錄壓力變化，D08-8C/ZM型氣體流量計計量氣體流量，數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)記錄相關(guān)實驗數(shù)據(jù)。儀器設(shè)備主要包括氣體計量系統(tǒng)、氣水分離器、巖心夾持器、中間容器、緩沖氣瓶、高壓氣瓶以及高壓自動環(huán)壓泵等。

1.1.4 實驗步驟

實驗步驟主要包括：①計算理論滲透率，并采用滲透率測試裝置測試巖心實測滲透率；②將巖心放入巖心夾持器中，加環(huán)壓至25 MPa；③關(guān)閉巖心夾持器出口端，向巖心夾持器中裂縫人造巖心充注氣體至20 MPa，待進(jìn)、出口端壓力平衡后，關(guān)閉進(jìn)口端；④設(shè)置流量計配產(chǎn)氣量值，打開出口端閥門，開始衰竭開采實驗，同時記錄實驗過程中壓力、產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣時間等實驗數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果分析

2.1 裂縫參數(shù)對巖心滲透率的影響

2.1.1 裂縫寬度的影響

在裂縫數(shù)量為1和全貫穿條件下，裂縫寬度對裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖石理論和實測滲透率值影響結(jié)果見表1，裂縫寬度與巖心滲透率增加倍數(shù)關(guān)系見圖1。文中滲透率增加倍數(shù)為不同Km下理論滲透率或?qū)崪y滲透率與Km的比值。

表1 裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖石理論滲透率和實測滲透率

由表1、圖1可知：裂縫寬度對裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖石滲透率存在影響；隨裂縫寬度增加，巖心滲透率幾乎成正比例增大；氣測巖心滲透率的變化對裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖石滲透率增加影響較小；在裂縫寬度相同條件下，隨氣測滲透率增加，滲透率增加倍數(shù)減??；在巖心氣測滲透率相同條件下，裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖石滲透率增加倍數(shù)與裂縫寬度成正比。分析認(rèn)為，理論計算滲透率值與實測滲透率值存在差異是因為實際裂縫壁面粗糙，增加了氣體流動阻力，從而導(dǎo)致實測滲透率值較小。

圖1 裂縫寬度與巖心滲透率增加倍數(shù)關(guān)系

2.1.2 裂縫貫穿程度的影響

在裂縫數(shù)量為1和裂縫寬度為2.5 cm時，裂縫貫穿程度與巖心滲透率增加倍數(shù)關(guān)系見圖2。由圖2可知：裂縫貫穿程度對裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖石滲透率影響較??；在貫穿程度相同條件下，隨基質(zhì)滲透率增加，裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖石滲透率增加倍數(shù)基本保持不變；在巖心氣測滲透率相同和貫穿程度小于100%時，隨裂縫貫穿程度增加，裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖石滲透率增加倍數(shù)較小，表明裂縫貫穿程度對巖心滲透率改善作用較小。

圖2 裂縫貫穿程度與巖心滲透率增加倍數(shù)

2.1.3 裂縫數(shù)量的影響

在裂縫寬度為2.5 cm和全貫穿條件下，裂縫數(shù)量與巖心滲透率增加倍數(shù)關(guān)系見圖3。由圖3可知：裂縫數(shù)量對裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖石滲透率存在影響；在裂縫數(shù)量相同條件下，隨氣測滲透率增大，滲透率增加倍數(shù)減小，但不同氣測滲透率巖心實測滲透率相差不大，說明裂縫數(shù)量改善滲透率效果明顯，氣測滲透率對裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖石滲透率影響相對較小；在巖心氣測滲透率相同條件下，隨裂縫數(shù)量增加，裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖石滲透率增加倍數(shù)增大，但其增大幅度隨裂縫數(shù)量增加而減小。分析認(rèn)為，理論計算滲透率值與實測滲透率值存在差異，一方面是因為實際裂縫壁面粗糙，增加了氣體流動阻力；另一方面是因為氣體在裂縫與裂縫之間發(fā)生竄流，進(jìn)而導(dǎo)致實測滲透率值較小。

圖3 裂縫數(shù)量與巖心滲透率增加倍數(shù)

2.1.4 裂縫分布位置的影響

在裂縫數(shù)量為1、寬度為2.5 cm、貫穿程度為25%時，裂縫分布位置與巖心滲透率增加倍數(shù)關(guān)系見圖4。由圖4可知，裂縫分布位置對裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖石滲透率基本不存在影響；在裂縫距采出端距離相同條件下，隨氣測滲透率增加，裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖石滲透率增加倍數(shù)基本保持不變；在巖心氣測滲透率相同條件下，隨裂縫距采出端距離增加，裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖石滲透率增加倍數(shù)也基本保持不變，表明裂縫分布位置對裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖石滲透率影響較小。

圖4 裂縫分布位置與巖心滲透率增加倍數(shù)關(guān)系

2.2 裂縫對儲層產(chǎn)氣能力影響

2.2.1 基質(zhì)巖心產(chǎn)氣能力

在不同滲透率條件下，基質(zhì)巖心產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣時間和平均產(chǎn)氣速度實驗數(shù)據(jù)見表2。衰竭開采過程中注入壓力、瞬時產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)氣量動態(tài)特征曲線見圖5。

表2 基質(zhì)巖心產(chǎn)氣能力測試結(jié)果

圖5 注入壓力、瞬時產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)氣量與時間關(guān)系

由表2、圖5可知，Km對巖心產(chǎn)氣能力存在影響。隨基質(zhì)巖心滲透率增加，巖心孔喉增大，氣體在多孔介質(zhì)中滲流阻力降低，相應(yīng)的產(chǎn)氣時間和穩(wěn)產(chǎn)時間減少，但高滲氣藏進(jìn)口壓力下降幅度較大，氣藏產(chǎn)量遞減期滯后，瞬時產(chǎn)量較高，最終產(chǎn)氣量與平均產(chǎn)氣速度增大。分析認(rèn)為，與高滲透巖心相比，氣體在低滲透巖心中流動時需要的流動壓差更大，因此，實驗結(jié)束時，低滲透巖心遠(yuǎn)離采出端仍具有一定壓力，且該壓力隨巖心滲透率增加而降低，這是低滲透率較高滲透率氣藏產(chǎn)氣量低的主要原因。

2.2.2 裂縫寬度的影響

在裂縫數(shù)量為1和全貫穿條件下，縫寬對裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖心產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣時間和平均產(chǎn)氣速度影響情況見表3。

由表3可知，裂縫寬度對巖心產(chǎn)氣能力存在影響。當(dāng)巖心滲透率較低時，巖心原始孔喉較小，氣體在多孔介質(zhì)中的滲流阻力較大，隨裂縫寬度增加，井身與裂隙的接觸面積增大，氣體排泄面積隨之增加，儲層壓差梯度增大，氣體通過巖心的能力增加，導(dǎo)致更多的氣體流進(jìn)井口內(nèi)，從而使巖心產(chǎn)氣時間增加，產(chǎn)氣量和平均產(chǎn)氣速度增大。

2.2.3 裂縫貫穿程度的影響

在裂縫數(shù)量為1和裂縫寬度為2.5 cm時，裂縫貫穿程度對裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖心產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣時間和平均產(chǎn)氣速度影響情況見表4。

表3 不同縫寬下裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖心產(chǎn)氣能力測試結(jié)果

表4 不同貫穿程度下裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖心產(chǎn)氣能力測試結(jié)果

由表4可知，裂縫貫穿程度對巖心產(chǎn)氣能力存在影響。巖心氣測滲透率相同時，隨裂縫貫穿程度增加，裂縫貫穿程度對巖心滲透率改善作用減小，滲流阻力變化不大，但增大了裂縫上下壁面基質(zhì)巖石中的氣體與裂隙的接觸面積，增加了氣體排泄的面積，儲層壓差梯度增大，氣體通過巖心的能力增加。由于裂縫貫穿程度增加到一定程度，流線會發(fā)生變化，滲流阻力會增大，因此，平均產(chǎn)氣速度呈先增后減的趨勢。在現(xiàn)場實際中，隨儲層滲透率增大，可適當(dāng)縮減裂縫長度，從而減少施工成本和難度。

2.2.4 裂縫數(shù)量的影響

在裂縫寬度為2.5 cm和全貫穿條件下，裂縫數(shù)量對裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖心產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣時間和平均產(chǎn)氣速度影響情況見表5。

表5 不同裂縫數(shù)量下裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖心產(chǎn)氣能力測試結(jié)果

由表5可知，裂縫數(shù)量對巖心產(chǎn)氣能力存在影響。隨裂縫數(shù)量增加，增大了裂縫上下壁面基質(zhì)巖石中氣體與裂隙接觸面積，增加了氣體排泄面積，儲層壓差梯度增大，巖心允許氣體通過能力增加，導(dǎo)致更多氣體流進(jìn)井口內(nèi)，從而使巖心產(chǎn)氣時間和產(chǎn)氣量增加。當(dāng)裂縫貫穿程度與間距一定時，裂縫數(shù)量越多，泄氣面積越大，縫間干擾越嚴(yán)重，在2條裂縫間會形成一個低壓區(qū)，中間地帶氣體受到2個反向驅(qū)動力，因此，在該區(qū)域內(nèi)形成一個“不動區(qū)”，兩者效果相互抵消，產(chǎn)氣量增產(chǎn)幅度和平均產(chǎn)氣速度隨著裂縫數(shù)量增加而減小。

2.2.5 裂縫分布位置的影響

在裂縫數(shù)量為1、裂縫寬度為2.5 cm、貫穿程度為25%時，裂縫位置對裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖心產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣時間和平均產(chǎn)氣速度影響結(jié)果見表6。由表6可知，裂縫分布位置對巖心產(chǎn)氣能力基本不存在影響。與相同滲透率基質(zhì)巖心相比，裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖心產(chǎn)氣能力沒有得到較大的改善效果。在巖心氣測滲透率相同條件下，隨裂縫距采出端距離增加，裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖心產(chǎn)氣能力基本保持不變?？梢?，在裂縫上下壁面基質(zhì)巖石中氣體與裂隙的接觸面積相同，即氣體排泄面積相同的情況下，儲層壓差梯度相差不大，氣體通過裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖心的能力大致相同，產(chǎn)氣能力也趨于相同。

表6 不同裂縫位置下裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖心產(chǎn)氣能力測試結(jié)果

2.2.6 裂縫與底水相對位置的影響

在Km為0.5 mD、裂縫數(shù)量為1、裂縫寬度2.5 cm時，裂縫與底水距離對裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖心產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣時間和平均產(chǎn)氣速度影響實驗數(shù)據(jù)見表7。

表7 不同裂縫與底水距離下裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖心產(chǎn)氣能力測試結(jié)果

由表7可知，裂縫與底水相對位置對巖心產(chǎn)氣能力存在影響。在巖心氣測滲透率和裂縫貫穿程度相同條件下，裂縫遠(yuǎn)離底水時，巖心產(chǎn)氣能力受底水水侵影響較裂縫靠近底水時弱，巖心產(chǎn)氣量和平均產(chǎn)氣速度相對較大，產(chǎn)氣時間相對較長。隨裂縫貫穿程度增加，產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣時間和平均產(chǎn)氣速度減少。與表4對比可知，裂縫性氣藏有無底水對氣體產(chǎn)能影響很大，在貫穿程度為50%時，裂縫遠(yuǎn)離底水產(chǎn)氣量(2.87 L)與無底水產(chǎn)氣量(4.09 L)相比下降了29.8%，裂縫靠近底水產(chǎn)氣量(2.51 L)與無底水產(chǎn)氣量(4.09 L)相比下降了38.6%。在裂縫遠(yuǎn)離底水情況下，當(dāng)貫穿程度大于50%后，產(chǎn)氣量開始低于基質(zhì)巖心產(chǎn)氣量，在裂縫靠近底水情況下，當(dāng)貫穿程度大于20%后，產(chǎn)氣量會低于基質(zhì)巖心產(chǎn)氣量。分析認(rèn)為，在裂縫性氣藏開發(fā)過程中，裂縫是流體主要滲流通道，裂縫貫通水體越長或裂縫越靠近水體時，隨著氣藏能量的逐步下降，由于氣、水在裂縫中運移時受到的阻力遠(yuǎn)低于在基質(zhì)中運移時受到的阻力，水體會沿裂縫快速突進(jìn)。在水體突進(jìn)過程中，水與基質(zhì)接觸，在潤濕性和毛管壓力作用下，基質(zhì)滲吸水，沿裂縫兩側(cè)的儲層基質(zhì)含水飽和度增加，封堵部分氣相滲流通道，同時底水侵入儲層后，儲層內(nèi)氣體的滲流方式也會發(fā)生改變，由單相氣流轉(zhuǎn)變?yōu)闅馑畠上嗔?，增加了儲層基質(zhì)氣相滲流阻力，嚴(yán)重阻礙氣體流動，最終導(dǎo)致儲層基質(zhì)氣相滲流能力大幅度下降[15]，產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣時間和平均產(chǎn)氣速度減少，氣藏采收率降低。

3 結(jié) 論

(1) 裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖心滲透率理論計算值與實測值存在差異，原因在于實際裂縫壁面粗糙增加了氣體流動阻力，進(jìn)而造成實測滲透率值較小。

(2) 在裂縫全貫穿條件下，裂縫寬度和數(shù)量對巖心滲透率影響較大。在裂縫未貫穿條件下，裂縫貫穿程度和裂縫分布位置對巖心滲透率影響較小，裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖心滲透率受基質(zhì)滲透率影響程度較大。

(3) 隨裂縫寬度、貫穿程度和數(shù)量增加，裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖心產(chǎn)氣能力增大。在裂縫未貫穿條件下，裂縫分布位置對巖心產(chǎn)氣能力影響較小。

(4) 在巖心基質(zhì)滲透率和裂縫貫穿程度相同條件下，裂縫與底水距離越大，裂縫-孔隙雙重介質(zhì)巖心產(chǎn)氣能力受底水水侵影響程度越小，產(chǎn)氣量越大，產(chǎn)氣時間越長。