吉木薩爾頁巖油藏人工裂縫滲透率變化規(guī)律

費繁旭， 高 陽， 李映艷， 覃建華， 何吉祥， 張玉龍， 劉向君

(1.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院， 克拉瑪依 834000； 2.油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國家重點實驗室， 成都 610500)

隨著中國經(jīng)濟的不斷增長，常規(guī)的油氣資源已經(jīng)難以滿足中國經(jīng)濟快速發(fā)展的需求，加大非常規(guī)油氣資源的開采成為解決中國能源需求有效的手段之一[1-3]。頁巖儲層滲透率極低(小于0.01 mD)，絕大多數(shù)為納米級孔隙，采用水平井多級分段壓裂后，實現(xiàn)了該類油藏的有效開發(fā)[4-7]。壓裂改造后形成了大量的縫網(wǎng)，這些縫網(wǎng)是頁巖儲層中油氣滲流的主要通道，滲流能力的大小對油氣產(chǎn)量具有重要影響[8-11]。

但是開發(fā)過程中由于儲層流體的采出，地層壓力逐漸下降，在上覆巖層壓力的作用下裂縫閉合壓力逐漸增大，使得人工裂縫滲透率逐漸降低至失效[12-15]。針對人工裂縫敏感性中外已有相關(guān)領(lǐng)域的研究，主要包括支撐劑濃度、支撐劑目數(shù)以及支撐劑鋪置方式對裂縫滲透率影響，學者們多數(shù)對基質(zhì)頁巖敏感性進行了評價得到一致的認識：隨著油藏的不斷開發(fā)裂縫滲透率降低。并未研究在裂縫滲透率降低的過程中是何種因素導(dǎo)致其降低，且不同儲層是否存在差異[16-17]。因此，基于新疆吉木薩爾頁巖油藏儲層條件，采用天然露頭巖心開展不同閉合壓力、不同巖性、不同鋪砂濃度對裂縫滲透率影響實驗，研究吉木薩爾頁巖儲層人工裂縫滲透率在不同巖性、不同閉合壓力及鋪砂濃度下的變化規(guī)律，找到人工裂縫逐漸失效過程中的主要原因，為壓裂后油藏高效開發(fā)提供相應(yīng)指導(dǎo)[18-20]。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

(1)實驗材料：吉木薩爾露頭巖心加工制作巖板(20 cm×4.5 cm×2.1 cm)、模擬地層水(離子濃度如表1所示)。

表1 離子濃度

(2)實驗儀器及流程。實驗儀器包括：高壓恒壓恒速泵、壓力傳感器、中間容器、循環(huán)往復(fù)泵、巖心夾持器、采集系統(tǒng)等，設(shè)備流程圖如圖1所示。

圖1 動態(tài)滲透率測試裝置流程圖

1.2 實驗步驟

1.2.1 巖板加工

取粉砂巖、泥巖兩種巖性的露頭巖心，采用自動巖石切割機將露頭切割，用程控巖石切片機將巖板精細切割，使用雙端面磨石機將巖樣端面磨平、拋光，制得尺寸為： 20 cm(長)×4.5 cm(寬)×2.1 cm(高)巖板(圖2)，為下一步實驗測試做準備。

圖2 露頭巖塊及巖板成品圖

1.2.2 巖板鋪砂

將制作好的巖板進行配對并抽真空加壓飽和地層水，飽和好后在兩塊巖板間按照不同濃度(高濃度：7.5 g/cm2，低濃度：2.5 g/cm2)均勻鋪置粒徑30、50目的陶粒，用透明膠帶固定，保證上下巖板對齊無錯位如圖3所示。

圖3 填砂巖板圖

1.2.3 操作步驟

(1)裝置滲漏測試：按如圖1所示流程圖連接各實驗裝置，打開ISCO泵，對流程中各個端口進行憋壓。確認裝置氣密性良好后進行下步實驗操作。

(2)初壓測試：依次打開巖心夾持器前端所有閥門，開泵，以5 mL/min流速將模擬地層水排至巖心注水管線出口端后，更換流速，以2 mL/min流速將模擬地層水排至注入管線出口端，待注水管線出口端出液平穩(wěn)且六通閥上所連電壓傳感器在實驗系統(tǒng)上的所顯示的壓力平穩(wěn)時，記錄該壓力數(shù)值，記為人工裂縫動態(tài)滲透率測試初始壓力。

(3)實驗參數(shù)獲?。赫{(diào)整恒溫箱溫度為90 ℃，將不同巖性及鋪砂濃度巖板置于巖心夾持器中，分別設(shè)置閉合壓力為10、15、20、25、30 MPa，以2 mL/min的速度注入模擬地層水，記錄驅(qū)替過程中壓力，同時在壓力平穩(wěn)后記錄平穩(wěn)壓力數(shù)據(jù)。

(4)計算不同階段滲透率值：根據(jù)達西公式，計算不同閉合壓力下人工裂縫滲透率值。

(5)測定陶粒支撐劑嵌入深度、破碎率：實驗后取出巖板，采用長焦距顯微鏡測量支撐劑嵌入深度，將支撐劑取出過30、50目振動篩網(wǎng)計算支撐劑破碎率。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 泥頁巖人工裂縫動態(tài)滲透率

2.1.1 高鋪砂濃度7.5 g/cm2

實驗得出在高鋪砂濃度不同閉合壓力下，人工裂縫滲透率如表2，裂縫滲透率隨閉合壓力變化曲線如圖4(a)所示，陶粒支撐劑破碎率如圖4(b)所示，支撐劑嵌入深度如圖4(c)所示。

表2 不同閉合壓力下裂縫滲透率值

圖4 泥巖高鋪砂濃度下裂縫滲透率、支撐劑破碎率及支撐劑嵌入深度隨閉合壓力變化曲線

2.1.2 低鋪砂濃度2.5 g/cm2

實驗得出在低鋪砂濃度不同閉合壓力下，人工裂縫滲透率如表3所示，裂縫滲透率隨閉合壓力變化曲線如圖5(a)所示，陶粒支撐劑破碎率如圖5(b)所示，支撐劑嵌入深度如圖5(c)所示。

表3 不同閉合壓力下裂縫滲透率值

圖5 泥巖低鋪砂濃度下裂縫滲透率、支撐劑破碎率及支撐劑嵌入深度隨閉合壓力變化曲線

2.2 粉砂巖人工裂縫動態(tài)滲透率

2.2.1 高鋪砂濃度7.5 g/cm2

實驗得出在高鋪砂濃度不同閉合壓力下，人工裂縫滲透率如表4所示，裂縫滲透率隨閉合壓力變化曲線如圖6(a)所示，陶粒支撐劑破碎率如圖6(b)所示，支撐劑嵌入深度如圖6(c)所示。

表4 不同閉合壓力下裂縫滲透率值

圖6 粉砂巖高鋪砂濃度下滲透率、支撐劑破碎率及支撐劑嵌入深度隨閉合壓力變化曲線

2.2.2 低鋪砂濃度2.5 g/cm2

實驗得出在低鋪砂濃度不同閉合壓力下，人工裂縫滲透率如表5所示，裂縫滲透率隨閉合壓力變化曲線如圖7(a)所示，陶粒支撐劑破碎率如圖7(b)所示，支撐劑嵌入深度如圖7(c)所示。

表5 不同閉合壓力下裂縫滲透率值

圖7 粉砂巖低鋪砂濃度下滲透率、支掌劑破碎率及支撐劑嵌入深度隨閉合壓力變化曲線

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 巖性對人工裂縫動態(tài)滲透率影響

由于巖性不同，使得巖板強度存在差異，不同巖性巖板支撐劑的嵌入和破碎程度不同。通過兩種巖板支撐劑嵌入深度和破碎率可以得出，泥巖強度大于粉砂巖強度，使得支撐劑在粉砂巖中嵌入深度較高，破碎率也相對較大。因此在同等條件下，泥巖儲層比粉砂巖儲層的人工裂縫滲透率大(圖8)。

圖8 高、低鋪砂濃度下不同巖性人工裂縫動態(tài)滲透率對比曲線

2.3.2 鋪砂濃度對人工裂縫動態(tài)滲透率影響

無論何種巖性，高鋪砂濃度的裂縫寬度較大，其裂縫滲透率都要高于低鋪砂濃度[18-20]。隨著鋪砂濃度的增加，流體流動的流動空間增大，兩種巖性動態(tài)滲透率增加幅度較大(圖9)。其原因在于，鋪砂濃度直接決定有效裂縫寬度，鋪砂濃度較低時，支撐劑嵌入巖石深度占裂縫寬度比例升高，難以維持有效裂縫寬度；且在低鋪砂濃度下，支撐劑顆粒受力增大，支撐劑破碎率上升，易產(chǎn)生碎屑顆粒堵塞流動孔隙。

圖9 不同鋪砂濃度下泥巖及粉砂巖動態(tài)滲透率對比曲線

2.3.3 閉合壓力對人工裂縫動態(tài)滲透率影響

隨著閉合壓力的增加，裂縫滲透率逐漸降低(圖9)，分為兩個階段且不同鋪砂濃度存在差異。第一階段：高鋪砂濃度下閉合壓力小于20 MPa，低鋪砂濃度下閉合壓力小于15 MPa，滲透率急劇降低，降低幅度分別為60.16%、82.21%。第二階段：高鋪砂濃度下閉合壓力20～35 MPa，低鋪砂濃度下閉合壓力15～35 MPa，滲透率下降相對較慢。

通過實驗后支撐劑嵌入深度及破碎率(圖10)可以發(fā)現(xiàn)，在第一階段時期支撐劑嵌入深度和破碎率共同增加導(dǎo)致該階段裂縫滲透率急劇降低，進入第二階段后支撐劑嵌入深度變化不大，破碎率繼續(xù)增大，滲透率降低幅度較小。

圖10 支撐劑嵌入深度及破碎率隨閉合壓力變化曲線

3 結(jié)論

通過開展吉木薩爾頁巖油藏人工裂縫動態(tài)實驗，研究不同閉合壓力、不同巖性對裂縫滲透率影響，得到以下主要結(jié)論。

(1)隨著油藏不斷開發(fā)儲層地層壓力逐漸下降，由于上覆巖層壓力的作用使得人工裂縫閉合壓力逐漸增加，滲透率逐漸降低。降低過程分為兩個階段且不同鋪砂濃度存在差異。第一階段：高鋪砂濃度下閉合壓力小于20 MPa，低鋪砂濃度下閉合壓力小于15 MPa，滲透率急劇降低，降低幅度分別為60.16%、82.21%。第二階段：高鋪砂濃度下閉合壓力20～35 MPa，低鋪砂濃度下閉合壓力15～35 MPa，滲透率下降相對較慢。

(2)第一階段較第二階段裂縫滲透率下降幅度更大原因是第一階段閉合壓力增加支撐劑嵌入深度和破碎程度同時增加，第二階段嵌入深度變化不大支撐劑破碎率還在不斷增大。因此，要保證裂縫滲流效果，最好在第一階段結(jié)束時期補充地層能量，延長裂縫有效作用時間是保證頁巖油藏壓裂后高效開發(fā)的手段之一。

(3)在吉木薩爾頁巖油藏壓裂開發(fā)過程中，泥巖強度較粉砂巖強度更大，支撐劑嵌入深度更低，使得在同等條件下，泥巖儲層比砂巖儲層的人工裂縫滲透率大。