不同粒徑組合支撐劑對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層導(dǎo)流能力的影響

祝華軍，趙 峰

（西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 610500）

面對(duì)低滲透致密砂巖氣藏流動(dòng)孔喉半徑小、滲透率低、自然產(chǎn)能低以及注水開發(fā)困難等特點(diǎn)，在進(jìn)行水力加砂壓裂儲(chǔ)層改造時(shí)，對(duì)壓裂液、支撐劑的要求也越來越高，以確保壓裂改造后的儲(chǔ)層具有比較高的導(dǎo)流能力，進(jìn)而提高致密砂巖氣藏的后期采收率[1]。

近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)裂縫中支撐劑的短期導(dǎo)流能力、長(zhǎng)期導(dǎo)流能力變化規(guī)律以及導(dǎo)流能力影響因素等方面進(jìn)行了大量的研究[2]，但在致密砂巖儲(chǔ)層壓裂方面，針對(duì)不同粒徑組合支撐劑對(duì)導(dǎo)流能力的研究較少。本工作以四川盆地某區(qū)塊須家河組致密砂巖為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，開展不同類型、粒徑、比例的支撐劑裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出適合致密砂巖的支撐劑組合方案，為致密砂巖壓裂設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和技術(shù)參考。

1 致密砂巖巖石特征

實(shí)驗(yàn)巖板是取自四川盆地某區(qū)塊須家河組氣藏致密砂巖，巖石類型是巖屑石英砂巖和巖屑砂巖，黏土礦物發(fā)育，主要有高嶺石、綠泥石［圖1（a）］。巖石的儲(chǔ)集空間主要有原生粒間孔、粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、晶間孔［圖1（b）］。巖心孔隙度為3.59%~8.02%，平均5.78%；氣測(cè)滲透率為0.017~0.455mD，平均0.171mD，屬于中低孔低滲致密砂巖。

圖1 巖心照片

為排除巖板對(duì)裂縫導(dǎo)流能力影響，測(cè)試40/70目陶粒、70/140目石英砂不同粒徑組合（1∶1，5∶1，10∶1）以及30/50目陶粒、70/140目石英砂不同粒徑組合（1∶1，5∶1，10∶1）在閉合應(yīng)力為45MPa，鋪砂濃度5kg/m2，持荷時(shí)間為10h條件下的支撐劑嵌入深度。根據(jù)嵌入實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)平均嵌入深度很小，在0.016~0.036mm，不足以影響裂縫的導(dǎo)流能力。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及準(zhǔn)備

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)使用NF-3型支撐劑裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試儀，該測(cè)試系統(tǒng)可以模擬地層閉合壓力120MPa以下、各類支撐劑在氣測(cè)和液測(cè)不同情況下支撐劑的導(dǎo)流能力。設(shè)備閉合應(yīng)力加載速率為1MPa/min，實(shí)驗(yàn)溫度90℃以下，測(cè)量裂縫寬度為（15±0.05）mm，導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)周期0~360h。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

支撐劑是某廠家覆膜陶粒支撐劑，粒徑分別為30/50目，40/70目，以及四川盆地某區(qū)塊壓裂常用70/140目石英砂支撐劑，石英砂和陶粒強(qiáng)度分別是35MPa、69MPa。實(shí)驗(yàn)巖板是取自四川盆地某區(qū)塊須家河組致密砂巖全直徑天然巖心。

3 實(shí)驗(yàn)原理及方案

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)儀器工作原理遵循達(dá)西定律：

式中，Ko為支撐劑裂縫滲透率，μm2；Qo為裂縫內(nèi)流量，cm3/s；μ為實(shí)驗(yàn)氣體黏度，mPa·s；L為測(cè)試段長(zhǎng)度，cm；W為填充層寬度，cm；Wf為填充層厚度，cm；p1為進(jìn)口壓力，kPa；p2為出口壓力，kPa。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

測(cè)試石英砂和陶粒不同粒徑組合在不同閉合壓力 條 件 下（4.1MPa、11MPA、17.9MPa、24.8MPa、31.7MPa、38.6MPa、45.5MPa逐級(jí)升高加載），鋪砂濃度5kg/m2下巖板短期導(dǎo)流能力，實(shí)驗(yàn)溫度為常溫，實(shí)驗(yàn)測(cè)試介質(zhì)為氮?dú)狻?/p>

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

①準(zhǔn)備好膠圈和巖板；②清理導(dǎo)流室，更換導(dǎo)流室內(nèi)側(cè)的濾網(wǎng)，安裝濾網(wǎng)使之與內(nèi)表面到一個(gè)平面；③將膠圈套于上下活塞，膠圈可以涂抹凡士林，下活塞垂直壓入導(dǎo)流室；④放入下巖板，加入已稱量好的支撐劑，刮平；⑤用膠帶將上巖板水平放入導(dǎo)流室；⑥將上活塞垂直壓入導(dǎo)流室；⑦將組裝好的導(dǎo)流室放入液壓機(jī)承壓平臺(tái)并連接相應(yīng)管線。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 石英砂和陶粒支撐劑單一粒徑導(dǎo)流能力測(cè)試 實(shí)驗(yàn)

將70/140目石英砂、40/70目陶粒和30/50目陶粒分別單獨(dú)進(jìn)行一組支撐裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)，閉合應(yīng)力按4.1MPa、11MPA、17.9MPa、24.8MPa、31.7MPa、38.6MPa、45.5MPa逐級(jí)升高。從圖2分析得出：隨著閉合壓力的增加，導(dǎo)流能力下降；30/50目陶粒的鋼板導(dǎo)流能力最好，其次是40/70目陶粒，70/140目石英砂鋼板導(dǎo)流能力最差，只有3.6D·cm；70/140目石英砂和40/70目陶粒的導(dǎo)流能力下降幅度不大，閉合壓力大于20MPa后，導(dǎo)流能力基本不變。

圖2 石英砂和陶粒支撐劑單一粒徑導(dǎo)流能力-閉合應(yīng)力曲線

4.2 70/140目石英砂與40/70目陶粒不同比例組合導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

采用70/140目石英砂與40/70目陶粒按1∶1，1∶5，1∶10的比例混合分別完成3組壓裂支撐劑導(dǎo)流能力測(cè)試（圖3）。在閉合壓力作用下，支撐劑會(huì)受到擠壓和發(fā)生一定程度的破碎，擠壓變形以及破碎后的碎屑充填空隙，使得空隙減小，導(dǎo)致其流動(dòng)能力變差，導(dǎo)流能力下降。三組實(shí)驗(yàn)的導(dǎo)流能力都隨閉合壓力的增加而下降。在閉合壓力是45.5MPa的條件下，70/140目石英砂與40/70目陶粒比例1∶1的導(dǎo)流能力最小，最高的是70/140目石英砂與40/70目陶粒比例1∶10的導(dǎo)流能力，表明隨著40/70目陶粒的增加，導(dǎo)流能力上升。

圖3 不同比例組合導(dǎo)流能力-閉合應(yīng)力曲線

4.3 70/140目石英砂與30/50目陶粒不同比例組合導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

采用70/140目石英砂與30/50目陶粒按1∶1，1∶5，1∶10的比例混合分別完成3組壓裂支撐劑導(dǎo)流能力測(cè)試（圖4），從圖4可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流能力隨閉合壓力的增加而下降，在閉合壓力是45.5MPa的條件下，70/140目石英砂與30/50目陶粒比例1∶1的導(dǎo)流能力也是最小，逐步穩(wěn)定在115.6D·cm，比例1∶5和1∶10基本相同均在131D·cm。還可以發(fā)現(xiàn)比例為1∶1的組合在各個(gè)閉合壓力下都小于1∶5和1∶10的導(dǎo)流能力，而1∶5和1∶10的導(dǎo)流能力在閉合壓力大于25MPa之后，兩種比例的導(dǎo)流能力基本一致，表明導(dǎo)流能力不會(huì)隨30/50目陶粒數(shù)量的增加而增加。

圖4 不同比例組合導(dǎo)流能力-閉合應(yīng)力曲線

對(duì)比圖2和圖3可以看出，當(dāng)組合比例相同，石英砂粒徑不變，陶粒粒徑大的要比粒徑小的導(dǎo)流能力好，可能原因是陶粒粒徑大，堆積形成的孔隙越大，雖然石英砂會(huì)充填空隙，導(dǎo)致空隙減小，導(dǎo)流能力下降，但30/50目陶粒堆積的空隙要比40/70目陶粒堆積的空隙大，則在石英砂充填后，保留下的空隙要比40/70目的多，所以相同比例下，陶粒粒徑大的導(dǎo)流能力好。

4.4 70/140目石英砂、40/70目陶粒、30/50目陶粒不同比例組合導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

將70/140目石英砂、40/70目陶粒和30/50目陶粒按1∶2∶2和1∶2∶7的比例采用混合砂方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。從圖5可以看出，隨著閉合壓力的增加，導(dǎo)流能力下降，比例1∶2∶2和1∶2∶7的導(dǎo)流能力下降幅度不大；混合粒徑鋪砂的導(dǎo)流能力要比從左往右和從下往上鋪砂的導(dǎo)流能力要小，可能的原因是混合鋪砂方式中，粒徑小的石英砂充填了陶粒之間的空隙，導(dǎo)致空隙減小，導(dǎo)流能力下降，其次比例1∶2∶2的導(dǎo)流能力要比1∶2∶7的導(dǎo)流能力差，可能原因是30/50目陶粒數(shù)量增加，則空隙增多，導(dǎo)致導(dǎo)流能力增加；在45.5MPa的閉合壓力下，70/140目石英砂、40/70目陶粒、30/50目陶粒比例為1∶2∶2的導(dǎo)流能力在38·4D·cm，比例為1∶2∶7的導(dǎo)流能力在 49.9D·cm。

圖5 三種不同比例組合導(dǎo)流能力-閉合應(yīng)力曲線

5 結(jié)論

1）不同類型和粒徑的支撐劑會(huì)對(duì)導(dǎo)流能力產(chǎn)生影響。陶粒的抗壓強(qiáng)度高于石英砂，所以陶粒的導(dǎo)流能力比石英砂好；陶粒的目數(shù)越大，導(dǎo)流能力越強(qiáng)。在45MPa的閉合應(yīng)力下，30/50目陶粒的導(dǎo)流能力是40/70目的2倍。

2）當(dāng)石英砂和陶粒粒徑相同，比例不同時(shí)，在相同閉合應(yīng)力條件下，隨著陶粒數(shù)量的增加，導(dǎo)流能力上升；當(dāng)組合比例相同，石英砂粒徑不變，陶粒粒徑大的比粒徑小的導(dǎo)流能力好，可能原因是陶粒粒徑越大，堆積形成的孔隙越大，石英砂充填后剩余孔隙體積越大，導(dǎo)流能力就越好。

3）三種不同粒徑的石英砂和陶粒組合的導(dǎo)流能力要比兩種組合的導(dǎo)流能力差一些，可能是三種粒徑組合堆積形成的孔隙體積要比兩種不同粒徑組合堆積形成的孔隙體積小，所以導(dǎo)流能力差些。但是三種不同粒徑的石英砂和陶粒組合的導(dǎo)流能力隨著閉合應(yīng)力的增加，導(dǎo)流能力變化幅度越小，趨于穩(wěn)定，會(huì)更適用到實(shí)際情況中。