壓裂裂縫長期導流能力衰退規(guī)律實驗研究

袁 征，黃 杰，袁文奎，張斌斌

(中海油田服務股份有限公司，天津 300459)

0 引言

裂縫導流能力是衡量水力壓裂支撐裂縫滲透能力的關鍵指標。受支地應力、微粒運移等因素影響，壓裂裂縫的寬度及滲透率不斷降低，進而裂縫導流能力隨時間不斷下降。然而目前現(xiàn)場無法通過直接測量的方式準確獲得裂縫的長期導流能力大小[1]，這使得準確計算壓后產能和有效期變得困難。因此，研究裂縫長期導流能力變化規(guī)律，準確預測裂縫導流能力，可為壓后產能計算和壓裂有效期預測提供重要依據(jù)[2-5]。

目前，國內學者對裂縫導流能力進行了較多的研究。趙亞東、張遂安等研究顯示，不同巖性儲層導流能力變化不大，且裂縫導流能力的下降主要發(fā)生在閉合前的10 h之內[6-7]。王瑋、王娜團隊研究指出，支撐劑的壓溶、壓實和成巖作用主要傷害裂縫的長期導流能力，而短期導流能力下降的主要原因是支撐劑的彈性變形壓縮[8]。目前，實驗研究手段多采用一組實驗條件下進行多組閉合壓力測量。該研究方法與恒定地層應力不一致，同時無法模擬長時間條件下的裂縫變換規(guī)律。為了研究長時間條件下的裂縫導流能力變化趨勢，及不同因素對裂縫長期導流能力的影響規(guī)律，該文從支撐劑嵌入、鋪設濃度、驅替液類型和閉合壓力大小4個方面開展實驗研究，探究裂縫長期導流能力變化規(guī)律。

1 研究原理及方案

1.1 實驗原理

支撐裂縫導流能力表征流體通過閉合支撐裂縫的能力，為裂縫充填層滲透率與裂縫寬度之積。隨著生產流體運移、攜帶儲層顆粒等滯留在支撐裂縫中，進而導致支撐裂縫滲透率下降。另外，受地層應力影響支撐劑破碎后一定程度影響裂縫滲透率。同時，由于儲層具有一定塑性變形，長時間的壓實作用會使支撐劑一定程度的嵌入至地層中，最終使裂縫寬度降低。綜合上述方面，該研究對支撐劑嵌入、鋪設濃度、驅替液類型以及閉合壓力這4個因素對裂縫導流能力變化規(guī)律開展研究。

實驗采用水力壓裂裂縫導流能力測試系統(tǒng)，如圖1所示。該實驗由導流室、壓力實驗機、驅替系統(tǒng)、壓差傳感器、數(shù)據(jù)采集及抽真空系統(tǒng)6個系統(tǒng)組成。其中導流室按照API 標準設計，導流室內腔體長17.8 cm，寬為3.8 cm，壓差測量用孔間距為12.7 cm[9]。該儀器通過測量導流室兩端的驅替液體流量、壓差等數(shù)據(jù)，同時測量驅替液體的黏度，計算后可得液體的導流能力[10]。該實驗采用行業(yè)技術標準SY/T 6302—2019《壓裂支撐劑導流能力測試方法》。

圖1 裂縫導流能力測試系統(tǒng)流程示意圖Fig.1 Flow diagram of fracture conductivity test system

由達西定律公式轉換可以知道裂縫導流能力表達式為:

(1)

式中：k為滲透率，μm2；μ為流體黏度，mPa·s；Q為流量，cm3/s；L為測壓孔之間的長度，cm；w為導流室寬度，cm；Δp為壓差，kPa；Wf為支撐劑寬度，cm。

將標準的導流室尺寸帶入到上式后，簡化得：

(2)

式(2)中左側為支撐裂縫的導流能力，右側為實驗中需要測定的參數(shù)。對于不同的實驗條件，只需要測得驅替液體的黏度、流量和導流室兩端的壓差即可得到支撐裂縫的導流能力。

1.2 實驗方案

實驗研究的主要目的是探究不同條件下，支撐裂縫的導流能力隨時間的衰退規(guī)律。文中選用現(xiàn)場常用的20/40目陶粒作為支撐劑。實驗過程中采用固定的閉合壓力穩(wěn)載54 h，模擬支撐裂縫在儲層中受力狀態(tài)。為了研究地層中常見因素對裂縫導流能力的影響，實驗考慮了支撐劑嵌入、閉合壓力、鋪設濃度和壓裂液類型對裂縫導流能力的影響。優(yōu)化設計實驗方案見表1。

表1 裂縫長期導流能力測試實驗方案

優(yōu)化后，共設計了6組不同條件下實驗，實驗的主要條件為閉合壓力、鋪設濃度、巖板類型和驅替液類型。其中巖板采用山西臨縣地面露頭的同種致密砂巖制作而成。驅替液采用清水和破膠液2種，破膠液的驅替過程主要模擬了現(xiàn)場實際施工中壓裂液破膠后返排對支撐裂縫導流能力的損傷。

2 實驗結果分析

實驗共進行了6組，對不同因素影響的裂縫長期導流能力實驗結果統(tǒng)計見表2。

表2 不同方案裂縫長期導流能力測試統(tǒng)計結果

實驗結果顯示，對于不同方案和因素，裂縫的長期導流能力下降幅度和下降率均差別較大。其中方案6裂縫導流能力下降超過90%。下面對比、分析不同因素對裂縫的導流能力影響規(guī)律。

2.1 支撐劑嵌入

實驗條件為閉合壓力40 MPa，鋪設濃度10 kg/m2，清水驅替，對比支撐劑壁面有、無巖板時的裂縫長期導流能力變化規(guī)律，如圖2所示。

圖2 不同壁面裂縫導流能力對比圖Fig.2 Comparative diagram of flow conductivity of cracks on different walls

結果顯示：1)對于有、無巖板2種實驗條件下，裂縫導流能力變化趨勢相同，初期呈現(xiàn)出下降趨勢，超過42 h后基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)；42 h前2種條件下裂縫導流能力變化趨勢不同。2)無巖板時，裂縫導流能力呈現(xiàn)出緩慢下降，幅度為21.84%；有巖板時，導流能力在前26 h快速大幅下降，幅度為47.20%，后趨于穩(wěn)定；3)對比閉合54 h后裂縫導流能力，有巖板時導流能力為107.94 μm2·cm，無巖板時導流能力為210.22 μm2·cm。

當無巖板時，支撐劑在閉合壓力的作用下重新排列及支撐劑破碎，2種作用對裂縫導流能力的影響相對緩慢且程度低；而當有巖板時，縫內支撐劑除了受上述2種作用外，還受到支撐劑在巖板內嵌入的影響，且這種嵌入在閉合初期影響較大，隨著時間的延長逐漸減弱。該實驗可為認識地層裂縫壁面對導流能力影響規(guī)律提供參考[11-12]。

2.2 驅替液類型

實驗條件為閉合壓力40 MPa，鋪設濃度10 kg/m2，無巖板，對比清水和胍膠破膠液作為驅替液時裂縫長期導流能力變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 不同驅替液裂縫導流能力對比圖Fig.3 Comparison of fracture conductivity of different displacement fluids

結果顯示：1)針對不同驅替液，裂縫導流能力變化整體趨勢相同，初期呈現(xiàn)出下降趨勢，40 h后基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)；2)40 h前2種驅替液條件下的導流能力變化規(guī)律差別較大。清水驅替時裂縫導流能力呈現(xiàn)出緩慢下降，下降幅度為21.24%；破膠液驅替時導流能力在前12 h快速大幅下降，下降幅度為57.58%，后趨于穩(wěn)定；3)對比2種條件下的裂縫導流能力，破膠液驅替后的裂縫導流能力遠低于清水。閉合54 h后，清水驅替導流能力為210.22 μm2·cm，破膠液驅替導流能力為32.06 μm2·cm。

清水驅替后的裂縫導流能力緩慢降低，而破膠液驅替后的裂縫導流能力出現(xiàn)大幅下降。分析原因如下：破膠液中存在一定的未破膠殘留物導致驅替液黏度偏高，胍膠破膠液中固體殘渣滯留在礫石充填層。隨著時間推移，驅替液逐漸破膠，裂縫的導流能力逐漸穩(wěn)定[13-15]。通過上述實驗，在優(yōu)選壓裂液時，滿足施工工藝的條件下，應盡可能地考慮低殘渣壓裂液，且壓裂施工后應優(yōu)化關井時間再進行返排。

2.3 鋪設濃度

實驗條件為閉合壓力40 MPa，無巖板，破膠液驅替，對比支撐劑鋪設濃度為10 kg/m2和15 kg/m2時裂縫長期導流能力變化規(guī)律，如圖4所示。

圖4 不同支撐劑鋪設濃度裂縫導流能力對比圖Fig.4 Comparison of fracture conductivity of different proppant laying concentration

結果顯示：1)裂縫導流能力變化趨勢相同，在閉合24 h之前，2種鋪設濃度下的裂縫導流能力出現(xiàn)快速下降趨勢，幅度均超過70%。超過24 h后，導流能力趨于穩(wěn)定；2)2種鋪設濃度下，支撐劑用量差別為50%，但閉合54 h后，兩者的長期導流能力相差卻很小。支撐劑鋪設濃度為10 kg/m2時，導流能力為32.06 μm2·cm；鋪設濃度為15 kg/m2時，導流能力為44.93 μm2·cm。

通過支撐劑鋪設濃度實驗可知，不同砂量下裂縫的長期導流能力相差不大?，F(xiàn)場施工中不宜首選高砂量的方式追求較高的長期導流能力[16-18]。另外，結合不同驅替液實驗可以看出，壓裂液的類型對支撐裂縫的導流能力影響較大。

2.4 閉合壓力

實驗條件為鋪砂濃度10 kg/m2，清水驅替，有巖板，對比閉合壓力為40 MPa和60 MPa時，裂縫長期導流能力變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 不同閉合壓力下裂縫導流能力對比圖Fig.5 Comparison of fracture conductivity of different closing pressure

結果顯示：1)對于40 MPa和60 MPa兩種閉合壓力，裂縫導流能力初期呈現(xiàn)出下降趨勢，超過32 h后基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)；2)實驗的初始記錄點為2 h，60 MPa裂縫導流能力快速下降階段在2 h之內完成，后期出現(xiàn)緩慢下降。閉合壓力為40 MPa時，導流能力快速下降階段時間較長，為16 h，下降幅度為40%；3)與其他因素對比，閉合應力對裂縫的長期導流能力影響處于中等。閉合54 h后裂縫導流能力，40 MPa閉合壓力下為107.94 μm2·cm，60 MPa閉合壓力下為69.8 μm2·cm。

支撐劑在不同應力狀態(tài)下，主要受裂縫壁面嵌入、支撐劑重排列和支撐劑破碎等影響。實驗結果顯示，閉合應力越高，對裂縫長期導流能力影響時間越短；反之，低閉合應力下，支撐劑嵌入、重排列、破碎等作用時間越長[19]。

3 結論

不同因素對裂縫的長期導流能力的影響規(guī)律不同，且影響程度相差較大，認識如下。

1)6組實驗研究顯示：裂縫導流能力變化規(guī)律均呈先下降后穩(wěn)定趨勢。但不同方案的下降幅度不同，其中破膠液、巖板組合時，裂縫導流能力下降幅度大且較快；而清水、無巖板組合時，裂縫導流能力下降相對平穩(wěn)。

2)不同因素對裂縫的長期導流能力影響程度不同。破膠液、巖板、低鋪設濃度下，裂縫的導流能力衰退最嚴重，閉合54 h后下降幅度為90.15%；清水、無巖板、低鋪設濃度下，裂縫導流能力衰退最弱，閉合54 h后下降幅度為23.12%。基于實驗結果，分析不同因素對長期導流能力的影響程度，從大到小進行排序：壓裂液類型、巖板、閉合應力、鋪設濃度。

該研究可為認識支撐裂縫的長期導流能力變化規(guī)律及影響因素提供依據(jù)，從而為壓后產能計算、施工有效期等分析提供參考。另外，通過該研究可為壓裂工藝優(yōu)化設計，如壓裂液優(yōu)選、支撐劑用量等提供依據(jù)。