煤層氣井壓裂裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)

鄭浩然

（中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102200）

0 引言

在油田各項(xiàng)增產(chǎn)措施中，水力壓裂是一種常見而有效的方法.水力壓裂的目的是形成一條高導(dǎo)流能力的裂縫，以使地層流體能順利流到井筒［1］.裂縫的導(dǎo)流能力是指裂縫的閉合寬度與支撐劑滲透率的乘積.裂縫導(dǎo)流能力與油層巖石性質(zhì)及支撐劑類型、粒徑、鋪砂濃度及閉合壓力等有關(guān)［2-7］，同時(shí)也受壓裂液殘?jiān)康挠绊懀?-10］.肖勇軍［11］、金智榮［12］和王雷［13］等研究不同類型支撐劑對導(dǎo)流能力的影響特征，認(rèn)為與大粒徑支撐劑相比，小粒徑支撐劑在承壓能力上更有優(yōu)勢，但在提供的導(dǎo)流能力上低于大粒徑支撐劑，同時(shí)高強(qiáng)度支撐劑有利于形成高導(dǎo)流能力的裂縫.Rivers M［14］、孫海成［15］、盧聰［6］等認(rèn)為支撐劑的嵌入將顯著影響導(dǎo)流能力的變化，鋪砂濃度越低，地層巖石越軟，嵌入越嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)流能力的損害越大.吳柏志［16］研究認(rèn)為提高鋪砂濃度，可以增大裂縫的有效寬度，維持較高的導(dǎo)流能力.郭布民［17］等通過實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為同砂巖地層裂縫相比，支撐劑嵌入對煤層裂縫導(dǎo)流能力的傷害更大.與常規(guī)天然氣儲(chǔ)層不同，煤層氣儲(chǔ)層具有彈性模量低、硬度低、泊松比大及天然裂縫發(fā)育等特點(diǎn)［18］，因此其壓裂裂縫的短期和長期導(dǎo)流能力具有自身的變化特征［19-20］，常規(guī)石油天然氣儲(chǔ)層壓裂裂縫導(dǎo)流能力的研究結(jié)論對煤層壓裂裂縫導(dǎo)流能力的評價(jià)不再適用.

目前，大部分研究是利用鋼板或砂巖板充填支撐劑進(jìn)行的，而針對采自現(xiàn)場的煤巖板充填裂縫導(dǎo)流能力的研究還有待探討.筆者通過實(shí)驗(yàn)對石英砂（20～40目）支撐劑在煤巖中的導(dǎo)流能力進(jìn)行評價(jià)，分析裂縫閉合壓力、時(shí)間、鋪砂濃度、煤巖天然裂縫及煤巖性質(zhì)對煤巖壓裂裂縫導(dǎo)流能力的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理和設(shè)備

使用美國Core-Lab公司生產(chǎn)的FCES-100裂縫導(dǎo)流儀.該儀器可以模擬地層條件，對不同類型支撐劑進(jìn)行短期或長期導(dǎo)流能力評價(jià).該儀器按照API標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，采用API標(biāo)準(zhǔn)支撐劑導(dǎo)流室.

根據(jù)FCES-100型導(dǎo)流儀API標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)流室的規(guī)格參數(shù)，按照API標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行操作，支撐劑滲透率為

式中：K為支撐裂縫滲透率；μ為流體黏度；Δp為測試段兩端的壓力差；Wf為支撐裂縫閉合寬度；Q為裂縫內(nèi)流量.通過實(shí)驗(yàn)，測定壓差和流量.

1.2 巖樣制備

首先對晉城煤塊進(jìn)行粗加工；然后對煤板進(jìn)行較細(xì)的加工，使其成為實(shí)驗(yàn)所需要的煤板形狀.加工后的煤板尺寸：長度為17.8cm，寬度為3.8cm，厚度為1.0cm.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

用兩煤板夾持中間填充的支撐劑模擬煤層裂縫.在實(shí)驗(yàn)過程［21］中，將實(shí)驗(yàn)流體以穩(wěn)定的流速通過兩煤片之間的支撐劑夾層，以3MPa為起點(diǎn)，3MPa為增量，逐漸增大閉合壓力，直至達(dá)到15MPa，從而得到裂縫導(dǎo)流能力隨閉合壓力的變化曲線；然后通過改變閉合壓力作用時(shí)間得到在一定閉合壓力下，裂縫導(dǎo)流能力隨時(shí)間的變化曲線；改變巖樣中裂縫的鋪砂濃度，得到2種鋪砂濃度下裂縫導(dǎo)流能力變化曲線.

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

共進(jìn)行7組實(shí)驗(yàn)，采用的支撐劑是石英砂，對2種鋪砂濃度下的導(dǎo)流能力進(jìn)行測試.6組實(shí)驗(yàn)是用晉城煤塊加工而成的煤板夾持支撐劑進(jìn)行的，另外1組實(shí)驗(yàn)是用砂巖板夾持支撐劑進(jìn)行的.短期導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)中每個(gè)壓力點(diǎn)測試時(shí)間為12h，長期導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)中每個(gè)壓力點(diǎn)測試時(shí)間為48h（見表1）.

表1 實(shí)驗(yàn)方案Table 1 Experimental scheme

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 閉合壓力的影響

閉合應(yīng)力作用結(jié)果是引起支撐劑破碎，使支撐劑顆粒尺寸減小，圓球度變差，面積增大，粒徑不均勻，充填層滲透率降低.同時(shí)，受閉合應(yīng)力作用，將進(jìn)一步壓實(shí)充填層支撐劑，使得孔隙度變小，從而降低滲透率，也可使支撐劑嵌入地層，導(dǎo)致縫寬減小，滲透率降低.10kg／m2的鋪砂濃度下20～40目的石英砂在煤板中表現(xiàn)較高的導(dǎo)流能力（見圖1），即使閉合壓力加至15MPa時(shí)，煤板所造裂縫的導(dǎo)流能力也在1.4 μm2·m以上.隨著閉合壓力的增加，2組晉城煤板和砂巖板裂縫導(dǎo)流能力明顯下降，晉城煤板1＃裂縫導(dǎo)流能力下降47.4%，2＃裂縫導(dǎo)流能力下降44.8%，砂巖板對比組裂縫導(dǎo)流能力下降50.0%.由此可見，閉合壓力對煤層裂縫導(dǎo)流能力的影響是顯著的.

2.2 煤層天然裂縫的影響

煤層中的天然裂縫，尤其是與流體滲流方向一致的天然裂縫的存在將會(huì)增大該方向的滲透率，進(jìn)而使壓裂裂縫呈現(xiàn)更高的導(dǎo)流能力.由圖1可見，晉城煤板2組實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件雖然相同，但是結(jié)果差異較大.晉城煤板1＃的導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯低于晉城煤板2＃的，最大差異達(dá)到0.5μm2·m左右.產(chǎn)生差異的主要原因是所用煤板不同.晉城煤板1＃所用的煤板中天然裂縫和割理較少，而晉城煤板2＃所用的煤板中有明顯的沿滲流方向的天然裂縫存在（肉眼可見）（見圖2）.由于煤板中天然裂縫和割理的數(shù)量和長度難以精確測量和統(tǒng)計(jì)，所以無法得出較為精細(xì)的影響程度評價(jià).從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，晉城煤板2＃所測得的導(dǎo)流能力在9MPa后高于晉城1＃的，甚至略微高于砂巖對比組的導(dǎo)流能力.這說明天然裂縫和割理（尤其是沿滲流方向的天然裂縫和割理）在較高閉合壓力下對導(dǎo)流能力有較大的影響.

2.3 時(shí)間的影響

閉合壓力作用可能引起支撐劑的破碎或產(chǎn)生煤粉，在較長時(shí)間閉合壓力作用下，裂縫中發(fā)生顆粒的運(yùn)移而堵塞孔道，引起裂縫導(dǎo)流能力的下降.閉合應(yīng)力為6MPa和12MPa下的裂縫導(dǎo)流能力隨時(shí)間的變化關(guān)系見圖3和圖4.由圖3和圖4可見，隨著閉合壓力作用時(shí)間的延長，裂縫導(dǎo)流能力逐漸下降.導(dǎo)流能力在前10h下降較快，后期導(dǎo)流能力下降逐漸變慢.另外，在測試后期，導(dǎo)流能力并沒有保持穩(wěn)定，而是有較小幅度的下降.這種現(xiàn)象是石英砂在煤板中嵌入和摩擦產(chǎn)生部分煤粉而導(dǎo)致導(dǎo)流能力的小幅下降.

2.4 鋪砂濃度的影響

比較2組2kg／m2鋪砂濃度下的晉城煤板的導(dǎo)流能力和2組10kg／m2的高鋪砂濃度下的晉城煤板的導(dǎo)流能力（見圖5）.由圖5可見，石英砂在2kg／m2鋪砂濃度下的支撐裂縫能力遠(yuǎn)小于10kg／m2的高鋪砂濃度下的.在鋪砂濃度為2kg／m2時(shí)，2組晉城煤板的導(dǎo)流能力從3MPa時(shí)的1.5μm2·m隨閉合壓力不斷增加而不斷下降，閉合壓力15MPa時(shí)的導(dǎo)流能力已經(jīng)降至0.4μm2·m左右.高鋪砂濃度的優(yōu)勢較為明顯，在同等閉合壓力下，10kg／m2高鋪砂濃度下的導(dǎo)流能力高于2kg／m2低鋪砂濃度下的0.9 μm2·m以上.

2.5 煤巖性質(zhì)的影響

由于韓城煤塊質(zhì)軟且易破碎，給實(shí)驗(yàn)加工煤板帶來困難，因此韓城煤板的導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)只設(shè)計(jì)一組單層鋪砂的測試實(shí)驗(yàn).韓城煤板在單層鋪砂下的導(dǎo)流能力見圖6.由圖6可見，當(dāng)閉合壓力3MPa時(shí)導(dǎo)流能力為1.3μm2·m，隨著閉合壓力增加導(dǎo)流能力不斷下降；當(dāng)閉合壓力加至15MPa時(shí)導(dǎo)流能力下降至0.1 μm2·m左右.比較韓城煤板和2組晉城煤板單層鋪砂時(shí)的測試結(jié)果：韓城組的單層鋪砂導(dǎo)流能力整體低于晉城組的.這是因?yàn)橄鄬τ跁x城煤板，實(shí)驗(yàn)中所用韓城煤板具有質(zhì)軟且摩擦后極易產(chǎn)生煤粉的特點(diǎn).這種特性在高閉合壓力下?lián)p害壓裂裂縫的導(dǎo)流能力.

3 結(jié)論

（1）閉合壓力對導(dǎo)流能力的影響較大，當(dāng)閉合壓力從3MPa增加到15MPa時(shí)，各組煤巖板的導(dǎo)流能力下降50%.在高閉合壓力作用下，煤層與常規(guī)石油天然氣儲(chǔ)層相比，由于摩擦產(chǎn)生煤粉且更容易發(fā)生支撐劑的嵌入，從而導(dǎo)致壓裂裂縫導(dǎo)流能力下降.

（2）在較高的鋪砂濃度（10kg／m2）下，20～40目石英砂能夠起到良好的支持裂縫能力.即使在閉合壓力大于15MPa時(shí)或者在12MPa的閉合壓力夾持超過48h后，實(shí)驗(yàn)所得的煤板裂縫導(dǎo)流能力也全部在1.2μm2·m以上.在煤層壓裂施工中，增大鋪砂濃度有利于獲得較高導(dǎo)流能力的裂縫.

（3）時(shí)間對煤板裂縫導(dǎo)流能力有顯著影響，隨著時(shí)間的增加導(dǎo)流能力逐漸下降，其下降速度在開始時(shí)較快，后期較緩.在測量至48h后，導(dǎo)流能力的總體降幅為20%～30%.相對常規(guī)石油天然氣儲(chǔ)層，煤層壓裂裂縫導(dǎo)流能力的變化對時(shí)間更敏感，在對煤層實(shí)施壓裂后，要考慮時(shí)間對裂縫導(dǎo)流能力變化的影響.

（4）相對常規(guī)石油天然氣儲(chǔ)層，煤層中的天然裂縫發(fā)育，有利于提高壓裂裂縫導(dǎo)流能力.煤板中的天然裂縫和割理對導(dǎo)流能力影響顯著.

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