地層應(yīng)力波動對支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響

畢文韜沈雅婷盧擁軍蒙傳幼曲占慶崔 靜

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007）

地層應(yīng)力波動對支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響

畢文韜1，2沈雅婷2盧擁軍2蒙傳幼2曲占慶1崔 靜1

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007）

引用格式：畢文韜，沈雅婷，盧擁軍，等.地層應(yīng)力波動對支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響［J］.石油鉆采工藝，2015，37（6）：78-81.

支撐裂縫導(dǎo)流能力的高低在一定程度上影響著壓裂效果的好壞，施工設(shè)計時需要重點考慮影響其導(dǎo)流能力的各種因素。為了深入解釋地層應(yīng)力波動對裂縫導(dǎo)流能力的影響機(jī)理，室內(nèi)實驗以不同巖性的巖心板為研究對象，利用加載循環(huán)應(yīng)力的方式模擬開、關(guān)井過程，開展了不同巖性儲層的相關(guān)研究。實驗結(jié)果表明，開、關(guān)井過程引起的地層應(yīng)力波動對礫巖、砂巖儲層的導(dǎo)流能力影響較小；對煤巖儲層的導(dǎo)流能力影響較大，現(xiàn)場施工中應(yīng)盡量減少開、關(guān)井次數(shù)。

地層應(yīng)力波動；循環(huán)加載；支撐裂縫；導(dǎo)流能力；煤巖儲層

水力壓裂技術(shù)在各類油氣藏開采中發(fā)揮著重要作用，可以使油氣層與井筒之間建立一條供油氣流動的高導(dǎo)流通道，即在壓裂施工中泵入地層大量支撐劑，使裂縫在儲層閉合應(yīng)力的作用下仍能保持張開狀態(tài)以提供較高的導(dǎo)流能力［1］。以往研究中，對支撐裂縫導(dǎo)流能力的分析主要集中在支撐劑種類、粒徑、嵌入、鋪置濃度以及閉合壓力等影響因素［2-6］，忽略了開、關(guān)井過程以及地殼運(yùn)動引起的地層應(yīng)力波動對裂縫導(dǎo)流能力的影響。這里在地層應(yīng)力波動影響裂縫導(dǎo)流能力方面進(jìn)行了實驗評價。

1　實驗研究

1.1巖石性質(zhì)

實驗所用礫巖的平均彈性模量為40 000 MPa，泊松比為0.16，砂巖平均彈性模量為23 000 MPa，泊松比為0.17，煤巖平均彈性模量為1 500～4000 MPa，泊松比為0.3。

1.2實驗設(shè)備及原理

實驗使用巖心板代替鋼板，巖心板長17.7 cm，寬3.81 cm，厚1 cm，兩端呈半圓形。實驗儀器為自主設(shè)計研發(fā)的ZCJ-300長期導(dǎo)流能力測試系統(tǒng)，壓力實驗機(jī)采用雙向油缸設(shè)計以實現(xiàn)閉合壓力的增減可控；該系統(tǒng)具有可控循環(huán)加載功能，更真實地反映了在地殼運(yùn)動和生產(chǎn)壓力變化下，支撐裂縫導(dǎo)流能力的具體變化情況。實驗原理是根據(jù)達(dá)西定律來計算支撐劑充填層在層流（達(dá)西流）條件下的滲透率模型［7］。

1.3實驗條件

（1）測試樣品：中密度陶粒425～850 μm（40/20目），視密度3.27 g/cm3，體積密度1.90 g/cm3；天然石英砂425～850 μm（40/20目），視密度2.64 g/cm3，體積密度1.61 g/cm3。

（2）實驗液體：質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的KCl溶液，流量6 mL/min。

（3）實驗溫度：礫巖、砂巖為80 ℃；煤巖為常溫（模擬地層溫度）。

（4）裂縫寬度：礫巖巖心板5 mm（鋪置濃度10 kg/m2）；砂巖巖心板1.66 mm（鋪置濃度3 kg/m2）；煤巖巖心板5 mm（鋪置濃度10 kg/m2）。

2　實驗方案

實驗所用的加載速率為特定儲層壓裂施工后的強(qiáng)制閉合速率，針對開、關(guān)井引起的地層應(yīng)力波動對支撐裂縫導(dǎo)流能力影響進(jìn)行研究。選擇具有不同巖石特性的3種巖心，礫巖、砂巖使用陶粒支撐劑，煤巖使用天然石英砂支撐劑。每種巖心進(jìn)行2組長期導(dǎo)流測試，實驗1為對照實驗，實驗過程中逐漸加壓，當(dāng)所加壓力達(dá)到該類巖石儲層的地層閉合應(yīng)力時穩(wěn)載，在加載過程中測量各個壓力點的導(dǎo)流能力；實驗2前期與實驗1相同，當(dāng)壓力加載到地層閉合應(yīng)力時，穩(wěn)載72 h后逐漸減小、增大壓力，模擬開、關(guān)井過程中地層應(yīng)力的變化，各個壓力點穩(wěn)定一段時間后測其導(dǎo)流能力。最后將2組實驗對比分析得出地層應(yīng)力波動因素對導(dǎo)流能力的影響結(jié)果。

3　實驗結(jié)果及分析

3.1地層應(yīng)力波動對礫巖導(dǎo)流能力的影響

實驗結(jié)果如圖1、圖2所示。圖1中隨著閉合壓力增大，裂縫導(dǎo)流能力迅速下降，主要是因為隨著閉合壓力的增大，巖板之間的支撐劑逐漸被壓實，孔隙度降低導(dǎo)致滲透率下降，而且隨著閉合壓力的增大，支撐劑嵌入巖石，致使裂縫寬度減小，導(dǎo)流能力降低。同時隨著實驗的進(jìn)行支撐劑會產(chǎn)生破碎，且?guī)r板表面由于刻蝕產(chǎn)生碎屑，這些破碎的支撐劑以及碎屑運(yùn)移填充至支撐劑孔隙間，降低了滲透率，最終導(dǎo)致導(dǎo)流能力降低。70 MPa穩(wěn)載55 h后導(dǎo)流能力趨于穩(wěn)定。

圖2中70 MPa穩(wěn)定72 h后開始循環(huán)加載，循環(huán)加載后期與之前穩(wěn)載階段相比，導(dǎo)流能力變化不大。原因有兩方面：礫巖彈性模量高，裂縫寬度實時測量結(jié)果表明循環(huán)加載過程中裂縫寬度沒有變化，說明循環(huán)加載對該類地層支撐劑的嵌入沒有影響；礫巖巖性特性決定了循環(huán)加載過程不會加劇巖板表面碎屑的產(chǎn)生。因此，循環(huán)應(yīng)力加載對礫巖導(dǎo)流能力基本沒有影響。

圖1　礫巖裂縫導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力的變化

圖2　礫巖裂縫導(dǎo)流能力隨地層應(yīng)力波動的變化

3.2地層應(yīng)力波動對砂巖導(dǎo)流能力的影響

實驗結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3　砂巖裂縫導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力的變化

圖3中砂巖與礫巖的情況基本相同，隨著閉合壓力的增大導(dǎo)流能力快速降低，當(dāng)壓力加載至30 MPa并保持穩(wěn)定時，導(dǎo)流能力下降趨緩，后期基本保持不變［8］。由圖4數(shù)據(jù)可以看出，循環(huán)加載后期與穩(wěn)載階段相比，其導(dǎo)流能力下降了6%左右，裂縫寬度降低了0.05 mm，影響了支撐劑充填層的滲透率，最終導(dǎo)致了導(dǎo)流能力的降低。循環(huán)加載對砂巖導(dǎo)流能力的影響與不循環(huán)加載相比略有下降。

圖4　砂巖裂縫導(dǎo)流能力隨地層應(yīng)力波動的變化

3.3地層應(yīng)力波動對煤巖導(dǎo)流能力的影響

實驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5　煤巖裂縫導(dǎo)流能力隨閉合壓力的變化

圖6　煤巖裂縫導(dǎo)流能力隨地層應(yīng)力波動的變化

圖5和圖6的導(dǎo)流能力變化在前期趨勢相同，隨著壓力的增大而快速降低。圖6中，循環(huán)加載后與之前穩(wěn)載過程相比，導(dǎo)流能力明顯降低，降低值約33%，由此可判斷開、關(guān)井過程對煤巖裂縫導(dǎo)流能力的影響較大。分析原因有：該煤巖樣品彈性模量較低，在1 500～4 000 MPa之間，泊松比為0.3，支撐劑嵌入較為嚴(yán)重，使裂縫寬度減小，循環(huán)應(yīng)力加載后與穩(wěn)載過程相比，縫寬降低約0.13 mm，導(dǎo)流能力有所降低；循環(huán)加載對天然石英砂的抗破碎能力影響較大，隨著應(yīng)力循環(huán)加載次數(shù)的增加，破碎率上升明顯，且破碎率開始上升較快，隨著循環(huán)次數(shù)的增加上升緩慢［9］。石英砂在20 MPa應(yīng)力循環(huán)加載中破碎率增加，破碎的支撐劑阻塞孔隙之間的流體通道，使得滲透率降低，導(dǎo)流能力下降；循環(huán)應(yīng)力加載作用在支撐劑充填層上，產(chǎn)生交變應(yīng)力，煤巖巖板和支撐劑在交變應(yīng)力的作用下加劇了煤粉的產(chǎn)生，當(dāng)閉合壓力處于10～30 MPa，2%的煤粉可以使導(dǎo)流能力下降13.1%～34.9%［10］，煤粉具有疏水性，極易聚集起來阻塞吼道孔隙，隨著煤粉微粒的不斷運(yùn)移，使得支撐裂縫堵塞更為嚴(yán)重，滲透率降低，導(dǎo)流能力下降。

4　結(jié)論

（1）利用壓力試驗機(jī)實施循環(huán)應(yīng)力加載模擬開、關(guān)井，開展了研究地層應(yīng)力波動對支撐裂縫導(dǎo)流能力影響的實驗，對壓裂方案設(shè)計和現(xiàn)場施工具有指導(dǎo)意義。

（2）地層應(yīng)力波動對礫巖類硬性地層的支撐裂縫導(dǎo)流能力基本沒有影響，對砂巖有較小影響。

（3）地層應(yīng)力波動對煤巖這種松軟地層的影響較大，與穩(wěn)載狀態(tài)相比導(dǎo)流能力下降了約33%，煤巖儲層現(xiàn)場施工中應(yīng)盡量減少開、關(guān)井次數(shù)。

［1］朱怡暉，賈長貴，蔣廷學(xué).多因素影響下的頁巖支撐裂縫導(dǎo)流能力計算［J］.石油天然氣學(xué)報，2014，36（8）：129-132，145.

［2］黃禹忠，何紅梅，孫光權(quán).壓裂支撐劑導(dǎo)流能力影響因素新研究［J］.天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2012，6（5）：59-61.

［3］PARKER M A，MCDANIEL B W. Fracturing treatment design improved by conductivity measurements under in situ conditions ［R］. SPE 16901，1987.

［4］盧聰，郭建春，王文耀，等.支撐劑嵌入及對裂縫導(dǎo)流能力損害的實驗［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（2）：99-101.

［5］劉巖，張遂安，石惠寧，等.支撐劑嵌入不同堅固性煤巖導(dǎo)流能力實驗研究［J］.石油鉆采工藝，2013，35（2）：75-78.

［6］沈?qū)毭鳎T彬，李治平，等.高閉合壓力裂縫導(dǎo)流能力變化規(guī)律理論推導(dǎo)［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報，2010，34（6）：83-86.

［7］SY/T 6302-2009，壓裂支撐劑充填層短期導(dǎo)流能力評價推薦方法［S］.

［8］蔣建方，張智勇，胥云，等.液測和氣測支撐裂縫導(dǎo)流能力室內(nèi)實驗研究［J］.石油鉆采工藝，2008，30（1）：67-70.

［9］宋時權(quán).循環(huán)應(yīng)力加載條件下支撐劑破碎率實驗研究［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，14（1）：85-86.

［10］鄒雨時，馬新仿，王雷，等.中、高煤階煤巖壓裂裂縫導(dǎo)流能力實驗研究［J］.煤炭學(xué)報，2011，36（3）：473-476.

（修改稿收到日期 2015-10-10）

〔編輯 李春燕〕

Effect of reservoir stress fuctuation on conductivity of propped fractures

BI Wentao1，2，SHEN Yating2，LU Yongjun2，MENG Chuanyou2，QU Zhanqing1，CUI Jing1
（1.Petroleum Engineering College，China Uniνersity of Petroleum（East China），Qiangdao 266580，China；2. Langfang Branch，Research Institute of Petroleum Exploration and Deνelopment，CNPC，Langfang 065007，China）

The conductivity of propped fractures affect the effectiveness of fracturing，so frac design should particularly take into consideration the various factors which affect its conductivity. In order to profoundly interpret the mechanism of the effect of reservoir stress fluctuation on fracture conductivity，laboratory experiments were conducted on researches on reservoirs of different lithologies using core plates of different lithologies as object of study and using the cyclic stress loading to simulate the process of well opening and closing. The experiment result shows that the reservoir stress fluctuation caused by well opening and closing has a very little influence on the conductivity of conglomerate and sandstone reservoirs，and has a relatively large influence on the conductivity of coal rock reservoirs. The wells opening and closing should be kept to minimum.

reservoir stress fluctuation； cyclic loading； propped fracture； conductivity； coal rock reservoir

TE357

A

1000-7393（ 2015 ） 06-0078-03 doi:10.13639/j.odpt.2015.06.019

國家科技重大專項“頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”（編號：2011ZX05018-004）

畢文韜，1991年生。中國石油大學(xué)（華東）在讀碩士研究生，現(xiàn)主要從事油氣藏儲層改造的研究工作。E-mail：648815724@qq.com。