裂縫對致密儲層滲流能力影響實驗研究

呂金龍，盧祥國，王 威，謝 坤，胡 勇

(1.東北石油大學，黑龍江 大慶 163318；2.提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；3.中國石油勘探開發研究院，北京 100083)

0 引 言

近年來，隨著國民經濟快速發展，清潔能源需求量日益增加，天然氣在國民經濟和日常生活中的作用受到國內外廣泛關注[1-3]。與日益增長的天然氣需求量相比較，國內常規天然氣儲量和產量略顯不足，天然氣供求關系表現出嚴重不平衡。為此，非常規(致密氣藏和頁巖氣藏)氣藏勘探開發開始受到重視[4-6]。目前，中國低滲致密砂巖氣藏開發處于規模開發早期階段，由于技術等原因低滲致密砂巖氣藏動用程度和采出程度遠遠低于常規砂巖氣藏。與常規氣藏相比較，低滲透砂巖氣藏具有儲層滲透率低、非均質性嚴重和儲量豐度低等特點，自然產能很低，需要借助增產措施才能達到工業開發效益標準[7-9]。目前壓裂已成為實現低滲透氣藏提高采收率的一種有效技術手段，但實際實施過程中對于存在邊底水的氣藏，壓裂施工面臨較嚴重的水侵問題，一旦發生水侵，將導致儲量損失和產氣量減少[10-12]，因此，壓裂施工裂縫參數選擇對于提高氣藏開發效果意義十分重大。裂縫對基質切割作用能改善滲透率及儲層滲流能力，但裂縫參數是如何影響儲層滲流能力還缺乏系統研究，相關量化研究成果尚未見報道。針對低滲透氣藏開發技術需求，開展了裂縫對儲層滲流能力改善作用機理及其影響因素研究，對壓裂施工參數設計具有重要參考價值。

1 實驗條件

1.1 人造巖心

1.1.1 巖心物性參數設計

實驗用基質巖心均為長條狀，氣測滲透率(Km)為0.1、0.5 mD，巖心裂縫開度均為50 μm，配產量為1 000 mL/min，采用石英砂環氧樹脂膠結壓制而成[13-14]，規格為30.0 cm×4.5 cm×4.5 cm。

1.1.2 巖心制作方法

在巖心多次填裝模型加壓過程中，根據裂縫設計寬度、開度、貫穿程度和位置，將設計的淀粉材質隔層平鋪在已壓好的巖心上，最后再加壓成型并升溫固化。將制好的巖心抽真空飽和含降解酶水，之后將巖心浸泡于裝有含降解酶水溶液的容器中，并放置于70 ℃烘箱中48 h，淀粉材質隔層被分解為多糖小分子，進入水溶液，產生設計規格裂縫。

1.1.3 儀器設備

實驗采用高精度壓力傳感器記錄壓力變化，D08-8C/ZM型氣體流量計計量氣體流量，數據自動采集系統記錄相關實驗數據。儀器設備主要包括氣體計量系統、氣水分離器、巖心夾持器、中間容器、緩沖氣瓶、高壓氣瓶以及高壓自動環壓泵等。

1.1.4 實驗步驟

實驗步驟主要包括：①計算理論滲透率，并采用滲透率測試裝置測試巖心實測滲透率；②將巖心放入巖心夾持器中，加環壓至25 MPa；③關閉巖心夾持器出口端，向巖心夾持器中裂縫人造巖心充注氣體至20 MPa，待進、出口端壓力平衡后，關閉進口端；④設置流量計配產氣量值，打開出口端閥門，開始衰竭開采實驗，同時記錄實驗過程中壓力、產氣量和產氣時間等實驗數據。

2 結果分析

2.1 裂縫參數對巖心滲透率的影響

2.1.1 裂縫寬度的影響

在裂縫數量為1和全貫穿條件下，裂縫寬度對裂縫-孔隙雙重介質巖石理論和實測滲透率值影響結果見表1，裂縫寬度與巖心滲透率增加倍數關系見圖1。文中滲透率增加倍數為不同Km下理論滲透率或實測滲透率與Km的比值。

表1 裂縫-孔隙雙重介質巖石理論滲透率和實測滲透率

由表1、圖1可知：裂縫寬度對裂縫-孔隙雙重介質巖石滲透率存在影響；隨裂縫寬度增加，巖心滲透率幾乎成正比例增大；氣測巖心滲透率的變化對裂縫-孔隙雙重介質巖石滲透率增加影響較小；在裂縫寬度相同條件下，隨氣測滲透率增加，滲透率增加倍數減小；在巖心氣測滲透率相同條件下，裂縫-孔隙雙重介質巖石滲透率增加倍數與裂縫寬度成正比。分析認為，理論計算滲透率值與實測滲透率值存在差異是因為實際裂縫壁面粗糙，增加了氣體流動阻力，從而導致實測滲透率值較小。

圖1 裂縫寬度與巖心滲透率增加倍數關系

2.1.2 裂縫貫穿程度的影響

在裂縫數量為1和裂縫寬度為2.5 cm時，裂縫貫穿程度與巖心滲透率增加倍數關系見圖2。由圖2可知：裂縫貫穿程度對裂縫-孔隙雙重介質巖石滲透率影響較小；在貫穿程度相同條件下，隨基質滲透率增加，裂縫-孔隙雙重介質巖石滲透率增加倍數基本保持不變；在巖心氣測滲透率相同和貫穿程度小于100%時，隨裂縫貫穿程度增加，裂縫-孔隙雙重介質巖石滲透率增加倍數較小，表明裂縫貫穿程度對巖心滲透率改善作用較小。

圖2 裂縫貫穿程度與巖心滲透率增加倍數

2.1.3 裂縫數量的影響

在裂縫寬度為2.5 cm和全貫穿條件下，裂縫數量與巖心滲透率增加倍數關系見圖3。由圖3可知：裂縫數量對裂縫-孔隙雙重介質巖石滲透率存在影響；在裂縫數量相同條件下，隨氣測滲透率增大，滲透率增加倍數減小，但不同氣測滲透率巖心實測滲透率相差不大，說明裂縫數量改善滲透率效果明顯，氣測滲透率對裂縫-孔隙雙重介質巖石滲透率影響相對較小；在巖心氣測滲透率相同條件下，隨裂縫數量增加，裂縫-孔隙雙重介質巖石滲透率增加倍數增大，但其增大幅度隨裂縫數量增加而減小。分析認為，理論計算滲透率值與實測滲透率值存在差異，一方面是因為實際裂縫壁面粗糙，增加了氣體流動阻力；另一方面是因為氣體在裂縫與裂縫之間發生竄流，進而導致實測滲透率值較小。

圖3 裂縫數量與巖心滲透率增加倍數

2.1.4 裂縫分布位置的影響

在裂縫數量為1、寬度為2.5 cm、貫穿程度為25%時，裂縫分布位置與巖心滲透率增加倍數關系見圖4。由圖4可知，裂縫分布位置對裂縫-孔隙雙重介質巖石滲透率基本不存在影響；在裂縫距采出端距離相同條件下，隨氣測滲透率增加，裂縫-孔隙雙重介質巖石滲透率增加倍數基本保持不變；在巖心氣測滲透率相同條件下，隨裂縫距采出端距離增加，裂縫-孔隙雙重介質巖石滲透率增加倍數也基本保持不變，表明裂縫分布位置對裂縫-孔隙雙重介質巖石滲透率影響較小。

圖4 裂縫分布位置與巖心滲透率增加倍數關系

2.2 裂縫對儲層產氣能力影響

2.2.1 基質巖心產氣能力

在不同滲透率條件下，基質巖心產氣量、產氣時間和平均產氣速度實驗數據見表2。衰竭開采過程中注入壓力、瞬時產氣量和累計產氣量動態特征曲線見圖5。

表2 基質巖心產氣能力測試結果

圖5 注入壓力、瞬時產氣量和累計產氣量與時間關系

由表2、圖5可知，Km對巖心產氣能力存在影響。隨基質巖心滲透率增加，巖心孔喉增大，氣體在多孔介質中滲流阻力降低，相應的產氣時間和穩產時間減少，但高滲氣藏進口壓力下降幅度較大，氣藏產量遞減期滯后，瞬時產量較高，最終產氣量與平均產氣速度增大。分析認為，與高滲透巖心相比，氣體在低滲透巖心中流動時需要的流動壓差更大，因此，實驗結束時，低滲透巖心遠離采出端仍具有一定壓力，且該壓力隨巖心滲透率增加而降低，這是低滲透率較高滲透率氣藏產氣量低的主要原因。

2.2.2 裂縫寬度的影響

在裂縫數量為1和全貫穿條件下，縫寬對裂縫-孔隙雙重介質巖心產氣量、產氣時間和平均產氣速度影響情況見表3。

由表3可知，裂縫寬度對巖心產氣能力存在影響。當巖心滲透率較低時，巖心原始孔喉較小，氣體在多孔介質中的滲流阻力較大，隨裂縫寬度增加，井身與裂隙的接觸面積增大，氣體排泄面積隨之增加，儲層壓差梯度增大，氣體通過巖心的能力增加，導致更多的氣體流進井口內，從而使巖心產氣時間增加，產氣量和平均產氣速度增大。

2.2.3 裂縫貫穿程度的影響

在裂縫數量為1和裂縫寬度為2.5 cm時，裂縫貫穿程度對裂縫-孔隙雙重介質巖心產氣量、產氣時間和平均產氣速度影響情況見表4。

表3 不同縫寬下裂縫-孔隙雙重介質巖心產氣能力測試結果

表4 不同貫穿程度下裂縫-孔隙雙重介質巖心產氣能力測試結果

由表4可知，裂縫貫穿程度對巖心產氣能力存在影響。巖心氣測滲透率相同時，隨裂縫貫穿程度增加，裂縫貫穿程度對巖心滲透率改善作用減小，滲流阻力變化不大，但增大了裂縫上下壁面基質巖石中的氣體與裂隙的接觸面積，增加了氣體排泄的面積，儲層壓差梯度增大，氣體通過巖心的能力增加。由于裂縫貫穿程度增加到一定程度，流線會發生變化，滲流阻力會增大，因此，平均產氣速度呈先增后減的趨勢。在現場實際中，隨儲層滲透率增大，可適當縮減裂縫長度，從而減少施工成本和難度。

2.2.4 裂縫數量的影響

在裂縫寬度為2.5 cm和全貫穿條件下，裂縫數量對裂縫-孔隙雙重介質巖心產氣量、產氣時間和平均產氣速度影響情況見表5。

表5 不同裂縫數量下裂縫-孔隙雙重介質巖心產氣能力測試結果

由表5可知，裂縫數量對巖心產氣能力存在影響。隨裂縫數量增加，增大了裂縫上下壁面基質巖石中氣體與裂隙接觸面積，增加了氣體排泄面積，儲層壓差梯度增大，巖心允許氣體通過能力增加，導致更多氣體流進井口內，從而使巖心產氣時間和產氣量增加。當裂縫貫穿程度與間距一定時，裂縫數量越多，泄氣面積越大，縫間干擾越嚴重，在2條裂縫間會形成一個低壓區，中間地帶氣體受到2個反向驅動力，因此，在該區域內形成一個“不動區”，兩者效果相互抵消，產氣量增產幅度和平均產氣速度隨著裂縫數量增加而減小。

2.2.5 裂縫分布位置的影響

在裂縫數量為1、裂縫寬度為2.5 cm、貫穿程度為25%時，裂縫位置對裂縫-孔隙雙重介質巖心產氣量、產氣時間和平均產氣速度影響結果見表6。由表6可知，裂縫分布位置對巖心產氣能力基本不存在影響。與相同滲透率基質巖心相比，裂縫-孔隙雙重介質巖心產氣能力沒有得到較大的改善效果。在巖心氣測滲透率相同條件下，隨裂縫距采出端距離增加，裂縫-孔隙雙重介質巖心產氣能力基本保持不變。可見，在裂縫上下壁面基質巖石中氣體與裂隙的接觸面積相同，即氣體排泄面積相同的情況下，儲層壓差梯度相差不大，氣體通過裂縫-孔隙雙重介質巖心的能力大致相同，產氣能力也趨于相同。

表6 不同裂縫位置下裂縫-孔隙雙重介質巖心產氣能力測試結果

2.2.6 裂縫與底水相對位置的影響

在Km為0.5 mD、裂縫數量為1、裂縫寬度2.5 cm時，裂縫與底水距離對裂縫-孔隙雙重介質巖心產氣量、產氣時間和平均產氣速度影響實驗數據見表7。

表7 不同裂縫與底水距離下裂縫-孔隙雙重介質巖心產氣能力測試結果

由表7可知，裂縫與底水相對位置對巖心產氣能力存在影響。在巖心氣測滲透率和裂縫貫穿程度相同條件下，裂縫遠離底水時，巖心產氣能力受底水水侵影響較裂縫靠近底水時弱，巖心產氣量和平均產氣速度相對較大，產氣時間相對較長。隨裂縫貫穿程度增加，產氣量、產氣時間和平均產氣速度減少。與表4對比可知，裂縫性氣藏有無底水對氣體產能影響很大，在貫穿程度為50%時，裂縫遠離底水產氣量(2.87 L)與無底水產氣量(4.09 L)相比下降了29.8%，裂縫靠近底水產氣量(2.51 L)與無底水產氣量(4.09 L)相比下降了38.6%。在裂縫遠離底水情況下，當貫穿程度大于50%后，產氣量開始低于基質巖心產氣量，在裂縫靠近底水情況下，當貫穿程度大于20%后，產氣量會低于基質巖心產氣量。分析認為，在裂縫性氣藏開發過程中，裂縫是流體主要滲流通道，裂縫貫通水體越長或裂縫越靠近水體時，隨著氣藏能量的逐步下降，由于氣、水在裂縫中運移時受到的阻力遠低于在基質中運移時受到的阻力，水體會沿裂縫快速突進。在水體突進過程中，水與基質接觸，在潤濕性和毛管壓力作用下，基質滲吸水，沿裂縫兩側的儲層基質含水飽和度增加，封堵部分氣相滲流通道，同時底水侵入儲層后，儲層內氣體的滲流方式也會發生改變，由單相氣流轉變為氣水兩相流，增加了儲層基質氣相滲流阻力，嚴重阻礙氣體流動，最終導致儲層基質氣相滲流能力大幅度下降[15]，產氣量、產氣時間和平均產氣速度減少，氣藏采收率降低。

3 結 論

(1) 裂縫-孔隙雙重介質巖心滲透率理論計算值與實測值存在差異，原因在于實際裂縫壁面粗糙增加了氣體流動阻力，進而造成實測滲透率值較小。

(2) 在裂縫全貫穿條件下，裂縫寬度和數量對巖心滲透率影響較大。在裂縫未貫穿條件下，裂縫貫穿程度和裂縫分布位置對巖心滲透率影響較小，裂縫-孔隙雙重介質巖心滲透率受基質滲透率影響程度較大。

(3) 隨裂縫寬度、貫穿程度和數量增加，裂縫-孔隙雙重介質巖心產氣能力增大。在裂縫未貫穿條件下，裂縫分布位置對巖心產氣能力影響較小。

(4) 在巖心基質滲透率和裂縫貫穿程度相同條件下，裂縫與底水距離越大，裂縫-孔隙雙重介質巖心產氣能力受底水水侵影響程度越小，產氣量越大，產氣時間越長。