頁巖儲層水力壓裂支撐劑嵌入影響因素研究

王雨迪, 任 屹, 鄭 彬, 龔瑞程, 牛生亮, 陳 璐, 張 涵

(1長江大學(xué)石油工程學(xué)院 2中國石油冀東油田分公司南堡油田作業(yè)區(qū) 3中國石油青海油田公司采氣二廠 4中國石油青海油田公司采油一廠 5中國石油天門油田分公司 6中石油華北油田分公司儲氣庫管理處)

水力壓裂技術(shù)是油氣井增產(chǎn)增注中最常用的有效措施之一，頁巖儲層通常具有低孔、低滲的特點，在其勘探開發(fā)過程中往往需要采用壓裂措施進行儲層改造。頁巖儲層壓裂施工過程中需要將大量的支撐劑與壓裂液一起泵入地層，頁巖儲層壓裂開后形成大量的人工裂縫網(wǎng)絡(luò)，進而提高儲層的滲透率，達到壓裂增產(chǎn)的目的[1-5]。在壓裂施工作業(yè)后，壓裂液從裂縫中返排出，支撐劑留在裂縫中，在儲層閉合壓力條件下，支撐劑不可避免的會出現(xiàn)一定程度的嵌入現(xiàn)象，造成裂縫有效寬度的減小，進而引起裂縫導(dǎo)流能力的下降[6-9]。因此，有必要針對頁巖儲層水力壓裂過程中支撐劑嵌入的影響因素進行研究，評價支撐劑嵌入對裂縫導(dǎo)流能力的影響程度，進而指導(dǎo)現(xiàn)場壓裂施工參數(shù)的設(shè)計[10-16]。

本文以四川盆地某頁巖氣區(qū)塊儲層段巖樣為研究對象，使用陶粒作為支撐劑，評價了閉合壓力、支撐劑粒徑、鋪砂濃度、巖石楊氏模量以及不同工作液浸泡等因素對支撐劑嵌入深度和裂縫導(dǎo)流能力的影響，為降低頁巖儲層壓裂施工過程中支撐劑嵌入對裂縫導(dǎo)流能力的傷害程度提供一定的理論依據(jù)和借鑒。

一、實驗部分

1.實驗材料及儀器

實驗材料：實驗用巖樣取自四川盆地某頁巖氣區(qū)塊(巖樣的楊氏模量范圍在(10～35)×103MPa之間)；實驗用支撐劑為不同粒徑的陶粒(6～12目、12～20目、20～40目、40～70目和70～140目)；實驗用工作液分別為清水、3%KCl和現(xiàn)場壓裂返排液(清潔壓裂液體系)。

實驗儀器：改進型導(dǎo)流能力測試儀，儀器采用API標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，主要包括導(dǎo)流室、加壓裝置(測量精度為0.001 MPa)、位移傳感器(測量精度為0.01 mm)、溫度控制系統(tǒng)(測量精度為0.01℃)以及計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，其中通過位移傳感器能夠測量裂縫縫寬的變化情況，以此來計算支撐劑的嵌入深度。

2.實驗方案

(1)將目標(biāo)區(qū)塊巖樣處理成與導(dǎo)流室尺寸相匹配的導(dǎo)流板，為考察支撐劑嵌入的影響，使用同樣尺寸的金屬鋼板作為對比。

(2)首先進行金屬鋼板的測試實驗，將鋼板放入導(dǎo)流室中，填入支撐劑后加壓，此時沒有發(fā)生支撐劑嵌入的影響，在此實驗條件下測量裂縫的縫寬和導(dǎo)流能力。

(3)然后將金屬鋼板換成頁巖巖板，重復(fù)進行(2)中的實驗，在相同的實驗條件下，測量有支撐劑嵌入時裂縫的縫寬和導(dǎo)流能力變化情況。

(4)改變實驗條件，重復(fù)以上步驟(2)和(3)，考察不同因素對支撐劑嵌入深度和導(dǎo)流能力的影響，實驗溫度均為儲層溫度(90℃)。

二、支撐劑嵌入影響因素結(jié)果與討論

1.閉合壓力

選擇粒徑為20～40目的陶粒作為支撐劑，楊氏模量為20×103MPa的巖樣作為實驗巖板，在鋪砂濃度為5 kg/m2的條件下，測定了不同閉合壓力條件下支撐劑的嵌入深度和導(dǎo)流能力變化情況，實驗結(jié)果見圖1和表1。

圖1 閉合壓力對支撐劑嵌入深度的影響

表1 考慮支撐劑嵌入時閉合壓力對導(dǎo)流能力的影響

由圖1結(jié)果可知，隨著閉合壓力的逐漸增大，支撐劑嵌入深度逐漸增大，當(dāng)閉合壓力為70 MPa時，支撐劑在頁巖板上的嵌入深度可以達到0.94 mm。而由表1結(jié)果可以看出，隨著閉合壓力的增大，金屬鋼板和頁巖板的導(dǎo)流能力均逐漸減小，且閉合壓力越大，頁巖板相比較金屬鋼板而言導(dǎo)流能力降低的幅度越大，當(dāng)閉合壓力為70 MPa時，頁巖板導(dǎo)流能力降低率達到了53.5%，這是由于在相同的實驗條件下，閉合壓力越大，支撐劑嵌入深度越大，裂縫的有效縫寬越小，支撐劑嵌入造成的裂縫導(dǎo)流能力下降幅度就越大。

2.支撐劑粒徑

選擇楊氏模量為20×103MPa的巖樣作為實驗巖板，在鋪砂濃度為5 kg/m2、閉合壓力為50 MPa的實驗條件下，評價了支撐劑粒徑對嵌入深度和導(dǎo)流能力的影響，實驗結(jié)果見圖2和表2。

由圖2結(jié)果可知，在相同的實驗條件下，隨著支撐劑粒徑的逐漸減小，支撐劑嵌入深度也逐漸減小，這是由于在裂縫表面積和鋪砂濃度均相同的情況下，支撐劑的粒徑越大，其數(shù)量就相對較少，單顆支撐劑所承受的壓力就相對較大，所以其嵌入深度也相對較大。而由表2結(jié)果可以看出，隨著支撐劑粒徑的減小，金屬鋼板和頁巖板的導(dǎo)流能力均逐漸減小，且支撐劑粒徑越小，頁巖板相比較金屬鋼板而言導(dǎo)流能力降低的幅度越小，這是由于在其他實驗條件相同的情況下，支撐劑的粒徑越小，其在頁巖板上的嵌入深度就越小，所以由支撐劑嵌入造成的裂縫導(dǎo)流能力下降幅度就越小。

圖2 支撐劑粒徑對嵌入深度的影響

表2 考慮支撐劑嵌入時支撐劑粒徑對導(dǎo)流能力的影響

3.鋪砂濃度

選擇粒徑為20～40目的陶粒作為支撐劑，楊氏模量為20×103MPa的巖樣作為實驗巖板，在閉合壓力為50 MPa的條件下，測定了不同鋪砂濃度條件下支撐劑的嵌入深度和導(dǎo)流能力變化情況，實驗結(jié)果見圖3和表3。

由圖3結(jié)果可知，在相同的實驗條件下，隨著鋪砂濃度的逐漸增大，支撐劑嵌入深度逐漸減小。由表3結(jié)果可知，隨著鋪砂濃度的增大，金屬鋼板和頁巖巖板的導(dǎo)流能力均逐漸增大，且鋪砂濃度越大，頁巖板相比較金屬鋼板而言導(dǎo)流能力降低的幅度就越小，這是由于在較高的鋪砂濃度下，鋪砂層數(shù)相對較多，支撐劑發(fā)生嵌入后，嵌入層占總鋪砂層數(shù)的比例就相對較小，因此，支撐劑嵌入造成導(dǎo)流能力下降的影響就相對較小。

圖3 鋪砂濃度對嵌入深度的影響

表3 考慮支撐劑嵌入時鋪砂濃度對導(dǎo)流能力的影響

4.楊氏模量

選擇粒徑為20～40目的陶粒作為支撐劑，在鋪砂濃度為5 kg/m2、閉合壓力為50 MPa的實驗條件下，評價了巖樣的楊氏模量對支撐劑嵌入深度和導(dǎo)流能力的影響，實驗結(jié)果見圖4和表4。

圖4 楊氏模量對嵌入深度的影響

由圖4結(jié)果可知，在相同的實驗條件下，隨著頁巖巖板楊氏模量的逐漸增大，支撐劑嵌入深度逐漸減小，這是由于巖石的楊氏模量越大，地層巖石越堅硬，在相同的閉合壓力等實驗條件下支撐劑的嵌入深度就越小。而由表4結(jié)果可知，隨著楊氏模量的增大，頁巖巖板的導(dǎo)流能力逐漸增加，且楊氏模量越大，頁巖板相比較金屬鋼板而言導(dǎo)流能力降低的幅度就越小，這是由于頁巖的楊氏模量越大，支撐劑越難嵌入，其嵌入深度就越小，因此，由支撐劑嵌入造成導(dǎo)流能力下降的影響就相對較小。

表4 考慮支撐劑嵌入時楊氏模量對導(dǎo)流能力的影響

5.工作液類型

選擇粒徑為20～40目的陶粒作為支撐劑，楊氏模量為20×103MPa的巖樣作為實驗巖板，在鋪砂濃度為5 kg/m2、閉合壓力為50 MPa的實驗條件下，測定了使用不同類型工作液浸泡24 h后支撐劑嵌入深度和導(dǎo)流能力的變化情況，工作液浸泡溫度為90℃，浸泡壓力為常壓。實驗結(jié)果見圖5和表5。

圖5 工作液類型對嵌入深度的影響

表5 頁巖板經(jīng)過不同工作液浸泡后導(dǎo)流能力變化情況

由圖5結(jié)果可知，頁巖巖板經(jīng)過不同類型的工作液浸泡后，與未浸泡的頁巖巖板相比支撐劑的嵌入深度均有所增大，其中使用清水浸泡后支撐劑的嵌入深度最大，達到了1.44 mm，而使用3%KCl和壓裂返排液浸泡后支撐劑的嵌入深度增幅不大，這是由于使用清水浸泡頁巖巖板后，其中的黏土礦物成分容易吸水膨脹，造成巖板強度下降，從而導(dǎo)致支撐劑容易嵌入，而3%KCl和壓裂返排液能夠起到良好的抑制頁巖水化膨脹的作用，使巖板強度不至于大幅下降，所以支撐劑的嵌入深度變化不大。

由表5結(jié)果可知，使用不同類型工作液浸泡后頁巖巖板的導(dǎo)流能力均比未浸泡時有所降低，其中使用清水浸泡后的頁巖巖板與金屬鋼板相比導(dǎo)流能力下降了73.2%，說明支撐劑嵌入引起了裂縫導(dǎo)流能力的嚴(yán)重下降，而使用3%KCl和壓裂返排液浸泡后的頁巖巖板與金屬鋼板相比導(dǎo)流能力分別下降了48.6%和51.4%，降低幅度與未浸泡時相差不大。因此，在頁巖儲層壓裂施工過程中，應(yīng)保證壓裂液具有良好的防膨性能，以盡可能降低壓裂液浸泡后支撐劑嵌入對裂縫導(dǎo)流能力的影響程度。

三、結(jié)論

(1)閉合壓力越大，支撐劑在頁巖板上的嵌入深度越大，支撐劑嵌入造成裂縫導(dǎo)流能力的下降幅度就越大。

(2)支撐劑嵌入深度隨著支撐劑粒徑的減小、鋪砂濃度的增大以及頁巖楊氏模量的增大而減小，并且支撐劑粒徑越小、鋪砂濃度越大、頁巖楊氏模量越大，支撐劑嵌入造成裂縫導(dǎo)流能力下降的幅度就越小。

(3)頁巖板經(jīng)過清水浸泡后，支撐劑的嵌入深度與未浸泡時相比明顯增大，導(dǎo)流能力明顯降低，而頁巖板使用3%KCl和壓裂返排液浸泡后，支撐劑的嵌入深度與未浸泡時差別不大，且導(dǎo)流能力降低幅度較小。

(4)根據(jù)以上實驗結(jié)果，建議在頁巖儲層壓裂施工過程中，根據(jù)實際地層情況，合理選擇支撐劑粒徑范圍以及鋪砂濃度，以降低支撐劑嵌入的影響。另外，由于頁巖易吸水膨脹，應(yīng)選擇防膨性能良好的壓裂液體系。