縫網結構與流體對頁巖導流能力影響的實驗研究

李鳳霞 黃志文 紀國法 陳少奇 周 彤

(1.中石化石油勘探開發研究院,北京100083;2.長江大學 非常規油氣省部共建協同創新中心,武漢430100;3.長江大學 石油工程學院,武漢430100;4.中石化江漢油田分公司江漢采油廠,湖北 潛江433100)

0 引言

我國頁巖氣儲量豐富,但勘察開采尚處在剛起步階段,現場經驗不足,尋找適合我國頁巖儲層的壓裂技術對我國頁巖氣開采具有重要意義[1]。由于頁巖低孔低滲以及高應力的儲層特性,導致射孔產后產量低,且試采階段產量遞減快。頁巖氣藏的開發一般是通過水平井多段大規模壓裂改造,最大限度地提高水平井筒與儲層的接觸面積,提高儲層動用程度,降低儲層污染,從而達到提高單井產量的目的[2]。頁巖氣商業開發離不開水平井分段體積壓裂技術的進步,目前水平井壓裂技術已成為提高低滲透油藏特別是頁巖油氣藏水平井產量的有效方式之一[3]。實踐表明頁巖氣儲層在進行體積壓裂后,不僅初期產量提高,而且有利于長期穩產[4]。Mayerhofer等[5]研究頁巖壓后裂縫走向及分布形態時首次提出SRV(Stimulated Reservoir Volume)概念,即通過水力壓裂和天然裂直接或間接連通井筒的改造后的油藏體積,為非常規油氣的商業開發提供了理論指導。體積改造后的油氣產量受多重因素影響,其中人工裂縫是壓裂后頁巖氣滲流的重要通道,其導流能力的大小對頁巖累計產氣量影響較大[6]。另外人工裂縫中支撐劑的優選對頁巖氣開采也同樣重要[7],其中要考慮支撐劑的粒徑組成、閉合壓力和壓裂液性質等多種因素影響[8-9]。朱海燕等[10]通過CFD計算了支撐劑與支撐劑空隙中流體的流固耦合作用,開展了裂縫閉合壓力等4個因素對裂縫導流能力的影響規律的研究。

結合頁巖體積改造后形成復雜縫網的特點,通過查閱相關文獻[11-12]可以認識到縫網導流能力對產能影響的重要程度。周雷力等[13]開展了支撐裂縫導流能力的主控因素及其適應性分析評價,形成的裂縫導流能力測試方法能對深層頁巖的壓裂優化設計提供參考。溫慶志等[14]通過建立不同裂縫網絡的物理模型,測試評價縫網導流能力的變化,為縫網導流能力的測試提供參考意義。吳峙穎等[15]針對壓裂過程中多級壓裂裂縫中流量分布規律的研究,研制了多級裂縫系統輸沙模擬實驗裝置,并開展了支撐劑粒徑等因素對縫內流量的影響研究。郭小哲等[16]建立了天然裂縫與人工裂縫縫網的關鍵參數計算方法體系,并設計模型分析了壓裂液用量等5個變量參數對縫網的大小及溝通效果的影響。李劍輝等[17]采用混合物湍流模型,對攜砂液在二維水平井單裂縫和三維水平井分支裂縫中的流動進行了模擬計算。隨著支縫與主縫角度的增大,分支縫主縫中鋪砂范圍逐漸減小。柯西軍等[18]建立了數學模型對具有分支裂縫系統的儲層進行了產能模擬,通過定量描述裂縫的起裂位置、角度和長度來實現裂縫的準確描述。將分支裂縫儲層視為各向異性的非均質儲層,采用中心差分法建立差分方程組,對實際的一口井進行敏感性分析并取得較好的結果。辛翠平等[19]分別采用“水平井+縫網”模型和“水平井+縫網+主裂縫”模型對頁巖氣壓裂水平井的產能進行了研究,發現“水平井+縫網+主裂縫”模型更適合主裂縫明顯的頁巖氣井,并在產量的預測上具有先進性。

上面所述對于縫網結構的研究尚不廣泛。該文采用DLC-II大尺度裂縫導流儀裝置,基于導流槽尺寸,將頁巖巖塊制作成不同的縫網結構,開展縫網形態對裂縫導流能力影響的試驗研究,分析縫網形態對導流能力的影響,為優化縫網結構、提高鋪砂效率、增加產量提供借鑒意義。

1 實驗裝置

為匹配導流槽尺寸,采用線切割技術加工成所需的縫網結構,有30°型、45°型、60°型和90°型4種。預制巖板主縫縫寬、縫高都為0.15 cm,采用較大粒徑支撐劑支撐主裂縫;次生裂縫縫寬、縫高都為0.08 cm,用較小支撐劑支撐次生裂縫。縫網設計結構如圖1所示;90°型縫網結構內容支撐劑鋪設如圖2所示;實驗測試裝置采用DLC-II大尺度裂縫導流儀,裝置外形如圖3所示。

圖1 縫網設計結構圖Fig.1 Structure diagram of fracture net work

圖2 90°型縫網結構支撐劑鋪設實物圖Fig.2 Proppant laying in 90°fracture net work

圖3 實驗裝置外觀圖Fig.3 Diagram of experimental device

2 縫網結構對導流能力的影響分析

2.1 縫網導流能力計算公式

根據實驗方案中所列出的詳細測試步驟,以蒸餾水(黏度1 mPa·s)和滑溜水(黏度2 mPa·s)為測試流體,研究不同縫網結構下導流能力隨閉合壓力的變化過程。在借鑒行業標準《SY/T 6302—2019壓裂支撐劑導流能力測試方法》的基礎上,采用等效理論,把縫網表現出的導流能力等效到主縫導流能力,通過測得縫網(主縫)兩端的流量和壓差,其等效的縫網導流能力計算公式如下:

式中:kf為支撐裂縫網絡所表現的滲透率(難確定),μm2;wf為填充的支撐網絡所表現的支撐劑縫寬(難確定),c m;Q為縫網結構的整體液體流量(可測量),c m3/s;μ為測試流體黏度(可測量),mPa·s;L為縫網結構的主縫長度(可測量),c m;H為縫網結構中主縫高(已知),c m;ΔP為縫網結構進出口壓力差(可測量),0.1 MPa。

2.2 不同縫網結構下的導流能力

為了更深入地研究縫網結構對導流能力的影響,考慮空白實驗,實驗過程增加了一組對比數據,即以蒸餾水為基準測試流體,測試“一”型單縫導流能力。同樣以蒸餾水(黏度1 mPa·s,密度1.000 g/mL)為測試流體,支撐劑組合為1∶1,連續鋪砂。通過改變縫網結構,即設置縫網間夾角為30°型、45°型、60°型和90°型4種類型,分別測試閉合壓力在5 MPa,15 MPa,25 MPa,35 MPa,45 MPa和50 MPa下4種縫網類型各自的導流能力,根據實驗結果繪制圖4。

圖4 不同縫網結構下導流能力隨閉合壓力的變化曲線(蒸餾水)Fig.4 Cur ve diagram of conductivity variation with closing pressure under different fracture net work(test by distilled water)

從圖4中各縫網結構導流能力變化趨勢可知:1)隨著閉合壓力增加,導流能力逐漸下降;2)縫網導流能力遠大于“一”型單縫導流能力,尤其是在較低閉合壓力下(小于35 MPa);3)不同的縫網結構其導流能力亦不相同,30°型縫網導流能力最大,依次遞減,90°型縫網導流能力最小,這是由于次生縫與主縫夾角越小,其流體流通阻力越低,導致導流能力越大;4)在小于30 MPa閉合壓力下,其導流能力隨閉合壓力最大下降速度最快。

2.3 不同流體對縫網導流能力的影響

為了研究不同流體對導流能力的影響,同樣考慮空白實驗,實驗過程增加了一組對比數據,統一采用滑溜水(黏度2 mPa·s,密度0.989 g/mL)為基準測試流體,支撐劑組合為1∶1,連續鋪砂。以“一”型單縫導流能力為參考,設置縫網間夾角為30°型、45°型、60°型和90°型4種類型,分別測試閉合壓力在5 MPa,15 MPa,25 MPa,35 MPa,45 MPa和50 MPa下4種縫網類型各自的導流能力,根據測試結果繪制圖5。

圖5 不同縫網結構下導流能力隨閉合壓力的變化曲線(滑溜水)Fig.5 Curve diagram of conductivity variation with closing pressure under different fracture net work(test by slick water)

圖5中各縫網結構導流能力表現為:1)隨著閉合壓力增加,導流能力逐漸下降;2)不同的縫網結構其導流能力亦不相同,30°型縫網導流能力>45°型縫網導流能力>60°型縫網導流能力>90°型縫網導流能力;3)在小于30 MPa閉合壓力下,其導流能力隨閉合壓力最大下降速度最快。

對比圖4和圖5中曲線數值的變化發現,在采用較高黏度滑溜水測試時其縫網導流能力普遍較低,這說明流體黏度的改變(或者說測試流體不同)會導致縫網導流能力測試結果不同,亦可表述為導流能力雖然是支撐裂縫/支撐縫網的固有性質,但用不同測試流體進行測試時,所表現出的數值不同。因此在室內評價縫網導流能力時,測得的數據只能作為參考,這與文獻[20-21]中研究頁巖氣支撐裂縫縫內氣相導流能力所給出的結論保持一致。

2.4 討論

1)縫網結構對導流能力的影響

通過對比圖4和圖5測試數據可知,不同流體、不同縫網結構在不同閉合壓力下的導流能力及增產倍數是變化的。選取閉合壓力為15 MPa時的導流能力進行對比分析,對比不同縫網結構下導流能力的大小(如圖6所示),可以發現,以“一”型單縫導流能力為對比基準,隨著縫網間角度的變小,縫網導流能力逐漸變大;當閉合壓力為25 MPa時,從圖7中可以看出,以“一”型單縫導流能力為對比基準,隨著縫網間角度的變小,縫網導流能力逐漸變大;如圖8所示,閉合壓力為50 MPa時,以“一”型單縫導流能力為對比基準,同樣的導流能力隨縫網角度的變小而變大。

圖6 閉合壓力為15 MPa時不同縫網結構的導流能力及其增產倍數Fig.6 The conductivity and stimulation multiples of different fracture net work(closing pressure 15 MPa)

圖7 閉合壓力為25 MPa時不同縫網結構的導流能力及其增產倍數Fig.7 The conductivity and stimulation multiples of different fracture net work(closing pressure 25 MPa)

圖8 閉合壓力為50 MPa時不同縫網結構的導流能力及其增產倍數Fig.8 The conductivity and stimulation multiples of different fracture net work(closing pressure 50 MPa)

2)縫網結構對增產倍數的影響

在閉合壓力為15 MPa,25 MPa和50 MPa這3種情況下,增產倍數都隨縫網間角度的變小而變大,且變化范圍分別為4.92～14.28(蒸餾水)和1.92～5.70(滑溜水);3.72～11.58(蒸餾水)和1.55～4.55(滑溜水);1.11～3.02(蒸餾水)和1.20～2.95(滑溜水)。在同一縫網結構下,增產倍數隨著閉合壓力增大而變小。

該實驗說明,不論在何種特定的閉合壓力下,縫網的導流能力和增產倍數是隨著縫網間角度的變大而變小的,且閉合壓力越大其導流能力越小。

3 結論

1)結合DLC-II大尺度裂縫導流儀結構特征,設計了30°型、45°型、60°型和90°型4種不同的縫網結構。

2)基于導流能力等效理論,研究了不同縫網結構下導流能力隨閉合壓力的變化規律:①閉合壓力增加,導流能力下降;②縫網導流能力遠大于“一”型單縫導流能力;③次生縫與主縫夾角越小,其流體流通阻力越低,導致導流能力越大;④在小于30 MPa閉合壓力下,導流能力隨閉合壓力最大下降速度最快。

3)采用較高黏度測試流體進行測試的導流能力數值較低,說明流體黏度改變(測試流體不同)會導致縫網導流能力測試結果不同;通過對比不同流體、不同縫網結構在不同閉合壓力下的導流能力及增產倍數,認為縫網導流能力和增產倍數是隨縫網間角度變大而變小的,且閉合壓力越大其導流能力相差越大。故室內測得的縫網導流能力數據只能作為參考。