不同粒徑組合支撐劑對致密砂巖儲層導流能力的影響

祝華軍，趙 峰

（西南石油大學 地球科學與技術學院，四川成都 610500）

面對低滲透致密砂巖氣藏流動孔喉半徑小、滲透率低、自然產能低以及注水開發困難等特點，在進行水力加砂壓裂儲層改造時，對壓裂液、支撐劑的要求也越來越高，以確保壓裂改造后的儲層具有比較高的導流能力，進而提高致密砂巖氣藏的后期采收率[1]。

近年來，國內學者針對裂縫中支撐劑的短期導流能力、長期導流能力變化規律以及導流能力影響因素等方面進行了大量的研究[2]，但在致密砂巖儲層壓裂方面，針對不同粒徑組合支撐劑對導流能力的研究較少。本工作以四川盆地某區塊須家河組致密砂巖為實驗對象，開展不同類型、粒徑、比例的支撐劑裂縫導流能力實驗，優選出適合致密砂巖的支撐劑組合方案，為致密砂巖壓裂設計提供實驗依據和技術參考。

1 致密砂巖巖石特征

實驗巖板是取自四川盆地某區塊須家河組氣藏致密砂巖，巖石類型是巖屑石英砂巖和巖屑砂巖，黏土礦物發育，主要有高嶺石、綠泥石［圖1（a）］。巖石的儲集空間主要有原生粒間孔、粒間溶孔、粒內溶孔、晶間孔［圖1（b）］。巖心孔隙度為3.59%~8.02%，平均5.78%；氣測滲透率為0.017~0.455mD，平均0.171mD，屬于中低孔低滲致密砂巖。

圖1 巖心照片

為排除巖板對裂縫導流能力影響，測試40/70目陶粒、70/140目石英砂不同粒徑組合（1∶1，5∶1，10∶1）以及30/50目陶粒、70/140目石英砂不同粒徑組合（1∶1，5∶1，10∶1）在閉合應力為45MPa，鋪砂濃度5kg/m2，持荷時間為10h條件下的支撐劑嵌入深度。根據嵌入實驗結果，發現平均嵌入深度很小，在0.016~0.036mm，不足以影響裂縫的導流能力。

2 實驗設備及準備

2.1 實驗儀器

實驗使用NF-3型支撐劑裂縫導流能力測試儀，該測試系統可以模擬地層閉合壓力120MPa以下、各類支撐劑在氣測和液測不同情況下支撐劑的導流能力。設備閉合應力加載速率為1MPa/min，實驗溫度90℃以下，測量裂縫寬度為（15±0.05）mm，導流能力測試實驗周期0~360h。

2.2 實驗材料

支撐劑是某廠家覆膜陶粒支撐劑，粒徑分別為30/50目，40/70目，以及四川盆地某區塊壓裂常用70/140目石英砂支撐劑，石英砂和陶粒強度分別是35MPa、69MPa。實驗巖板是取自四川盆地某區塊須家河組致密砂巖全直徑天然巖心。

3 實驗原理及方案

3.1 實驗原理

實驗儀器工作原理遵循達西定律：

式中，Ko為支撐劑裂縫滲透率，μm2；Qo為裂縫內流量，cm3/s；μ為實驗氣體黏度，mPa·s；L為測試段長度，cm；W為填充層寬度，cm；Wf為填充層厚度，cm；p1為進口壓力，kPa；p2為出口壓力，kPa。

3.2 實驗方案

測試石英砂和陶粒不同粒徑組合在不同閉合壓力 條 件 下（4.1MPa、11MPA、17.9MPa、24.8MPa、31.7MPa、38.6MPa、45.5MPa逐級升高加載），鋪砂濃度5kg/m2下巖板短期導流能力，實驗溫度為常溫，實驗測試介質為氮氣。

3.3 實驗步驟

①準備好膠圈和巖板；②清理導流室，更換導流室內側的濾網，安裝濾網使之與內表面到一個平面；③將膠圈套于上下活塞，膠圈可以涂抹凡士林，下活塞垂直壓入導流室；④放入下巖板，加入已稱量好的支撐劑，刮平；⑤用膠帶將上巖板水平放入導流室；⑥將上活塞垂直壓入導流室；⑦將組裝好的導流室放入液壓機承壓平臺并連接相應管線。

4 實驗結果及分析

4.1 石英砂和陶粒支撐劑單一粒徑導流能力測試 實驗

將70/140目石英砂、40/70目陶粒和30/50目陶粒分別單獨進行一組支撐裂縫導流能力實驗，閉合應力按4.1MPa、11MPA、17.9MPa、24.8MPa、31.7MPa、38.6MPa、45.5MPa逐級升高。從圖2分析得出：隨著閉合壓力的增加，導流能力下降；30/50目陶粒的鋼板導流能力最好，其次是40/70目陶粒，70/140目石英砂鋼板導流能力最差，只有3.6D·cm；70/140目石英砂和40/70目陶粒的導流能力下降幅度不大，閉合壓力大于20MPa后，導流能力基本不變。

圖2 石英砂和陶粒支撐劑單一粒徑導流能力-閉合應力曲線

4.2 70/140目石英砂與40/70目陶粒不同比例組合導流能力測試實驗

采用70/140目石英砂與40/70目陶粒按1∶1，1∶5，1∶10的比例混合分別完成3組壓裂支撐劑導流能力測試（圖3）。在閉合壓力作用下，支撐劑會受到擠壓和發生一定程度的破碎，擠壓變形以及破碎后的碎屑充填空隙，使得空隙減小，導致其流動能力變差，導流能力下降。三組實驗的導流能力都隨閉合壓力的增加而下降。在閉合壓力是45.5MPa的條件下，70/140目石英砂與40/70目陶粒比例1∶1的導流能力最小，最高的是70/140目石英砂與40/70目陶粒比例1∶10的導流能力，表明隨著40/70目陶粒的增加，導流能力上升。

圖3 不同比例組合導流能力-閉合應力曲線

4.3 70/140目石英砂與30/50目陶粒不同比例組合導流能力測試實驗

采用70/140目石英砂與30/50目陶粒按1∶1，1∶5，1∶10的比例混合分別完成3組壓裂支撐劑導流能力測試（圖4），從圖4可以發現，導流能力隨閉合壓力的增加而下降，在閉合壓力是45.5MPa的條件下，70/140目石英砂與30/50目陶粒比例1∶1的導流能力也是最小，逐步穩定在115.6D·cm，比例1∶5和1∶10基本相同均在131D·cm。還可以發現比例為1∶1的組合在各個閉合壓力下都小于1∶5和1∶10的導流能力，而1∶5和1∶10的導流能力在閉合壓力大于25MPa之后，兩種比例的導流能力基本一致，表明導流能力不會隨30/50目陶粒數量的增加而增加。

圖4 不同比例組合導流能力-閉合應力曲線

對比圖2和圖3可以看出，當組合比例相同，石英砂粒徑不變，陶粒粒徑大的要比粒徑小的導流能力好，可能原因是陶粒粒徑大，堆積形成的孔隙越大，雖然石英砂會充填空隙，導致空隙減小，導流能力下降，但30/50目陶粒堆積的空隙要比40/70目陶粒堆積的空隙大，則在石英砂充填后，保留下的空隙要比40/70目的多，所以相同比例下，陶粒粒徑大的導流能力好。

4.4 70/140目石英砂、40/70目陶粒、30/50目陶粒不同比例組合導流能力測試實驗

將70/140目石英砂、40/70目陶粒和30/50目陶粒按1∶2∶2和1∶2∶7的比例采用混合砂方式進行實驗。從圖5可以看出，隨著閉合壓力的增加，導流能力下降，比例1∶2∶2和1∶2∶7的導流能力下降幅度不大；混合粒徑鋪砂的導流能力要比從左往右和從下往上鋪砂的導流能力要小，可能的原因是混合鋪砂方式中，粒徑小的石英砂充填了陶粒之間的空隙，導致空隙減小，導流能力下降，其次比例1∶2∶2的導流能力要比1∶2∶7的導流能力差，可能原因是30/50目陶粒數量增加，則空隙增多，導致導流能力增加；在45.5MPa的閉合壓力下，70/140目石英砂、40/70目陶粒、30/50目陶粒比例為1∶2∶2的導流能力在38·4D·cm，比例為1∶2∶7的導流能力在 49.9D·cm。

圖5 三種不同比例組合導流能力-閉合應力曲線

5 結論

1）不同類型和粒徑的支撐劑會對導流能力產生影響。陶粒的抗壓強度高于石英砂，所以陶粒的導流能力比石英砂好；陶粒的目數越大，導流能力越強。在45MPa的閉合應力下，30/50目陶粒的導流能力是40/70目的2倍。

2）當石英砂和陶粒粒徑相同，比例不同時，在相同閉合應力條件下，隨著陶粒數量的增加，導流能力上升；當組合比例相同，石英砂粒徑不變，陶粒粒徑大的比粒徑小的導流能力好，可能原因是陶粒粒徑越大，堆積形成的孔隙越大，石英砂充填后剩余孔隙體積越大，導流能力就越好。

3）三種不同粒徑的石英砂和陶粒組合的導流能力要比兩種組合的導流能力差一些，可能是三種粒徑組合堆積形成的孔隙體積要比兩種不同粒徑組合堆積形成的孔隙體積小，所以導流能力差些。但是三種不同粒徑的石英砂和陶粒組合的導流能力隨著閉合應力的增加，導流能力變化幅度越小，趨于穩定，會更適用到實際情況中。