石英砂支撐劑長期導(dǎo)流能力變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

趙振峰，王德玉，王廣濤

中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院

0 引言

體積壓裂是致密油、致密氣、頁巖氣等非常規(guī)油氣藏取得效益開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，體積壓裂后的裂縫導(dǎo)流能力直接影響開發(fā)效果[1-3]。水力壓裂后隨著地層應(yīng)力變化，支撐劑導(dǎo)流能力發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，認(rèn)識(shí)支撐劑的長期導(dǎo)流能力變化規(guī)律，有助于優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)、提高現(xiàn)場壓裂施工的針對(duì)性[4-5]。壓裂縫中支撐劑長期導(dǎo)流能力受到地層特征(閉合壓力、巖石物性等)與支撐劑性質(zhì)(類型、粒徑、粒徑組合等)、施工參數(shù)(鋪砂濃度、鋪置模式等)的共同影響[6-8]。郭建春等[9]采用掃描電鏡觀察了支撐劑嵌入巖樣前后的圖片，認(rèn)為支撐劑在骨架顆粒越小的巖石嵌入越少。盧聰?shù)萚10]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了儲(chǔ)層巖石碎屑對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響，發(fā)現(xiàn)巖屑嵌入巖石后易堵塞孔道。孫海成等[11]通過鋼片、砂巖/泥巖巖板對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泥質(zhì)含量越高，支撐劑嵌入程度越高，對(duì)導(dǎo)流能力損害越大。胡智凡等[12]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，支撐劑嵌入程度與閉合應(yīng)力的關(guān)系不呈線性。李超等[13]評(píng)價(jià)了不同礦物成分對(duì)支撐劑嵌入程度的影響。許國慶等[14]建提出了一種冪率模型來表征通道壓裂中支撐劑的嵌入深度。控制體積壓裂成本對(duì)非常規(guī)油氣資源效益開發(fā)尤為重要，因此，采用相對(duì)廉價(jià)的石英砂替代陶粒作為支撐劑是未來發(fā)展趨勢。然而目前對(duì)于石英砂作為支撐劑的長期導(dǎo)流能力的變化規(guī)律與影響因素還缺乏系統(tǒng)研究。

本文通過測試不同條件下裂縫中石英砂長期導(dǎo)流能力，探究鋪砂濃度、閉合壓力、粒徑組合以及鋪置模式等因素對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響，為致密油氣壓裂設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用赤峰支撐劑，該支撐劑符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5108—2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測試方法》中關(guān)于支撐劑性能的要求。設(shè)定三種粒級(jí)，分別為20～40目、40～70目、70～140目,其密度與平均粒徑如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用支撐劑密度與粒徑參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

支撐劑導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)原理及測試裝置見圖1。導(dǎo)流能力測試依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ISO13503-5《支撐劑長期導(dǎo)流能力測定推薦方法》所要求的設(shè)備參數(shù)進(jìn)行配置。試驗(yàn)設(shè)備主要包括：符合API標(biāo)準(zhǔn)的線性流導(dǎo)流室；液壓機(jī)及壓力補(bǔ)償系統(tǒng)；線性位移傳感器；試驗(yàn)液體驅(qū)替系統(tǒng)，包括驅(qū)替泵及脈沖壓力阻尼器等；壓差計(jì)、壓力傳感器；回壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。

圖1 支撐劑導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)原理圖

利用該套設(shè)備開展長期導(dǎo)流能力測試實(shí)驗(yàn)，支撐劑的鋪置濃度設(shè)定為2.5～15 kg/m2，以2.5 kg/m2為間隔；閉合壓力設(shè)定為30～45 MPa，以5 MPa為間隔，并調(diào)整粒徑組合與鋪置模式，探究上述各因素對(duì)導(dǎo)流能力的影響規(guī)律。根據(jù)達(dá)西公式，計(jì)算導(dǎo)流能力：

(1)

式中：P—導(dǎo)流能力，μm2·cm；K—滲透率，μm2；Wf—充填層厚度，cm；Q—流量，cm3/min；μ—流體黏度，mPa·s；Δp—壓降，kPa。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鋪砂濃度

實(shí)驗(yàn)對(duì)比了20～40目、40～70目、70～140目支撐劑在不同鋪砂濃度的情況下在不同閉合壓力時(shí)的長期導(dǎo)流能力變化情況,其中鋪砂濃度為10 kg/m2的石英砂導(dǎo)流能力變化如圖2所示。

圖2 鋪砂濃度為10 kg/m2時(shí)石英砂導(dǎo)流能力變化趨勢圖

分析認(rèn)為，不同粒級(jí)的鋪砂濃度對(duì)長期導(dǎo)流能力的影響機(jī)制幾乎一致：加載初期，導(dǎo)流能力保持在相對(duì)較高的水平，隨著加載時(shí)間的增加以及流體沖蝕作用，支撐劑破碎或運(yùn)移在一定程度上封堵了孔隙空間，使得導(dǎo)流能力逐漸降低，并在一定時(shí)間后趨于平衡，閉合壓力越大，導(dǎo)流能力衰減程度也越大。

以40～70目支撐劑為例，實(shí)驗(yàn)測試了不同鋪砂濃度、不同閉合壓力條件下導(dǎo)流能力的變化趨勢如圖3所示。研究發(fā)現(xiàn)，在本實(shí)驗(yàn)所用巖板及支撐劑條件下，各閉合壓力條件下導(dǎo)流能力隨鋪砂濃度的變化均呈現(xiàn)出先升高再降低的趨勢，隨著閉合壓力的增加，導(dǎo)流能力將在更高的支撐劑濃度下達(dá)到峰值。分析認(rèn)為，在某一閉合壓力條件下，隨著支撐劑鋪砂濃度的升高，參與有效滲流的面積表現(xiàn)出逐漸增加后減小的變化趨勢，因此導(dǎo)致導(dǎo)流能力也表現(xiàn)出類似的特征。由此可知，隨著支撐劑鋪砂濃度的增加，其在裂縫中的作用機(jī)制為“支撐”到“封堵”的演化，現(xiàn)場施工應(yīng)合理根據(jù)壓裂縫規(guī)模及巖石物理特征，合理選擇鋪砂濃度。

圖3 不同閉合壓力下導(dǎo)流能力隨鋪砂濃度變化圖

2.2 閉合應(yīng)力

評(píng)價(jià)了低鋪砂濃度(2.5 kg/m2)和高鋪砂濃度(10 kg/m2)條件下，閉合應(yīng)力對(duì)長期導(dǎo)流能力的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，支撐劑導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力的增大而降低，同一閉合應(yīng)力下，粒級(jí)越低，導(dǎo)流能力越高，在低鋪砂濃度、20～40目粒級(jí)條件下，表現(xiàn)出相反的現(xiàn)象。

圖4 閉合應(yīng)力對(duì)長期導(dǎo)流能力影響圖

分析認(rèn)為，在低鋪砂濃度條件下，對(duì)于20～40目支撐劑，當(dāng)閉合壓力較低時(shí)，支撐劑未發(fā)生破碎，在同等鋪砂濃度條件下，20～40目支撐劑粒徑最大，堆積形成的通道流通性更強(qiáng)，因此其導(dǎo)流能力最高。而隨著閉合應(yīng)力的增大，大粒徑支撐劑更易破碎，破碎后形成的碎屑會(huì)堵塞孔隙，致使其導(dǎo)流能力變差。對(duì)于40～70目、70～140目支撐劑，支撐劑的長期導(dǎo)流能力同樣隨著閉合應(yīng)力的增加而逐漸降低，但是在30～40 MPa閉合應(yīng)力區(qū)間內(nèi)下降較快，當(dāng)閉合應(yīng)力進(jìn)一步增大時(shí)，導(dǎo)流能力下降幅度變緩。因此，對(duì)于低鋪砂濃度、高閉合應(yīng)力的情況，選用細(xì)砂能夠獲得更高的長期導(dǎo)流能力，而對(duì)于閉合應(yīng)力較低的儲(chǔ)層，則可選用中砂以獲得更高導(dǎo)流能力的裂縫。在高鋪砂濃度條件下，在測試的閉合應(yīng)力區(qū)間內(nèi)，支撐劑的長期導(dǎo)流能力同樣隨著閉合應(yīng)力的增加而逐漸降低，并且20～40目支撐劑長期導(dǎo)流能力均高于40～70目和70～140目支撐劑。這是由于該條件下支撐劑破碎率低，20～40目石英砂能夠保持較高的長期導(dǎo)流能力。

2.3 粒徑組合與鋪置模式

對(duì)20～40目、40～70目、70～140目支撐劑按照7∶2∶1、2∶7∶1、1∶2∶7的質(zhì)量比例進(jìn)行粒徑組合，不同粒徑的支撐劑按照比例在導(dǎo)流室內(nèi)正向分段鋪置，測得不同閉合應(yīng)力下長期導(dǎo)流能力結(jié)果如圖5所示。由圖可知，隨著大粒徑支撐劑(20～40目)含量的增加，導(dǎo)流能力也逐漸加大。

圖5 不同粒徑組合下長期導(dǎo)流能力對(duì)比圖

對(duì)優(yōu)選出的粒徑組合比例7∶2∶1采用均勻混合、逆向分段和正向分段三種方式進(jìn)行鋪置，鋪置方式如圖6所示。由圖7可知，逆向分段與均勻混合鋪置模式對(duì)導(dǎo)流能力對(duì)影響不大，且兩種模式下的導(dǎo)流能力均要低于正向分段鋪置模式下的導(dǎo)流能力。因此，進(jìn)行體積壓裂施工時(shí)，為了提高裂縫的復(fù)雜性和支撐劑的攜帶能力，需要配合使用不同粒徑組合。先采用低黏壓裂液攜帶大顆粒石英砂充填縫網(wǎng)，后采用高黏度壓裂液攜帶小顆粒石英砂支撐近井筒裂縫，不僅有助于擴(kuò)大遠(yuǎn)井縫網(wǎng)規(guī)模，同時(shí)可提高近井筒周邊裂縫的導(dǎo)流能力，降低滲流阻力，提高油氣井產(chǎn)能。

圖6 支撐劑在導(dǎo)流室內(nèi)的鋪置方式圖

圖7 導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力變化圖

3 混合鋪置的導(dǎo)流能力預(yù)測數(shù)學(xué)模型

由上述實(shí)驗(yàn)可知，混合正向鋪置能獲得最優(yōu)的導(dǎo)流能力，但預(yù)測石英砂導(dǎo)流能力隨粒徑分級(jí)及組合比例的變化規(guī)律仍是難題。因此，基于Schulz E C提出的經(jīng)驗(yàn)公式[15]，通過簡化參數(shù)以適應(yīng)非線性擬合的需要，得到如下導(dǎo)流能力預(yù)測數(shù)學(xué)模型：

CD=α·e(-0.001βσ)

(2)

其中，α=μ(Xd1max-Yd1min)+η(Xd2max-Yd2min)+ξ(Xd3max-Yd3min)

(3)

β=Pλ2-Qλ+R

(4)

(5)

式中：CD—導(dǎo)流能力，μm2·cm；σ—閉合應(yīng)力，MPa；μ、η、ξ—不同粒級(jí)的支撐劑比例；X、Y、P、Q、R—系數(shù)，用于非線性擬合做參數(shù)標(biāo)定；dmax—最大粒徑，μm；dmin—最小粒徑，μm。

將圖5中不同粒徑組合石英砂支撐劑在不同閉合壓力下的導(dǎo)流能力數(shù)據(jù)代入上述模型，擬合得到參數(shù)值X=0.261、Y=0.801、P=0.869、Q=0.084、R=0.397，模型擬合曲線見圖8。模型擬合參數(shù)在一定程度上反應(yīng)了支撐劑與縫板的本征屬性及其力學(xué)作用關(guān)系，數(shù)值標(biāo)定后可借助該模型進(jìn)一步求取不同粒徑分級(jí)及組合比例下的導(dǎo)流能力。

圖8 混合鋪置的導(dǎo)流能力預(yù)測數(shù)學(xué)模型擬合曲線圖

4 結(jié)論

(1)隨著鋪砂濃度的增加，裂縫導(dǎo)流能力先升高，再降低，其實(shí)質(zhì)是石英砂從“支撐”到“封堵”的演化，現(xiàn)場施工應(yīng)結(jié)合壓裂參數(shù)與巖石物理特征，優(yōu)選最佳鋪砂濃度。

(2)裂縫導(dǎo)流能力由儲(chǔ)層閉合壓力與支撐劑物性特征等因素共同制約，大粒徑石英砂在高閉合壓力下易破碎堵塞流道。低鋪砂濃度條件下，在高閉合壓力儲(chǔ)層優(yōu)選細(xì)砂，在低閉合壓力儲(chǔ)層優(yōu)選中砂或粗砂，以獲得更高的導(dǎo)流能力。

(3)在不同粒徑組合與鋪置模式下，隨著大粒徑石英砂含量的增加，導(dǎo)流能力逐漸增強(qiáng)，正向分段鋪置始終保持最高的導(dǎo)流能力。現(xiàn)場施工考慮多級(jí)泵送壓裂液時(shí)，應(yīng)先采用低黏度壓裂液泵送大粒徑石英砂，后采用高黏度壓裂液泵送小粒徑石英砂，具體粒徑分級(jí)及組合比例可借助文中模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。