大慶泥頁巖儲層支撐劑嵌入導流能力實驗研究

杜輝，范克明，吳晨宇，石勝男，王力，李慶松

1.中國石油大慶油田有限責任公司采油工藝研究院（黑龍江 大慶 163453）2.黑龍江省油氣藏增產增注重點實驗室（黑龍江 大慶 163453）

0 引言

近年來，石油工業界對頁巖發育區開展了大量油氣勘探工作[1]，隨著我國多個盆地頁巖儲層內相繼產出工業油流，頁巖油已成為我國現實的資源接替領域[2-5]。與常規儲層相比，泥頁巖具有非均質性強、孔喉尺寸小、孔隙結構復雜等特點[6-8]，通過壓裂形成人工裂縫時[9]，支撐劑易發生嵌入使人工裂縫導流能力變差[10-13]。目前，國內外學者對裂縫內支撐劑嵌入、運移規律及導流能力評價的研究較多，但有關納米級孔隙頁巖的支撐劑相關探究較少，因此，有必要開展適用于大慶泥頁巖儲層支撐劑的針對性研究，實現支撐劑嵌入對壓裂裂縫導流能力影響的量化評價[14-17]。

本文研究對象為大慶泥頁巖儲層巖心樣品，使用石英砂、覆膜砂為支撐劑，分析支撐劑類型與粒徑、鋪砂濃度、閉合壓力等對支撐劑嵌入程度和導流能力的影響，為該儲層壓裂方案優化及參數設計提供一定依據。

1 支撐劑嵌入程度及導流能力測試實驗

實驗對巖心樣品進行線切割以模擬地層裂縫形態，得到劈裂后的樣品，將不同類型、不同粒徑的支撐劑鋪置其上，進行加壓嵌入。使用三維形貌光學掃描儀對加壓后的嵌入程度、裂縫寬度及嵌入徑深分析，不同支撐劑的嵌入導流能力利用導流能力測定儀進行實驗對比。在裂縫中填充不同粒徑組合的支撐劑，以期維持裂縫具有更高的導流能力，探究不同閉合應力下的最優支撐劑組合，提高壓裂設計針對性。

1.1 實驗原理

利用達西定律的基本原理進行支撐劑導流能力測試，支撐劑滲透率的計算公式為：

導流能力可以進一步表達為：

式中：kfw為支撐裂縫的導流能力，μm2·cm；kf為支撐裂縫的滲透率，μm2；w為裂縫寬度，cm；A為支撐裂縫的橫截面面積，cm2；L為壓差傳感器取壓孔之間的距離，cm；P1為上游壓力，MPa；P2為下游壓力，MPa；Q為流量，cm2/s；W為支撐劑層的厚度，cm；μ為測試流體的黏度，mPa·s。

1.2 實驗方案及流程

首先進行支撐劑的嵌入程度分析，選用40/70目石英砂及覆膜砂支撐劑單層鋪砂在天然巖心柱子上，設置不同的閉合壓力進行加壓，巖心編號及實驗條件見表1，加壓后嵌入支撐劑的巖心如圖1所示。

圖1 支撐劑嵌入后的巖心圖

表1 嵌入實驗方案

加壓后的支撐劑嵌入程度分析采用的是光學掃描儀，如圖2所示，裂縫面的表面形貌及特征可被該儀器完整地掃描出，進而對比分析不同支撐劑的嵌入徑深、裂縫寬度及嵌入程度。為探究支撐劑的嵌入程度對導流能力的影響，實驗制備全直徑天然巖心切割巖板，使用相同尺寸的鋼板作為對比實驗，在模具內填置相應的支撐劑，用刮板將支撐劑鋪平，設置一定的鋪砂濃度，在導流室內放入帶密封圈的上活塞，將導流室放在加壓裝置中央，實驗裝置如圖3 所示。在室溫24 ℃條件下，流體采用2%濃度的KCl 溶液，支撐劑選用40/70、70/140 目的石英砂，逐一對頁巖巖板以及鋼板進行分級加壓，每增加一個壓力值停泵穩壓3 min，用計算機采集測定液體通過量Q、充填寬度w和相應壓差△P，通過計算得到導流能力值kfw。實驗方案見表2。

圖2 三維形貌光學掃描儀

圖3 導流能力測試儀

表2 巖板導流能力實驗方案

為了使裂縫的導流能力維持在更高的水平，設置支撐劑不同粒徑組合比例分別為1∶6∶3，6∶4，8∶2，將小粒徑支撐劑鋪置于裂縫前端，用來支撐微裂縫；中等粒徑支撐劑鋪置于裂縫中部，用以起到主要支撐作用；在縫口位置鋪置大粒徑支撐劑用來支撐縫口。鋪置方式如圖4 所示，探究支撐劑的不同粒徑組合對導流能力的影響情況，實驗方案見表3。

圖4 支撐劑鋪置方式

表3 組合粒徑導流能力實驗方案

2 實驗結果及分析

2.1 支撐劑在不同壓力下的嵌入程度

選擇了40/70 目的石英砂與覆膜砂，在閉合壓力30、40、50、60 MPa 條件下，測定支撐劑的嵌入深度情況，實驗結果分別如圖5～圖8所示。

圖5 閉合壓力30 MPa下巖心1-1與巖心2-1支撐劑嵌入情況

圖6 閉合壓力40 MPa下巖心1-2與巖心2-2支撐劑嵌入情況

圖7 閉合壓力50 MPa下巖心1-3與巖心2-3支撐劑嵌入情況

圖8 閉合壓力60 MPa下巖心1-4與巖心2-4支撐劑嵌入情況

從圖5～圖8中可以看出，整體縫寬上覆膜砂與石英砂差別存在公共區域，在相同縫寬下，覆膜砂的監測點數要遠高于石英砂的監測點數，說明覆膜砂整體形成的縫寬略大些。30 MPa下，覆膜砂總體嵌入徑深介于0.020～0.032 mm分布，石英砂總體嵌入徑深介于0.020～0.050 mm分布，但大于0.025 mm比例較小。40 MPa 下，覆膜砂總體嵌入徑深介于0.021～0.035 mm 分布，石英砂總體嵌入徑深介于0.021～0.037 mm 分布，從平均的嵌入徑深來看，并未有明顯的差別。50 MPa下，覆膜砂總體嵌入徑深介于0.023～0.038 mm分布，石英砂總體嵌入徑深介于0.023～0.033 mm 分布。60 MPa 下，覆膜砂總體嵌入徑深介于0.02～0.05 mm分布，石英砂總體嵌入徑深介于0.02～0.03 mm分布。

通過對嵌入后覆膜砂與石英砂樣品觀察發現，覆膜砂破碎率較低，石英砂有破碎，主要是大顆粒破碎。通過對不同閉合壓力下覆膜砂和石英砂比較發現，隨著閉合壓力的增大，嵌入深度也增大，在60 MPa時，嵌入深度可達到0.073 mm。覆膜砂的總體嵌入深度與石英砂相當，在一定程度上，石英砂可代替覆膜砂。

2.2 不同支撐劑嵌入對導流能力的影響研究

將鋪砂濃度設置為10 kg/m2，閉合壓力選擇30、40、50、60 MPa，測定鋼板導流能力。由于支撐劑的硬度遠小于鋼板的硬度，利用鋼板做實驗不會出現嵌入現象，因此可以借鑒鋼板實驗的結果來比較巖板中支撐劑的嵌入情況。

從圖9中可以看出，隨閉合壓力的增加，支撐劑裂縫的導流能力下降，閉合壓力越高，導流能力變化曲線越平緩。石英砂40/70目在閉合壓力60 MPa時導流能力與50 MPa時的導流能力比較接近，該實驗結果的成因是支撐劑粒徑較大，在高閉合壓力下，支撐劑破碎堵塞通道導致導流能力變小。石英砂70/140目導流能力較小，雖然可以滿足抗高閉合壓力，但由于粒徑較小，不能提供足夠的裂縫導流能力。

圖9 鋼板條件下支撐劑導流能力

設置鋪砂濃度為8、10、12 kg/m2，在30、40、50、60 MPa 閉合壓力下，逐一對頁巖巖板進行多組實驗，對比各組實驗，數據整理如圖10～圖12所示。

圖11 不同閉合壓力下鋪砂濃度10 kg/m2的支撐劑導流能力

圖12 不同閉合壓力下鋪砂濃度12 kg/m2的支撐劑導流能力

從圖10～圖12 中可以看出，在閉合壓力較低時，不同粒徑支撐劑的導流能力差別較大，導流能力隨粒徑的增大而升高。不同粒徑支撐劑的導流能力隨著閉合壓力增加逐步趨于相同。分析可知，大粒徑支撐劑在閉合壓力較低時，孔隙也比較大，更有利于流體的通過，而粒徑小的支撐劑，孔隙小，流體通過有一定的難度，導流能力相應降低。支撐劑鋪層隨閉合壓力增加而被壓實，在閉合壓力作用下，支撐劑嵌入巖石壁面；在相同條件下，大粒徑支撐劑比小粒徑支撐劑更容易嵌入壁面。隨著實驗時間的增加，支撐劑變形更明顯，嵌入程度更加深入，大粒徑支撐劑逐漸失去實驗開始時的優勢。當閉合壓力繼續增大時，導流能力曲線趨于平穩，小粒徑支撐劑的導流能力弱于大粒徑支撐劑的導流能力。

由不同閉合壓力下時間與導流能力的變化關系圖可知，隨著閉合壓力的增大，嵌入和導流能力均發生不同程度的降低。導流能力降低過程分為3個階段：在0～10 h內導流值降低快，而隨著時間的降低速率變慢；超過30 h 后，導流能力基本達到穩態，此時導流能力保持在一個恒定值，說明在閉合壓力下支撐劑的嵌入和變形基本達到穩定狀態，顆粒間形態穩固，因此流動通道變化較小。閉合壓力越大，導流能力越小，但導流能力隨不同閉合壓力變化達到穩態的時間基本相同。

在閉合壓力較低時，導流能力受支撐劑的鋪砂濃度影響較大，較高的鋪砂濃度可以保證支撐劑具有較好的導流能力。閉合壓力不斷增加，縮小了支撐劑鋪砂濃度對導流能力的影響。主要因為鋪砂濃度越大，支撐劑鋪層數就越多，導致初始縫寬和導流能力都增大。支撐劑鋪層隨著閉合壓力的增加慢慢被壓實，之后嵌入實驗巖板，鋪砂濃度越低，鋪砂總層數越少，支撐劑嵌入后，嵌入層所占比例越大，其影響也就比高鋪砂濃度更大。

支撐劑的嵌入程度隨鋪砂濃度的增加而顯著降低。壓裂現場進行施工作業時，為了降低支撐劑嵌入帶來的影響，綜合考慮施工成本等因素，可通過高鋪砂濃度來保證裂縫具有良好的導流能力，改善壓裂效果。

2.3 組合粒徑導流能力實驗結果

將鋪砂濃度設置為10 kg/m2，閉合壓力選擇30、40、50、60 MPa條件下，測定不同粒徑組合1∶6∶3，6∶4，8∶2支撐劑的巖板導流能力，實驗結果如圖13所示。

圖13 不同閉合壓力下鋪砂濃度10 kg/m2的巖板導流能力

由圖13 可知，30 MPa 低閉合壓力下，組合粒徑導流能力相差較大，覆膜砂6∶4 導流能力較好，40 MPa 條件下，石英砂1∶6∶3 可以代替覆膜砂8∶2 比例，60 MPa高閉合壓力下，石英砂1∶6∶3與覆膜砂組合粒徑導流能力相差較小。實驗表明，使用組合粒徑的支撐劑可有效提高裂縫導流能力。

3 結論

1）當其他條件不變時，支撐劑嵌入程度和變形量隨著閉合壓力的增加而增大，裂縫寬度和導流能力則隨閉合壓力的增加而減小。

2）在低閉合壓力下，導流能力隨支撐劑粒徑的增加而增大。閉合壓力不斷升高，支撐劑導流能力受粒徑大小的影響也越低。

3）導流能力隨時間降低過程中，在0～10 h內導流值降低快；而隨著時間的降低速率變慢，超過30 h后，導流能力基本達到穩態，顆粒間形態穩固，流動通道變化較小。

4）在低閉合壓力下，導流能力隨鋪砂濃度的增加而增大。隨著閉合壓力增加，支撐劑導流能力受鋪砂濃度的影響也降低。