多級(jí)加砂各級(jí)支撐劑接觸對(duì)導(dǎo)流能力的影響

章思鵬，許明勇，宋菊香，居迎軍，李攀

1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院（陜西西安 710065）

2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第六采油廠（陜西定邊 718606）

3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠（內(nèi)蒙古烏審旗 017300）

0 引言

隨著常規(guī)油氣藏的不斷開(kāi)采，非常規(guī)油氣藏的開(kāi)發(fā)開(kāi)采也已受到關(guān)注，非常規(guī)油氣藏的開(kāi)發(fā)過(guò)程離不開(kāi)壓裂改造，壓裂改造是以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)縫為目標(biāo)。隨著勘探開(kāi)發(fā)的深入，鉆遇大厚度的油氣藏更多，對(duì)于此類儲(chǔ)層多級(jí)加砂具有良好的裂縫縱向延展和長(zhǎng)度，可有效提高裂縫導(dǎo)流能力，對(duì)于低滲透油氣藏具有較好的增產(chǎn)效果[1-5]。

多級(jí)加砂與傳統(tǒng)的加砂相比，其裂縫寬度更大，鋪墊效率更高。多級(jí)加砂是將設(shè)計(jì)的總砂量多次泵入儲(chǔ)層，第一級(jí)壓裂結(jié)束后停泵，支撐劑沉降，之后裂縫閉合，然后進(jìn)行下一級(jí)壓裂，一級(jí)一級(jí)鋪置。多級(jí)加砂每一級(jí)支撐劑會(huì)覆蓋上一級(jí)支撐劑向裂縫深處延展。宋紫玥[6]提出多級(jí)加砂加砂級(jí)數(shù)與裂縫導(dǎo)流能力呈現(xiàn)出加砂級(jí)數(shù)越多，裂縫縫長(zhǎng)、縫高和導(dǎo)流能力都在增加。張潦源[7]通過(guò)對(duì)支撐劑近井帶充填和分支縫支撐效果進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)支撐劑支撐效果的最優(yōu)方案是先充填小粒徑的支撐劑后充填大粒徑的支撐劑，可以使分支縫具有較好的運(yùn)移能力。

本文在對(duì)多級(jí)鋪砂砂堤形態(tài)認(rèn)知的基礎(chǔ)上，對(duì)其在近井地帶各級(jí)支撐劑之間的縱向接觸、橫向接觸和混和鋪置3 種接觸方式進(jìn)行測(cè)試，明確其在不同閉合壓力下對(duì)多級(jí)壓裂裂縫導(dǎo)流能力的影響。采用API 標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)流室，氮?dú)饽M天然氣在閉合壓力下的氣相流動(dòng)，測(cè)試裂縫導(dǎo)流能力，該實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)知對(duì)揭示多級(jí)加砂各級(jí)支撐劑不同接觸方式對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響規(guī)律，對(duì)完善多級(jí)加砂壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的理論價(jià)值[8-12]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)所用儀器為根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的裂縫導(dǎo)流能力系統(tǒng)，主要由平流泵、導(dǎo)流室、氣體流量計(jì)、壓差傳感器和液壓機(jī)構(gòu)成，可以模擬地層條件，對(duì)不同類型支撐劑進(jìn)行裂縫導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)。儀器最高實(shí)驗(yàn)溫度120 ℃，最大閉合壓力120 MPa。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)圖1所示多級(jí)加砂壓裂二級(jí)壓裂支撐劑會(huì)覆蓋一級(jí)壓裂支撐劑，從而在裂縫中呈現(xiàn)出兩種接觸方式，一二級(jí)支撐劑延裂縫延展垂線方向的縱向接觸和一二級(jí)支撐劑延裂縫方向的橫向接觸，以及一二級(jí)支撐劑發(fā)生混合的混合加砂。

圖1 多級(jí)加砂壓裂縱向接觸和橫向接觸示意圖

根據(jù)線性流達(dá)西公式，氣體滲透率測(cè)定公式如下：

式中：K為支撐裂縫滲透率，μm2；Q為裂縫內(nèi)流量，cm3/s；μ為流體黏度，mPa·s；L為測(cè)試段長(zhǎng)度，cm；A為支撐裂縫截面積，cm2；T為導(dǎo)流室溫度，℃；P0為大氣壓，MPa；P1為入口壓力，MPa；P2為出口壓力，MPa。

根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)將導(dǎo)流室數(shù)據(jù)與公式中參數(shù)進(jìn)行置換，支撐劑裂縫導(dǎo)流能力計(jì)算公式變?yōu)椋?/p>

式中：KWf為導(dǎo)流能力，μm2·cm。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料

1）支撐劑：20～40目石英砂、40～70目石英砂、20～40 目陶粒、40～70 目陶粒和70～140 目陶粒5種支撐劑。

2）實(shí)驗(yàn)流體：N2。

1.4 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中閉合壓力分別加載6.9、13.8、27.6、41.4、55.2 MPa。

1.5 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)支撐劑各級(jí)鋪置不同支撐劑類型、不同支撐劑目數(shù)和不同鋪砂濃度，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)共14組。鋪砂濃度總濃度為10 kg/m2,各級(jí)鋪砂濃度分別為2.5、5.0、7.5 kg/m2。支撐劑小粒徑和大粒徑之比分別為1∶3、1∶1和3∶1。

根據(jù)圖2 示意的鋪置方法，在導(dǎo)流室中充填支撐劑，根據(jù)一級(jí)加砂和二級(jí)加砂的次序依次加入支撐劑，每次加入支撐劑用刮板刮平整，使支撐劑分層均勻。使用氣體流量計(jì)使N2以穩(wěn)定的流速通過(guò)導(dǎo)流室，逐漸增加閉合壓力，得到不同閉合壓力下的支撐劑裂縫導(dǎo)流能力變化曲線。通過(guò)改變支撐劑類型，進(jìn)行單級(jí)支撐劑鋪置、混合支撐劑鋪置、支撐劑橫向接觸和支撐劑縱向接觸，得到裂縫在不同閉合壓力下的不同裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，得到不同實(shí)驗(yàn)條件下隨閉合壓力變化的裂縫導(dǎo)流能力結(jié)果曲線，比較曲線的變化，分析各因素對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響。

圖2 多級(jí)加砂壓裂3種接觸方式示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

多級(jí)加砂各級(jí)支撐劑會(huì)呈現(xiàn)出隨著加砂級(jí)數(shù)的增加，覆蓋上一級(jí)加砂的支撐劑，各級(jí)支撐劑之間會(huì)出現(xiàn)3種接觸方式：縱向接觸、橫向接觸和混合加砂，接觸方式如圖1 所示。根據(jù)3 種接觸方式及上述實(shí)驗(yàn)方案，開(kāi)展不同支撐劑鋪置狀態(tài)的裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)縱向接觸、橫向接觸和混合加砂3種接觸方式不同閉合壓力下的裂縫導(dǎo)流能力進(jìn)行分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 支撐劑縱向接觸鋪置對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響

根據(jù)圖1示意一級(jí)加砂支撐劑先在裂縫中沉降，二級(jí)加砂的支撐劑再沉降覆蓋一級(jí)加砂支撐劑。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中縱向接觸是先將一級(jí)加砂支撐劑鋪置導(dǎo)流室，再將二級(jí)加砂支撐劑鋪置導(dǎo)流室，使導(dǎo)流內(nèi)支撐劑變?yōu)閮蓪又蝿?，?shí)驗(yàn)具體方案見(jiàn)表1。

表1 縱向接觸實(shí)驗(yàn)方案

2.1.1 小粒徑和大粒徑組合對(duì)縱向接觸的影響

多級(jí)加砂會(huì)在井筒周圍鋪置小粒徑支撐劑，可以提高抗壓能力，防止裂縫閉合，并且小粒徑支撐劑可以遮擋部分應(yīng)力，使井筒周圍具有良好的抗壓能力和導(dǎo)流能力。

由圖3 可知，在總鋪砂濃度為10 kg/m2的情況下，大粒徑支撐劑的鋪砂濃度越高裂縫導(dǎo)流能力越大，大粒徑支撐劑之間的孔隙大氣體更容易流動(dòng)，因此其裂縫導(dǎo)流能力大。隨著閉合壓力的增加，幾組實(shí)驗(yàn)在55.2 MPa 閉合壓力下的導(dǎo)流能力差別不大，閉合壓力過(guò)高時(shí)支撐劑破碎將孔隙堵塞，導(dǎo)致支撐劑在高閉合壓力下裂縫導(dǎo)流能力區(qū)別不大。由于鋪置小粒徑支撐劑可以遮擋部分裂縫閉合的應(yīng)力，小粒徑和大粒徑石英砂支撐劑鋪砂濃度比例為1∶3 時(shí)，其裂縫導(dǎo)流能力略低于大粒徑石英砂支撐劑，且大于其余各比例鋪砂濃度的石英砂支撐劑，由于總鋪砂濃度一定，小粒徑支撐劑鋪砂濃度越高其導(dǎo)流能力越低，鋪置部分的小粒徑支撐劑遮擋部分應(yīng)力，對(duì)裂縫導(dǎo)流能力影響較小。

圖3 不同閉合壓力下小粒徑大粒徑縱向接觸組合導(dǎo)流能力變化圖

二級(jí)加砂為20～40 目的大粒徑陶粒支撐劑時(shí)裂縫導(dǎo)流能力相對(duì)于石英砂支撐劑裂縫導(dǎo)流能力更好。由于陶粒具有更強(qiáng)的抗壓能力，對(duì)于裂縫的支撐效果更好，使導(dǎo)流能力在低閉合壓力下增長(zhǎng)了40%，在高閉合壓力下增長(zhǎng)了10%。多級(jí)加砂支撐劑縱向接觸，想要獲得較好的抗壓能力和導(dǎo)流能力，小粒徑支撐劑和大粒徑支撐劑的比例在1∶3 時(shí)具有較好的抗壓能力和較高的導(dǎo)流能力。

2.1.2 大粒徑對(duì)縱向接觸的影響

多級(jí)加砂壓裂裂縫能獲得更好的縫寬和縫長(zhǎng)，支撐劑更深入裂縫，對(duì)于裂縫深處各級(jí)支撐劑縱向接觸對(duì)導(dǎo)流能力的影響，采用大粒徑支撐劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

從圖4 可以看出，多級(jí)加砂均采用大粒徑支撐劑，在低閉合壓力下裂縫導(dǎo)流能力更高，閉合壓力在10 MPa左右時(shí)其裂縫導(dǎo)流能力均在200 μm2·cm，閉合壓力在30 MPa以下可以保持較高的導(dǎo)流能力，這是因?yàn)榇罅街蝿┑目紫犊臻g更大，流體在孔隙中更容易流動(dòng)。在高閉合壓力下裂縫導(dǎo)流能力也大于小粒徑和大粒徑組合的方式，由于測(cè)試的是短期導(dǎo)流能力大粒徑支撐劑破碎較少，裂縫支撐效果更好。

圖4 大粒徑組合導(dǎo)流能力隨閉合壓力變化圖

若采用大粒徑支撐劑，隨著石英砂支撐劑占比的逐漸提高，其導(dǎo)流能力在低閉合壓力下下降較緩，這是因?yàn)樘樟Ｖ蝿┛箟耗芰Ω鼜?qiáng)，抗壓能力較弱的石英砂支撐劑破碎堵塞孔隙導(dǎo)致導(dǎo)流能力下降，石英砂支撐劑占比越高，其破碎越多，堵塞孔隙越嚴(yán)重。與圖3對(duì)比石英砂支撐劑從小粒徑40～70 目換成20～40 目，其導(dǎo)流能力增加約1 倍，其支撐效果更強(qiáng)。大粒徑支撐劑中石英砂和陶粒支撐劑不同比例鋪置在40 MPa 以上的閉合壓力下差別不大，略高于純石英砂支撐劑。

2.2 支撐劑橫向接觸鋪置對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響

根據(jù)圖1示意一級(jí)加砂支撐劑先在井筒周圍沉降，二級(jí)加砂支撐劑深入裂縫沉降。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中橫向接觸是先將一級(jí)加砂支撐劑鋪置導(dǎo)流室的出口處，再將二級(jí)加砂支撐劑鋪置導(dǎo)流室的入口處，模擬氣藏開(kāi)采，實(shí)驗(yàn)具體方案見(jiàn)表2。

表2 橫向接觸小粒徑大粒徑組合實(shí)驗(yàn)方案

2.2.1 小粒徑和大粒徑組合對(duì)橫向接觸的影響

隨著裂縫的延伸，二級(jí)加砂會(huì)深入裂縫與一級(jí)加砂形成橫向接觸，井筒周圍的一級(jí)加砂支撐劑和裂縫深處的二級(jí)加砂支撐劑接觸會(huì)導(dǎo)致滲流阻力加大，使裂縫導(dǎo)流能力下降。

從圖5 可以看出，在低閉合壓力下大粒徑支撐劑在鋪砂濃度中占比越高，其導(dǎo)流能力也越大，在高閉合壓力下不同實(shí)驗(yàn)導(dǎo)流能力相差不大。并且，小粒徑支撐劑在鋪砂濃度中占比越高，其隨著閉合壓力的增加導(dǎo)流能力下降越緩慢。橫向接觸導(dǎo)流能力整體小于縱向接觸，根據(jù)達(dá)西公式可知，相對(duì)于縱向接觸，橫向接觸本身的滲流阻力更大，并且橫向接觸對(duì)于應(yīng)力的遮擋作用也小于縱向接觸。橫向接觸時(shí)二級(jí)加砂換成強(qiáng)度更高的大粒徑陶粒支撐劑，對(duì)于裂縫導(dǎo)流能力增加較少，在低閉合壓力下增長(zhǎng)了17%，在高閉合壓力下增長(zhǎng)了8%，比縱向接觸的增長(zhǎng)量降低了約50%。

圖5 小粒徑大粒徑組合導(dǎo)流能力隨閉合壓力變化圖

2.2.2 小粒徑陶粒支撐劑對(duì)橫向接觸的影響

井筒周圍有時(shí)會(huì)采用更小粒徑的70～140目的支撐劑以獲得更高的抗壓能力，為獲得更高的抗壓強(qiáng)度通常采用抗壓能力更強(qiáng)的陶粒支撐劑來(lái)獲得更好的導(dǎo)流能力。

從圖6 可以看出，小粒徑支撐劑隨閉合壓力增加導(dǎo)流能力下降較緩，這是由于小粒徑支撐劑的抗壓能力較強(qiáng)，閉合壓力對(duì)導(dǎo)流能力的影響較小，并且采用的支撐劑是比石英砂抗壓能力更強(qiáng)的陶粒支撐劑。還可以看出，實(shí)驗(yàn)16 和實(shí)驗(yàn)18 的導(dǎo)流能力隨閉合壓力增加幾乎沒(méi)有變化，說(shuō)明其抗壓能力較好，但導(dǎo)流能力較低，小粒徑支撐劑孔隙較小流體難以流動(dòng)。從圖5、圖6 可以看出，小粒徑支撐劑發(fā)生橫向接觸時(shí)對(duì)導(dǎo)流能力影響很大，較高的滲流阻力導(dǎo)致大粒徑支撐劑的導(dǎo)流能力難以發(fā)揮作用。

圖6 小粒徑陶粒組合導(dǎo)流能力隨閉合壓力變化圖

2.3 支撐劑混合對(duì)導(dǎo)流能力的影響

一級(jí)加砂的支撐劑沉降后二級(jí)加砂支撐劑注入會(huì)與部分一級(jí)加砂支撐劑混合，混合后的導(dǎo)流能力會(huì)發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將一級(jí)加砂支撐劑和二級(jí)加砂支撐劑進(jìn)行混合，混合后鋪置導(dǎo)流室內(nèi)測(cè)定其裂縫導(dǎo)流能力。

多級(jí)加砂過(guò)程中，一級(jí)支撐劑和二級(jí)支撐劑會(huì)發(fā)生混合現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)主要對(duì)混合的不同比例進(jìn)行測(cè)試（表3）?；旌霞由皩?dǎo)流能力隨閉合壓力變化見(jiàn)圖7。

表3 混合加砂小粒徑大粒徑組合實(shí)驗(yàn)方案

圖7 混合加砂導(dǎo)流能力隨閉合壓力變化圖

從圖7 可以看出，混合加砂在小粒徑和大粒徑石英砂支撐劑鋪砂濃度比例為1∶1 時(shí)，導(dǎo)流能力高于縱向接觸和橫向接觸?；旌辖佑|的導(dǎo)流能力整體高于橫向接觸，因此3 種接觸方式的導(dǎo)流能力大小排列為：縱向接觸＞混合鋪置＞橫向接觸?；旌霞由皶r(shí)加入陶粒支撐劑使裂縫導(dǎo)流能力相對(duì)低閉合壓力下增長(zhǎng)了30%，在高閉合壓力下增長(zhǎng)了15%。

3 結(jié)論

1）3 種接觸方式導(dǎo)流能力大小排列為：縱向接觸＞混合鋪置＞橫向接觸?？v向接觸位于井筒附近，可以提供良好的導(dǎo)流能力，大粒徑支撐劑之間的孔隙大，氣體更容易流動(dòng)，因此其裂縫導(dǎo)流能力大。在小粒徑和大粒徑之比為1∶3 時(shí)，導(dǎo)流能力效果最好。

2）橫向接觸在3 種接觸方式中導(dǎo)流能力最低，小粒徑支撐劑對(duì)導(dǎo)流能力的影響很大，在橫向接觸過(guò)程中一級(jí)加砂支撐劑和二級(jí)加砂支撐劑發(fā)生混合會(huì)提高裂縫導(dǎo)流能力。

3）當(dāng)支撐劑發(fā)生混合時(shí)，發(fā)生在縱向接觸時(shí)會(huì)降低導(dǎo)流能力，發(fā)生在橫向接觸時(shí)會(huì)增加導(dǎo)流能力，混合加砂在小粒徑和大粒徑石英砂支撐劑鋪砂濃度比例為1∶1 時(shí)，導(dǎo)流能力高于縱向接觸和橫向接觸。