砂砾岩人造裂缝导流能力物理模拟

甄怀宾，赵海峰，王成旺，兰建利，季亮，孙航，王璇

（1.中石油煤层气有限责任公司，北京 100028；2.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司，北京 100000；3.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249）

随着石油进口需求不断增加以及中国石油产量近年来一直萎靡不振，致密砂砾岩储集层受到越来越广泛的关注[1]。然而，由于砂砾岩储集层具有岩性变化快、孔隙度低、孔隙结构复杂，非均质性和各向异性强，隔层遮挡性差等特点[2]，导致砂砾岩油藏的高效开采存在一定的技术难题。本文通过实验研究，希望为砂砾岩油藏高效开采提供参考。

文献［3］通过实验研究发现，与树脂砂和石英砂相比，采用陶粒支撑剂时，导流能力表现更强，闭合压力较低时，陶粒支撑剂粒径与导流能力呈正比，随闭合压力升高，导流能力下降幅度与时间呈反比，与单一粒径支撑剂相比，多种类型支撑剂混合会降低导流能力下降幅度。文献［4］使用酸化裂缝导流能力测试系统进行导流能力实验研究发现，裂缝导流能力随时间呈对数关系降低，纤维的存在对导流能力存在一定影响。文献［5］对3 种类型岩石开展了酸蚀裂缝导流能力实验发现，无论是增加反应时间，还是提高实验温度，都无法保持酸蚀裂缝导流能力的持续增强。文献［6］以碳酸盐岩为岩板进行导流能力实验，结果显示，随闭合压力升高，中等粒径支撑剂要比大粒径支撑剂导流能力下降速度慢，但当闭合压力超过69 MPa 时，无论中等粒径还是大粒径支撑剂，其下降速度都相对接近。文献［7］以弹性力学理论为基础，建立了支撑剂嵌入深度与裂缝壁面变形的计算模型，结果显示，裂缝闭合压力不断增加会加大支撑剂嵌入深度，而支撑剂粒径和岩石的弹性模量会有效减小支撑剂发生嵌入现象。文献［8］关于支撑剂嵌入对裂缝导流能力影响进行了深入研究，实验结果显示，岩石表面发生支撑剂嵌入现象会严重降低裂缝导流能力，增加支撑剂的铺砂量可适当抵消嵌入影响。虽然国内外诸多学者对非常规油藏进行了大量导流能力研究[9-10]，但对砂砾岩地层导流能力方面研究相对较少，关于砂砾岩室内导流能力实验研究目前在中国几乎也是一片空白，因此非常有必要研究一下各种影响因素对砂砾岩裂缝导流能力的影响，以期为玛湖地区砂砾岩压裂施工提供一定的参考和借鉴。

以往对砂砾岩导流能力研究只局限于理论与数值模拟，假设条件相对比较理想化，与实际地层差别较大。本文通过人工方式制备砂砾岩岩板，对砾石含量控制精度较高，将砾石含量影响因素引入到砂砾岩导流能力实验中，并且将砾石含量与铺砂量、支撑剂粒径和纤维相结合进行实验结果分析，实验研究结果对现场压裂施工改造具有一定的借鉴意义。

1 实验内容

1.1 实验原理

裂缝短期导流能力是指在相同实验条件下对岩板逐级加压，在一定时间间隔下测量对应闭合压力下的裂缝导流能力[11-15]，砂砾岩裂缝导流能力遵循达西定律：

FCES-100 型导流仪使用API 标准导流室，根据导流室的实际尺寸，结合达西定律推导出适用于FCES-100型导流仪的支撑剂充填层渗透率和导流能力的计算公式：

实验中只需测得流体两端压差及通过岩板的流体流量，即可求得支撑剂充填层的导流能力。

1.2 实验仪器

研究所用的仪器为FCES-100型导流仪，此仪器能够模拟压裂施工时液体在地层中流动的温度、压力条件，测定不同闭合压力下地层裂缝的导流能力[16-20]。主要技术指标：液体流速为0.01～10.00 mL/min；测试压力为20 MPa；操作温度为25～180 ℃；闭合压力为0～150 MPa，基本上可以满足中国各大油田实际需求。该仪器主要由液压机及压力补偿系统、液体驱替系统、回压调节系统、加热及温控系统、自动控制系统、数据采集与处理系统、线性位移及压力传感器、压差计及天平等组成。一般的测定步骤如下。

（1）用液压机对装有支撑剂和岩板的测试室施加不同的闭合压力，使支撑剂处于半稳定的状态。

（2）对支撑剂充填层注入实验液，对不同闭合压力下的裂缝宽度和压差进行测定。

（3）结合达西定律计算支撑剂充填层的渗透率和裂缝导流能力。

（4）重复以上步骤，直到所要求的各个闭合压力和流速都被评定。

1.3 支撑剂优选

支撑剂的主要作用是对地层压裂裂缝提供支撑力，使裂缝能够维持一定宽度，从而能够使液体顺利通过裂缝[21-23]，所以在开展导流能力相关方面实验时，支撑剂类型的选择十分关键（表1）。选择支撑剂时应考虑以下特性：①密度低，现场施工易泵送；②抗压强度强，不易破碎；③圆度和球度好，颗粒大小分布均匀；④杂质少，纯度较高；⑤成本低，来源广。

表1 常用的5种支撑剂类型及其适用参数Table 1.Five types of commonly used proppants and their applicable parameters

通过对上述5 种支撑剂耐闭合压力、适用井深和用途等分析，结合新疆玛湖油田砂砾岩储集层深度（2 700～3 500 m）、压后闭合压力（40～65 MPa）等特点[24-25]，本次实验选用粒径为350～833 μm 的中密度陶粒支撑剂，流体采用清水。

1.4 砂砾岩裂缝导流能力实验

本次实验主要研究的是玛湖油田百口泉组砂砾岩储集层中砾石对裂缝导流能力的影响。砂砾岩地层中，砾石的存在增加了裂缝扩展的复杂性，裂缝遇砾石时表现为绕砾、穿砾和止砾3 种形式，且以绕砾为主，因此形成的人工裂缝壁面通常会有许多微凸起的砾石。通过以上砂砾岩中裂缝遇砾石表现的现象，制作了不同砾石含量的砂砾岩岩板（图1）。

图1 不同砾石含量的砂砾岩岩板Fig.1.Glutenite rock plate with different gravel contents

砂砾岩岩板基质部分使用石英砂和水泥进行配制，砾石使用与其性质相近的粒径为12～18 mm 的鹅卵石代替。本次实验所制作的砂砾岩岩板基质硬度约为40.12 HB，砾石硬度约为105.30 HB，即砾石硬度远大于基质硬度，同时砂砾岩岩板没有天然裂缝，比较接近玛湖油田砂砾岩岩心，基本满足实验要求。

本次实验选用粒径为350～833 μm 的中密度陶粒支撑剂，铺砂量为10 kg/m2，砾石含量为0～30%，图2为不同砾石含量下导流能力随闭合压力变化。

从图2 可以发现，随着闭合压力的增大，砂砾岩裂缝导流能力呈下降趋势；在相同的闭合压力下，砂砾岩裂缝导流能力随着砾石含量增高呈增大趋势；仔细观察曲线变化，不难发现，砂砾岩中砾石含量越低，闭合压力对导流能力影响越大。导致上述现象的原因主要是：在低闭合压力条件下，支撑剂未发生或很少发生嵌入现象，并且支撑剂也几乎没有破碎，由于影响裂缝导流能力的主要因素是铺砂量和闭合压力，因此在低闭合压力条件下，砾石的存在增加了裂缝的宽度，致使裂缝的导流能力增强。砂砾岩中砾石的强度要远大于基质的强度，砾石的存在可以有效减少支撑剂发生嵌入现象，但随着闭合压力不断增加，部分支撑剂开始发生破碎，而且砾石的存在也增加了裂缝面的粗糙度，因此，当闭合压力达到60 MPa 时，不同砾石含量的岩板，其导流能力差距减小，甚至出现砾石含量高，导流能力反而弱的现象。

图2 不同砾石含量下导流能力与闭合压力的关系Fig.2.Relationships between fracture conductivity and closure pressure under different gravel contents

2 实验结果与分析

2.1 支撑剂与砾石接触方式

对玛湖油田百口泉组砂砾岩储集层进行水力压裂作业时，水力裂缝起裂并延伸形成人工裂缝，支撑剂随压裂液进入裂缝内形成多层支撑剂铺砂形式。当压裂作业完成后，压裂液重新返回至地面，而受到裂缝壁面挤压作用的支撑剂停留在裂缝内，形成一条连接井筒和储集层的高渗透通道，图3 所示为支撑剂在裂缝中与砾石的3种接触方式。

图3 水力压裂实验中支撑剂与砾石的3种接触方式Fig.3.Three types of contact between proppant and gravel in hydraulic fracturing experiment

实验前先把支撑剂放入导流室内，此时导流室内支撑剂颗粒之间处于松散状态，随闭合压力增加，支撑剂颗粒之间变得紧密，颗粒之间作用力增加。由于砂砾岩中砾石强度远大于基质部分的强度，因此，当闭合压力增加时，处在基质表面上的支撑剂首先发生不同程度的嵌入现象，当闭合压力进一步升高时，砾石与砾石之间的支撑剂颗粒破碎，在闭合压力作用下，随着压裂液向前运移，进入裂缝堵塞流体通道，进而降低导流能力。

通过仔细观察导流能力实验后的岩板表面（图4）可以看出，支撑剂主要在基质表面发生嵌入现象，在砾石表面发生破碎现象。

图4 导流能力实验后砂砾岩岩板表面照片Fig.4.Photos of the surface of the glutenite rock plate after fracture conductivity experiment

2.2 砂砾岩裂缝导流能力影响因素

2.2.1 砾石含量对裂缝导流能力影响

砂砾岩储集层中有大量砾石存在，由于砾石强度要远大于地层基质强度，砾石一方面使裂缝的表面强度有所增加，但同时也使裂缝表面变得更加粗糙，对裂缝导流能力可能存在一定影响，本次实验主要研究砾石含量对裂缝导流能力影响。从图4 可以看出，砾石的存在使裂缝壁面局部变得凹凸不平，即砾石含量越高，裂缝表面越粗糙。

2.2.2 铺砂量对裂缝导流能力影响

在研究裂缝导流能力实验中，铺砂量是重要的影响因素之一，因此对于砂砾岩地层有必要研究一下铺砂量对裂缝导流能力影响。根据实验对支撑剂铺砂量的要求，计算并称取所需支撑剂样品。选用粒径为350～833 μm 的中密度陶粒支撑剂，岩板的砾石含量为20%，在铺砂量分别为6 kg/m2、8 kg/m2、10 kg/m2、12 kg/m2和14 kg/m2条件下实验结果如图5所示。

砂砾岩裂缝导流能力随铺砂量的增加而显著增大，但当铺砂量为10 kg/m2，闭合压力为60 MPa 时，导流能力随铺砂量的增加出现增速变缓。对比闭合压力分别为60 MPa和80 MPa这2条曲线可以看出，当闭合压力超过60 MPa 时，继续增加铺砂量至14 kg/m2，铺砂量的增加对砂砾岩裂缝导流能力没有显著影响。从闭合压力分别为20 MPa 和40 MPa 这2 条曲线中发现，铺砂量从6 kg/m2增加至14 kg/m2过程中，砂砾岩裂缝导流能力随铺砂量的增加而持续增大，不同铺砂量之间的砂砾岩裂缝导流能力差距随闭合压力的增加而出现减小趋势。因此在现场进行压裂施工时，当地层上覆岩层压力超过60 MPa 时，铺砂量为12 kg/m2时最优，如果继续增加铺砂量，对导流能力增加影响不大，造成一定经济损失。

图5 不同闭合压力下裂缝导流能力与铺砂量的关系Fig.5.Relationships between fracture conductivity and sanding concentration under different closure pressures

产生上述现象的原因主要是在砂砾岩地层中裂缝表面嵌入有砾石，随时间和闭合压力不断增加，裂缝会出现错位现象，并且在闭合压力作用下破碎并嵌入到岩板基质中的碎屑会随压裂液向裂缝孔喉处堆积，从而降低裂缝孔隙度，所以当铺砂量达到一定数值之后，继续增加铺砂量会有更多的支撑剂碎屑堆积在裂缝孔喉处，导致裂缝导流能力下降。

2.2.3 纤维和砾石含量对裂缝导流能力综合影响

对于低渗致密油藏一般采用水力压裂后进行开采，当压裂作业结束后，为了减小对储集层的损害，均会实施压裂返排作业，但在压裂返排过程中经常会出现支撑剂回流现象。对于支撑剂回流这种现象，一般都采用向支撑剂中加入纤维来进行解决。其基本原理就是让支撑剂与纤维进行混合，形成一种类似网状结构以增强支撑剂在裂缝中的稳定性[26-27]。然而，纤维的加入对导流能力也有一定负面影响。

通过调研和实验验证，当纤维含量为0.7%时，正好可以和本实验中所用的支撑剂达到均匀混合（图6），所以选择纤维含量为0.7%、支撑剂粒径为350～833 μm的中密度陶粒支撑剂，铺砂量为10 kg/m2，砾石含量为20%，闭合压力为10～70 MPa。

图6 含有纤维的砂砾岩岩板导流能力实验Fig.6.Photos of fracture conductivity experiment of glutenite rock plate containing fiber

从图7 可以看出，砂砾岩岩板闭合压力从10 MPa升高到70 MPa，裂缝导流能力由大约170 mD·cm 减小到50 mD·cm，导流能力下降幅度约为70%。在闭合压力较低时，相同砾石含量在有无纤维的对照实验中，岩板导流能力基本相同，但随着闭合压力不断增大，纤维对砂砾岩裂缝导流能力的影响逐渐凸现。当闭合压力为70 MPa 时，砾石含量为20%的有纤维和无纤维的对照实验中，无纤维的砂砾岩裂缝导流能力比有纤维砂砾岩裂缝导流能力大约高12 mD·cm；砾石含量0 时有纤维和无纤维对照实验中，无纤维砂砾岩裂缝导流能力比有纤维的砂砾岩裂缝导流能力大约高20 mD·cm；砾石含量0 有纤维和砾石含量20%有纤维的2组对照实验中，砾石含量20%的砂砾岩裂缝导流能力比砾石含量0 的砂砾岩裂缝导流能力大约高32 mD·cm。由此可以看出，砾石的存在可以有效减小纤维对砂砾岩裂缝导流能力影响。以上分析表明，纤维会对砂砾岩导流能力起到抑制作用，在现场压裂施工时，可以用纤维消除支撑剂回流现象。

图7 不同砾石含量有无纤维时裂缝导流能力与闭合压力的关系Fig.7.Influences of fiber and gravel contents on conductivity

2.2.4 不同粒径支撑剂组合和砾石含量对裂缝导流能力综合影响

实验选择铺砂量为10 kg/m2，粒径分别为350～833 μm 和245～350 μm 的陶粒支撑剂，以1∶1、1∶2 和2∶1 比例组合，研究在不同闭合压力下，不同砾石含量对陶粒支撑剂比例最优选。2 种岩板的砾石含量分别为10%和30%，实验方案设计如表2所示。

表2 不同粒径支撑剂组合实验方案设计Table 2.Designed experimental schemes for different par⁃ticle size combinations of proppants

实验结果如图8 所示，对于砾石含量分别为10%和30%的岩板，当闭合压力比较低时，单一大粒径支撑剂的导流能力要高于小粒径支撑剂的导流能力，而且大粒径支撑剂所占的比例越大，其导流能力越强。主要原因是，当闭合压力较低时，大粒径支撑剂没有或很少发生破碎及嵌入现象，大粒径支撑剂所占比例越大，砂砾岩岩板内部通道就越宽阔，即孔隙度越大，导流能力就越强。随着闭合压力不断增大，大粒径支撑剂和小粒径支撑剂的导流能力的差距逐渐变小，并且大粒径支撑剂所占的比例越多，导流能力下降速度越快，这是因为大粒径颗粒更容易破碎，嵌入现象也更为严重[28-30]。

图8 不同实验方案裂缝导流能力随闭合压力变化曲线Fig.8.Variations of fracture conductivity with closure pressure in different experimental schemes

对于砾石含量10%的岩板，当闭合压力为48 MPa时，方案S5组合支撑剂的导流能力和方案S1单一粒径支撑剂的导流能力基本相等，当闭合压力达到60 MPa时，方案S5 组合支撑剂的导流能力将超过方案S1单一粒径支撑剂的导流能力（图8a）。而对于砾石含量30%的岩板，闭合压力从12 MPa到60 MPa，大粒径所占比例越多的支撑剂，其导流能力越强（图8b）。产生这种现象的原因是砾石的大量存在将有效地减少支撑剂发生嵌入现象，并且砾石本身在裂缝壁面上会有微凸起，可以有效地减小支撑剂颗粒破碎。因此，在现场施工时，应该据现场砂砾岩地层砾石含量的多少来对支撑剂粒径进行优选，从而达到较高的导流能力。

3 结论

（1）当闭合压力小于36 MPa 时，砾石含量越高，砂砾岩裂缝导流能力随闭合压力下降的速度越慢；当闭合压力超过36 MPa 时，砾石含量越高，砂砾岩裂缝导流能力随闭合压力下降的速度越快。但整体表现为，砾石含量越高，砂砾岩裂缝导流能力越强。

（2）在砂砾岩地层中，当闭合压力小于60 MPa时，导流能力随铺砂量的增大而增大；当闭合压力超过60 MPa、铺砂量大于10 kg/m2时，增大铺砂量对导流能力提升没有明显作用。

（3）砂砾岩中砾石的存在某种程度上可以减小纤维对导流能力的影响。随着闭合压力不断增大，具有砾石的岩板，不管有无纤维添加，导流能力相差都不大。当闭合压力超过50 MPa 时，砾石含量20%并添有纤维的导流能力与无砾石无纤维的导流能力相等。

（4）单一粒径支撑剂压裂实验中，加入大粒径支撑剂的导流能力要高于加入小粒径支撑剂的导流能力，并随着闭合压力增大导流能力都呈下降趋势；在按不同比例组合的支撑剂压裂实验中，大粒径支撑剂所占的比例越大，其导流能力越强。随着闭合压力增大，按不同比例组合的支撑剂的导流能力差距逐渐变小，并且大粒径支撑剂所占比例越多，导流能力下降速度越快。

（5）砾石的存在可以有效减小支撑剂发生嵌入现象，当砾石含量30%时，随闭合压力增加，大粒径支撑剂所占比例越大，其导流能力越强。因此，在现场施工时，应根据现场砂砾岩地层砾石含量的多少来优选支撑剂粒径，从而达到较高的导流能力。

符号注释

A——垂直流体运动方向的介质横截面积，cm2；

K——岩心渗透率，mD；

L——测压孔之间的长度，cm；

Q——通过岩板的流体流量，cm3/s；

wf——充填裂缝宽度，cm；

Δp——流体两端压力差，kPa；

μ——流体黏度，mPa·s。