支撑剂嵌入对致密砂岩储层裂缝导流能力的影响*

2022-04-27沈渭滨赵之晗

能源化工 2022年1期

沈渭滨，赵之晗

(1. 延长油田股份有限公司子长采油厂，陕西延安 716000；2. 河北雄安华油清洁能源有限公司，河北任丘 062552)

致密砂岩储层通常具有超低孔、低渗的特点，自然产能极低，往往需要采用水力压裂的方式来达到增产的目的，其中裂缝导流能力的大小是评价压裂施工成功与否的关键[1-3]。致密砂岩储层压裂施工后，在地层闭合压力的作用下，支撑剂会不可避免地嵌入到裂缝壁面中，支撑剂的嵌入会降低已形成裂缝的有效缝宽，从而引起裂缝导流能力的下降。因此，研究支撑剂嵌入对致密砂岩储层裂缝导流能力的影响，能够为现场压裂施工选择合适的支撑剂及其他施工参数提供参考[4-7]。

国内外学者针对支撑剂嵌入对裂缝导流能力的影响开展了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果[8-12]。郭建春等[13]采用自主设计的支撑剂嵌入程度测试装置，评价了铺砂浓度、闭合压力以及岩石杨氏模量对支撑剂嵌入程度的影响。郭天魁等[14]采用API裂缝导流能力测试仪评价了不同支撑剂类型、支撑剂粒径、闭合压力、铺砂浓度以及支撑剂物性对支撑剂嵌入程度以及裂缝导流能力的影响。李超等[15]采用自主研制的支撑剂嵌入测试分析系统和支撑剂裂缝导流能力测试系统，研究了闭合压力、杨氏模量、工作液类型、矿物类型以及含量对支撑剂嵌入深度的影响，并在此基础上评价了支撑剂嵌入对裂缝导流能力的影响。笔者在参考以往研究成果的基础上，以鄂尔多斯盆地某致密砂岩油藏储层段岩样为研究对象，利用改进的FCES-100型导流能力测试仪评价了不同类型支撑剂、支撑剂粒径以及铺砂浓度条件下支撑剂嵌入对裂缝缝宽和导流能力的影响，为降低致密砂岩储层压裂施工时支撑剂嵌入对裂缝导流能力产生的损害提供一定的依据和参考。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验用岩样：取自鄂尔多斯盆地某致密砂岩油藏储层段，其弹性模量为41 500 MPa，泊松比为0.16。试验用工作液：质量分数2%氯化钾溶液。

试验用支撑剂：石英砂(0.425～0.85 mm，20～40目)，陶粒(0.425～0.85 mm，20～40目)，陶粒(0.25～0.425 mm，40～60目)，陶粒(0.15～0.212 mm，70～100目)，不同支撑剂性能参数见表1。

表1 试验用支撑剂性能参数

1.2 试验仪器

试验仪器使用改进的FCES-100型导流能力测试仪，仪器按照API标准进行改造，主要包括导流室、平流泵、压力加载装置、温度控制系统、数据采集系统以及数据处理系统等，最高试验温度可以达到180 ℃，最高试验压力可以达到150 MPa。

1.3 试验方案

将试验用岩样按照导流室测试腔体的尺寸加工成导流板，支撑剂嵌入对裂缝导流能力的影响试验分别采用金属钢板和致密砂岩板进行对比测试。首先进行金属钢板测试试验，使用钢板模拟裂缝缝壁，将支撑剂充填于裂缝中，在支撑剂没有嵌入的情况下测定裂缝的缝宽和导流能力随闭合压力的变化情况。然后将金属钢板换成致密砂岩导流板再次进行试验，测定在有支撑剂嵌入的情况下裂缝的缝宽和导流能力随闭合压力的变化情况，以此评价支撑剂嵌入对致密砂岩储层裂缝导流能力的影响。试验温度为80 ℃，流体流速为4 mL/min，闭合压力最高为80 MPa。

2 结果与讨论

2.1 支撑剂类型

为考察不同类型支撑剂嵌入对致密砂岩储层裂缝导流能力的影响，分别采用石英砂和陶粒开展了不同闭合压力时支撑剂嵌入对缝宽和裂缝导流能力的影响试验，支撑剂粒径均为20～40目，铺砂浓度均为7.5 kg/m2。试验结果见图1和图2。

图1 不同类型支撑剂嵌入对缝宽的影响

图2 不同类型支撑剂嵌入对裂缝导流能力的影响

由图1可见：随着闭合压力的逐渐增大，石英砂和陶粒在致密砂岩板上的嵌入程度均逐渐增大，缝宽逐渐下降。其中石英砂由于圆球度和硬度均小于陶粒，其在致密砂岩板上的嵌入程度要高于陶粒。由此可见，使用陶粒作为支撑剂的岩板，其缝宽远远大于石英砂。

由图2可见：不同类型支撑剂嵌入后对致密砂岩储层裂缝导流能力的影响差别较大，当闭合压力为80 MPa时，石英砂和陶粒作为支撑剂时嵌入引起导流能力的下降幅度分别为91.4%和22.3%，陶粒的导流能力明显高于石英砂。这既与石英砂在致密砂岩板上的嵌入程度高于陶粒有关，也与石英砂的强度较低，在高闭合压力条件下其破碎率较高有关，支撑剂破碎后对裂缝产生堵塞也会导致导流能力的下降。因此，在致密砂岩储层压裂施工过程中，应选择嵌入程度较小的陶粒作为支撑剂。

2.2 支撑剂粒径

为考察不同粒径支撑剂嵌入对致密砂岩储层裂缝导流能力的影响，分别采用不同粒径的陶粒开展了不同闭合压力时支撑剂嵌入对缝宽和裂缝导流能力的影响试验，铺砂浓度均为7.5 kg/m2。试验结果见图3和图4。

图3 不同粒径支撑剂嵌入对缝宽的影响

图4 不同粒径支撑剂嵌入对裂缝导流能力的影响

由图3可见：随着闭合压力的增大，不同粒径的陶粒支撑剂在致密砂岩板上的嵌入程度均逐渐增大，缝宽逐渐下降，并且随着支撑剂粒径的减小，缝宽下降的幅度越来越大。由此说明支撑剂粒径越小，有效缝宽越小。

由图4可见：不同粒径的陶粒支撑剂嵌入对裂缝的导流能力均产生了一定的影响。当闭合压力较低时，支撑剂嵌入对裂缝导流能力的影响较小；而当闭合压力较高时，支撑剂嵌入对裂缝导流能力的影响程度增大。并且随着支撑剂粒径的减小，支撑剂嵌入导致裂缝导流能力下降的幅度越来越大，当闭合压力为80 MPa时，20～40目、40～60目和70～100目陶粒支撑剂嵌入引起导流能力的下降幅度分别为22.3%、35.4%和65.2%。这是由于支撑剂粒径越大，裂缝的有效缝宽越大，其导流能力值就越大，因此，为了降低支撑剂嵌入对裂缝导流能力的影响，在条件允许的情况下，应尽可能选择粒径较大的支撑剂。

2.3 铺砂浓度

为考察不同铺砂浓度时支撑剂嵌入对致密砂岩储层裂缝导流能力的影响，在铺砂浓度分别为5.0，7.5，10 kg/m2时开展了不同闭合压力时支撑剂嵌入对缝宽和裂缝导流能力的影响试验，支撑剂均为20～40目陶粒。试验结果见图5和图6。

图5 不同铺砂浓度时支撑剂嵌入对缝宽的影响

图6 不同铺砂浓度时支撑剂嵌入对裂缝导流能力的影响

由图5可见：随着闭合压力的增大，不同铺砂浓度的支撑剂在致密砂岩板上的嵌入程度均逐渐增大，缝宽均逐渐下降，并且随着铺砂浓度的增大，缝宽下降的幅度越来越小，即铺砂浓度越大，有效缝宽越大。

由图6可见：铺砂浓度越大，裂缝的导流能力越大，在不同铺砂浓度条件下陶粒支撑剂嵌入对裂缝的导流能力均产生了一定的影响，并且随着铺砂浓度的增大，支撑剂嵌入对裂缝导流能力的影响越来越小。当闭合压力为80 MPa，铺砂浓度分别为5.0，7.5，10 kg/m2时，陶粒支撑剂嵌入引起导流能力的下降幅度分别为52.2%，22.3%，16.6%。这是由于当铺砂浓度越大时，支撑剂铺展的层数就越多，裂缝的初始导流能力就越大，而随着闭合压力的升高，支撑剂逐渐嵌入岩板，在低铺砂浓度下，嵌入层数占总铺砂层数的比例就相对较大，支撑剂嵌入对裂缝导流能力的影响程度就大于高铺砂浓度。因此，在致密砂岩储层压裂施工过程中，为保证裂缝具有良好的导流能力，应尽可能采用相对较高的铺砂浓度进行压裂，以降低支撑剂嵌入对裂缝导流能力的影响。