阜康西部四工河区块煤层气藏压裂支撑剂导流能力实验研究

＊尹晓敏

（新疆科林思德新能源有限责任公司 新疆 831500）

我国2000m以浅的煤层气储量丰富，约为30.05×1012m3，居世界第三位[1]。新疆煤层气资源量7.51×1012m3，约占全国煤层气资源量的1/4，其中目前开发最成熟的是四工河块区。煤层气主要分布在煤层的割理和裂缝中，但我国煤层构造条件复杂，渗透率总体偏低[2]。煤层气井水力压裂可在地层中打造一条高导流能力的通道或者一个具有高速导流能力的裂缝网络，从而有利于煤层气从地层流向井底，以达到好的增产效果。因此，裂缝的导流能力是进行压裂施工过程中需要关心的一个重要指标。

根据大量的资料收集及分析，目前国内外针对裂缝导流能力的研究主要集中在各种致密岩及致密气储层，而煤层气储层压裂支撑剂导流能力的研究相对较少。温庆志等[3]进行低渗透油藏支撑裂缝长期导流能力实验研究不同闭合压力、支撑剂嵌入与否、不同浓度和用量的压裂液对支撑剂充填裂缝导流能力的伤害程度；纪国法等[4]通过分析国内外最新研究动态，阐述了页岩气体积压裂支撑剂支撑裂缝长期导流能力研究的重要性；Fan等[5]研究在不同温度和应力条件下，页岩随时间变化的变形对支撑剂嵌入和压裂导流损失的影响；吴百烈等[6]通过室内试验分析了储层黏土矿物含量、不同粒径支撑剂组合方式和破胶液黏度对人工裂缝导流能力的影响；孟磊等[7]通过对采用裂缝导流仪对石英砂和陶粒支撑剂的长期导流能力进行评价，并结合数值模拟开展导流能力与采收率相关性的研究，从而优化支撑剂类型；时贤等[8]开展致密白云岩储层加砂压裂裂缝导流能力实验，分析不同因素对加砂压裂裂缝导流能力的影响。

虽然目前国内煤层气藏压裂支撑剂导流能力的研究在支撑剂类型、支撑剂粒径、铺砂浓度、铺砂方式、支撑剂嵌入及煤粉等方面都有所涉及，但往往考虑因素较为单一，本文则针对支撑剂类型、支撑剂粒径、铺砂浓度、铺砂方式四个方面对煤储层的导流能力进行了较为全面的研究实验。

1.区域地质概况

阜康矿区位于新疆乌鲁木齐市东北60km的阜康市南部，面积为307.92km2，煤炭资源储量为84×108t。在煤层气开发过程中，矿区被划分为西部、中部和东部三个区域，其中西部主要煤层自上而下为侏罗系西山窑组和八道湾组，两组含煤地层被“V”形火烧区带分割。目前，阜康矿区主要开采八道湾组煤层气的A2、A3、A4和A5煤层，其中A2和A5煤层是研究区煤层气开发的主力煤层。这些煤层的埋深一般在200～1400m之间，厚度在4.5～40.3m之间，含气量在2～13.5m3/t之间[9]。

2.实验及分析

(1)支撑剂类型对导流能力的影响实验

该实验选取了粒径为10/20目的陶粒（林海）、树脂砂、石英砂三种不同种类的支撑剂，在不使用压裂液、不使用岩心条件下，将铺砂浓度为10kg/m2时的导流能力进行对比，考虑到石英砂为低强度支撑剂，闭合压力只加到50MPa，得到了如下实验曲线（图1）。在相同实验条件下，陶粒支撑剂的导流能力明显优于树脂砂和石英砂支撑剂（图1）。闭合压力达到50MPa时，陶粒支撑剂导流能力为35.74μm2·cm，仍然大于25MPa时其它类型的支撑剂，由此可见，在闭合压力较大时使用陶粒支撑剂压裂效果较好。

图1 不同类型支撑剂导流能力对比图

(2)支撑剂粒径对导流能力的影响实验

为了克服单一大粒径支撑剂在煤层气井压裂中加砂困难和压裂失败的问题，以及单一小粒径支撑剂无法提供足够裂缝导流能力的缺点，可以采用支撑剂粒径组合的方法。这种方法利用小粒径支撑剂位于缝端位置，起到防砂和支撑微裂缝的作用；中等粒径支撑剂位于裂缝中部，起到支撑裂缝的作用；大粒径支撑剂位于缝口，提高裂缝周围的导流能力，并减少支撑剂回流。通过这种支撑剂粒径组合，可以获得较高的导流能力[10]（图2）。分别设置了18组试验，对不同支撑剂粒径及不同粒径组合的导流能力进行了测试。实验用钢板夹持支撑剂进行，铺砂浓度10kg/m2，所采用的支撑剂是石英砂（表1），20/40目、16/30目和40/70目石英砂支撑剂在导流室内铺置如图3所示。

表1 支撑剂粒径和组合导流能力试验方案

图2 不同粒径支撑剂组合铺置

图3 导流室内不同粒径支撑剂组合铺置

当闭合压力在15MPa以内时，不同单一粒径石英砂的导流能力相比，16/30目的导流能力远高于20/40目和40/70目的导流能力，对于组合粒径支撑剂，大粒径支撑剂越多，其导流能力越大。而当闭合压力高于15MPa时，16/30目和20/40目各比例组合导流能力相差不大，含40/70目支撑剂组合的导流能力远小于大粒径的20/40目或16/30目（图4）。

图4 单一粒径支撑剂导流能力对比图（A）；不同粒径支撑剂和粒径组合导流能力综合对比图（B）

图5 石英砂10/20目不同铺砂浓度导流能力对比图（A）；刚玉20/40目不同铺砂浓度导流能力对比图（B）；Carb20/40目不同铺砂浓度导流能力对比图（C）；林海10/20:刚玉20/40=1:1不同铺砂浓度导流能力对比图（D）；刚玉20/40:林海30/60=1:1不同铺砂浓度导流能力对比图（E）

(3)铺砂浓度对导流能力的影响实验

该部分实验选取了石英砂、中等强度陶粒、高强度陶粒及几种支撑剂组合进行分析（表2），设置了10kg/m2、7kg/m2和5kg/m2三种铺砂浓度，实验不使用压裂液，不使用岩心。

表2 支撑剂对导流能力的影响实验方案

不论哪种类型的支撑剂或哪种形式的支撑剂组合，铺砂浓度与导流能力成正相关性，闭合压力越大，这种现象越明显。对于石英砂支撑剂，闭合压力超过35MPa以后，中高强度陶粒支撑剂超过60MPa后，铺砂浓度为10kg/m2的导流能力是5kg/m2时的2～3倍（图6）。较大的铺砂浓度可以增加支撑剂填充层的有效缝宽，可以获得较大的导流能力。因此，在闭合压力较高的地层，压裂施工时应尽量采用大铺砂浓度。

图6 铺砂方式对导流能力的影响的方式

(4)铺砂方式对导流能力的影响实验

压裂施工过程中，由于压裂液破胶时间的差异，不同粒径的支撑剂在地层裂缝中可能产生许多种铺砂方式。该实验主要是测试不同铺砂方式对导流能力的影响，选择三种不同粒径的支撑剂作为实验对象进行测试。实验中选择了可能出现的四种方式，分别是分段、分层、沉降和混合铺砂，铺砂浓度为10kg/m2。这四种铺砂方式的示意图如图7，图中的“圆圈”代表不同粒径的支撑剂，箭头方向为裂缝中地层流体的流动方向。以林海10～20目，刚玉20～40目和林海30～60目支撑剂为考察对象进行测试。在闭合压力较低时，采用沉降方式铺砂得到的导流能力要大一些，分段和混合方式得到的导流能力略小，分层铺放支撑剂时导流能力最小；当闭合压力增加到60MPa以后，沉降方式铺砂得到的导流能力降低最快，导流能力最小，分层和混合方式得到的导流能力最大，分段方式得到的导流能力居中。

图7 不同铺砂方式时支撑剂组合导流能力对比图

3.结论

（1）闭合压力低于50MPa时，陶粒支撑剂的压裂效果远大于石英砂和树脂砂；（2）闭合压力低于15MPa时，对于单一粒径，粒径越大，导流能力越好；对于组合粒径，大粒径支撑剂所占比例越大，其导流能力也越大。当闭合压力高于15MPa时，16/30目和20/40目各比例组合导流能力相差不大；（3）不论哪种类型的支撑剂或哪种形式的支撑剂组合，铺砂浓度越大得到的导流能力就越大，闭合压力越大，这种现象越明显；（4）沉降的铺砂方式能够在60MPa闭合压力以内的阶段，提供稳定且较高的导流能力，混合的铺砂方式在15MPa闭合压力内能够提供最高的导流能力，闭合压力达到60MPa以后，分层和混合方式得到的导流能力最大。