大庆泥页岩储层支撑剂嵌入导流能力实验研究

2024-01-18杜辉范克明吴晨宇石胜男王力李庆松

石油工业技术监督 2024年1期

杜辉，范克明，吴晨宇，石胜男，王力，李庆松

1.中国石油大庆油田有限责任公司采油工艺研究院（黑龙江大庆 163453）2.黑龙江省油气藏增产增注重点实验室（黑龙江大庆 163453）

0 引言

近年来，石油工业界对页岩发育区开展了大量油气勘探工作[1]，随着我国多个盆地页岩储层内相继产出工业油流，页岩油已成为我国现实的资源接替领域[2-5]。与常规储层相比，泥页岩具有非均质性强、孔喉尺寸小、孔隙结构复杂等特点[6-8]，通过压裂形成人工裂缝时[9]，支撑剂易发生嵌入使人工裂缝导流能力变差[10-13]。目前，国内外学者对裂缝内支撑剂嵌入、运移规律及导流能力评价的研究较多，但有关纳米级孔隙页岩的支撑剂相关探究较少，因此，有必要开展适用于大庆泥页岩储层支撑剂的针对性研究，实现支撑剂嵌入对压裂裂缝导流能力影响的量化评价[14-17]。

本文研究对象为大庆泥页岩储层岩心样品，使用石英砂、覆膜砂为支撑剂，分析支撑剂类型与粒径、铺砂浓度、闭合压力等对支撑剂嵌入程度和导流能力的影响，为该储层压裂方案优化及参数设计提供一定依据。

1 支撑剂嵌入程度及导流能力测试实验

实验对岩心样品进行线切割以模拟地层裂缝形态，得到劈裂后的样品，将不同类型、不同粒径的支撑剂铺置其上，进行加压嵌入。使用三维形貌光学扫描仪对加压后的嵌入程度、裂缝宽度及嵌入径深分析，不同支撑剂的嵌入导流能力利用导流能力测定仪进行实验对比。在裂缝中填充不同粒径组合的支撑剂，以期维持裂缝具有更高的导流能力，探究不同闭合应力下的最优支撑剂组合，提高压裂设计针对性。

1.1 实验原理

利用达西定律的基本原理进行支撑剂导流能力测试，支撑剂渗透率的计算公式为：

导流能力可以进一步表达为：

式中：kfw为支撑裂缝的导流能力，μm2·cm；kf为支撑裂缝的渗透率，μm2；w为裂缝宽度，cm；A为支撑裂缝的横截面面积，cm2；L为压差传感器取压孔之间的距离，cm；P1为上游压力，MPa；P2为下游压力，MPa；Q为流量，cm2/s；W为支撑剂层的厚度，cm；μ为测试流体的黏度，mPa·s。

1.2 实验方案及流程

首先进行支撑剂的嵌入程度分析，选用40/70目石英砂及覆膜砂支撑剂单层铺砂在天然岩心柱子上，设置不同的闭合压力进行加压，岩心编号及实验条件见表1，加压后嵌入支撑剂的岩心如图1所示。

图1 支撑剂嵌入后的岩心图

表1 嵌入实验方案

加压后的支撑剂嵌入程度分析采用的是光学扫描仪，如图2所示，裂缝面的表面形貌及特征可被该仪器完整地扫描出，进而对比分析不同支撑剂的嵌入径深、裂缝宽度及嵌入程度。为探究支撑剂的嵌入程度对导流能力的影响，实验制备全直径天然岩心切割岩板，使用相同尺寸的钢板作为对比实验，在模具内填置相应的支撑剂，用刮板将支撑剂铺平，设置一定的铺砂浓度，在导流室内放入带密封圈的上活塞，将导流室放在加压装置中央，实验装置如图3 所示。在室温24 ℃条件下，流体采用2%浓度的KCl 溶液，支撑剂选用40/70、70/140 目的石英砂，逐一对页岩岩板以及钢板进行分级加压，每增加一个压力值停泵稳压3 min，用计算机采集测定液体通过量Q、充填宽度w和相应压差△P，通过计算得到导流能力值kfw。实验方案见表2。

图2 三维形貌光学扫描仪

图3 导流能力测试仪

表2 岩板导流能力实验方案

为了使裂缝的导流能力维持在更高的水平，设置支撑剂不同粒径组合比例分别为1∶6∶3，6∶4，8∶2，将小粒径支撑剂铺置于裂缝前端，用来支撑微裂缝；中等粒径支撑剂铺置于裂缝中部，用以起到主要支撑作用；在缝口位置铺置大粒径支撑剂用来支撑缝口。铺置方式如图4 所示，探究支撑剂的不同粒径组合对导流能力的影响情况，实验方案见表3。

图4 支撑剂铺置方式

表3 组合粒径导流能力实验方案

2 实验结果及分析

2.1 支撑剂在不同压力下的嵌入程度

选择了40/70 目的石英砂与覆膜砂，在闭合压力30、40、50、60 MPa 条件下，测定支撑剂的嵌入深度情况，实验结果分别如图5～图8所示。

图5 闭合压力30 MPa下岩心1-1与岩心2-1支撑剂嵌入情况

图6 闭合压力40 MPa下岩心1-2与岩心2-2支撑剂嵌入情况

图7 闭合压力50 MPa下岩心1-3与岩心2-3支撑剂嵌入情况

图8 闭合压力60 MPa下岩心1-4与岩心2-4支撑剂嵌入情况

从图5～图8中可以看出，整体缝宽上覆膜砂与石英砂差别存在公共区域，在相同缝宽下，覆膜砂的监测点数要远高于石英砂的监测点数，说明覆膜砂整体形成的缝宽略大些。30 MPa下，覆膜砂总体嵌入径深介于0.020～0.032 mm分布，石英砂总体嵌入径深介于0.020～0.050 mm分布，但大于0.025 mm比例较小。40 MPa 下，覆膜砂总体嵌入径深介于0.021～0.035 mm 分布，石英砂总体嵌入径深介于0.021～0.037 mm 分布，从平均的嵌入径深来看，并未有明显的差别。50 MPa下，覆膜砂总体嵌入径深介于0.023～0.038 mm分布，石英砂总体嵌入径深介于0.023～0.033 mm 分布。60 MPa 下，覆膜砂总体嵌入径深介于0.02～0.05 mm分布，石英砂总体嵌入径深介于0.02～0.03 mm分布。

通过对嵌入后覆膜砂与石英砂样品观察发现，覆膜砂破碎率较低，石英砂有破碎，主要是大颗粒破碎。通过对不同闭合压力下覆膜砂和石英砂比较发现，随着闭合压力的增大，嵌入深度也增大，在60 MPa时，嵌入深度可达到0.073 mm。覆膜砂的总体嵌入深度与石英砂相当，在一定程度上，石英砂可代替覆膜砂。

2.2 不同支撑剂嵌入对导流能力的影响研究

将铺砂浓度设置为10 kg/m2，闭合压力选择30、40、50、60 MPa，测定钢板导流能力。由于支撑剂的硬度远小于钢板的硬度，利用钢板做实验不会出现嵌入现象，因此可以借鉴钢板实验的结果来比较岩板中支撑剂的嵌入情况。

从图9中可以看出，随闭合压力的增加，支撑剂裂缝的导流能力下降，闭合压力越高，导流能力变化曲线越平缓。石英砂40/70目在闭合压力60 MPa时导流能力与50 MPa时的导流能力比较接近，该实验结果的成因是支撑剂粒径较大，在高闭合压力下，支撑剂破碎堵塞通道导致导流能力变小。石英砂70/140目导流能力较小，虽然可以满足抗高闭合压力，但由于粒径较小，不能提供足够的裂缝导流能力。

图9 钢板条件下支撑剂导流能力

设置铺砂浓度为8、10、12 kg/m2，在30、40、50、60 MPa 闭合压力下，逐一对页岩岩板进行多组实验，对比各组实验，数据整理如图10～图12所示。

图11 不同闭合压力下铺砂浓度10 kg/m2的支撑剂导流能力

图12 不同闭合压力下铺砂浓度12 kg/m2的支撑剂导流能力

从图10～图12 中可以看出，在闭合压力较低时，不同粒径支撑剂的导流能力差别较大，导流能力随粒径的增大而升高。不同粒径支撑剂的导流能力随着闭合压力增加逐步趋于相同。分析可知，大粒径支撑剂在闭合压力较低时，孔隙也比较大，更有利于流体的通过，而粒径小的支撑剂，孔隙小，流体通过有一定的难度，导流能力相应降低。支撑剂铺层随闭合压力增加而被压实，在闭合压力作用下，支撑剂嵌入岩石壁面；在相同条件下，大粒径支撑剂比小粒径支撑剂更容易嵌入壁面。随着实验时间的增加，支撑剂变形更明显，嵌入程度更加深入，大粒径支撑剂逐渐失去实验开始时的优势。当闭合压力继续增大时，导流能力曲线趋于平稳，小粒径支撑剂的导流能力弱于大粒径支撑剂的导流能力。

由不同闭合压力下时间与导流能力的变化关系图可知，随着闭合压力的增大，嵌入和导流能力均发生不同程度的降低。导流能力降低过程分为3个阶段：在0～10 h内导流值降低快，而随着时间的降低速率变慢；超过30 h 后，导流能力基本达到稳态，此时导流能力保持在一个恒定值，说明在闭合压力下支撑剂的嵌入和变形基本达到稳定状态，颗粒间形态稳固，因此流动通道变化较小。闭合压力越大，导流能力越小，但导流能力随不同闭合压力变化达到稳态的时间基本相同。

在闭合压力较低时，导流能力受支撑剂的铺砂浓度影响较大，较高的铺砂浓度可以保证支撑剂具有较好的导流能力。闭合压力不断增加，缩小了支撑剂铺砂浓度对导流能力的影响。主要因为铺砂浓度越大，支撑剂铺层数就越多，导致初始缝宽和导流能力都增大。支撑剂铺层随着闭合压力的增加慢慢被压实，之后嵌入实验岩板，铺砂浓度越低，铺砂总层数越少，支撑剂嵌入后，嵌入层所占比例越大，其影响也就比高铺砂浓度更大。

支撑剂的嵌入程度随铺砂浓度的增加而显著降低。压裂现场进行施工作业时，为了降低支撑剂嵌入带来的影响，综合考虑施工成本等因素，可通过高铺砂浓度来保证裂缝具有良好的导流能力，改善压裂效果。