頁巖壓裂裂縫氣測導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)研究

彭科翔，李少明，鐘成旭，張 穎

（1. 長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100； 2. 中國石化江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院，湖北 武漢 430035；3. 中石油煤層氣有限責(zé)任公司韓城分公司，陜西 韓城 715400； 4. 陜西省渭南市韓城市芝川鎮(zhèn)秦天書院，陜西 韓城 715400）

頁巖壓裂裂縫氣測導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)研究

彭科翔1，李少明2，鐘成旭3，張 穎4

（1. 長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100； 2. 中國石化江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院，湖北 武漢 430035；3. 中石油煤層氣有限責(zé)任公司韓城分公司，陜西 韓城 715400； 4. 陜西省渭南市韓城市芝川鎮(zhèn)秦天書院，陜西 韓城 715400）

頁巖遇水容易膨脹以及實(shí)際生產(chǎn)時(shí)頁巖氣并不含水，液測導(dǎo)流能力并不能真實(shí)反映頁巖氣在地層裂縫中的滲透能力。壓裂用支撐劑多是以鋼板夾持支撐劑、蒸餾水為驅(qū)替流體完成測試，由于鋼板表面平滑、剛性不可嵌入，無法反映頁巖儲(chǔ)層裂縫壁面不規(guī)整、支撐劑在頁巖壁面特性，蒸餾水屬于液相介質(zhì)，無法反映天然氣氣相流動(dòng)，因此需要改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法。通過對API標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)流室改進(jìn)后，采用露頭頁巖巖心加工成的巖板模擬儲(chǔ)層人工裂縫，氮?dú)饽M天然氣在頁巖巖板夾持下的氣相流動(dòng)，測試其導(dǎo)流能力，優(yōu)化鋪砂濃度。理論分析認(rèn)為，支撐裂縫只要有一定的寬度，其滲透率仍遠(yuǎn)高于頁巖基質(zhì)的滲透率。氣測裂縫導(dǎo)流能力結(jié)果能夠真實(shí)反映地層情況，為鋪砂濃度優(yōu)選和頁巖氣藏壓裂設(shè)計(jì)施工等提供可靠依據(jù)。

頁巖氣藏；支撐裂縫；氣測；導(dǎo)流能力

我國在頁巖氣藏的開發(fā)快速發(fā)展，根據(jù)國家發(fā)改委能源局規(guī)劃，2020年我國頁巖氣產(chǎn)量為300× 108m3，累積投產(chǎn)頁巖氣井1 900口[1]。由于頁巖氣井初期產(chǎn)量下降較快（以巴內(nèi)特頁巖氣田為例，氣井生產(chǎn)1年平均產(chǎn)量遞減達(dá)到了75%[2]），而重復(fù)壓裂可使頁巖氣井恢復(fù)或增加產(chǎn)能，因此成為頁巖氣田儲(chǔ)量動(dòng)用和挖潛的重要手段[3]，江漢油田在國內(nèi)率先該技術(shù)研究。

支撐裂縫導(dǎo)流能力是影響頁巖氣井產(chǎn)量的重要因素之一[4,5]，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究對壓裂設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。目前，該實(shí)驗(yàn)多是以鋼板夾持支撐劑、蒸餾水為驅(qū)替流體[6]，鋪砂濃度和有效閉合壓力主觀性強(qiáng)[7]，因此無法真實(shí)反映儲(chǔ)層巖石特征、氣相流動(dòng)、縫內(nèi)鋪砂濃度及承壓狀況，實(shí)驗(yàn)方法與現(xiàn)場施工存在脫節(jié)，實(shí)驗(yàn)方法亟需改進(jìn)。本實(shí)驗(yàn)采用露頭頁巖加工成的巖板模擬裂縫壁面，采用產(chǎn)出水對支撐裂縫浸泡模擬支撐裂縫排采環(huán)節(jié)，采用氮?dú)饽M儲(chǔ)層氣相流動(dòng)，在地層溫度和有效閉合壓力條件下測試支撐裂縫導(dǎo)流能力，實(shí)驗(yàn)方法得到較大改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對重復(fù)壓裂鋪砂濃度優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

改進(jìn)現(xiàn)有的符合API標(biāo)準(zhǔn)的液測裂縫導(dǎo)流儀，為氣測導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備，保證具有良好的氣體密封性和實(shí)驗(yàn)測試的準(zhǔn)確性。經(jīng)過改進(jìn)后的導(dǎo)流儀，可以模擬不同的地層條件，如地層溫度最高達(dá)120oC，最高閉合壓力200 MPa，最大氣體流量為5×10-3m3/min，因此，可以完全滿足頁巖氣藏中支撐裂縫導(dǎo)流能力測試的需要。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用氣體為N2，通過調(diào)節(jié)進(jìn)口端的壓力，從而改變不同的流量，模擬頁巖氣在裂縫內(nèi)的流動(dòng)。在每一個(gè)閉合壓力下，測試三組流量，計(jì)算不同的導(dǎo)流能力，最后取平均值作為該閉合壓力下的導(dǎo)流能力值。測試時(shí)，閉合壓力以7 MPa為起點(diǎn)，同時(shí)按照7MPa的階梯順序遞增。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料

現(xiàn)場所用的40/70目覆膜砂和40/70目陶粒、地層水和頁巖巖樣。

1.4 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)氣體達(dá)西滲流定律，對于線性單相流時(shí)，有：

式中：Kg——支撐裂縫滲透率，μ m2；

Q0——裂縫內(nèi)氣體流量，cm3/s；

P0、P1、P2分別——大氣壓力、進(jìn)口壓力和出口壓力，kPa；

μ——?dú)怏w粘度，mPa·s；

L——測試段長度，cm；

A——支撐裂縫橫截面積，cm2。

裂縫導(dǎo)流儀的導(dǎo)流室測壓長度為12.7 cm，寬度為3.81cm。將這些參數(shù)代入式（1），得到支撐裂縫導(dǎo)流能力計(jì)算公式：

式中：Wf——支撐裂縫寬度，cm。

1.5 巖樣加工

巖樣取自涪陵地區(qū)的頁巖露頭，根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)要求，將頁巖加工成長度為17.7 cm，寬度為3.81 cm，厚度為1.0 cm的巖板。同時(shí)巖板端部為半圓，整個(gè)巖板剛好能夠放進(jìn)導(dǎo)流槽內(nèi)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在導(dǎo)流槽上下位置各放兩個(gè)頁巖巖板，在巖板中間鋪置支撐劑。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

模擬地層溫度為85 ℃，最高閉合壓力為70 MPa，在0.5、1.0、2.0、4.0 kg/m2四種鋪砂濃度下，分別測試40/70目覆膜砂和40/70目陶粒的導(dǎo)流能力。

2.1 兩種支撐劑導(dǎo)流能力的對比

在四川涪陵頁巖氣藏壓裂施工過程中，40/70目覆膜砂和40/70目陶粒為主要類型支撐劑，因此，在相同鋪砂濃度下，進(jìn)行氣測導(dǎo)流實(shí)驗(yàn)，以便對兩種支撐劑的導(dǎo)流能力大小進(jìn)行對比分析，具體方案見表1。

表1 覆膜砂和陶粒導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)方案Table 1 Comparison of flow conductivity of coated sand and ceramsite

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1，可看出在相同實(shí)驗(yàn)條件下，隨著閉合壓力的增大，兩種支撐劑的導(dǎo)流能力都有明顯下降，并且覆膜砂的下降程度要高于陶粒。在閉合壓力低于35 MPa時(shí)，兩種支撐劑的導(dǎo)流能力較高，但在閉合壓力超過35 MPa后，40/70目陶粒仍具有較高的導(dǎo)流能力，而40/70目覆膜砂基本失去導(dǎo)流能力。

上述結(jié)果表明，40/70目陶粒適用于閉合壓力較高的地層，而40/70目覆膜砂則適用于閉合壓力較低的地層。因?yàn)楦材ど暗目箟耗芰σ陀谔樟＃@也已經(jīng)為國內(nèi)外頁巖氣藏壓后的產(chǎn)氣情況所證實(shí)。

圖1 覆膜砂和陶粒的導(dǎo)流能力對比Fig.1 Coated sand and ceramsite flow conductivity contrast

2.2 鋪砂濃度對導(dǎo)流能力的影響

在四種鋪砂濃度下，分別對覆膜砂和陶粒進(jìn)行氣測導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)，具體見表 2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 2和圖3。

從圖2和圖3中，可看到，鋪砂濃度對兩種支撐劑的導(dǎo)流能力影響都比較大。對同一種支撐劑，鋪砂濃度越高，其導(dǎo)流能力越大。同時(shí)，在低閉合壓力下，較高鋪砂濃度所對應(yīng)的導(dǎo)流能力遠(yuǎn)大于低鋪砂濃度時(shí)的導(dǎo)流能力；在鋪砂濃度相同時(shí)，40/70目陶粒的導(dǎo)流能力明顯高于40/70目覆膜砂。隨著閉合壓力的增大，兩種支撐劑的導(dǎo)流能力下降趨勢較為明顯。低于35 MPa時(shí)，兩種支撐劑的導(dǎo)流能力隨閉合壓力的增大，其下降幅度較大；超過 35 MPa后，兩種支撐劑的導(dǎo)流能力下降幅度逐漸變。

表2 鋪砂濃度對導(dǎo)流能力的影響實(shí)驗(yàn)Table 2 Effect sanding concentration on conductivity experiments

圖2 在不同鋪砂濃度下，40/70目覆膜砂的導(dǎo)流Fig.2 In different concentration of sanding, 40/70 coated sand diverting capacity

圖3 在不同鋪砂濃度下，40/70目陶粒的導(dǎo)流能力Fig.3 In different concentration of sanding, 40/70 ceramsite diverting capacity

這是由于閉合壓力的增大，兩種支撐劑都會(huì)嵌入巖板并且逐漸破碎，導(dǎo)流能力會(huì)出現(xiàn)明顯下降。當(dāng)閉合壓力增大到一定范圍后，支撐劑嵌入和破碎會(huì)比較嚴(yán)重，支撐裂縫的寬度和導(dǎo)流能力也就維持在一定的范圍之內(nèi)，不再隨閉合壓力的增大而發(fā)生較大的變化。

2.3 不同鋪砂濃度時(shí)，兩種支撐劑導(dǎo)流能力的對比

選擇40/70目陶粒的鋪砂濃度為2 kg/m2、覆膜砂的鋪砂濃度為4 kg/m2，試驗(yàn)結(jié)果如圖4。

圖4 在不同鋪砂濃度時(shí)，40/70目陶粒與覆膜砂導(dǎo)流能力的對比Fig.4 In different concentration of sanding, 40/70 ceramsite and coated sand flow conductivity contrast

由圖4看到，在閉合壓力低于42 MPa時(shí)，鋪砂濃度為4 kg/m2的40/70目覆膜砂，其導(dǎo)流能力明顯高于鋪砂濃度為2 kg/m2的40/70目陶粒，但超過42 MPa后，兩種支撐劑的導(dǎo)流能力相差不大，這說明陶粒的抗壓能力要高于覆膜砂。因此，在地層閉合壓力較高的情況下，要獲得較高的導(dǎo)流能力，可以使用鋪砂濃度較低的陶粒代替鋪砂濃度較高的覆膜砂。

3 應(yīng)用

3.1 鋪砂濃度的優(yōu)選

在地層閉合壓力確定的前提下，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以優(yōu)選出合適的支撐劑鋪砂濃度。按照頁巖氣藏配產(chǎn)的要求和產(chǎn)氣能力，必須要具有一定的裂縫導(dǎo)流能力，否則，僅僅依靠頁巖氣藏自身的滲透能力，將難以投產(chǎn)開發(fā)。利用N2模擬頁巖氣在支撐裂縫中流動(dòng)和滲透能力，進(jìn)行導(dǎo)流能力測試，可以比較真實(shí)地反映地層情況，因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為鋪砂濃度的優(yōu)選提供了可靠依據(jù)。

3.2 導(dǎo)流能力的預(yù)測

當(dāng)鋪砂濃度確定后，可以根據(jù)下式計(jì)算支撐裂縫的寬度[16]：

CS——鋪砂濃度，kg/m2；

φf——支撐裂縫的孔隙度；

PS——支撐劑的密度，kg/m3。

對于支撐裂縫，可以根據(jù)下式計(jì)算其滲透率。

式中：Kf——支撐裂縫滲透率，m2。

選擇40/70目覆膜砂的鋪砂濃度為0.5 kg/m2，假設(shè)地層內(nèi)支撐裂縫的孔隙度為10%，地層內(nèi)覆膜砂被壓實(shí)后的密度為3 300 kg/m3，可以計(jì)算得到支撐裂縫的寬度為1.68 ×10-4m，導(dǎo)流能力為4 μ m2，滲透率為236μ m2，而頁巖氣藏的滲透率通常在10-3μ m2數(shù)量級。可見，只要支撐裂縫具有毫米級甚至微米級的寬度，其滲透率仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于頁巖氣藏自身的滲透率。這就是大規(guī)模水平井分段壓裂技術(shù)在致密頁巖氣藏中能夠獲得高產(chǎn)的主要原因。

4 結(jié) 論

通過對頁巖進(jìn)行裂縫氣測導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析后，可得到如下結(jié)論與認(rèn)識(shí)：

（1）對于現(xiàn)場中常用的40/70覆膜砂和陶粒，兩種支撐劑的導(dǎo)流能力隨著閉合壓力的增大都有明顯下降，覆膜砂的下降程度要高于陶粒。在閉合壓力超過35 MPa后，40/70目陶粒仍具有較高的導(dǎo)流能力，而40/70目覆膜砂基本失去導(dǎo)流能力。

鋪砂濃度對兩種支撐劑的導(dǎo)流能力影響都比較大。對同一種支撐劑，鋪砂濃度越高，其導(dǎo)流能力越大。在低閉合壓力下，較高鋪砂濃度所對應(yīng)的導(dǎo)流能力遠(yuǎn)大于低鋪砂濃度時(shí)的導(dǎo)流能力；在鋪砂濃度相同時(shí)，40/70目陶粒的導(dǎo)流能力明顯高于40/70目覆膜砂。

（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析后認(rèn)為，支撐裂縫只要有一定的寬度，數(shù)量級保持在毫米級甚至微米級，其滲透率仍會(huì)遠(yuǎn)高于頁巖氣儲(chǔ)層的滲透率。因此，在頁巖氣藏壓裂設(shè)計(jì)和施工時(shí)，應(yīng)該將鋪砂濃度優(yōu)化作為重要的考慮因素。

利用 N2模擬頁巖氣在支撐裂縫中流動(dòng)和滲透能力，得到的導(dǎo)流能力測試結(jié)果能夠比較真實(shí)地反映地層情況，因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為鋪砂濃度的優(yōu)選和頁巖氣藏壓裂設(shè)計(jì)施工等現(xiàn)場應(yīng)用提供了可靠依據(jù)。

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Experiment Research on Fracture Conductivity of Shale Based on Gas Logging

PENG Ke-xiang1, LI Shao-ming2, ZHONG Cheng-xu3, ZHANG Ying4
(1. Yangtze University, Hubei Wuhan 430100，China；2. Petroleum Engineering Technology Research Institute of Jianghan Oilfield Company, Sinopec, Hubei Wuhan 430035 , China；3. PetroChina Coal seam gas Co., Ltd. Hancheng branch , Shaanxi Hancheng 715400 , Shanxi , China；4. Shaanxi city of Weinan province Hancheng city Zhi Chuan Zhen Qin Tian Academy，Shaanxi Hancheng 715400 , Shanxi , China)

Shale is easy to swell while it contacting water, and shale gas in the actual production does not contain water, the conductivity obtained by liquid logging cannot truly reflect the permeability of shale gas in cracks of the formation. The fracturing support agent is tested by using the steel plate to hold the supporting agent, and distilled water as the displacement fluid; the steel plate has smooth surface, and is not embeddable due to the rigidity, so it cannot reflect the shale reservoir fracture whose surface is irregular; distilled water is liquid medium, so it can not reflect the natural gas flow, therefore the experimental method needs to be improved. Through improving the diversion chamber of the API standard, artificial fractures in the reservoir was simulated by using outcrop shale cores, gas flow of natural gas in the gas phase of the shale rock plate was simulated by nitrogen gas, and the flow conductivity was tested, sand concentration was optimized. Theoretical analysis shows that, as long as there is a certain width of the crack, its permeability is still much higher than the permeability of the shale matrix. The results of gas flow measurement can reflect the formation conditions.

shale gas reservoir; propped fracture; gas logging; fracture conductivity

TE 357.46

A

1671-0460（2016）11-2520-04

涪陵頁巖氣開發(fā)示范工程，項(xiàng)目號(hào)：2016ZX05060。

2016-09-06

彭科翔（1990-），男，研究生，2014年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué) 過程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)為長江大學(xué)石油工程專業(yè)的在讀研究生，主要從事油氣田開發(fā)工程，油氣開采理論與應(yīng)用技術(shù)研究。E-m ail：541081111@qq.com。