致密油藏不同沉積巖人工裂縫導流能力實驗

孫業恒 殷代印 劉凱

1.中國石化勝利油田勘探開發研究院；2.東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室

致密油藏增產措施主要為縫網壓裂，對儲層改造區域內人工裂縫導流能力的正確認識是優化壓裂參數的基礎［1-2］。目前，對人工裂縫導流能力的研究主要有理論法和實驗法，李勇明等［3-8］基于彈性力學理論，考慮支撐劑的材料特性參數建立了支撐劑嵌入的理論模型；朱海燕等［9］應用離散元顆粒程序，建立了人工裂縫導流能力數值模擬模型。以上理論模型在描述導流能力時都進行了很大程度的簡化，難以準確地描述導流能力真實變化情況。張靜嫻等［10］通過設計正交實驗，應用實驗法研究了人工裂縫導流能力的影響因素；熊俊杰等［11-13］應用實驗法研究并分析了支撐劑嵌入對導流能力的影響；曲占慶等［14］結合導流能力實驗結果，應用灰度關聯分析算法研究了主控因素；吳百烈等［8］設計了新型導流能力測試裝置，開展了導流能力測試實驗。以上實驗法研究導流能力時，并沒有考慮致密油藏壓裂后支撐劑在近井地帶濃度高，裂縫遠端濃度低的分布特征，只采用均勻鋪砂方式與致密儲層的真實情況存在差異。

致密油藏不同埋深及不同區域的沉積巖類型不同，應用多段非均勻鋪砂裝置，模擬支撐劑非均勻的分布特征，分別研究了不同類型沉積巖巖板(灘壩砂、砂礫巖、濁積巖和2種露頭巖心)在非均勻鋪砂條件下的導流能力，更加符合儲層實際狀況。

1 非均勻鋪砂導流能力測試原理

室內實驗在模擬實際儲層壓裂后支撐劑的非均勻分布狀態時，將導流巖板分成了3段，如圖1所示。各導流段分別鋪置不同濃度或不同目數的支撐劑，分別描述井附近支撐劑高濃區、裂縫中部支撐劑中濃區和裂縫遠端支撐劑低濃區。

致密油藏通常埋深2 200~4 000 m，水平應力場強，人工導流條帶存在較強的應力敏感性，應用常規的指數型函數描述這種現象則流體的滲流方程為

圖1 多段非均勻鋪砂裝置Fig.1 Multi-section nonuniform sanding device

通過任意截面的流量為

對式(2)進行分離變量處理，對支撐劑高濃區導流條帶進行積分

對支撐劑中濃區導流條帶進行積分

對支撐劑低濃區導流條帶進行積分

考慮流動的連續性，各段導流條帶與注入端的流量相同

聯立方程(2~6)，推導出了各段導流能力的計算公式

對各段導流能力進行長度加權，推導出了平均導流能力的表達式

式中，v為滲流速度，m/s；k為人工裂縫滲透率，10?3μm2；μ為流體黏度，mPa · s；α為應力敏感系數，MPa?1；p為儲層壓力，MPa；pi為人工裂縫初始有效應力，MPa；kf為導流條帶的導流能力，μm2· c m；d為導流條帶的寬度，m；L1、L2、L3為各段導流條帶端點距初始點的距離，m；q1、q2、q3為通過各段導流條帶的流量，m3；kf1,kf2、kf3為各段導流條帶的導流能力，μm2· cm；p0、p1、p2分別為各導流條帶的流動壓力，MPa；為導流條帶的平均導流能力，μm2· c m。

2 非均勻導流能力測試實驗

采用非均勻鋪砂的方式，模擬了實際儲層人工裂縫中的支撐劑分布狀態，基于以上推導的多段導流能力測試原理，研究了不同閉合應力條件下，各段導流條帶的導流能力。

2.1 閉合應力范圍

致密油藏開發孔隙壓力改變，引起有效應力的變化，室內實驗通常設置不同圍壓來模擬有效應力。通過查考相關文獻，致密油藏埋深通常為2 200~4 000 m，水平最小有效應力的壓力梯度為0.013 MPa/m［15］，室內實驗為了包含整個有效應力范圍，閉合應力范圍是20~60 MPa。

2.2 實驗儀器及材料

實驗儀器：液體儲集器、液體計量器、液體收集器、平流泵、恒溫箱、液壓設備、輔助填砂裝置、導流室、壓力傳感器、光電傳感器、流體過濾器和真空泵。

實驗材料：不同沉積巖制成的巖板，40/70目的陶粒支撐劑。

2.3 實驗流程

相對常規人工裂縫導流能力測試實驗，此實驗需要額外監測導流能力條帶分段處的壓力及位移。通過在導流條帶分段處安裝測壓點和光電位移傳感器，實現了分段壓力監測和各段縫寬監測。此外，通過逐漸增加閉合應力的方式模擬了實際儲層壓裂后逐漸泄壓的過程，實驗裝置如圖2所示。

圖2 實驗裝置Fig.2 Experiment device

實驗步驟：(1)選取致密儲層天然露頭板狀巖心作為實驗巖板的制作材料，將其加工成與導流室匹配的長方體巖板，共2塊；(2)將其中一塊加工好的巖板置于導流室，使用分段鋪砂裝置進行鋪砂，向各導流段填充40/70目數的支撐劑，從注入端到出口端填充濃度依次降低，濃度分別為8、5、3 kg/m2，完成鋪砂后，裝入另1塊巖板，閉合導流室；(3)將安裝好的導流室置于液壓裝置的加壓平臺，固定夾持器，設置1 MPa的閉合應力，使人工導流條帶初步壓實，設置恒溫箱溫度為60℃；(4)對導流室側面安裝的光電位移傳感器進行校零處理，對線路上和裝置上連接的壓力計進行校零處理，對線路進行檢漏測試，完成實驗準備工作；(5)設置閉合應力為10 MPa，開啟平流泵，平流泵的流量設置為0.1 mL/min，開始人工裂縫導流能力測試實驗；(6)2 h后記錄閉合應力、平流泵流量和各部位瞬時壓力等參數，根據多段導流能力算法計算各段導流條帶的導流能力；(7)以10 MPa為步長，逐漸增加閉合應力，每個閉合應力持續2 h，測試不同閉合應力下的導流能力；(8)閉合應力增加至60 MPa后，關閉平流泵，使液壓裝置卸壓并關閉液壓裝置和恒溫箱，拆除導流室，取出巖板，整理線路和儀器裝置，結束實驗。

3 致密油藏導流能力影響因素

分別研究了不同鋪砂方式和不同沉積巖對人工裂縫導流能力的影響。

3.1 鋪砂方式對導流能力的影響

通過實驗，對比了多段非均勻鋪砂方式和常規均勻鋪砂方式人工裂縫導流能力的差異，支撐劑均為40/70目，常規均勻鋪砂方式支撐劑濃度為5 kg/m2其他實驗基本參數如表1所示。以灘壩砂儲層為例，實驗結果如圖3所示。多段非均勻鋪砂方式與常規均勻鋪砂方式相比，主要差異有：非均勻鋪砂方式的導流能力總體小于均勻鋪砂；非均勻鋪砂下，越靠近井底導流能力損失越大，而均勻鋪砂下，各部分導流能力損失基本一致；非均勻鋪砂導流能力穩定后，各段導流能力分布規律仍是從井底到裂縫遠端逐漸降低，但差異變小。

表1 不同沉積巖導流能力測試實驗基本參數Table 1 Basic parameters of flow conductivity testing experiment for different sedimentary rocks

圖3 不同鋪砂方式的導流能力測試結果Fig.3 Tested flow conductivity in different sanding modes

3.2 沉積巖類型對導流能力的影響

通過實驗，對比了不同類型沉積巖的導流能力差異，測試結果如圖4所示。砂礫巖巖板的支撐劑嵌入深度最大，濁積巖居中，灘壩砂最小；砂礫巖巖板的導流能力損失最大，濁積巖居中，灘壩砂最小，分別為53.7%，44.4%和38.9%。

3.3 不同沉積巖導流能力差異分析

根據導流能力的定義，在支撐劑目數和濃度相同的條件下，人工裂縫導流能力主要與縫寬有關，不同沉積巖的抗壓強度不同［16-19］；施加閉合應力后，支撐劑嵌入深度不同，導致縫寬不同，進而影響導流能力。統計了不同沉積巖的粒度和成分解釋結果，分析了導流能力差異產生的原因。

(1)不同沉積巖的粒級解釋數據見表2。灘壩砂儲層中碳酸鹽質砂巖和粉砂巖含量較高，大顆粒間由粉砂巖和泥質粉砂巖充填，壓實后抗壓能力強，支撐劑嵌入深度小，導流能力損失?。簧暗[巖主要由含礫砂巖、中粗砂巖和粉細砂巖組成，結構欠成熟直接壓實形成儲層，當施加閉合應力后，顆粒會重新排列，支撐劑嵌入深度相對較大，導流能力損失大。

圖4 不同類型沉積巖導流能力測試結果Fig.4 Tested flow conductivity of different types of sedimentary rocks

(2)不同沉積巖的成分解釋數據見表3。灘壩砂的成分成熟度較高，石英含量高，抗壓能力強，支撐劑嵌入深度小，導流能力損失??；砂礫巖(礫狀砂巖、含礫砂巖、中粗砂巖、粉細砂巖)中巖屑含量較高，當施加閉合應力后，支撐劑嵌入深度相對較大，導流能力損失大。

4 結論

(1)通過設計非均勻鋪砂方式導流能力測試實驗，模擬了致密儲層壓裂后支撐劑從井底到裂縫遠端濃度逐漸降低的分布狀態，相比于常規均勻鋪砂方式下的導流能力測試實驗，導流能力保持率降低4.7~8.5個百分點。

表2 不同類型沉積巖的粒度組成(質量分數)Table 2 Size compositions of different types of sedimentary rocks(mass fraction)

表3 不同類型沉積巖的成分比例(質量分數)Table 3 Composition proportions of different types of sedimentary rocks (mass fraction)

(2)通過開展不同沉積巖的導流能力測試實驗，明確了灘壩砂儲層導流能力保留率最高，為61.1%；濁積巖居中，為55.6%；砂礫巖最低，為50.2%。

(3)從沉積巖成分和粒度組成方面，分析了不同沉積巖導流能力差異的原因，主要在于閉合應力逐漸增加，巖石抗壓能力不同，導致支撐劑嵌入深度不同。