支撐劑在人工裂縫儲層中的應用研究

趙鴻楠，歐陽傳湘，李鑫羽，曾羽佳

(長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100)

在致密儲層中開采油氣、壓裂儲層，使人工壓裂裂縫和天然裂縫構成復雜的裂縫網絡，是發展最為成熟的技術之一[1]。為了提高油氣的采收率，需改造原始儲層結構、提高滲透率，向裂縫中加入支撐劑成為不可或缺的方式之一。

目前，對支撐劑的應用研究主要包括支撐劑的類型、粒度以及鋪砂濃度等影響參數[2]。在此基礎上，金智榮等[3]探究了不同粒徑支撐劑對裂縫導流能力的影響；M G Much等[4]在實驗中加入時間、溫度等因素對不同支撐劑的影響，進而探究各種因素對充填層導流能力的傷害評估；王雷等[5]研究了防回流纖維對裂縫內支撐劑導流能力的影響，探究不同粒徑支撐劑在纖維以及壓裂液影響下的導流能力。導流能力的影響因素及支撐劑的運用是目前研究提高油氣采收率關注的重點之一，然而，部分文獻[6-7]未考慮支撐劑的排列方式對充填層的導流能力及儲層應力敏感性的影響。

針對支撐劑充填層對應力敏感性和導流能力的影響實驗還不夠完善，大量文獻研究集中于各種影響因素，或定量研究充填層形變理論模型研究，而未曾考慮支撐劑充填層的排列方式。筆者分別設計2種排列方式(鋪砂濃度、鋪砂空間)的充填層及4種充填程度(鋪砂濃度和鋪砂空間分別設為各自100%、80%、60%、40%初始充填層)，用2種實驗方式(儲層應力敏感性實驗和導流能力測試實驗)進行對比分析，通過函數模型擬合等方法，分析充填層的排列方式對儲層應力敏感性和導流能力的影響，最后總結提出支撐劑運用研究思路和現實油氣田開發中的應用。

1 儲層應力敏感性實驗

將巖心放入巖心夾持器中，通過計算機控制所需的圍壓[6-7]。由出口處計算出流量，獲取所需數據。實驗為液泵驅動，工作壓力為0.5 MPa，最小流速為0.01 mL/min。實驗支撐劑采用20/40目球體陶瓷顆粒填充，初始鋪砂濃度設為10 kg/m2，各巖心均填充不同的方式和程度的支撐劑。

實驗步驟：①對巖心進行人工裂縫和支撐劑填充處理。②初始鋪砂濃度設為10 kg/m2，梯次百分比設為100%、80%、60%、40%；后將鋪砂濃度為10 kg/m2的排列方式設為初始鋪砂空間，梯次百分比設為100%、80%、60%、40%。③將已填充支撐劑的巖心放入夾持器中，進行實驗。④改變實驗中的圍壓，分別設為5、10、15、20、25、30、35 MPa，測出巖心滲透率數據。⑤觀察各個巖心在不同有效應力下的滲透率變化規律，得出結論。

1.1 不同的填充方式

取自塔里木吐格爾明段同一地層的樣塊，取出7塊巖心制造人工裂縫，填充支撐劑，分為2組。對2組具有近似初始滲透率的致密巖心進行實驗(圖1、圖2)。

圖1 不同鋪砂濃度充填層Fig.1 Filling layer with different sand laying concentration

圖2 不同鋪砂空間充填層Fig.2 Filling layers in different sand laying spaces

對7塊巖心進行應力敏感性實驗，觀察各巖心孔隙度和滲透率的變化曲線(圖3、圖4)。實驗結果顯示：2組巖心的滲透率和孔隙度均隨著有效應力的增大而降低，造成巖心損失率。其中，隨著有效應力的增大，孔隙度損失率相對較小，實驗后7塊巖心的孔隙度處于同一數量級；相對巖心滲透率損失較大，且實驗后7塊巖心的滲透率彼此間存在明顯差距，當有效應力在5～10 MPa時，不同鋪砂濃度充填層的巖心滲透率損失接近，而鋪砂空間的巖心滲透率相對較高，隨著有效應力的增大，充填層中整體支撐劑含量較低的巖心滲透率急劇下降，表現出較強的應力敏感性。

1.2 2種填充方式對比分析

對鋪砂濃度和鋪砂空間充填層同為80%的致密巖心進行對比實驗，并對所得數據進行函數擬合(圖5)。結果顯示，隨著有效應力的增加，2塊巖心的滲透率下降規律呈現出“先陡后緩”2段式遞減，80%鋪砂濃度充填層致密巖心的臨界壓力為16.08MPa，80%鋪砂空間充填層致密巖心的臨界壓力為17.13 MPa，前半段體現裂縫儲層滲透率的應力敏感性，后半段體現基質滲透率的應力敏感性。

圖3 不同鋪砂濃度充填層致密巖心孔隙度和滲透率應力敏感性Fig.3 Porosity and permeability stress sensitivity of dense core with different sand laying concentration

圖4 不同鋪砂空間充填層致密巖心孔隙度和滲透率應力敏感性Fig.4 Porosity and permeability stress sensitivity of dense core in different sand laying spaces

圖5 80%鋪砂濃度與80%鋪砂空間充填層致密巖心應力敏感性函數擬合對比Fig.5 Fitting comparison between 80% sand laying concentration and 80% sand laying space filling layer tight core stress sensitivity function

對鋪砂濃度和鋪砂空間充填層同為60%的致密巖心進行對比實驗，并對所得數據進行函數擬合(圖6)。如圖6所示，對比發現2塊巖心有效應力的分界點接近，60%鋪砂濃度充填層巖心為17.21 MPa，60%鋪砂空間充填層巖心為17.24 MPa，且2塊巖心斜率分別為-0.067、-0.045。當巖心裂縫處于開啟狀態時，是油氣滲流的主要通道，前半段升高相同程度的有效應力時，60%鋪砂濃度充填層巖心滲透率損失更嚴重。

圖6 60%鋪砂濃度與60%鋪砂空間充填層致密巖心應力敏感性函數擬合對比Fig.6 Fitting comparison of stress sensitivity function between 60% sand laying concentration and 60% sand laying space filling layer

2 導流能力測試實驗

2.1 實驗原理

將導流能力測試實驗按照線性流設計，確保地層水在穩定的流速下通過巖心[8-10]。根據達西定律推導支撐劑充填層導流公式：

式中，K為支撐劑充填層滲透率；Wf為支撐劑充填層厚度；μ為黏度；Q為流量；Δρ為壓差。

2.2 鋪砂濃度的影響

支撐劑采用20/40目球體陶瓷顆粒，設初始鋪砂濃度為10 kg/m2，實驗中所需的4塊巖心鋪砂濃度百分比逐次為：100%、80%、60%、40%。不同鋪砂濃度充填層致密巖心的導流能力實驗結果如圖7所示。實驗數據表明，4塊巖心的導流能力均隨閉合壓力的增大而降低，當閉合壓力增加到70 MPa時，導流能力下降70%以上。實驗中，鋪砂濃度相對較高的充填層，其導流能力相對較大。其中，以80%鋪砂濃度充填層的導流能力大于初始鋪砂濃度充填層，說明當鋪砂濃度大于某個臨界值時，導流能力會隨之降低；此外，初始鋪砂濃度充填層與80%鋪砂濃度充填層的導流能力差距值在10～60 MPa閉合壓力區間保持穩定，當閉合壓力在60～70 MPa時，導流能力差距值逐漸接近，而60%鋪砂濃度充填層與40%鋪砂濃度充填層的導流能力差距值在閉合壓力10～40 MPa閉合壓區間已逐漸減小，隨閉合壓力的增大，2塊巖心的導流能力近乎一致。

圖7 不同鋪砂濃度充填層致密巖心導流能力對比Fig.7 Comparison of dense core conductivity of different sand laying concentration filling layers

2.3 空間密度的影響

將初始鋪砂濃度為10 kg/m2充填層設為初始鋪砂空間充填層，梯次百分比設為100%、80%、60%、40%。不同鋪砂空間充填層致密巖心的導流能力實驗結果如圖8所示。實驗結果顯示，初始階段，當閉合壓力為10 MPa時，支撐劑與巖心表面接觸，可以支撐裂縫，形成大孔徑裂縫通道，促使4塊巖心有著較大的初始導流能力；隨著閉合壓力的增大，較大鋪砂空間充填層有著良好的導流能力，較低鋪砂空間充填層難以支撐，支撐劑發生形變或嵌入，導致導流能力迅速下降；80%鋪砂空間充填層的導流能力損失率約63.7%，優于初始鋪砂空間充填層，而40%與60%鋪砂空間充填層的巖心在閉合壓力30～70 MPa區間的導流能力近乎一致，表明低鋪砂空間充填層中的支撐劑更易于發生形變、破碎或嵌入儲層表面，不能為裂縫提供良好的導流空間。

圖8 不同鋪砂空間充填層致密巖心導流能力對比Fig.8 Comparison of dense core conductivity of filling layers in different sand laying spaces

3 在油氣田開發中的應用

國內外學者主要對支撐劑的類型、粒徑和鋪砂濃度對裂縫導流能力的影響進行研究[11]。然而，此次實驗結果得出，部分支撐面由充填層支撐，形成橋梁式的通道，可以有效提高充填層的導流能力。現場油氣開采過程中，人工壓裂裂縫在儲層的內部形成復雜的網狀結構，是實驗室中巖心難以模擬的重要因素之一[12-15]。實驗中，充填層的排列排列不適用于現實中油氣開采現場應用，針對此難題，提出基本的解決思路[16]。

鋪砂排列效果如圖9所示。對裂縫填充支撐劑時，選擇合適的方位、濃度大小等因素，使不同的鋪砂濃度充填層交替填入裂縫不同位置，使較高的鋪砂濃度充填層形成支撐橋梁，較低的鋪砂濃度充填層作為導流通道。

圖9 鋪砂排列效果Fig.9 Arrangement effect of sand laying

4 結論

(1)2種鋪砂方式均存在當充填層中支撐劑含量較少時，隨有效應力或閉合壓力的增大，支撐劑難以支撐儲層表面，滲透率和導流能力迅速下降。原因：①低含量支撐劑鋪置方式更易發生形變、破碎或嵌入儲層表面等現象；②非均勻支撐劑鋪置方式，由于存在受力面積小等原因，會導致所受壓力增加。

(2)通過儲層應力敏感性實驗結果表明，巖心的滲透率下降規律呈現出“先陡后緩”2段式遞減，80%鋪砂濃度充填層巖心的臨界壓力為16.08 MPa，80%鋪砂空間充填層巖心的臨界壓力為17.13 MPa，表明鋪砂空間排列方式可以減緩應力敏感性；此外，導流能力測試實驗結果表明，當閉合壓力在10～70 MPa時，80%鋪砂空間充填層的導流能力明顯高于80%鋪砂濃度充填層的導流能力。總體說明支撐劑的排列方式對應力敏感性和導流能力有著不可忽視的影響。

(3)對于油氣田開發中的應用，提出把充填層看作橋梁支架，可擺脫支撐劑運用的固有思維，通過結構設計獲得更多更有效的運用方法，以實現改造提高儲層的導流能力，進而達到提高采收率的目的。

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