——以川南地區(qū)龍馬溪組頁巖為例"/>
999精品在线视频,手机成人午夜在线视频,久久不卡国产精品无码,中日无码在线观看,成人av手机在线观看,日韩精品亚洲一区中文字幕,亚洲av无码人妻,四虎国产在线观看 ?吳建發(fā) 樊懷才 張 鑒 胡浩然 苑術(shù)生 李佳峻
中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院
頁巖氣作為存儲(chǔ)于暗色泥頁巖與碳質(zhì)頁巖中自生自儲(chǔ)的天然氣,廣泛分布于北美、中亞、中東、北非及我國的部分地區(qū)[1-7]。2012年設(shè)立了中國第一個(gè)國家級頁巖氣示范區(qū)長寧—威遠(yuǎn)頁巖氣示范區(qū)[8-10]。截至2020年12月,中石油西南油氣田分公司頁巖氣年產(chǎn)量突破100×108m3,顯示了川南頁巖氣良好的勘探開發(fā)潛力。
然而,由于頁巖儲(chǔ)層超低孔、超低滲特性,國內(nèi)外普遍采用水平井和大型水力壓裂技術(shù)進(jìn)行有效開發(fā)[11-14]。頁巖基質(zhì)滲透率較低,氣井生產(chǎn)壓差往往較大。大量實(shí)驗(yàn)研究及現(xiàn)場應(yīng)用證實(shí)[15-19],較大生產(chǎn)壓差作用下,由于支撐劑的破碎、嵌入及運(yùn)移等作用,頁巖儲(chǔ)層裂縫表現(xiàn)出一定的應(yīng)力敏感特征。國內(nèi)外頁巖氣生產(chǎn)實(shí)踐表明,通過優(yōu)化排采測試及生產(chǎn)制度[20-23]可避免或降低頁巖人工裂縫應(yīng)力敏感性對滲透率的傷害程度,從而提高氣井EUR和井控地質(zhì)儲(chǔ)量采收率。目前,國內(nèi)頁巖氣井排采測試制度可分為油嘴由大到小和由小到大兩種方式,哪種排采方式更有利于降低應(yīng)力敏感性對氣井產(chǎn)能的傷害程度尚未明確。除排采測試方式外,油嘴尺寸的更換級差對頁巖氣井產(chǎn)能也有影響[24-30],四川盆地某區(qū)塊頁巖氣井測試結(jié)果表明,不同油嘴尺寸級差條件下氣井的測試產(chǎn)量、穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間差別明顯。
雖然生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)踐證實(shí)合理控制生產(chǎn)壓差可以降低滲透率損失程度、提高氣井開發(fā)效果,但還需要深化控壓生產(chǎn)的機(jī)理性認(rèn)識(shí)。目前,國內(nèi)主要采用微觀分析、理論計(jì)算、變圍壓實(shí)驗(yàn)等方式[31-35]評價(jià)頁巖人工裂縫應(yīng)力敏感性,無法全面考慮支撐劑壓實(shí)、變形、嵌入、破碎、運(yùn)移對頁巖人工裂縫應(yīng)力敏感性的影響,為此,本文以四川盆地龍馬溪組頁巖為研究對象,創(chuàng)新采用定圍壓變流壓測試方式開展頁巖人工裂縫滲透率敏感性實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過程更符合頁巖氣井生產(chǎn)實(shí)際,深化頁巖氣井特殊生產(chǎn)機(jī)理性認(rèn)識(shí),研究成果為頁巖氣井排采制度和氣井生產(chǎn)制度優(yōu)化等提供借鑒。
本實(shí)驗(yàn)選取川南某區(qū)塊龍一12層位的巖心樣本(表1)。由于頁巖層理發(fā)育、脆性高,在人工造縫時(shí),若作用力方向未與層理縫對齊,容易出現(xiàn)應(yīng)力錯(cuò)位,導(dǎo)致造縫成功率較低。常規(guī)線切割造縫方法,造出的縫面過于光滑平整,與現(xiàn)場壓裂縫的縫面特征差異較大。為此,采用巴西劈裂法[27-28]進(jìn)行人工造縫(圖1),巴西劈裂法的優(yōu)勢:①劈裂機(jī)頂針對準(zhǔn)巖心層理縫,壓力作用于層理縫局部弱應(yīng)力面,緩慢加壓將巖心壓開,獲得天然的粗糙裂縫;②劈裂機(jī)放樣倉為“凹”型,兩側(cè)倉壁可模擬原始地層圍壓條件下人工裂縫張開的過程;③操作流程簡單,造縫成功率較高(可達(dá)95%左右)。

表1 巖心基本參數(shù)表

圖1 巴西劈裂法造縫裝置照片
為了模擬不同加砂強(qiáng)度、不同排采方式、不同生產(chǎn)制度下頁巖人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感性,將70/100目30%石英砂與40/70目70%陶粒的支撐劑均勻地鋪置于人工裂縫中(圖2),鋪砂濃度分別設(shè) 置 為 0.5 kg/m2、1.0 kg/m2、2.0 kg/m2、5.0 kg/m2、10.0 kg/m2,其中以 2.0 kg/m2為主。采用熱縮膜包裹巖心,固定裂縫及支撐劑的位置,制得不同鋪砂濃度的支撐裂縫巖心樣本(圖3),巖樣制備情況及鋪砂誤差如表2 所示。

表2 不同鋪砂濃度巖樣制備情況表

圖2 填充支撐劑的頁巖巖心照片

圖3 巖心制備情況匯總照片
本實(shí)驗(yàn)采用純度為99.9% 的N2作為實(shí)驗(yàn)流體。
現(xiàn)有的儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性評價(jià)研究對象主要為基質(zhì)和微裂縫,并且以變圍壓測試為主,如果采用該測試方式評價(jià)有支撐劑條件下頁巖人工裂縫的應(yīng)力敏感性,僅能模擬支撐劑變形、嵌入、破碎對人工裂縫滲透率的影響,無法模擬頁巖氣井生產(chǎn)過程中支撐劑在高速流體沖刷作用下發(fā)生運(yùn)移對裂縫滲透率應(yīng)力敏感的影響。因此,本次研究創(chuàng)新設(shè)計(jì)了變流壓方式開展頁巖人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn),確保了測試過程更符合生產(chǎn)實(shí)際。
為了評價(jià)人工裂縫不同鋪砂濃度條件下應(yīng)力敏感性,深化頁巖氣井排采制度、生產(chǎn)制度優(yōu)化的機(jī)理性認(rèn)識(shí),設(shè)計(jì)了3套實(shí)驗(yàn)方案(表3),實(shí)驗(yàn)測試流程如圖4所示。

圖4 頁巖人工裂縫應(yīng)力敏感性測試實(shí)驗(yàn)流程圖

表3 頁巖人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表
方案1模擬不同加砂強(qiáng)度條件下頁巖人工裂縫因支撐劑變形、破損、嵌入條件下滲透率變化規(guī)律,為優(yōu)化加砂強(qiáng)度提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)選取6塊巖心鋪砂濃度分別為 0 kg/ m2、0.5 kg/ m2、1.0 kg/ m2、2.0 kg/ m2、5.0 kg/ m2、10.0 kg/ m2。考慮頁巖氣井生產(chǎn)壓差一般較大,導(dǎo)致作用在支撐劑上的有效應(yīng)力普遍偏高,因此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)初始作用在支撐劑上有效應(yīng)力為10 MPa。每塊巖心先由有效應(yīng)力10 MPa以5 MPa級差逐級加載至設(shè)計(jì)的最高有效應(yīng)力,然后再以5 MPa級差從最高有效應(yīng)力逐級卸載至有效應(yīng)力為10 MPa,評價(jià)不同鋪砂濃度條件下頁巖人工裂縫的應(yīng)力敏感性。
方案2模擬油嘴由小到大、由大到小兩種測試條件下人工裂縫滲透率變化規(guī)律,為優(yōu)化排采制度提供依據(jù)。兩者測試條件下巖心鋪砂濃度均為2.0 kg/ m2。開展油嘴由小到大排采制度的模擬實(shí)驗(yàn)時(shí),由于上一級小油嘴測試對初始滲透率產(chǎn)生的傷害可以忽略,因此,可以采用同一組巖心以5 MPa級差從有效應(yīng)力10 MPa逐級加載至30 MPa,模擬油嘴由小到大測試條件下人工裂縫的滲透率變化規(guī)律。開展油嘴由大到小排采制度的模擬實(shí)驗(yàn)時(shí),由于每組實(shí)驗(yàn)作用在人工裂縫和支撐劑上的初始有效應(yīng)力較大,會(huì)對初始滲透率產(chǎn)生先期傷害,因此,油嘴由大到小測試方式的模擬實(shí)驗(yàn)需要選取多個(gè)初測滲透率(有效應(yīng)力10 MPa時(shí)測定的滲透率)相近的巖心,每組實(shí)驗(yàn)都需要使用新的巖心,以5 MPa級差從各巖心最大有效應(yīng)力逐級卸載至10 MPa,模擬不同初始油嘴尺寸條件下人工裂縫的滲透率變化規(guī)律。
方案3模擬不同生產(chǎn)制度條件下人工裂縫滲透率變化規(guī)律,為優(yōu)化生產(chǎn)制度提供依據(jù)。各巖心鋪砂濃度均設(shè)置為2.0 kg/ m2。為了深化放壓、控壓兩種生產(chǎn)方式的機(jī)理認(rèn)識(shí),設(shè)計(jì)了有效應(yīng)力變化幅度分別為 2.5 MPa、5.0 MPa、7.5 MPa、10 MPa 條件下頁巖人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn),掌握大壓差、小壓差逐級穩(wěn)定降壓兩種生產(chǎn)方式人工裂縫滲透率變化規(guī)律。另外,設(shè)計(jì)不同應(yīng)力加載、卸載條件下滲透率應(yīng)力敏感測試實(shí)驗(yàn),掌握滲透率恢復(fù)率突變的臨界條件,為氣井合理配產(chǎn)提供依據(jù)。
1)按照頁巖人工裂縫應(yīng)力敏感性測試實(shí)驗(yàn)流程圖連接實(shí)驗(yàn)裝置,并檢測管線、儀器裝置的氣密性;其次,將填充好支撐劑、塑封完整的巖樣放入巖心夾持器,用黑色熱縮膜包裹固定。
2)采用壓力跟蹤模式對測試系統(tǒng)逐步加壓,即圍壓先從0逐步增加至5 MPa,然后圍壓與流壓之間的壓差始終保持在5 MPa同步增加圍壓和流壓,至圍壓上升至45 MPa、流壓上升至40 MPa,這樣既可保證人工裂縫滲透率不發(fā)生先期明顯傷害,又可避免夾持器套筒損壞。最后,固定流壓為40 MPa,繼續(xù)升高圍壓直至50 MPa。
3)實(shí)驗(yàn)過程中圍壓大小不變,通過調(diào)整出口端回壓,模擬人工裂縫、支撐劑所承受的有效應(yīng)力的變化以及在不同生產(chǎn)壓差作用下支撐劑的運(yùn)移情況,評價(jià)有效應(yīng)力條件下人工裂縫的應(yīng)力敏感性,測試方式更符合頁巖氣井實(shí)際生產(chǎn)過程。
為了評價(jià)變圍壓測試和變流壓測試條件下支撐劑的運(yùn)移情況,分別對兩種不同測試前后巖心進(jìn)行了CT 掃描。CT掃描結(jié)果顯示,在實(shí)驗(yàn)前,支撐劑在人工裂縫中基本上呈均勻分布狀態(tài)。對比圖5-a、b可以看出,變圍壓測試前后支撐劑分布特征基本一致,支撐劑在裂縫中分布均勻,不存在堆積區(qū)域,支撐劑無明顯運(yùn)移情況。對比圖5-c、d可以看出,變流壓測試后支撐劑明顯沿測試氣流方向運(yùn)移。因此,支撐劑運(yùn)移對頁巖人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感性的影響不容忽略,應(yīng)采用變流測試方式評價(jià)頁巖人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感性。

圖5 實(shí)驗(yàn)前后支撐劑分布特征對比圖
在壓裂過程中,由于重力分異作用,壓裂液的延伸距離往往遠(yuǎn)大于支撐劑運(yùn)移的距離,造成距離井底遠(yuǎn)端的人工縫網(wǎng)中無支撐劑支撐,為了掌握有/無支撐劑鋪置條件下人工裂縫應(yīng)力敏感性,開展了有/無支撐劑的人工裂縫應(yīng)力敏感性對比實(shí)驗(yàn)。
從圖6可以看出,對于無支撐劑的人工裂縫,在加載過程中,當(dāng)有效應(yīng)力從10 MPa增大至30 MPa時(shí),巖樣歸一化滲透率下降至0.1;在卸載過程中,有效應(yīng)力恢復(fù)到10 MPa后,歸一化滲透率恢復(fù)到0.35,滲透率損失率為65%,人工裂縫應(yīng)力敏程度為中等偏強(qiáng)。結(jié)果表明,壓裂后僅被壓裂液壓開而沒有支撐劑支撐的人工裂縫,在生產(chǎn)過程中裂縫更容易閉合,滲透率下降速度快,難以達(dá)提高氣井產(chǎn)量的目的。

圖6 有/無支撐劑時(shí)人工裂縫歸一化滲透率與有效應(yīng)力的關(guān)系圖
對初始鋪砂濃度為2.0 kg/m2的人工裂縫開展定圍壓變流壓測試,從圖5~8可以看出,采用變流壓測試,支撐劑破損率隨著有效應(yīng)力增加而增加,且支撐劑會(huì)不同程度地嵌入到裂縫面內(nèi)以及在裂縫內(nèi)發(fā)生運(yùn)移,造成人工裂縫滲透率出現(xiàn)應(yīng)力敏感現(xiàn)象,即隨著有效應(yīng)力增大至30 MPa,巖樣歸一化滲透率降至0.6左右;在卸載過程中,當(dāng)有效應(yīng)力恢復(fù)到10 MPa,歸一化滲透率緩慢增大到0.71,滲透率損失率為29.0%,人工裂縫應(yīng)力敏感程度為中等偏弱。因此,對于頁巖氣井,壓裂過程中盡量確保支撐劑鋪置更遠(yuǎn),形成更多的支撐縫,壓后排采及生產(chǎn)過程中要盡量避免支撐劑發(fā)生嵌入、破碎、運(yùn)移等現(xiàn)象發(fā)生,降低人工裂縫的應(yīng)力敏感性,使人工裂縫保持較高的導(dǎo)流能力。

圖7 支撐劑破碎率與有效應(yīng)力的關(guān)系圖

圖8 實(shí)驗(yàn)后支撐劑嵌入照片
為優(yōu)化加砂強(qiáng)度,需對不同鋪砂濃度下頁巖人工裂縫滲透率敏感性進(jìn)行分析。從圖9、10可以看出,當(dāng)鋪砂濃度為0.5 kg/m2、有效應(yīng)力從10 MPa增大至30 MPa時(shí),巖樣歸一化滲透率降至0.42,在卸載過程中,當(dāng)有效應(yīng)力恢復(fù)到10 MPa,歸一化滲透率緩慢增大到0.57。隨著鋪砂濃度增大,特別是當(dāng)鋪砂濃度大于2.0 kg/m2后,滲透率應(yīng)力敏感性差異越來越小,即當(dāng)有效應(yīng)力增大至30 MPa時(shí),巖樣歸一化滲透率降至0.5~0.6左右;在卸載過程中,當(dāng)有效應(yīng)力恢復(fù)到10 MPa,歸一化滲透率緩慢增大到0.6~0.71,滲透率損失率為30%~40%左右,應(yīng)力敏感性為中等偏弱。

圖9 不同鋪砂濃度條件下應(yīng)力敏感測試曲線圖

圖10 不同鋪砂濃度條件下歸一化滲透率對比圖
為模擬排采時(shí)油嘴由大到小條件下人工裂縫滲透率變化規(guī)律,采取由大到小方式加載有效應(yīng)力開展實(shí)驗(yàn),如圖11所示。選取滲透率均為1 350 mD左右的5塊巖樣,各巖樣初始有效應(yīng)力為10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa,分別以 5 MPa級差依次降低有效應(yīng)力至10 MPa。從圖11可以看出,當(dāng)初始有效應(yīng)力為30 MPa時(shí),人工裂縫滲透率由1 350 mD左右下降至593 mD,隨著有效應(yīng)力減小,滲透率逐步恢復(fù),但恢復(fù)程度有限,當(dāng)有效應(yīng)恢復(fù)至10 MPa時(shí),滲透率僅能恢復(fù)至810 mD。對比圖11中初始有效應(yīng)力分別為 10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa的滲透率變化曲線,若初始有效應(yīng)力越大,則滲透率下降越明顯,有效應(yīng)力下降過程中滲透率恢復(fù)程度越低。分析認(rèn)為,初始有效應(yīng)力大,則作用在支撐劑上的有效作用力越大,且氣體流速越快,導(dǎo)致支撐劑變形、嵌入、破碎、運(yùn)移越嚴(yán)重,人工裂縫滲透率不可逆?zhèn)Τ潭仍矫黠@。

圖11 油嘴由大到小測試條件下滲透率與有效應(yīng)力關(guān)系圖
為模擬排采時(shí)油嘴由小到大條件下人工裂縫滲透率變化規(guī)律,采取由小到大方式加載有效應(yīng)力開展實(shí)驗(yàn),如圖12所示。選取滲透率為1 350 mD左右的巖樣,初始有效應(yīng)力為10 MPa,以5 MPa級差依次增加有效應(yīng)力至30 MPa。從圖12可以看出,當(dāng)初始有效應(yīng)力從10 MPa逐步增大至30 MPa,人工裂縫滲透率由 1 350 mD 逐步降低至 873 mD,明顯高于圖11中當(dāng)初始有效應(yīng)力為30 MPa時(shí)人工裂縫滲透率降至593 mD。分析認(rèn)為,模擬油嘴由小到大的方式排采測試時(shí),隨著支撐劑上有效作用力逐步增大,支撐劑逐步被壓實(shí),顆粒可動(dòng)能力下降,達(dá)到相同有效應(yīng)力時(shí),人工裂縫滲透率傷害主要由支撐劑變形、嵌入、破壞造成的,支撐劑運(yùn)移對滲透率產(chǎn)生的傷害較小。因此,推薦頁巖氣井排采過程中,應(yīng)采取油嘴由小到大的方式測試求產(chǎn),以降低排采過程中頁巖人工裂縫的應(yīng)力敏感性傷害程度。

圖12 油嘴由小到大測試條件下滲透率與有效應(yīng)力關(guān)系圖
一般來說,氣井配產(chǎn)越高,則壓降速度越快、壓降幅度越大。選取初始有效應(yīng)力為10 MPa時(shí)滲透率基本接近(約為1 350~1 400 mD)的四組巖心,設(shè)置 2.5 MPa、5.0 MPa、7.5 MPa、10.0 MPa 四種有效應(yīng)力增加級差,分別模擬不同配產(chǎn)、不同壓降幅度條件下人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感性變化規(guī)律。
從圖13可以看出,滲透率變化曲線可以劃分為兩個(gè)階段:第一個(gè)階段(有效應(yīng)力為10.0~17.5 MPa),各級壓降幅度下的滲透率下降趨勢和下降程度基本接近,分析認(rèn)為,該階段滲透率損失主要受支撐劑壓實(shí)、變形影響;第二個(gè)階段(有效應(yīng)力為17.5~40.0 MPa),該階段各級壓降幅度越大,則滲透率下降越明顯,分析認(rèn)為,該階段滲透率損失不僅受支撐劑破損、嵌入影響,而且支撐劑運(yùn)移對滲透率下降影響程度加劇,壓降幅度越大則支撐劑運(yùn)移越明顯。因此,實(shí)際排采及生產(chǎn)過程中應(yīng)采取小油嘴逐級放大生產(chǎn)壓差的方式進(jìn)行生產(chǎn),避免 “跨級式”更換油嘴,防止人工裂縫快速閉合及氣井出砂現(xiàn)象發(fā)生。

圖13 不同有效應(yīng)力加載幅度條件下滲透率變化曲線圖
為了掌握支撐劑發(fā)生破損、嵌入及運(yùn)移等對人工裂縫滲透率產(chǎn)生的不可逆?zhèn)Γ鞔_人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感性突變的技術(shù)界限,按照表3中實(shí)驗(yàn)方案3設(shè)計(jì),開展有效應(yīng)力從10 MPa增加至最大有效應(yīng)力分別為 15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa 條件下的加載/卸載應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn),評價(jià)不同最大有效應(yīng)力條件下滲透率恢復(fù)率。
將初始有效應(yīng)力為 10 MPa(圍壓 50 MPa,流壓40 MPa)壓實(shí)條件下巖心的滲透率視為滲透率k1,將最大有效應(yīng)力分別增加至 15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa后再恢復(fù)至10 MPa時(shí)的滲透率視為k2,將k2/k1比值定義為滲透率恢復(fù)率。
從圖14和表4可以看出,滲透率恢復(fù)率隨有效應(yīng)力增大呈“兩段式”特征,有效應(yīng)力低于19 MPa時(shí),滲透率的恢復(fù)率可達(dá)到95%左右,該階段主要以支撐劑變形為主,滲透率恢復(fù)率較高;當(dāng)有效應(yīng)力大于19 MPa后,支撐劑發(fā)生破碎、嵌入、運(yùn)移現(xiàn)象明顯,滲透率恢復(fù)率較低。因此,在氣井配產(chǎn)時(shí),應(yīng)充分考慮頁巖人工裂縫滲透率恢復(fù)率突變的技術(shù)界限,避免因生產(chǎn)壓差過大導(dǎo)致人工裂縫滲透率產(chǎn)生不可逆?zhèn)Α?/p>

圖14 不同有效應(yīng)力條件下滲透率恢復(fù)率分布圖

表4 不同有效應(yīng)力條件下滲透率恢復(fù)率實(shí)驗(yàn)結(jié)果表
1)CT掃描結(jié)果表明,定圍壓變流壓測試方式時(shí)頁巖人工裂縫中支撐劑會(huì)發(fā)生運(yùn)移,定圍壓變流壓測試方式更符合頁巖氣井生產(chǎn)實(shí)際。
2)未鋪置支撐劑時(shí),頁巖人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感程度中等偏強(qiáng);鋪置支撐劑時(shí),頁巖人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感程度中等偏弱。因此,壓裂過程中應(yīng)實(shí)時(shí)優(yōu)化壓裂工藝確保支撐劑鋪置更遠(yuǎn),形成更多的支撐縫,壓后排采及生產(chǎn)過程中要盡量控制生產(chǎn)壓差,一方面防止無支撐劑鋪設(shè)的裂縫過早發(fā)生閉合,另一方面防止有支撐縫中的支撐劑過早發(fā)生破碎、嵌入和運(yùn)移,確保人工裂縫長期保持較高的導(dǎo)流能力。
3)較油嘴由大到小測試方式,達(dá)到相同有效應(yīng)力時(shí),采用油嘴由小到大測試時(shí)人工裂縫滲透率損失量小,推薦氣井排采過程中采取油嘴由小到大的方式測試求產(chǎn)。
4)小壓差逐級降壓生產(chǎn)更有利于保持人工裂縫長期導(dǎo)流能力,推薦實(shí)際排采及生產(chǎn)過程中采取小油嘴逐級放大生產(chǎn)壓差的方式進(jìn)行生產(chǎn),避免 “跨級”更換油嘴。
5)頁巖人工裂縫滲透率存在不可逆?zhèn)Φ募夹g(shù)界限,頁巖氣井優(yōu)化配產(chǎn)時(shí)生產(chǎn)壓差不宜超過該技術(shù)界限,避免因生產(chǎn)壓差過大導(dǎo)致人工裂縫滲透率產(chǎn)生不可逆?zhèn)Α?/p>