压裂裂缝长期导流能力衰退规律实验研究
时间：2023-02-16 21:30:05 来源：千叶帆 本文已影响人
袁 征，黄 杰，袁文奎，张斌斌
(中海油田服务股份有限公司，天津 300459)
裂缝导流能力是衡量水力压裂支撑裂缝渗透能力的关键指标。受支地应力、微粒运移等因素影响，压裂裂缝的宽度及渗透率不断降低，进而裂缝导流能力随时间不断下降。然而目前现场无法通过直接测量的方式准确获得裂缝的长期导流能力大小[1]，这使得准确计算压后产能和有效期变得困难。因此，研究裂缝长期导流能力变化规律，准确预测裂缝导流能力，可为压后产能计算和压裂有效期预测提供重要依据[2-5]。
目前，国内学者对裂缝导流能力进行了较多的研究。赵亚东、张遂安等研究显示，不同岩性储层导流能力变化不大，且裂缝导流能力的下降主要发生在闭合前的10 h之内[6-7]。王玮、王娜团队研究指出，支撑剂的压溶、压实和成岩作用主要伤害裂缝的长期导流能力，而短期导流能力下降的主要原因是支撑剂的弹性变形压缩[8]。目前，实验研究手段多采用一组实验条件下进行多组闭合压力测量。该研究方法与恒定地层应力不一致，同时无法模拟长时间条件下的裂缝变换规律。为了研究长时间条件下的裂缝导流能力变化趋势，及不同因素对裂缝长期导流能力的影响规律，该文从支撑剂嵌入、铺设浓度、驱替液类型和闭合压力大小4个方面开展实验研究，探究裂缝长期导流能力变化规律。
1.1 实验原理
支撑裂缝导流能力表征流体通过闭合支撑裂缝的能力，为裂缝充填层渗透率与裂缝宽度之积。随着生产流体运移、携带储层颗粒等滞留在支撑裂缝中，进而导致支撑裂缝渗透率下降。另外，受地层应力影响支撑剂破碎后一定程度影响裂缝渗透率。同时，由于储层具有一定塑性变形，长时间的压实作用会使支撑剂一定程度的嵌入至地层中，最终使裂缝宽度降低。综合上述方面，该研究对支撑剂嵌入、铺设浓度、驱替液类型以及闭合压力这4个因素对裂缝导流能力变化规律开展研究。
实验采用水力压裂裂缝导流能力测试系统，如图1所示。该实验由导流室、压力实验机、驱替系统、压差传感器、数据采集及抽真空系统6个系统组成。其中导流室按照API 标准设计，导流室内腔体长17.8 cm，宽为3.8 cm，压差测量用孔间距为12.7 cm[9]。该仪器通过测量导流室两端的驱替液体流量、压差等数据，同时测量驱替液体的黏度，计算后可得液体的导流能力[10]。该实验采用行业技术标准SY/T 6302—2019《压裂支撑剂导流能力测试方法》。
图1 裂缝导流能力测试系统流程示意图Fig.1 Flow diagram of fracture conductivity test system
由达西定律公式转换可以知道裂缝导流能力表达式为:
(1)
式中：k为渗透率，μm2；
μ为流体黏度，mPa·s；
Q为流量，cm3/s；
L为测压孔之间的长度，cm；
w为导流室宽度，cm；
Δp为压差，kPa；
Wf为支撑剂宽度，cm。
将标准的导流室尺寸带入到上式后，简化得：
(2)
式(2)中左侧为支撑裂缝的导流能力，右侧为实验中需要测定的参数。对于不同的实验条件，只需要测得驱替液体的黏度、流量和导流室两端的压差即可得到支撑裂缝的导流能力。
1.2 实验方案
实验研究的主要目的是探究不同条件下，支撑裂缝的导流能力随时间的衰退规律。文中选用现场常用的20/40目陶粒作为支撑剂。实验过程中采用固定的闭合压力稳载54 h，模拟支撑裂缝在储层中受力状态。为了研究地层中常见因素对裂缝导流能力的影响，实验考虑了支撑剂嵌入、闭合压力、铺设浓度和压裂液类型对裂缝导流能力的影响。优化设计实验方案见表1。
表1 裂缝长期导流能力测试实验方案
优化后，共设计了6组不同条件下实验，实验的主要条件为闭合压力、铺设浓度、岩板类型和驱替液类型。其中岩板采用山西临县地面露头的同种致密砂岩制作而成。驱替液采用清水和破胶液2种，破胶液的驱替过程主要模拟了现场实际施工中压裂液破胶后返排对支撑裂缝导流能力的损伤。
实验共进行了6组，对不同因素影响的裂缝长期导流能力实验结果统计见表2。
表2 不同方案裂缝长期导流能力测试统计结果
实验结果显示，对于不同方案和因素，裂缝的长期导流能力下降幅度和下降率均差别较大。其中方案6裂缝导流能力下降超过90%。下面对比、分析不同因素对裂缝的导流能力影响规律。
2.1 支撑剂嵌入
实验条件为闭合压力40 MPa，铺设浓度10 kg/m2，清水驱替，对比支撑剂壁面有、无岩板时的裂缝长期导流能力变化规律，如图2所示。
图2 不同壁面裂缝导流能力对比图Fig.2 Comparative diagram of flow conductivity of cracks on different walls
结果显示：1)对于有、无岩板2种实验条件下，裂缝导流能力变化趋势相同，初期呈现出下降趋势，超过42 h后基本趋于稳定状态；
42 h前2种条件下裂缝导流能力变化趋势不同。2)无岩板时，裂缝导流能力呈现出缓慢下降，幅度为21.84%；
有岩板时，导流能力在前26 h快速大幅下降，幅度为47.20%，后趋于稳定；
3)对比闭合54 h后裂缝导流能力，有岩板时导流能力为107.94 μm2·cm，无岩板时导流能力为210.22 μm2·cm。
当无岩板时，支撑剂在闭合压力的作用下重新排列及支撑剂破碎，2种作用对裂缝导流能力的影响相对缓慢且程度低；
而当有岩板时，缝内支撑剂除了受上述2种作用外，还受到支撑剂在岩板内嵌入的影响，且这种嵌入在闭合初期影响较大，随着时间的延长逐渐减弱。该实验可为认识地层裂缝壁面对导流能力影响规律提供参考[11-12]。
2.2 驱替液类型
实验条件为闭合压力40 MPa，铺设浓度10 kg/m2，无岩板，对比清水和胍胶破胶液作为驱替液时裂缝长期导流能力变化规律，如图3所示。
图3 不同驱替液裂缝导流能力对比图Fig.3 Comparison of fracture conductivity of different displacement fluids
结果显示：1)针对不同驱替液，裂缝导流能力变化整体趋势相同，初期呈现出下降趋势，40 h后基本趋于稳定状态；
2)40 h前2种驱替液条件下的导流能力变化规律差别较大。清水驱替时裂缝导流能力呈现出缓慢下降，下降幅度为21.24%；
破胶液驱替时导流能力在前12 h快速大幅下降，下降幅度为57.58%，后趋于稳定；
3)对比2种条件下的裂缝导流能力，破胶液驱替后的裂缝导流能力远低于清水。闭合54 h后，清水驱替导流能力为210.22 μm2·cm，破胶液驱替导流能力为32.06 μm2·cm。
清水驱替后的裂缝导流能力缓慢降低，而破胶液驱替后的裂缝导流能力出现大幅下降。分析原因如下：破胶液中存在一定的未破胶残留物导致驱替液黏度偏高，胍胶破胶液中固体残渣滞留在砾石充填层。随着时间推移，驱替液逐渐破胶，裂缝的导流能力逐渐稳定[13-15]。通过上述实验，在优选压裂液时，满足施工工艺的条件下，应尽可能地考虑低残渣压裂液，且压裂施工后应优化关井时间再进行返排。
2.3 铺设浓度
实验条件为闭合压力40 MPa，无岩板，破胶液驱替，对比支撑剂铺设浓度为10 kg/m2和15 kg/m2时裂缝长期导流能力变化规律，如图4所示。
图4 不同支撑剂铺设浓度裂缝导流能力对比图Fig.4 Comparison of fracture conductivity of different proppant laying concentration
结果显示：1)裂缝导流能力变化趋势相同，在闭合24 h之前，2种铺设浓度下的裂缝导流能力出现快速下降趋势，幅度均超过70%。超过24 h后，导流能力趋于稳定；
2)2种铺设浓度下，支撑剂用量差别为50%，但闭合54 h后，两者的长期导流能力相差却很小。支撑剂铺设浓度为10 kg/m2时，导流能力为32.06 μm2·cm；
铺设浓度为15 kg/m2时，导流能力为44.93 μm2·cm。
通过支撑剂铺设浓度实验可知，不同砂量下裂缝的长期导流能力相差不大。现场施工中不宜首选高砂量的方式追求较高的长期导流能力[16-18]。另外，结合不同驱替液实验可以看出，压裂液的类型对支撑裂缝的导流能力影响较大。
2.4 闭合压力
实验条件为铺砂浓度10 kg/m2，清水驱替，有岩板，对比闭合压力为40 MPa和60 MPa时，裂缝长期导流能力变化规律，如图5所示。
图5 不同闭合压力下裂缝导流能力对比图Fig.5 Comparison of fracture conductivity of different closing pressure
结果显示：1)对于40 MPa和60 MPa两种闭合压力，裂缝导流能力初期呈现出下降趋势，超过32 h后基本趋于稳定状态；
2)实验的初始记录点为2 h，60 MPa裂缝导流能力快速下降阶段在2 h之内完成，后期出现缓慢下降。闭合压力为40 MPa时，导流能力快速下降阶段时间较长，为16 h，下降幅度为40%；
3)与其他因素对比，闭合应力对裂缝的长期导流能力影响处于中等。闭合54 h后裂缝导流能力，40 MPa闭合压力下为107.94 μm2·cm，60 MPa闭合压力下为69.8 μm2·cm。
支撑剂在不同应力状态下，主要受裂缝壁面嵌入、支撑剂重排列和支撑剂破碎等影响。实验结果显示，闭合应力越高，对裂缝长期导流能力影响时间越短；
反之，低闭合应力下，支撑剂嵌入、重排列、破碎等作用时间越长[19]。
不同因素对裂缝的长期导流能力的影响规律不同，且影响程度相差较大，认识如下。
1)6组实验研究显示：裂缝导流能力变化规律均呈先下降后稳定趋势。但不同方案的下降幅度不同，其中破胶液、岩板组合时，裂缝导流能力下降幅度大且较快；
而清水、无岩板组合时，裂缝导流能力下降相对平稳。
2)不同因素对裂缝的长期导流能力影响程度不同。破胶液、岩板、低铺设浓度下，裂缝的导流能力衰退最严重，闭合54 h后下降幅度为90.15%；
清水、无岩板、低铺设浓度下，裂缝导流能力衰退最弱，闭合54 h后下降幅度为23.12%。基于实验结果，分析不同因素对长期导流能力的影响程度，从大到小进行排序：压裂液类型、岩板、闭合应力、铺设浓度。
该研究可为认识支撑裂缝的长期导流能力变化规律及影响因素提供依据，从而为压后产能计算、施工有效期等分析提供参考。另外，通过该研究可为压裂工艺优化设计，如压裂液优选、支撑剂用量等提供依据。
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