縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)與流體對(duì)頁巖導(dǎo)流能力影響的實(shí)驗(yàn)研究

李鳳霞 黃志文 紀(jì)國(guó)法 陳少奇 周 彤

(1.中石化石油勘探開發(fā)研究院,北京100083;2.長(zhǎng)江大學(xué) 非常規(guī)油氣省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,武漢430100;3.長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院,武漢430100;4.中石化江漢油田分公司江漢采油廠,湖北 潛江433100)

0 引言

我國(guó)頁巖氣儲(chǔ)量豐富,但勘察開采尚處在剛起步階段,現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)不足,尋找適合我國(guó)頁巖儲(chǔ)層的壓裂技術(shù)對(duì)我國(guó)頁巖氣開采具有重要意義[1]。由于頁巖低孔低滲以及高應(yīng)力的儲(chǔ)層特性,導(dǎo)致射孔產(chǎn)后產(chǎn)量低,且試采階段產(chǎn)量遞減快。頁巖氣藏的開發(fā)一般是通過水平井多段大規(guī)模壓裂改造,最大限度地提高水平井筒與儲(chǔ)層的接觸面積,提高儲(chǔ)層動(dòng)用程度,降低儲(chǔ)層污染,從而達(dá)到提高單井產(chǎn)量的目的[2]。頁巖氣商業(yè)開發(fā)離不開水平井分段體積壓裂技術(shù)的進(jìn)步,目前水平井壓裂技術(shù)已成為提高低滲透油藏特別是頁巖油氣藏水平井產(chǎn)量的有效方式之一[3]。實(shí)踐表明頁巖氣儲(chǔ)層在進(jìn)行體積壓裂后,不僅初期產(chǎn)量提高,而且有利于長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)[4]。Mayerhofer等[5]研究頁巖壓后裂縫走向及分布形態(tài)時(shí)首次提出SRV(Stimulated Reservoir Volume)概念,即通過水力壓裂和天然裂直接或間接連通井筒的改造后的油藏體積,為非常規(guī)油氣的商業(yè)開發(fā)提供了理論指導(dǎo)。體積改造后的油氣產(chǎn)量受多重因素影響,其中人工裂縫是壓裂后頁巖氣滲流的重要通道,其導(dǎo)流能力的大小對(duì)頁巖累計(jì)產(chǎn)氣量影響較大[6]。另外人工裂縫中支撐劑的優(yōu)選對(duì)頁巖氣開采也同樣重要[7],其中要考慮支撐劑的粒徑組成、閉合壓力和壓裂液性質(zhì)等多種因素影響[8-9]。朱海燕等[10]通過CFD計(jì)算了支撐劑與支撐劑空隙中流體的流固耦合作用,開展了裂縫閉合壓力等4個(gè)因素對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響規(guī)律的研究。

結(jié)合頁巖體積改造后形成復(fù)雜縫網(wǎng)的特點(diǎn),通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[11-12]可以認(rèn)識(shí)到縫網(wǎng)導(dǎo)流能力對(duì)產(chǎn)能影響的重要程度。周雷力等[13]開展了支撐裂縫導(dǎo)流能力的主控因素及其適應(yīng)性分析評(píng)價(jià),形成的裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試方法能對(duì)深層頁巖的壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。溫慶志等[14]通過建立不同裂縫網(wǎng)絡(luò)的物理模型,測(cè)試評(píng)價(jià)縫網(wǎng)導(dǎo)流能力的變化,為縫網(wǎng)導(dǎo)流能力的測(cè)試提供參考意義。吳峙穎等[15]針對(duì)壓裂過程中多級(jí)壓裂裂縫中流量分布規(guī)律的研究,研制了多級(jí)裂縫系統(tǒng)輸沙模擬實(shí)驗(yàn)裝置,并開展了支撐劑粒徑等因素對(duì)縫內(nèi)流量的影響研究。郭小哲等[16]建立了天然裂縫與人工裂縫縫網(wǎng)的關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算方法體系,并設(shè)計(jì)模型分析了壓裂液用量等5個(gè)變量參數(shù)對(duì)縫網(wǎng)的大小及溝通效果的影響。李劍輝等[17]采用混合物湍流模型,對(duì)攜砂液在二維水平井單裂縫和三維水平井分支裂縫中的流動(dòng)進(jìn)行了模擬計(jì)算。隨著支縫與主縫角度的增大,分支縫主縫中鋪砂范圍逐漸減小?？挛鬈姷萚18]建立了數(shù)學(xué)模型對(duì)具有分支裂縫系統(tǒng)的儲(chǔ)層進(jìn)行了產(chǎn)能模擬,通過定量描述裂縫的起裂位置、角度和長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)裂縫的準(zhǔn)確描述。將分支裂縫儲(chǔ)層視為各向異性的非均質(zhì)儲(chǔ)層,采用中心差分法建立差分方程組,對(duì)實(shí)際的一口井進(jìn)行敏感性分析并取得較好的結(jié)果。辛翠平等[19]分別采用“水平井+縫網(wǎng)”模型和“水平井+縫網(wǎng)+主裂縫”模型對(duì)頁巖氣壓裂水平井的產(chǎn)能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)“水平井+縫網(wǎng)+主裂縫”模型更適合主裂縫明顯的頁巖氣井,并在產(chǎn)量的預(yù)測(cè)上具有先進(jìn)性。

上面所述對(duì)于縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)的研究尚不廣泛。該文采用DLC-II大尺度裂縫導(dǎo)流儀裝置,基于導(dǎo)流槽尺寸,將頁巖巖塊制作成不同的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu),開展縫網(wǎng)形態(tài)對(duì)裂縫導(dǎo)流能力影響的試驗(yàn)研究,分析縫網(wǎng)形態(tài)對(duì)導(dǎo)流能力的影響,為優(yōu)化縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)、提高鋪砂效率、增加產(chǎn)量提供借鑒意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

為匹配導(dǎo)流槽尺寸,采用線切割技術(shù)加工成所需的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu),有30°型、45°型、60°型和90°型4種。預(yù)制巖板主縫縫寬、縫高都為0.15 cm,采用較大粒徑支撐劑支撐主裂縫;次生裂縫縫寬、縫高都為0.08 cm,用較小支撐劑支撐次生裂縫?？p網(wǎng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示;90°型縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)內(nèi)容支撐劑鋪設(shè)如圖2所示;實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置采用DLC-II大尺度裂縫導(dǎo)流儀,裝置外形如圖3所示。

圖1 縫網(wǎng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of fracture net work

圖2 90°型縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)支撐劑鋪設(shè)實(shí)物圖Fig.2 Proppant laying in 90°fracture net work

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置外觀圖Fig.3 Diagram of experimental device

2 縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)流能力的影響分析

2.1 縫網(wǎng)導(dǎo)流能力計(jì)算公式

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案中所列出的詳細(xì)測(cè)試步驟,以蒸餾水(黏度1 mPa·s)和滑溜水(黏度2 mPa·s)為測(cè)試流體,研究不同縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)下導(dǎo)流能力隨閉合壓力的變化過程。在借鑒行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 6302—2019壓裂支撐劑導(dǎo)流能力測(cè)試方法》的基礎(chǔ)上,采用等效理論,把縫網(wǎng)表現(xiàn)出的導(dǎo)流能力等效到主縫導(dǎo)流能力,通過測(cè)得縫網(wǎng)(主縫)兩端的流量和壓差,其等效的縫網(wǎng)導(dǎo)流能力計(jì)算公式如下:

式中:kf為支撐裂縫網(wǎng)絡(luò)所表現(xiàn)的滲透率(難確定),μm2;wf為填充的支撐網(wǎng)絡(luò)所表現(xiàn)的支撐劑縫寬(難確定),c m;Q為縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)的整體液體流量(可測(cè)量),c m3/s;μ為測(cè)試流體黏度(可測(cè)量),mPa·s;L為縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)的主縫長(zhǎng)度(可測(cè)量),c m;H為縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)中主縫高(已知),c m;ΔP為縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)出口壓力差(可測(cè)量),0.1 MPa。

2.2 不同縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)下的導(dǎo)流能力

為了更深入地研究縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)流能力的影響,考慮空白實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過程增加了一組對(duì)比數(shù)據(jù),即以蒸餾水為基準(zhǔn)測(cè)試流體,測(cè)試“一”型單縫導(dǎo)流能力。同樣以蒸餾水(黏度1 mPa·s,密度1.000 g/mL)為測(cè)試流體,支撐劑組合為1∶1,連續(xù)鋪砂。通過改變縫網(wǎng)結(jié)構(gòu),即設(shè)置縫網(wǎng)間夾角為30°型、45°型、60°型和90°型4種類型,分別測(cè)試閉合壓力在5 MPa,15 MPa,25 MPa,35 MPa,45 MPa和50 MPa下4種縫網(wǎng)類型各自的導(dǎo)流能力,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制圖4。

圖4 不同縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)下導(dǎo)流能力隨閉合壓力的變化曲線(蒸餾水)Fig.4 Cur ve diagram of conductivity variation with closing pressure under different fracture net work(test by distilled water)

從圖4中各縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)流能力變化趨勢(shì)可知:1)隨著閉合壓力增加,導(dǎo)流能力逐漸下降;2)縫網(wǎng)導(dǎo)流能力遠(yuǎn)大于“一”型單縫導(dǎo)流能力,尤其是在較低閉合壓力下(小于35 MPa);3)不同的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)其導(dǎo)流能力亦不相同,30°型縫網(wǎng)導(dǎo)流能力最大,依次遞減,90°型縫網(wǎng)導(dǎo)流能力最小,這是由于次生縫與主縫夾角越小,其流體流通阻力越低,導(dǎo)致導(dǎo)流能力越大;4)在小于30 MPa閉合壓力下,其導(dǎo)流能力隨閉合壓力最大下降速度最快。

2.3 不同流體對(duì)縫網(wǎng)導(dǎo)流能力的影響

為了研究不同流體對(duì)導(dǎo)流能力的影響,同樣考慮空白實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過程增加了一組對(duì)比數(shù)據(jù),統(tǒng)一采用滑溜水(黏度2 mPa·s,密度0.989 g/mL)為基準(zhǔn)測(cè)試流體,支撐劑組合為1∶1,連續(xù)鋪砂。以“一”型單縫導(dǎo)流能力為參考,設(shè)置縫網(wǎng)間夾角為30°型、45°型、60°型和90°型4種類型,分別測(cè)試閉合壓力在5 MPa,15 MPa,25 MPa,35 MPa,45 MPa和50 MPa下4種縫網(wǎng)類型各自的導(dǎo)流能力,根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制圖5。

圖5 不同縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)下導(dǎo)流能力隨閉合壓力的變化曲線(滑溜水)Fig.5 Curve diagram of conductivity variation with closing pressure under different fracture net work(test by slick water)

圖5中各縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)流能力表現(xiàn)為:1)隨著閉合壓力增加,導(dǎo)流能力逐漸下降;2)不同的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)其導(dǎo)流能力亦不相同,30°型縫網(wǎng)導(dǎo)流能力>45°型縫網(wǎng)導(dǎo)流能力>60°型縫網(wǎng)導(dǎo)流能力>90°型縫網(wǎng)導(dǎo)流能力;3)在小于30 MPa閉合壓力下,其導(dǎo)流能力隨閉合壓力最大下降速度最快。

對(duì)比圖4和圖5中曲線數(shù)值的變化發(fā)現(xiàn),在采用較高黏度滑溜水測(cè)試時(shí)其縫網(wǎng)導(dǎo)流能力普遍較低,這說明流體黏度的改變(或者說測(cè)試流體不同)會(huì)導(dǎo)致縫網(wǎng)導(dǎo)流能力測(cè)試結(jié)果不同,亦可表述為導(dǎo)流能力雖然是支撐裂縫/支撐縫網(wǎng)的固有性質(zhì),但用不同測(cè)試流體進(jìn)行測(cè)試時(shí),所表現(xiàn)出的數(shù)值不同。因此在室內(nèi)評(píng)價(jià)縫網(wǎng)導(dǎo)流能力時(shí),測(cè)得的數(shù)據(jù)只能作為參考,這與文獻(xiàn)[20-21]中研究頁巖氣支撐裂縫縫內(nèi)氣相導(dǎo)流能力所給出的結(jié)論保持一致。

2.4 討論

1)縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)流能力的影響

通過對(duì)比圖4和圖5測(cè)試數(shù)據(jù)可知,不同流體、不同縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)在不同閉合壓力下的導(dǎo)流能力及增產(chǎn)倍數(shù)是變化的。選取閉合壓力為15 MPa時(shí)的導(dǎo)流能力進(jìn)行對(duì)比分析,對(duì)比不同縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)下導(dǎo)流能力的大小(如圖6所示),可以發(fā)現(xiàn),以“一”型單縫導(dǎo)流能力為對(duì)比基準(zhǔn),隨著縫網(wǎng)間角度的變小,縫網(wǎng)導(dǎo)流能力逐漸變大;當(dāng)閉合壓力為25 MPa時(shí),從圖7中可以看出,以“一”型單縫導(dǎo)流能力為對(duì)比基準(zhǔn),隨著縫網(wǎng)間角度的變小,縫網(wǎng)導(dǎo)流能力逐漸變大;如圖8所示,閉合壓力為50 MPa時(shí),以“一”型單縫導(dǎo)流能力為對(duì)比基準(zhǔn),同樣的導(dǎo)流能力隨縫網(wǎng)角度的變小而變大。

圖6 閉合壓力為15 MPa時(shí)不同縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流能力及其增產(chǎn)倍數(shù)Fig.6 The conductivity and stimulation multiples of different fracture net work(closing pressure 15 MPa)

圖7 閉合壓力為25 MPa時(shí)不同縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流能力及其增產(chǎn)倍數(shù)Fig.7 The conductivity and stimulation multiples of different fracture net work(closing pressure 25 MPa)

圖8 閉合壓力為50 MPa時(shí)不同縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流能力及其增產(chǎn)倍數(shù)Fig.8 The conductivity and stimulation multiples of different fracture net work(closing pressure 50 MPa)

2)縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)增產(chǎn)倍數(shù)的影響

在閉合壓力為15 MPa,25 MPa和50 MPa這3種情況下,增產(chǎn)倍數(shù)都隨縫網(wǎng)間角度的變小而變大,且變化范圍分別為4.92～14.28(蒸餾水)和1.92～5.70(滑溜水);3.72～11.58(蒸餾水)和1.55～4.55(滑溜水);1.11～3.02(蒸餾水)和1.20～2.95(滑溜水)。在同一縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)下,增產(chǎn)倍數(shù)隨著閉合壓力增大而變小。

該實(shí)驗(yàn)說明,不論在何種特定的閉合壓力下,縫網(wǎng)的導(dǎo)流能力和增產(chǎn)倍數(shù)是隨著縫網(wǎng)間角度的變大而變小的,且閉合壓力越大其導(dǎo)流能力越小。

3 結(jié)論

1)結(jié)合DLC-II大尺度裂縫導(dǎo)流儀結(jié)構(gòu)特征,設(shè)計(jì)了30°型、45°型、60°型和90°型4種不同的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

2)基于導(dǎo)流能力等效理論,研究了不同縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)下導(dǎo)流能力隨閉合壓力的變化規(guī)律:①閉合壓力增加,導(dǎo)流能力下降;②縫網(wǎng)導(dǎo)流能力遠(yuǎn)大于“一”型單縫導(dǎo)流能力;③次生縫與主縫夾角越小,其流體流通阻力越低,導(dǎo)致導(dǎo)流能力越大;④在小于30 MPa閉合壓力下,導(dǎo)流能力隨閉合壓力最大下降速度最快。

3)采用較高黏度測(cè)試流體進(jìn)行測(cè)試的導(dǎo)流能力數(shù)值較低,說明流體黏度改變(測(cè)試流體不同)會(huì)導(dǎo)致縫網(wǎng)導(dǎo)流能力測(cè)試結(jié)果不同;通過對(duì)比不同流體、不同縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)在不同閉合壓力下的導(dǎo)流能力及增產(chǎn)倍數(shù),認(rèn)為縫網(wǎng)導(dǎo)流能力和增產(chǎn)倍數(shù)是隨縫網(wǎng)間角度變大而變小的,且閉合壓力越大其導(dǎo)流能力相差越大。故室內(nèi)測(cè)得的縫網(wǎng)導(dǎo)流能力數(shù)據(jù)只能作為參考。