許國慶，張士誠，王雷，韓晶玉

（中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京 102249）

0 引言

非常規(guī)油氣藏由于物性差，開發(fā)難度大，儲量難以動用，決定了非常規(guī)資源必須采用儲層壓裂增產(chǎn)改造技術(shù)，改變油氣滲流方式，提高單井產(chǎn)量，從而達到有效開發(fā)的目的[1-5]。非常規(guī)油氣藏經(jīng)過水力壓裂后的產(chǎn)能主要由改造體積的大小決定，但裂縫的導流能力對產(chǎn)能也有著舉足輕重的影響。傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)很難滿足大幅度提高裂縫導流能力的需求，因此需要采用一種新型技術(shù)——通道壓裂技術(shù)[6]。傳統(tǒng)技術(shù)主要通過改善支撐劑與壓裂液的相關(guān)特性、采用新型添加劑及結(jié)合施工工藝（如提高支撐劑強度、降低支撐劑破碎率、改善壓裂液攜砂能力以及采用更有效的破膠劑）來提高支撐裂縫的導流能力[7-10]，而通道壓裂技術(shù)通過在裂縫內(nèi)不連續(xù)鋪置支撐劑充填層在支撐縫內(nèi)形成具有無限導流能力的敞開通道，從而在最大程度上解決采用傳統(tǒng)壓裂技術(shù)的裂縫由于支撐劑嵌入、破碎、鈣化，微粒運移，壓裂液傷害，多相流以及非達西效應等因素[11-12]引起的導流能力過低的問題。該技術(shù)主要通過地質(zhì)力學建模選擇合適地層，采用脈沖式加砂技術(shù)[13]以及特殊的完井方式，同時在壓裂液體系中添加可降解纖維材料保持支撐劑支柱的穩(wěn)定性等來確保在裂縫內(nèi)形成高速導流通道[14]。Rhein 等[15]通過對比常規(guī)壓裂和通道壓裂的效果，發(fā)現(xiàn)應用通道壓裂技術(shù)的油氣井產(chǎn)能可以提高20%～90%，并且可以優(yōu)化壓裂規(guī)模，節(jié)約施工成本和施工時間。

目前國內(nèi)外對通道壓裂影響因素的研究較少。本文通過運用FCES-100長期裂縫導流儀，進行實驗模擬，分析了纖維質(zhì)量分數(shù)、支撐劑類型、粒徑、鋪砂濃度，以及不同巖性對通道壓裂導流能力的影響，為優(yōu)化壓裂設(shè)計、最大程度地降低支撐劑嵌入的影響及提高裂縫導流能力提供了一定的理論和實驗依據(jù)，對現(xiàn)場施工及應用具有一定的指導意義。

1 實驗準備

1.1 實驗儀器

實驗使用美國Core-Lab公司生產(chǎn)的FCES-100裂縫導流儀（API標準），該儀器可以模擬地層條件，對不同類型支撐劑進行短期或長期導流能力評價。使用2%KCl溶液作為流體介質(zhì)。測試應用的巖板長17.7 cm，寬 3.8 cm，高 1.0～2.0 cm，端部呈半圓形。

1.2 實驗材料及方案

實驗選用2種不同的地層巖心，分別為某儲層砂巖和頁巖。其中，露頭砂巖的靜態(tài)彈性模量9.40～10.10 GPa，靜態(tài)泊松比0.31～0.37，抗壓強度113.00～117.00 MPa；露頭頁巖的彈性模量 12.65～22.88 GPa，靜態(tài)泊松比 0.14～0.27，抗壓強度 203.06～344.85 MPa。分別以纖維質(zhì)量分數(shù)、支撐劑粒徑、鋪砂濃度、支撐劑類型、巖性為變量進行了短期導流能力測試。溫度為常溫，測試壓力10～90 MPa，增幅10 MPa，每個壓力點測試1 h，共計9個壓力點。

支柱鋪置方式：預先加工內(nèi)徑為1.42 cm鏤空鋼圈，鋪置前，將鋼圈放置在巖板上；將纖維與支撐劑用酒精混合攪拌均勻后，放置在鋼圈內(nèi)，壓實，取出鋼圈即可（見圖 1）。

圖1 支撐劑不連續(xù)支柱式鋪置示意

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 纖維質(zhì)量分數(shù)

纖維技術(shù)是近年來國外發(fā)展的一項新技術(shù)，在防止支撐劑回流、降低導流能力傷害方面具有明顯的優(yōu)勢。其基本原理是，通過纖維的接觸壓力和摩擦力作用，與支撐劑顆粒接觸形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進而增強支撐劑顆粒間的內(nèi)聚力，從而將支撐劑固定在原始位置，而流體可以自由通過，達到預防支撐劑回流的目的。目前，纖維防砂以及纖維壓裂技術(shù)在川西地區(qū)得到了大量的推廣應用，并且取得了令人滿意的效果。但纖維的加入對支撐劑導流能力的影響以及影響程度，一直是現(xiàn)場應用中值得關(guān)注的問題。通道壓裂技術(shù)需要在攜砂液中加入一定比例的纖維材料，來保持支撐劑支柱的穩(wěn)定性。為了評價纖維的性能，選用20～40目陶粒支撐劑、12 mm纖維攪拌均勻后進行不連續(xù)支柱式鋪置，鋪砂濃度5.0 kg/m2，對加入纖維后支撐劑導流能力的影響進行了實驗研究，實驗巖板為砂巖板，實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 纖維質(zhì)量分數(shù)對導流能力的影響

由圖2分析可知，不同纖維質(zhì)量分數(shù)對支撐裂縫導流能力影響有較大差別。在無纖維且閉合壓力小于40 MPa時，其導流能力小于含纖維組；當閉合壓力大于50 MPa時，其具有和含纖維組相當?shù)膶Я髂芰?。當纖維質(zhì)量分數(shù)較低 （0.2%～0.4%）時，在低閉合應力（10～30 MPa）下，導流能力略有上升；在高閉合壓力下，導流能力少許下降。這是因為：在初期階段，支撐劑內(nèi)添加纖維量較少時，支撐劑支柱無法利用纖維與支撐劑間的內(nèi)聚力，導致在裂縫內(nèi)不能形成穩(wěn)定支柱，在流體的作用力下，支柱被流體沖散帶走，支柱高度下降明顯，因而導流能力不足；后期階段，被沖散的支撐劑在裂縫內(nèi)形成局部單層鋪砂，其導流能力效果可以達到甚至優(yōu)于多層鋪砂導流能力，因而與后期受高閉合壓力作用導致嵌入程度明顯的含纖維組相比，二者導流能力相差不大。此外，在低閉合壓力下，支撐劑層未被壓實，存在于支撐劑顆粒接觸面間的纖維增大了流體流通通道，從而增加了導流能力；在高閉合壓力下，支撐劑層被壓實，存在于支撐劑孔隙間的纖維對孔隙起到阻塞作用，因而減小了導流能力。綜合考慮，雖然纖維質(zhì)量分數(shù)為0.2%時，裂縫的導流能力與0.6%時接近，但是，纖維質(zhì)量分數(shù)較低時，攜砂能力較差，無法使得支撐劑在裂縫內(nèi)形成穩(wěn)定支柱，因此纖維的最佳質(zhì)量分數(shù)為0.6%比較合適。

2.2 支撐劑粒徑

實驗分別使用 20～40，30～50，40～70 目陶粒，在鋪砂濃度5.0 kg/m2，纖維質(zhì)量分數(shù)0.6%條件下，實驗巖板為砂巖板，進行了不連續(xù)支柱式鋪砂導流能力測試實驗（見圖3）。結(jié)果顯示，無論支撐劑的粒徑范圍如何變化，三者間導流能力的差別不大，40～70目支撐劑的導流能力略高于其他二者的導流能力。這是由于三者均采用不連續(xù)支柱式鋪砂，流通主要通過支柱間的高速流動通道進行流動，而不是通過支撐劑充填層間的空隙流動。支撐劑主要起到支撐裂縫防止裂縫閉合的作用，其對流體流動的貢獻遠小于高速流動通道，不再起到連續(xù)鋪砂方式下的流通媒介的作用，因此通道壓裂中的支撐劑支柱的穩(wěn)定性對壓裂施工成功與否有至關(guān)重要的影響。

圖3 支撐劑粒徑對導流能力的影響

2.3 支撐劑鋪砂濃度

在研究支撐劑鋪砂濃度對通道壓裂導流能力的影響時，所采用的支撐劑類型，粒徑及巖心均相同，僅鋪砂濃度不同，纖維質(zhì)量分數(shù)為0.6%，實驗巖板為砂巖板，實驗結(jié)果見圖4可以看出，通道壓裂的導流能力隨著鋪砂濃度的減少而減少。一方面，鋪砂濃度的大小決定了支撐劑支柱的高度，而支柱的高度對支撐裂縫的高度有著重要影響，支柱高度越高，導流通道越寬敞，導流能力就越高；另一方面，對于低鋪砂濃度而言，支撐劑鋪砂層數(shù)較少，通常為1～2層，發(fā)生嵌入后，嵌入高度占據(jù)總鋪砂高度的比例相應也越高，其對導流能力影響也就比高鋪砂濃度大，這在通道壓裂中尤為明顯。因為通道壓裂中采用的是不均勻鋪砂，支撐劑不能完全鋪滿整個裂縫面，以此次實驗為例，采用直徑為1.42 cm五支柱時，支撐劑與導流室面積比值為0.12，當閉合壓力10 MPa時，支撐劑所承受的壓力已接近90 MPa，導致支撐劑嵌入成坑狀嵌入。另一方面支撐劑破碎帶來的碎屑也會阻塞孔隙等，從而導致滲透率和導流能力的降低。因此，若要明顯提高裂縫導流能力，可以在施工條件允許的范圍內(nèi)，適當提高支撐劑的鋪砂濃度。

圖4 支撐劑鋪砂濃度對導流能力的影響

2.4 支撐劑類型

實驗采用陶粒、覆膜砂、石英砂3種不同的支撐劑進行對比，鋪砂濃度5.0 kg/m2，粒徑均為30～50目，纖維質(zhì)量分數(shù)0.6%，實驗巖板為砂巖板。實驗結(jié)果見圖5。

由圖5可以看出，覆膜砂在導流能力方面表現(xiàn)最好，陶粒次之，石英砂最差。這是因為：石英砂最高可適用的閉合壓力在30 MPa左右，超過30 MPa，石英砂會發(fā)生大量的破碎，導致通道壓裂支柱效果變差，從而其導流能力低于覆膜砂和陶粒；另一方面，由于覆膜砂支撐劑外層包裹著一層樹脂，因此在高閉合壓力下，覆膜砂具有變形重塑的特點，增加了其與裂縫壁面的接觸面積，降低了支撐劑嵌入的影響，同時由于樹脂的包裹，使得碎屑不容易進入覆膜砂充填層空隙，裂縫的導流能力也就相對應下降較少，因此覆膜砂的導流能力高于陶粒。但是由于覆膜砂造價遠高于陶粒、石英砂，因此在工程應用上，在選擇支撐劑時應當綜合考慮各方面的因素。

2.5 巖性類型

實驗巖心分別為砂巖和頁巖。利用這2種巖心進行了通道壓裂導流能力對比實驗（見圖6），其中鋪砂濃度為2.5 kg/m2，支撐劑為40～70目覆膜砂，纖維質(zhì)量分數(shù)0.6%。實驗表明，砂巖嵌入程度遠高于頁巖嵌入程度，導致其導流能力遠低于頁巖巖心的導流能力。在低閉合壓力（10～40 MPa）下，頁巖巖心的導流能力約為砂巖巖心導流能力的3～6倍，最高可達10倍以上；在高閉合壓力（60～90 MPa）下，頁巖巖心導流能力約為砂巖巖心的2～4倍。根據(jù)巖心靜態(tài)力學參數(shù)對比可以看出，砂巖的彈性模量遠低于頁巖，因此，砂巖巖心的硬度也遠低于頁巖巖心。同時，砂巖的孔隙較為發(fā)育，支撐劑更容易嵌入，造成2種巖心嵌入程度差別較為明顯，這種差別導致二者在裂縫內(nèi)支柱高度的不同，從而造就了導流能力的明顯差距。所以，在進行通道壓裂設(shè)計時，應該充分考慮到壓裂井改造層段的巖石力學性質(zhì)，對嵌入嚴重、不適合進行通道壓裂改造的壓裂井改為常規(guī)壓裂，或者增大砂比，提高裂縫的鋪砂濃度，從而獲得理想的導流能力。

圖6 巖性對導流能力的影響

3 結(jié)論

1）通道壓裂需在壓裂液中加入一定比例的纖維材料來保證裂縫內(nèi)支柱的穩(wěn)定性，實驗優(yōu)化結(jié)果為加入纖維質(zhì)量分數(shù)0.6%最優(yōu)。

2）由于通道壓裂中的支撐劑支柱構(gòu)建起的導流通道是流體的主要流通通道，因此支撐劑粒徑對通道壓裂導流能力影響較弱，不同粒徑的支撐劑間的導流能力差別很小。

3）鋪砂濃度對通道壓裂導流能力的影響程度較大，鋪砂濃度越高，裂縫的導流能力越大。

4）支撐劑的嵌入對通道壓裂的影響較大，覆膜砂、陶粒、石英砂3種支撐劑在通道壓裂不連續(xù)鋪砂實驗中表現(xiàn)不一。覆膜砂利用其可變形的特性可以顯著降低嵌入影響，陶粒次之，石英砂最差，故在選擇支撐劑時應綜合考慮各方面因素的影響。

5）不同巖性間進行通道壓裂時，裂縫的導流能力有可能差別較大，原因是二者的硬度差別較大。硬度較大的地層易獲得較高的導流能力，因此在進行通道壓裂時，應充分考慮改造儲層的巖石力學特性。

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