任 嵐 胡哲瑜 趙金洲 林 然胡東風(fēng) 李真祥 吳建軍 彭思瑞
(1. 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院,四川 成都 610500;2. 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610500;3. 中國石化勘探分公司,四川 成都 610041;4. 中石油煤層氣有限責(zé)任公司,陜西 西安 710082)
隨著全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,能源需求量逐年上升,頁巖氣逐漸成為全球非常規(guī)油氣資源的重要開發(fā)對(duì)象之一。然而,頁巖氣儲(chǔ)層具備低孔、超低滲、脆塑性、層理及天然裂縫發(fā)育等特征,在壓裂過程中采用大排量+低砂比的縫網(wǎng)壓裂技術(shù)形成不規(guī)則裂縫網(wǎng)絡(luò)[1],使其生產(chǎn)時(shí)間延長,具有生產(chǎn)初期產(chǎn)量較高、遞減速度快,生產(chǎn)后期產(chǎn)量低、產(chǎn)量穩(wěn)定的特點(diǎn)[2‐5]。
隨著頁巖氣開發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步,生產(chǎn)區(qū)塊也逐漸向深層擴(kuò)展,在壓裂井深超過3 500 m 的頁巖氣井時(shí),儲(chǔ)層巖石塑性增強(qiáng)、裂縫加砂困難以及高閉合應(yīng)力下縫網(wǎng)導(dǎo)流能力不足等問題都嚴(yán)重制約了深層頁巖氣的經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)[6]。
隨著埋深的增加,地應(yīng)力與地面施工壓力不斷增大,泵入裂縫的支撐劑易發(fā)生變形、破碎等情況[7‐10],使得支撐劑無法有效支撐縫網(wǎng),嚴(yán)重影響裂縫導(dǎo)流能力。影響裂縫導(dǎo)流能力的因素較多,包括支撐顆粒性質(zhì)、溫度、閉合應(yīng)力和時(shí)間等可控因素以及巖石力學(xué)性質(zhì)、裂縫形態(tài)等不可控因素[11‐12]。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)頁巖氣壓裂裂縫導(dǎo)流能力開展了一系列研究,甄懷賓等[13]、J.Pedlow 等[14]、張陽等[15]、劉學(xué)偉[16]、車飛翔等[17]通過室內(nèi)支撐劑充填裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)研究了溫度、閉合應(yīng)力、時(shí)間、鋪砂濃度以及流體流速等因素與導(dǎo)流能力之間的關(guān)系;蘇映宏等[18]、郭天魁等[19]、溫志慶等[20]、B.Alramahi 等[21]發(fā)現(xiàn)在閉合應(yīng)力作用下支撐劑嵌入是影響裂縫導(dǎo)流能力的主要因素之一,并建立解析模型、經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力進(jìn)行了 預(yù) 測(cè);梁 天 成 等[22]、C.N.Fredd 等[23]、張 潦 源等[24]、張峰[25]、楊雪等[26]、T.Jansen 等[27]、陳勉等[28]、王桂慶[29]從支撐材料性能、流體介質(zhì)、儲(chǔ)層巖石物性等方面分析了支撐顆粒強(qiáng)度、抗破碎能力、微粒運(yùn)移、頁巖吸水性以及在無支撐條件下裂縫導(dǎo)流能力的變化規(guī)律。
以上研究?jī)H考慮了中淺層條件下單一裂縫導(dǎo)流能力的變化,而對(duì)深層頁巖氣高閉合應(yīng)力下縫網(wǎng)有效性的評(píng)價(jià)研究較少。本文以川東南丁山地區(qū)深層頁巖儲(chǔ)層巖石露頭為實(shí)驗(yàn)材料,采用支撐充填層導(dǎo)流能力測(cè)試儀,開展深層頁巖自支撐裂縫以及支撐裂縫導(dǎo)流能力室內(nèi)實(shí)驗(yàn),對(duì)比不同條件下裂縫導(dǎo)流能力變化規(guī)律。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工井地質(zhì)條件,優(yōu)化設(shè)計(jì)出滿足主裂縫與分支裂縫導(dǎo)流需求的支撐劑鋪砂濃度及用量,以期對(duì)深層頁巖氣壓裂的支撐劑選擇與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。
對(duì)于由不同尺度裂縫組成的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),現(xiàn)有裝置無法同時(shí)進(jìn)行多尺度的裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試,因此對(duì)自支撐裂縫、主裂縫和分支裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試采用“支撐充填層導(dǎo)流能力測(cè)試儀”完成,采用符合美國石油學(xué)會(huì)(API)標(biāo)準(zhǔn)的線性流導(dǎo)流室,鋪置不同濃度的支撐劑模擬出自支撐裂縫、主裂縫與分支裂縫的差異,在高閉合應(yīng)力作用下完成導(dǎo)流能力測(cè)試。支撐劑充填層導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。
圖1 支撐劑充填層導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig. 1 Schematic diagram of experiment equipment for conductivity of proppant filling layer
根據(jù)氣體達(dá)西滲流定律,對(duì)于線性單相流,支撐劑充填層裂縫的滲透率公式可表達(dá)為
式中:Kg——支撐裂縫滲透率,μm2;Q0——裂縫內(nèi)氣體流量,cm3/s;p0、p1、p2——大氣壓力、進(jìn)口、出口壓力,kPa;μ——?dú)怏w黏度,mPa·s;L——測(cè)壓孔端口間距離,cm;A——支撐裂縫橫截面積,cm2。
裂縫導(dǎo)流系統(tǒng)使用API 標(biāo)準(zhǔn)線性導(dǎo)流室,取L=12.7 cm,導(dǎo)流室寬度d=3.81 cm,bf為模擬裂縫寬度,A=3.81bf,支撐裂縫滲透率公式可表示為
支撐劑充填層導(dǎo)流能力表達(dá)式為
式中bf——充填裂縫寬度,即模擬裂縫寬度,cm。
1.3.1 巖樣制備
實(shí)驗(yàn)所采用的巖樣取自川東南丁山地區(qū)深層頁巖露頭,采用巖心切割機(jī)進(jìn)行切割加工,尺寸嚴(yán)格按照API 標(biāo)準(zhǔn),長度為17.7 cm,寬度為3.81 cm,厚度為1.6 cm,端部為半圓形。實(shí)驗(yàn)過程替換導(dǎo)流室中上下鋼板,并在巖板間放置支撐劑進(jìn)行測(cè)試。
1.3.2 剪切滑移量確定
在縫網(wǎng)壓裂過程中,復(fù)雜裂縫在形成過程中會(huì)產(chǎn)生剪切滑移現(xiàn)象,通過裂縫面粗糙度的不均勻性實(shí)現(xiàn)自支撐,從而形成流動(dòng)通道。實(shí)驗(yàn)采用自然劈分方法制作表面粗糙度不同的巖板,通過打磨形成不同剪切滑移量的自支撐裂縫進(jìn)行測(cè)試。自支撐裂縫壁面的剪切滑移量的估算表達(dá)式為
式中:Umax——裂縫面最大可能滑移量,mm;E——彈性模量,MPa;υ——泊松比;l——裂縫長度,m;Δσ——水平主應(yīng)力差,MPa;θ——裂縫與最大水平主應(yīng)力方向的夾角,(°)。
巖樣所在地層最大水平主應(yīng)力為109 MPa,最小水平主應(yīng)力為90 MPa,彈性模量為43 GPa,泊松比為0.23,將地質(zhì)參數(shù)代入式(4)可計(jì)算出裂縫在不同夾角的剪切滑移量,如圖2 所示。裂縫最大剪切滑移量為4.18 mm,平均為2.51 mm。
圖2 自支撐裂縫的剪切滑移量Fig. 2 Shear slip of self?propped fracture
C. N. Fredd[23]與J. Zhang 等[30]在研究美國棉花谷砂巖和Barnett 頁巖時(shí)將自支撐裂縫的剪切滑移量取值為2.54 mm;李士斌等[31]研究認(rèn)為,頁巖裂縫相對(duì)滑移量為2~8 mm,一般為3 mm;鄒雨時(shí)等[32]在研究須家河組頁巖時(shí)將滑移量定為1 mm。結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者確定剪切滑移量的相關(guān)研究成果,可將實(shí)驗(yàn)上下兩塊巖板的滑移量確定為1~4 mm。
1.3.3 縫寬差異化設(shè)計(jì)
相關(guān)研究表明[33‐34],支撐劑粒徑、鋪砂濃度等參數(shù)均為影響縫寬的主要因素。為分析縫網(wǎng)壓裂形成的不同尺度裂縫,利用支撐劑粒徑與鋪砂濃度對(duì)主/分支裂縫的縫寬進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)。主裂縫采用40/70 目支撐劑,鋪砂濃度2.5~5.5 kg/m2;分支裂縫采用70/120 目支撐劑,鋪砂濃度0.1~1.5 kg/m2。支撐劑鋪置層數(shù)計(jì)算表達(dá)式為
式中:n——支撐劑鋪置層數(shù);cp——支撐劑鋪砂濃度,kg/m2;ρ——支撐劑視密度,g/cm3;m——支撐劑質(zhì)量,g;S——裂縫壁面表面積,即導(dǎo)流室面積,cm2;R——支撐劑半徑,cm。
初始狀態(tài)下裂縫寬度表達(dá)式為
式中bini——初始狀態(tài)下裂縫寬度,cm。
由式(5)和式(6)計(jì)算可知,隨著鋪砂濃度的增加,主裂縫縫寬是分支裂縫的2~12 倍。
1.3.4 實(shí)驗(yàn)材料選擇
為研究鋪砂濃度、支撐劑類型以及粒徑對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響,支撐劑選用40/70、70/120、120/200 目的陶粒和40/70、70/120、140/200 目的石英砂。同時(shí)為避免實(shí)驗(yàn)流體與巖板、支撐劑發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致測(cè)試導(dǎo)流能力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差,采用氮?dú)猓∟2)模擬儲(chǔ)層中氣體的流動(dòng)。
為分析不同閉合應(yīng)力下剪切滑移量對(duì)自支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響,剪切滑移量控制在1~4 mm。不同剪切滑移量下自支撐裂縫導(dǎo)流能力變化情況見圖3。
圖3 不同剪切滑移量自支撐裂縫的導(dǎo)流能力Fig. 3 Self-propped fracture conductivity of different shear slip
從圖3 可以看出,當(dāng)閉合應(yīng)力小于20 MPa 時(shí),自支撐裂縫的導(dǎo)流能力隨著閉合應(yīng)力的增大呈現(xiàn)明顯的降低趨勢(shì);但當(dāng)閉合應(yīng)力達(dá)到20 MPa 時(shí),此時(shí)自支撐裂縫的導(dǎo)流能力降至1 μm2·cm 左右。隨著閉合應(yīng)力的持續(xù)增加,自支撐裂縫導(dǎo)流能力的下降速度明顯減緩,當(dāng)閉合應(yīng)力達(dá)到55 MPa 時(shí),自支撐裂縫導(dǎo)流能力的最低值降至0.1 μm2·cm 左右,此時(shí)裂縫導(dǎo)流能力與剪切位移量已關(guān)系不大。
2.2.1 鋪砂濃度
在縫網(wǎng)壓裂過程中主裂縫與分支裂縫存在明顯的縫寬差異,為實(shí)現(xiàn)主/分支裂縫間的縫寬差異化,選用不同粒徑、鋪砂濃度的支撐劑對(duì)主/分支裂縫進(jìn)行充填。主裂縫選用40/70 目的陶粒和石英砂為支撐材料,鋪砂濃度2.5~5.5 kg/m2;分支裂縫以70/120 目的陶粒和石英砂為支撐劑進(jìn)行充填,鋪砂濃度為0.1~1.5 kg/m2。不同鋪砂濃度下主裂縫、分支裂縫的導(dǎo)流能力變化情況如圖4 所示。
圖4 不同支撐材料在不同鋪砂濃度下的裂縫導(dǎo)流能力Fig. 4 Fracture conductivity at different sanding concentrations with different proppant
由圖4 可知,在相同條件下支撐裂縫的導(dǎo)流能力隨著閉合應(yīng)力的增大呈逐漸遞減的趨勢(shì),但導(dǎo)流能力隨鋪砂濃度的增加而增大。當(dāng)閉合應(yīng)力為82.7 MPa,在相同閉合應(yīng)力下,比較不同支撐劑在不同鋪砂濃度下主裂縫的導(dǎo)流能力(圖4(a))。鋪砂濃度為2.5 kg/m2時(shí),支撐劑為40/70 目陶粒的主裂縫導(dǎo)流能力為4.34 μm2·cm,支撐劑為40/70目石英砂的主裂縫導(dǎo)流能力為2.15 μm2·cm;隨著鋪砂濃度增加到5.5 kg/m2,支撐劑為陶粒的主裂縫導(dǎo)流能力為8.32 μm2·cm,接近原來的2 倍,支撐劑為石英砂的主裂縫導(dǎo)流能力為6.06 μm2·cm,接近原來的3 倍。當(dāng)閉合應(yīng)力為82.7 MPa,在相同閉合應(yīng)力下,比較不同支撐劑在不同鋪砂濃度下分支裂縫的導(dǎo)流能力(圖4(b)。鋪砂濃度為0.1 kg/m2時(shí),支撐劑為70/120 目陶粒的分支裂縫導(dǎo)流能力為0.12 μm2·cm,支撐劑為70/120 目石英砂的分支裂縫導(dǎo)流能力僅為0.08 μm2·cm;但隨著鋪砂濃度增加到1.5 kg/m2時(shí),支撐劑為陶粒的分支裂縫導(dǎo)流能力為1.97 μm2·cm,接近原來的16倍,支撐劑為石英砂的分支裂縫導(dǎo)流能力為0.89 μm2·cm,接近原來的11 倍。
由以上結(jié)果可知,在主裂縫中,支撐劑材料和鋪砂濃度均為影響裂縫導(dǎo)流能力的主控因素;而在分支裂縫中,增大鋪砂濃度對(duì)提高裂縫導(dǎo)流能力更加有效。
2.2.2 支撐劑粒徑
為分析不同粒徑的支撐劑對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響,在鋪砂濃度為1.5 kg/m2時(shí),分別選用粒徑為40/70、70/120、120/200 目的陶粒與粒徑為40/70、70/120、140/200 目的石英砂進(jìn)行對(duì)比,得到不同支撐劑粒徑下支撐裂縫導(dǎo)流能力的變化情況(圖5)。
圖5 不同支撐劑粒徑裂縫的導(dǎo)流能力Fig. 5 Fracture conductivity with different proppant particle sizes
由圖5 可知,在閉合應(yīng)力為82.7 MPa 時(shí),120/200 目陶粒的裂縫導(dǎo)流能力為1.74 μm2·cm,隨著粒徑的增加,40/70 目陶粒的裂縫導(dǎo)流能力為4.34 μm2·cm,接近原來的2.5 倍;在閉合應(yīng)力為82.7 MPa 時(shí),140/200 目石英砂的裂縫導(dǎo)流能力為0.42 μm2·cm,隨著粒徑的增加,40/70 目石英砂的裂縫導(dǎo)流能力為2.15 μm2·cm,接近原來的5 倍。可見,合適粒徑的支撐劑可有效滿足主裂縫或分支裂縫導(dǎo)流能力的需求。
S 井構(gòu)造位置屬于川東南地區(qū)林灘場(chǎng)?丁山北東向構(gòu)造帶丁山構(gòu)造北西翼。該井以五峰組―龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段為目的層,巖性主要為深灰色含灰泥巖、灰黑色泥巖、灰黑色碳質(zhì)泥巖,儲(chǔ)層有效孔隙度3.00%~5.59%,平均值為3.93%;滲透率0.06×10?3~6.04×10?3μm2,平均值為0.75×10?3μm2。黏土礦物體積分?jǐn)?shù)10.4%~39.5%,平均值為26.4%。 總 含 氣 量(壓 力 系 數(shù)1.40) 0.903~10.716 m3/t,平均值為5.299 m3/t。
五峰組―龍馬溪組的頁巖氣層厚度為88.9 m,w(TOC)為0.59%~5.86%,平均值為1.79%。其中,優(yōu)質(zhì)泥頁巖厚度為28.9 m,w(TOC) 為1.28%~5.86%,平均值為3.26%。
龍馬溪組一段上部到石牛欄組,高導(dǎo)縫欠發(fā)育,高阻縫較發(fā)育,其優(yōu)勢(shì)走向?yàn)楸睎|東—南西西向,具備形成復(fù)雜裂縫的基礎(chǔ)條件。
結(jié)合目標(biāo)儲(chǔ)層的地質(zhì)條件建立了嵌入式離散縫網(wǎng)頁巖氣水平井的產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型[35],計(jì)算參數(shù)如表1 所示。
表1 產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型參數(shù)Table 1 Productivity prediction model parameters
計(jì)算不同主裂縫導(dǎo)流能力和不同分支裂縫與主裂縫導(dǎo)流倍比(分支裂縫與主裂縫導(dǎo)流能力的比值)下頁巖氣井日產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量,如圖6、圖7 所示。
圖6 不同優(yōu)化目標(biāo)的日產(chǎn)氣量與累計(jì)產(chǎn)氣量Fig. 6 Daily and cumulative gas production with different optimization objectives
圖7 不同優(yōu)化目標(biāo)的累計(jì)產(chǎn)氣量Fig. 7 Cumulative production with different optimization objectives
在主裂縫中,隨著裂縫導(dǎo)流能力的不斷增大,日產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量均逐漸增大(圖6(a)),在不同導(dǎo)流倍比情況下,隨著導(dǎo)流倍比的增大,日產(chǎn)氣量與累計(jì)產(chǎn)氣量也逐漸增大(圖6(b)),累計(jì)產(chǎn)氣量曲線在主裂縫導(dǎo)流能力為5.9 μm2·cm 時(shí)斜率最小,此時(shí),累計(jì)產(chǎn)氣量增速變緩且增速基本趨于穩(wěn)定(圖7(a))。累計(jì)產(chǎn)氣量在導(dǎo)流倍比為0.08 時(shí)增速變緩(圖7(b))。因而,可以將主裂縫與分支裂縫的最優(yōu)導(dǎo)流能力分別確定為5.9 和0.47 μm2·cm。
假設(shè)主裂縫由40/70 目、分支裂縫由70/120 目的石英砂或陶粒填充,參照中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6302—2019《壓裂支撐劑導(dǎo)流能力測(cè)試方法》中的相關(guān)規(guī)定,考慮有效閉合應(yīng)力為55.2~82.7 MPa。以主裂縫導(dǎo)流能力5.9 μm2·cm,分支裂縫導(dǎo)流能力0.47 μm2·cm 為目標(biāo),優(yōu)化滿足主裂縫與分支裂縫導(dǎo)流要求的支撐劑為陶粒或石英砂的最低鋪砂濃度,如圖8 所示。
圖8 不同鋪砂濃度的裂縫導(dǎo)流能力Fig. 8 Fracture conductivity with different sand concentration
由圖8 可知,當(dāng)閉合應(yīng)力為69.0 MPa 時(shí),4 支撐劑粒徑為40/70 目的陶粒在鋪砂濃度為3.21 kg/m2或支撐劑粒徑為40/70 目的石英砂在鋪砂濃度為4.96 kg/m2時(shí)可滿足主裂縫的導(dǎo)流要求;70/120 目的陶粒在鋪砂濃度為0.20 kg/m2或70/120 目的石英砂在鋪砂濃度為0.41 kg/m2時(shí)可滿足分支裂縫的導(dǎo)流要求。
根據(jù)有效閉合應(yīng)力下支撐劑鋪砂濃度優(yōu)化結(jié)果,分別得到不同閉合應(yīng)力情況下主裂縫、分支裂縫的支撐劑鋪砂濃度(圖9)。
圖9 不同閉合應(yīng)力的支撐劑鋪砂濃度Fig. 9 Proppant sand concentration with different closure stress
由圖9 可知,隨著閉合應(yīng)力的增大,滿足主裂縫與分支裂縫導(dǎo)流需求的支撐劑鋪砂濃度也隨之增大。與分支裂縫相比,主裂縫的鋪砂濃度更高,陶粒的平均鋪砂濃度為石英砂平均鋪砂濃度的63.84%;而分支裂縫中支撐劑鋪砂濃度較低,陶粒的平均鋪砂濃度為石英砂平均鋪砂濃度的50.05%。
根據(jù)支撐劑鋪砂濃度的優(yōu)化結(jié)果,在滿足不同尺度裂縫導(dǎo)流需求的鋪砂濃度時(shí),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件,對(duì)縫網(wǎng)壓裂過程中不同射孔簇?cái)?shù)條件下支撐劑的用量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
假設(shè)主裂縫平均半縫長為150 m,平均縫高為35 m,主裂縫與分支裂縫長度比為1∶8,陶粒與石英砂的鋪置效率分別為0.7、0.8。分別計(jì)算出不同射孔簇?cái)?shù)下的支撐劑用量(圖10)。
圖10 不同類型裂縫支撐劑用量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)圖版Fig. 10 Optimization design chart of proppant dosage for different types of fractures
由圖10 可知,在同一射孔簇?cái)?shù)條件下,隨著閉合應(yīng)力的增大,支撐劑的用量也不斷增大。在高閉合應(yīng)力條件下,陶粒的支撐性能明顯優(yōu)于石英砂的支撐性能。在主裂縫中陶粒的平均用量?jī)H為石英砂平均用量的55.86%,在分支裂縫中陶粒的平均用量?jī)H為石英砂平均用量的43.79%。因而,可選用陶粒作為深層頁巖氣儲(chǔ)層壓裂施工的主力支撐劑。
(1)自支撐裂縫的導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力的增大而逐漸降低,當(dāng)閉合應(yīng)力達(dá)到55 MPa 時(shí),導(dǎo)流能力僅為0.1 μm2·cm。相對(duì)于深層頁巖的導(dǎo)流需求,自支撐裂縫導(dǎo)流貢獻(xiàn)非常低,無法形成有效流動(dòng)通道。
(2)在支撐裂縫中導(dǎo)流能力受到支撐劑類型、粒徑以及鋪砂濃度等因素影響,其中主裂縫以粒徑為40/70 目的陶粒作為主體支撐材料,可有效滿足主裂縫的導(dǎo)流需求,主裂縫中支撐劑材料和鋪砂濃度均為影響其導(dǎo)流能力的主控因素;而在分支裂縫中,粒徑為70/120 目的支撐劑均可達(dá)到分支裂縫的導(dǎo)流需求,鋪砂濃度是影響分支縫導(dǎo)流能力的主要因素。
(3)結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)施工條件,以滿足主/分支裂縫導(dǎo)流需求為目標(biāo),對(duì)支撐劑鋪砂濃度優(yōu)化設(shè)計(jì),形成了不同射孔簇下支撐劑用量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)圖版,認(rèn)為陶粒更適合作為深層頁巖氣儲(chǔ)層壓裂施工的主力支撐劑。