朱炬輝，曾晶，耿周梅，李勇明，王騰飛，李德旗，潘勇，王娟

（1.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，成都 610051；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610051；3.延安能源服務(wù)有限公司，陜西延安 716099；4.中國(guó)石油浙江油田公司，杭州 310023）

0 引言

針對(duì)非常規(guī)油氣儲(chǔ)集層提出的體積改造技術(shù)[1]已在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中廣泛應(yīng)用并發(fā)揮了巨大作用。胥云等[2]通過(guò)總結(jié)10 年體積改造的理論研究與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，系統(tǒng)闡述了體積改造技術(shù)核心理論，認(rèn)為“縫網(wǎng)”是體積改造追求的裂縫形態(tài)，并闡述了水力裂縫與層理面的“穿過(guò)、終止、滑移、溝通”等相交形態(tài)，人工裂縫能夠與層理縫和天然裂縫相互串通，并形成復(fù)雜縫網(wǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐數(shù)據(jù)表明[1-2]，水平井段的軌跡在優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層中穿越的巷道位置與改造效果密切相關(guān)，裂縫在高度方向上的擴(kuò)展有限，打破了傳統(tǒng)壓裂理論認(rèn)為裂縫在高度方向上的擴(kuò)展難以控制的觀點(diǎn)。Stegent 等[3]針對(duì)北美水力壓裂試驗(yàn)得到的研究成果表明有效支撐縫高僅10 m，說(shuō)明在體積改造技術(shù)應(yīng)用中，裂縫在高度上的擴(kuò)展與層理弱面有關(guān)。發(fā)育的水平層理縫成為阻礙裂縫在高度方向上擴(kuò)展的主要因素，這使得在體積改造技術(shù)的應(yīng)用中，通常需要嚴(yán)控井眼軌跡確保其在最佳地質(zhì)“甜點(diǎn)”的水平巷道內(nèi)，這不僅增大了井眼軌跡控制的難度和成本，也成為制約頁(yè)巖氣獲得高產(chǎn)的主要原因之一。針對(duì)川渝地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層層理普遍發(fā)育的特征，研究層理開(kāi)啟與擴(kuò)展對(duì)指導(dǎo)優(yōu)化水平井井眼軌跡以及改進(jìn)體積改造技術(shù)工藝方法有重要價(jià)值。

層理為巖石中的膠結(jié)弱面，在滑溜水體積改造中極易在應(yīng)力作用下開(kāi)啟、產(chǎn)生剪切滑移并形成層理縫。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)層理對(duì)壓裂縫網(wǎng)的橫向擴(kuò)展以及體積壓裂效果具有重要影響。曾聯(lián)波等[4]分析了層理縫的發(fā)育機(jī)制與產(chǎn)狀特征，論述了頁(yè)巖層理縫與順層剪切裂縫的區(qū)別。周彤等[5]開(kāi)展了層理發(fā)育頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層壓裂裂縫擴(kuò)展模擬，確定了不同應(yīng)力遮擋條件下的裂縫高度擴(kuò)展程度，量化了層理與應(yīng)力差對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響。朱維耀等[6]研究了層理縫對(duì)頁(yè)巖滲透率的影響及表征方法，建立了考慮層理縫影響的滲透率模型。

頁(yè)巖儲(chǔ)集層層理縫滲透能力評(píng)價(jià)方法直接影響壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)的針對(duì)性和壓后產(chǎn)能預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性[7]。目前，傳統(tǒng)壓裂中常用的二維或三維模型計(jì)算分析結(jié)果可以判定主裂縫的導(dǎo)流能力，但無(wú)法準(zhǔn)確描述層理縫的導(dǎo)流能力以及對(duì)儲(chǔ)集層流體流動(dòng)的影響[8]。目前普遍采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心或巖板進(jìn)行室內(nèi)導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)[9-10]。為使頁(yè)巖巖心層理縫的測(cè)試更加接近儲(chǔ)集層真實(shí)情況，特別是表征層理縫內(nèi)徑向流動(dòng)的非均衡狀態(tài)，需要采用更大尺度的巖心開(kāi)展流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)。開(kāi)展全直徑巖心實(shí)驗(yàn)可從根本上了解頁(yè)巖儲(chǔ)集層層理縫對(duì)壓裂及天然氣流動(dòng)的影響，進(jìn)而優(yōu)化壓裂改造施工參數(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)制度[11-12]。與平整裂縫面不同的是，天然層理裂縫面的粗糙度是隨機(jī)的，不同樣品差異很大，難以根據(jù)裂縫粗糙度的絕對(duì)值獲得非均質(zhì)性對(duì)流體流動(dòng)的影響規(guī)律。因此，本文采用全直徑頁(yè)巖巖心開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，通過(guò)研究粗糙縫面的徑向?qū)Я髂芰﹄S著注入流量、閉合壓力等參數(shù)的變化率來(lái)分析裂縫非均質(zhì)性對(duì)流體流動(dòng)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與巖樣制備

實(shí)驗(yàn)裝置主要包含5 個(gè)單元：①流量控制單元。主要包括流體注入旋塞閥、注入壓力計(jì)和注入流量計(jì)，提供實(shí)驗(yàn)所需的流量。②軸向壓力和圍壓控制單元。通過(guò)恒速恒壓泵給巖心夾持器提供軸向壓力，最高可達(dá)70 MPa；通過(guò)恒速恒壓泵向巖心夾持器施加圍壓，最高可達(dá)40 MPa。③巖心夾持器。為改進(jìn)的API（美國(guó)石油學(xué)會(huì)）導(dǎo)流室?jiàn)A持器，耐壓70 MPa，適用于直徑為105 mm、長(zhǎng)度為50～100 mm 的全直徑巖心，有4 個(gè)流出接口，分別通過(guò)金屬管線與4 個(gè)流出旋塞閥、氣體流量計(jì)、壓力計(jì)相連，實(shí)驗(yàn)中出口不控制流量，出口即為大氣壓。④流量測(cè)試單元，通過(guò)夾持器出口端的流量計(jì)監(jiān)測(cè)和記錄氣體流量。⑤數(shù)據(jù)采集單元。為1 臺(tái)含實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及處理軟件的計(jì)算機(jī)，采集、儲(chǔ)存各個(gè)流量計(jì)的流量及壓力計(jì)的壓力，并顯示不同軸向應(yīng)力及圍壓條件下流體壓力與時(shí)間關(guān)系圖、流體流量與時(shí)間關(guān)系圖，顯示軸向應(yīng)力與流體流量的關(guān)系圖、圍壓與流體流量的關(guān)系圖。

巖心取自昭通頁(yè)巖氣示范區(qū)A、B 兩口頁(yè)巖氣井志留系龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層，巖心保留原始的天然層理縫且未破壞。測(cè)井解釋表明，A 井儲(chǔ)集層取心段有效孔隙度平均為3.8%，硅質(zhì)礦物含量較高（大于50%），黏土礦物含量較低（小于18%），碳酸鹽含量23%～29%，脆性指數(shù)平均為65%，彈性模量35～41 GPa，泊松比0.16～0.20，最小水平主應(yīng)力44.0～49.4 MPa，水平兩向應(yīng)力差10.5～13.3 MPa。B 井儲(chǔ)集層取心段有效孔隙度為1.0%～4.3%，黏土礦物含量比A 井高，為19.7%～29.0%，石英含量為19.3%～55.2%，脆性指數(shù)較高，平均為71.8%，彈性模量平均為25 GPa，泊松比0.17～0.19，最小水平主應(yīng)力26.1～32.0 MPa，水平兩向應(yīng)力差11.5～13.7 MPa。本文實(shí)驗(yàn)從A 井、B 井獲取巖心樣品5 個(gè)，樣品巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 全直徑頁(yè)巖巖心樣本巖石力學(xué)參數(shù)表

層理縫將巖心分隔為上下兩塊，保留破裂狀態(tài)下的粗糙度，在裂縫面上部巖心中央位置鉆1 個(gè)直徑5 mm的圓孔，實(shí)驗(yàn)時(shí)作為流動(dòng)介質(zhì)到裂縫的流動(dòng)通道，如圖2 所示。巖心上下部端面磨平，實(shí)驗(yàn)中放置于巖心夾持器內(nèi)并用上下膠筒密封，僅上端面注入孔道處與注入管線連接。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 裂縫內(nèi)表面遇水前后粗糙度及徑向?qū)Я髂芰ψ兓治鰧?shí)驗(yàn)

①采用激光掃描儀對(duì)巖心3、巖心5 進(jìn)行裂縫內(nèi)面掃描。

②將巖心放入夾持器，裂縫面原位對(duì)齊，形成未支撐張性縫，用氮?dú)鈿鉁y(cè)原位張性裂縫的導(dǎo)流能力。軸向壓力（即閉合壓力）以5 MPa 為壓力等級(jí)進(jìn)行加壓，分別為5，10，15，20，25，30，35 MPa，待每個(gè)閉合壓力下的氣體流量穩(wěn)定后，記錄氣體流量。根據(jù)記錄的流量計(jì)算不同閉合壓力下徑向?qū)Я髂芰Α?/p>

③將巖心在清水中浸泡12 h 后，將巖心再次放入夾持器，重復(fù)步驟②。

④實(shí)驗(yàn)完成后，取出巖心，再次掃描裂縫面。

1.2.2 徑向流動(dòng)能力非均衡性實(shí)驗(yàn)

①采用激光掃描儀對(duì)巖心1、巖心2 和巖心4 進(jìn)行裂縫內(nèi)面掃描。

②將巖心1、巖心2 和巖心4 在清水中浸泡12 h，然后用氮?dú)獍岩后w驅(qū)替干凈（2 h 以上），保證為氣體單相流。

③將巖心放入夾持器，裂縫面原位對(duì)齊，形成未支撐張性縫，進(jìn)行徑向流動(dòng)能力實(shí)驗(yàn)。如圖3 所示，將巖心裂縫面以流量計(jì)為弧面中心位置分為4 個(gè)90°扇形區(qū)，記為A、B、C、D 區(qū)，分別代表4 個(gè)徑向方位。注入通道為巖心中部預(yù)留孔道，分別通過(guò)4 個(gè)方向流出，氮?dú)鈿鉁y(cè)4 個(gè)徑向方位出口流量。對(duì)比傳統(tǒng)導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)，本文實(shí)驗(yàn)考慮層理縫內(nèi)非均質(zhì)條件下的流動(dòng)，實(shí)驗(yàn)中保持原始地層方位垂直放置巖心，中部鉆孔作為通道，模擬井眼向地層注入流體。

④入口壓力設(shè)置為0.1～0.2 MPa，考慮到壓力加載過(guò)程中全直徑巖心的完整性，通過(guò)恒速恒壓泵施加圍壓20 MPa，軸向壓力（即閉合壓力）以5 MPa 為壓力等級(jí)進(jìn)行加壓，分別為5，10，15，20，25，30，35 MPa，待每個(gè)閉合壓力下的氣體流量穩(wěn)定后，記錄氣體流量。根據(jù)記錄的流量計(jì)算不同閉合壓力下4 個(gè)方位的徑向?qū)Я髂芰Α?/p>

⑤在其余實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變的條件下，選取巖心4 在完成實(shí)驗(yàn)步驟后，在層理縫內(nèi)均勻鋪置粒徑150 μm（100 目）粉砂6.2 g。然后，重復(fù)步驟③、④進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中軸向壓力為5，10，15，20，25，30，35，40，45，50 MPa。

⑥實(shí)驗(yàn)完成后，取出所有巖心，掃描未鋪置支撐劑實(shí)驗(yàn)后的裂縫面，并計(jì)算裂縫表面粗糙度。

1.3 參數(shù)計(jì)算方法

參照徑向達(dá)西公式[13]并進(jìn)行修正，得到全直徑巖心層理縫徑向?qū)Я髂芰τ?jì)算公式：

為了更直觀地分析巖心裂縫非均質(zhì)性，消除不同巖心之間本身導(dǎo)流能力差異的影響，定義4 個(gè)方向的流動(dòng)能力均差百分比來(lái)衡量每個(gè)方向的流動(dòng)能力：在注入壓力和4 個(gè)方向出口壓力相同的條件下，裂縫每個(gè)扇形區(qū)導(dǎo)流能力和4 個(gè)扇形區(qū)導(dǎo)流能力平均值之差與總導(dǎo)流能力的比值。流動(dòng)能力均差百分比為0，代表該區(qū)域流動(dòng)能力等于平均值，大于或小于0 則分別代表該區(qū)域流動(dòng)能力高于或低于平均值。流動(dòng)能力均差百分比可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

JRC（Joint Roughness Coefficient，節(jié)理粗糙度系數(shù)）為巴頓提出的巖體裂隙面強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式中的參數(shù)之一[14]。巴頓給出10 條標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)巖體裂隙面粗糙程度的不同，由最光滑到最粗糙，JRC值為0～20。通過(guò)對(duì)上述10 條標(biāo)準(zhǔn)曲線的測(cè)量計(jì)算可得到JRC與節(jié)理表面輪廓線一次導(dǎo)數(shù)均方根（Z）的關(guān)系式[15-16]，如（3）式所示。Z可根據(jù)粗糙度掃描圖像采用（4）式計(jì)算。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 裂縫內(nèi)表面遇水前后粗糙度變化

采用巖心3 和巖心5 分析裂縫內(nèi)表面遇水前后粗糙度變化，兩個(gè)巖心遇水前和遇水12 h 承壓30 MPa后的裂縫表面形態(tài)及激光掃描結(jié)果如圖4、圖5 所示。遇水前，巖心3 裂縫表面為單一通道形態(tài)，巖心5 裂縫表面呈現(xiàn)多點(diǎn)分散型形態(tài)。遇水承壓后，肉眼觀察到巖心裂縫面局部分層、脫落，根據(jù)掃描結(jié)果，裂縫面粗糙度發(fā)生明顯變化。計(jì)算巖心樣品裂縫面JRC值（見(jiàn)圖6），可以看出，遇水承壓后，JRC值降低，巖心裂縫面粗糙度減小。

分析遇水前后相同參數(shù)下巖心3 和巖心5 裂縫徑向?qū)Я髂芰ψ兓?，結(jié)果如圖7、圖8 所示。巖心3、巖心5 遇水前后的徑向?qū)Я髂芰町愝^大，這與前文闡述的不同樣品的裂縫內(nèi)表面粗糙度差異有關(guān)。遇水后，隨著閉合壓力的增加，巖心樣品導(dǎo)流能力明顯降低，當(dāng)閉合壓力從5 MPa 增加到35 MPa 時(shí)，巖心3徑向?qū)Я髂芰ο陆?9%，巖心5 徑向?qū)Я髂芰ο陆?6%，這可能與裂縫表面遇水后黏土礦物膨脹、部分膠結(jié)物脫落有關(guān)。

2.2 裂縫徑向流動(dòng)非均衡性

對(duì)巖心1、2、4 開(kāi)展徑向流動(dòng)能力非均衡性實(shí)驗(yàn)，并利用（2）式對(duì)4 個(gè)徑向方位的流動(dòng)能力均差百分比進(jìn)行計(jì)算，分析徑向流動(dòng)非均衡性，巖心樣品巖石力學(xué)參數(shù)如表1 所示。3 個(gè)巖心遇水后的裂縫面形態(tài)和激光掃描結(jié)果如圖9、10、11 所示。

如圖12 所示，巖心裂縫面4 個(gè)方位導(dǎo)流能力隨著閉合壓力增加而降低。如圖13 所示，隨著閉合壓力的增加，巖心裂縫面4 個(gè)方位的流動(dòng)能力出現(xiàn)較大差異。閉合壓力為5 MPa 時(shí)，4 個(gè)方位的流動(dòng)能力均差百分比均不超過(guò)5%；閉合壓力為35 MPa 時(shí)，流動(dòng)能力均差百分比最高達(dá)到14.9%（D 區(qū)）?？梢?jiàn)，隨著閉合壓力的增加，裂縫流動(dòng)非均衡性增大。

圖2 全直徑巖心樣品實(shí)物照片

圖3 模擬巖心徑向流動(dòng)裝置示意圖

圖4 巖心3 遇水前和遇水承壓后裂縫面形態(tài)及激光掃描結(jié)果

圖5 巖心5 遇水前和遇水承壓后的裂縫面形態(tài)及激光掃描結(jié)果

圖6 巖心遇水承壓前后粗糙度變化

圖7 巖心3 遇水前后徑向?qū)Я髂芰ψ兓?/p>

圖8 巖心5 遇水前后徑向?qū)Я髂芰ψ兓?/p>

圖9 巖心1 遇水后裂縫面形態(tài)（a）及激光掃描結(jié)果（b）

圖10 巖心2 遇水后裂縫面形態(tài)（a）及激光掃描結(jié)果（b）

圖11 巖心4 遇水后裂縫面形態(tài)（a）及激光掃描結(jié)果（b）

圖12 巖心1 裂縫面4 個(gè)方位的導(dǎo)流能力

圖13 巖心1 裂縫面4 個(gè)方位的流動(dòng)能力均差百分比

若層理縫完全均質(zhì)，在壓差相同、流量相同的情況下，理論上巖心4 個(gè)方位縫內(nèi)流動(dòng)能力沒(méi)有差異，而實(shí)驗(yàn)中4 個(gè)方位的流動(dòng)能力出現(xiàn)了差異。因此，需進(jìn)一步分析巖心裂縫面4 個(gè)方位的表面粗糙度與流動(dòng)能力非均質(zhì)性的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)后對(duì)巖心1 裂縫面激光掃描圖像進(jìn)行分區(qū)（見(jiàn)圖9b），提取像素計(jì)算4 個(gè)區(qū)域（方位）的JRC值（見(jiàn)表2），D 區(qū)的JRC值最大（8.62），粗糙度最高，C 區(qū)次之。如圖13 所示，閉合壓力由5 MPa 增加至35 MPa 時(shí)，D 區(qū)流動(dòng)能力均差百分比由-1%變化至14.9%，變化幅度為15.9 個(gè)百分點(diǎn)，C 區(qū)由4%變化至-7%，變化幅度為11.0 個(gè)百分點(diǎn)，B區(qū)由-0.6%變化至-9.2%，變化幅度為8.6 個(gè)百分點(diǎn)，A區(qū)流動(dòng)能力均差百分比及其變化量均較小?？梢?jiàn)粗糙度越大的區(qū)域，流動(dòng)能力偏離平均值越遠(yuǎn)且流動(dòng)能力變化量越大，對(duì)閉合壓力的敏感度也越大。

表2 巖心1 裂縫面4 個(gè)方位JRC 值計(jì)算結(jié)果

圖14、圖15 是巖心2 流動(dòng)能力非均衡性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由于閉合壓力35 MPa 下巖心縫面壓碎，無(wú)有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。巖心2 反映出與巖心1 類(lèi)似的變化趨勢(shì)，即隨著閉合壓力的增加，裂縫流動(dòng)非均衡性增大。

圖14 巖心2 裂縫面4 個(gè)方位的導(dǎo)流能力

圖15 巖心2 裂縫面4 個(gè)方位的流動(dòng)能力均差百分比

對(duì)巖心2 裂縫面激光掃描結(jié)果進(jìn)行分區(qū)（見(jiàn)圖10b），提取像素計(jì)算4 個(gè)區(qū)域（方位）的JRC值（見(jiàn)表3）。A 區(qū)的流動(dòng)能力均差百分比隨著閉合壓力的變化最大，從5 MPa 的-5.1%變化至10 MPa 的2.1%，變化幅度為7.2 個(gè)百分點(diǎn)，再由10 MPa 的2.1%變化至30 MPa 的-15.0%，變化幅度為17.1 個(gè)百分點(diǎn)。同時(shí)，A 區(qū)的JRC值為10.9，在4 個(gè)方位中最高，進(jìn)一步印證了巖心裂縫非均質(zhì)性直接影響不同閉合壓力下巖心裂縫面流動(dòng)能力的非均衡性。

表3 巖心2 裂縫面4 個(gè)方位JRC 值計(jì)算結(jié)果

圖16、圖17 是取心深度最小的B 井巖心4 的流動(dòng)能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果。巖心4 的取心深度僅1 620 m，與巖心1、巖心2 相差600～1 000 m，且彈性模量相對(duì)較低（25 GPa），黏土礦物含量相對(duì)較高（27%），脆性指數(shù)較高（71.8%）。與巖心1、巖心2 相比，總體上巖心4裂縫面4 個(gè)方位流動(dòng)能力非均衡性變化幅度相對(duì)較小，隨著閉合壓力增大，其變化趨勢(shì)不明顯。如圖17 所示，C 區(qū)、D 區(qū)的流動(dòng)能力均差百分比絕對(duì)值較大，不同閉合壓力下平均在6%以上。根據(jù)圖11b 的巖心4 裂縫面激光掃描圖像計(jì)算4 個(gè)方位的JRC值，如表4 所示，裂縫面4 個(gè)區(qū)域粗糙度較平均，D 區(qū)JRC值最大，粗糙度相對(duì)更大。

表4 巖心4 裂縫面4 個(gè)方位JRC 值計(jì)算結(jié)果

圖16 巖心4 裂縫面4 個(gè)方位的導(dǎo)流能力

圖17 巖心4 裂縫面4 個(gè)方位的流動(dòng)能力均差百分比

2.3 支撐劑對(duì)徑向流動(dòng)非均衡性的影響

為分析層理縫內(nèi)支撐劑鋪置對(duì)徑向流動(dòng)能力非均衡性的影響，對(duì)隨著閉合壓力變化流動(dòng)能力均差百分比變化趨勢(shì)不明顯的巖心4 進(jìn)行了鋪置支撐劑后4 個(gè)徑向方位的流動(dòng)能力測(cè)試。巖心4 鋪置支撐劑后的裂縫面如圖18 所示。

圖18 巖心4 鋪置支撐劑后裂縫面

圖19 是巖心4 鋪置支撐劑后裂縫面4 個(gè)方向的導(dǎo)流能力，圖20 是徑向流動(dòng)能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果。為進(jìn)一步對(duì)比分析鋪置支撐劑后對(duì)縫內(nèi)流動(dòng)能力的影響，在計(jì)算流動(dòng)能力均差百分比來(lái)衡量流動(dòng)能力非均衡性基礎(chǔ)上，分析4 個(gè)方位流動(dòng)能力均差百分比最大值和最小值之間的差距。如圖20 所示，鋪置支撐劑后，巖心4 個(gè)方位流動(dòng)能力均差百分比均逐漸趨近于平均值，且流動(dòng)能力均差百分比最大、最小值之差隨閉合壓力增加而降低，5 MPa 下，4 個(gè)方位的流動(dòng)能力均差百分比最小為-12.3%，最大為15.9%，最大、最小值相差28.2 個(gè)百分點(diǎn)；35 MPa 下，流動(dòng)能力均差百分比最小為-8.3%，最大為8.9%，最大、最小值相差16.3個(gè)百分點(diǎn)。隨著閉合壓力增加，裂縫面粗糙度對(duì)流動(dòng)能力均差百分比的影響明顯減弱，當(dāng)閉合壓力增加到45 MPa 時(shí)，最大、最小值之差減小到12.0 個(gè)百分點(diǎn)。鋪置支撐劑后，在閉合壓力小于45 MPa 的條件下，受到裂縫表面粗糙度、支撐劑鋪置非均勻性和低閉合壓力下支撐劑失穩(wěn)運(yùn)移的疊加影響，流動(dòng)能力非均衡性相對(duì)于未鋪置支撐劑條件下更大。隨著閉合壓力增加，支撐劑壓實(shí)，逐步消除了粗糙面自支撐和支撐劑非均勻鋪置引起的疊加效應(yīng)，變成以支撐劑為主的支撐方式，4 個(gè)區(qū)域流動(dòng)能力均差百分比隨閉合壓力增加趨于一致。當(dāng)閉合壓力大于45 MPa 時(shí)，鋪置支撐劑后，流動(dòng)能力均差百分比最大、最小值之差小于未鋪置支撐劑時(shí)，且隨著閉合壓力增加，流動(dòng)能力非均衡性變化的趨勢(shì)更加平緩。高閉合壓力（大于45 MPa）下，鋪置支撐劑后將減弱巖心層理縫內(nèi)徑向流動(dòng)的非均衡性。

圖19 鋪置支撐劑后巖心4 裂縫面4 個(gè)方位的導(dǎo)流能力

圖20 鋪置支撐劑后巖心4 裂縫面4 個(gè)方位流動(dòng)能力均差百分比

2.4 討論

實(shí)驗(yàn)研究表明，層理面的表面形態(tài)影響其導(dǎo)流能力。實(shí)驗(yàn)巖心遇水前，在閉合壓力為5 MPa 時(shí)，巖心3 的層理面為單一通道形態(tài)，使得裂縫閉合時(shí)有良好的支撐與流動(dòng)性，導(dǎo)流能力為0.208 μm2·cm；巖心5 的層理面呈散點(diǎn)分布特征，流動(dòng)具有分散性，所以在相同閉合壓力下導(dǎo)流能力較低，僅為0.062 μm2·cm。這符合單一裂縫導(dǎo)流能力高的特征。對(duì)比閉合壓力加載到35 MPa 時(shí)兩塊巖心的導(dǎo)流能力保持率，巖心3 為44.50%，巖心5 為50.85%，說(shuō)明層理裂縫面為分散型支撐時(shí)具有更高的導(dǎo)流能力保持率。

水化作用對(duì)導(dǎo)流能力的影響明顯。巖心3、巖心5浸泡12 h 后在閉合壓力5 MPa 下的導(dǎo)流能力分別0.153 μm2·cm 和0.026 μm2·cm，較浸泡前分別下降26.4%和 58.1%，35 MPa 時(shí)導(dǎo)流能力分別為 0.017 μm2·cm 和0.012 μm2·cm，較浸泡前分別下降81.8%和63.0%。

全直徑巖心層理縫鋪置支撐劑后，隨著閉合壓力從5 MPa 增加至50 MPa，流動(dòng)能力均差百分比最大、最小值之差顯著下降。隨著閉合壓力增加，支撐劑壓實(shí)，逐步消除了粗糙面自支撐和支撐劑非均勻鋪置引起的疊加效應(yīng)，變成以支撐劑為主的支撐方式，4 個(gè)區(qū)域流動(dòng)能力均差百分比隨閉合壓力增加趨于一致。

實(shí)驗(yàn)采用了4 通道出口流動(dòng)測(cè)試技術(shù)，這是研究復(fù)雜縫網(wǎng)多方向滲流的一種有益探索，采用該方法得到了單一通道支撐層理縫與分散型多點(diǎn)支撐層理縫對(duì)導(dǎo)流能力的不同保持率，初步驗(yàn)證了層理縫面內(nèi)粗糙度分布對(duì)徑向流動(dòng)非均衡性的影響規(guī)律。在鋪置支撐劑的實(shí)驗(yàn)中，得到4 個(gè)方向流動(dòng)能力逐漸趨同的重要認(rèn)識(shí)。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)和壓裂現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，可進(jìn)一步探索采用小粒徑（212/109 μm（70/140 目））甚至更小粒徑（小于75 μm（200 目））的微細(xì)支撐劑對(duì)層理縫進(jìn)行支撐，進(jìn)一步驗(yàn)證這一認(rèn)識(shí)是否具有普適性。

層理縫內(nèi)流動(dòng)非均衡性隨閉合壓力的變化規(guī)律及其影響因素對(duì)頁(yè)巖體積壓裂改造十分重要。對(duì)于巖心1、2，均發(fā)現(xiàn)層理縫內(nèi)流動(dòng)非均衡性隨閉合壓力增大而增強(qiáng)。巖心1、巖心2 取心深度較巖心4 更深，彈性模量相對(duì)較高，且裂縫面分區(qū)后的4 個(gè)區(qū)域粗糙度差異較大，其流動(dòng)能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示這一規(guī)律更明顯。未支撐裂縫內(nèi)表面粗糙度越大的區(qū)域，流動(dòng)能力均差百分比對(duì)閉合壓力的敏感度越大。而巖心4 對(duì)裂縫面分區(qū)后4 個(gè)區(qū)域的粗糙度較為平均，其規(guī)律不明顯。下步可增加不同取心深度、不同力學(xué)參數(shù)的巖心進(jìn)一步驗(yàn)證流動(dòng)非均衡性隨閉合壓力的變化規(guī)律。

不加載支撐劑條件下本文實(shí)驗(yàn)樣品承壓超過(guò)35 MPa 時(shí)均會(huì)被壓碎，鋪置支撐劑時(shí)樣品加載到50 MPa仍未被壓碎。未鋪置支撐劑時(shí)在較高閉合壓力下會(huì)發(fā)生局部應(yīng)力加載（點(diǎn)接觸或小區(qū)域面接觸），導(dǎo)致巖心承壓能力下降，而鋪置了支撐劑的樣品由于在加載閉合壓力過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)支撐劑的流動(dòng)，降低了表面粗糙度的非均質(zhì)性，從而提高了樣品的承壓能力。如果需要進(jìn)一步研究中深層頁(yè)巖氣的閉合壓力條件（現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中主裂縫普遍閉合壓力超過(guò)50 MPa），則需要提高未鋪置支撐劑條件下的閉合壓力，這將是繼續(xù)開(kāi)展全直徑巖心層理縫流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究的重要課題，其研究成果將對(duì)認(rèn)識(shí)深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層層理縫的作用有重要指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

未支撐的張性層理縫隨閉合壓力增大，導(dǎo)流能力急劇下降，且不同巖心樣品的導(dǎo)流能力差異較大。遇水承壓后，不同巖心之間的導(dǎo)流能力差異變小。在頁(yè)巖儲(chǔ)集層壓裂過(guò)程中，裂縫表面與壓裂液接觸，會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)流能力減弱的現(xiàn)象。

層理縫內(nèi)流動(dòng)非均衡性會(huì)隨閉合壓力增大而增強(qiáng)，取心深度越深、彈性模量越高的巖心這一規(guī)律越明顯。未支撐裂縫內(nèi)表面粗糙度越大，非均質(zhì)性越強(qiáng)，流動(dòng)能力非均衡性對(duì)閉合壓力的敏感度越大。

鋪置支撐劑后，層理縫內(nèi)4 個(gè)方向流動(dòng)非均衡性隨閉合壓力增加而逐漸緩解，粗糙度、高閉合壓力（大于45 MPa）對(duì)流動(dòng)能力的影響明顯減弱。在壓裂過(guò)程中，對(duì)于閉合壓力越高的儲(chǔ)集層，支撐劑對(duì)層理縫的支撐越有利于減小層理縫非均質(zhì)性的影響。

符號(hào)注釋?zhuān)?/p>

i——流體出口編號(hào)；j——測(cè)點(diǎn)編號(hào)；JRC——節(jié)理粗糙度系數(shù)；Li——第i個(gè)流體出口所在扇形區(qū)的導(dǎo)流能力，m2·m；ΔLi——第i個(gè)流體出口所在扇形區(qū)的流動(dòng)能力均差百分比，%；N——測(cè)點(diǎn)數(shù)目；pin——流體注入壓力，Pa；pout,i——第i個(gè)流體出口壓力，Pa；Qi——第i個(gè)流體出口流量，m3/s；r1——巖心半徑，mm；r2——加工孔眼半徑，mm；ΔS——測(cè)點(diǎn)間距，m；Z——節(jié)理表面輪廓線一次導(dǎo)數(shù)均方根，無(wú)因次；Zj——第j個(gè)測(cè)點(diǎn)高度，m；μ——流體黏度，Pa·s。