通道压裂支撑裂缝影响因素分析

许国庆，张士诚，王雷，韩晶玉

（中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京 102249）

0 引言

非常规油气藏由于物性差，开发难度大，储量难以动用，决定了非常规资源必须采用储层压裂增产改造技术，改变油气渗流方式，提高单井产量，从而达到有效开发的目的[1-5]。非常规油气藏经过水力压裂后的产能主要由改造体积的大小决定，但裂缝的导流能力对产能也有着举足轻重的影响。传统技术已经很难满足大幅度提高裂缝导流能力的需求，因此需要采用一种新型技术——通道压裂技术[6]。传统技术主要通过改善支撑剂与压裂液的相关特性、采用新型添加剂及结合施工工艺（如提高支撑剂强度、降低支撑剂破碎率、改善压裂液携砂能力以及采用更有效的破胶剂）来提高支撑裂缝的导流能力[7-10]，而通道压裂技术通过在裂缝内不连续铺置支撑剂充填层在支撑缝内形成具有无限导流能力的敞开通道，从而在最大程度上解决采用传统压裂技术的裂缝由于支撑剂嵌入、破碎、钙化，微粒运移，压裂液伤害，多相流以及非达西效应等因素[11-12]引起的导流能力过低的问题。该技术主要通过地质力学建模选择合适地层，采用脉冲式加砂技术[13]以及特殊的完井方式，同时在压裂液体系中添加可降解纤维材料保持支撑剂支柱的稳定性等来确保在裂缝内形成高速导流通道[14]。Rhein 等[15]通过对比常规压裂和通道压裂的效果，发现应用通道压裂技术的油气井产能可以提高20%～90%，并且可以优化压裂规模，节约施工成本和施工时间。

目前国内外对通道压裂影响因素的研究较少。本文通过运用FCES-100长期裂缝导流仪，进行实验模拟，分析了纤维质量分数、支撑剂类型、粒径、铺砂浓度，以及不同岩性对通道压裂导流能力的影响，为优化压裂设计、最大程度地降低支撑剂嵌入的影响及提高裂缝导流能力提供了一定的理论和实验依据，对现场施工及应用具有一定的指导意义。

1 实验准备

1.1 实验仪器

实验使用美国Core-Lab公司生产的FCES-100裂缝导流仪（API标准），该仪器可以模拟地层条件，对不同类型支撑剂进行短期或长期导流能力评价。使用2%KCl溶液作为流体介质。测试应用的岩板长17.7 cm，宽 3.8 cm，高 1.0～2.0 cm，端部呈半圆形。

1.2 实验材料及方案

实验选用2种不同的地层岩心，分别为某储层砂岩和页岩。其中，露头砂岩的静态弹性模量9.40～10.10 GPa，静态泊松比0.31～0.37，抗压强度113.00～117.00 MPa；露头页岩的弹性模量 12.65～22.88 GPa，静态泊松比 0.14～0.27，抗压强度 203.06～344.85 MPa。分别以纤维质量分数、支撑剂粒径、铺砂浓度、支撑剂类型、岩性为变量进行了短期导流能力测试。温度为常温，测试压力10～90 MPa，增幅10 MPa，每个压力点测试1 h，共计9个压力点。

支柱铺置方式：预先加工内径为1.42 cm镂空钢圈，铺置前，将钢圈放置在岩板上；将纤维与支撑剂用酒精混合搅拌均匀后，放置在钢圈内，压实，取出钢圈即可（见图 1）。

图1 支撑剂不连续支柱式铺置示意

2 实验结果与分析

2.1 纤维质量分数

纤维技术是近年来国外发展的一项新技术，在防止支撑剂回流、降低导流能力伤害方面具有明显的优势。其基本原理是，通过纤维的接触压力和摩擦力作用，与支撑剂颗粒接触形成空间网状结构，进而增强支撑剂颗粒间的内聚力，从而将支撑剂固定在原始位置，而流体可以自由通过，达到预防支撑剂回流的目的。目前，纤维防砂以及纤维压裂技术在川西地区得到了大量的推广应用，并且取得了令人满意的效果。但纤维的加入对支撑剂导流能力的影响以及影响程度，一直是现场应用中值得关注的问题。通道压裂技术需要在携砂液中加入一定比例的纤维材料，来保持支撑剂支柱的稳定性。为了评价纤维的性能，选用20～40目陶粒支撑剂、12 mm纤维搅拌均匀后进行不连续支柱式铺置，铺砂浓度5.0 kg/m2，对加入纤维后支撑剂导流能力的影响进行了实验研究，实验岩板为砂岩板，实验结果如图2所示。

图2 纤维质量分数对导流能力的影响

由图2分析可知，不同纤维质量分数对支撑裂缝导流能力影响有较大差别。在无纤维且闭合压力小于40 MPa时，其导流能力小于含纤维组；当闭合压力大于50 MPa时，其具有和含纤维组相当的导流能力。当纤维质量分数较低 （0.2%～0.4%）时，在低闭合应力（10～30 MPa）下，导流能力略有上升；在高闭合压力下，导流能力少许下降。这是因为：在初期阶段，支撑剂内添加纤维量较少时，支撑剂支柱无法利用纤维与支撑剂间的内聚力，导致在裂缝内不能形成稳定支柱，在流体的作用力下，支柱被流体冲散带走，支柱高度下降明显，因而导流能力不足；后期阶段，被冲散的支撑剂在裂缝内形成局部单层铺砂，其导流能力效果可以达到甚至优于多层铺砂导流能力，因而与后期受高闭合压力作用导致嵌入程度明显的含纤维组相比，二者导流能力相差不大。此外，在低闭合压力下，支撑剂层未被压实，存在于支撑剂颗粒接触面间的纤维增大了流体流通通道，从而增加了导流能力；在高闭合压力下，支撑剂层被压实，存在于支撑剂孔隙间的纤维对孔隙起到阻塞作用，因而减小了导流能力。综合考虑，虽然纤维质量分数为0.2%时，裂缝的导流能力与0.6%时接近，但是，纤维质量分数较低时，携砂能力较差，无法使得支撑剂在裂缝内形成稳定支柱，因此纤维的最佳质量分数为0.6%比较合适。

2.2 支撑剂粒径

实验分别使用 20～40，30～50，40～70 目陶粒，在铺砂浓度5.0 kg/m2，纤维质量分数0.6%条件下，实验岩板为砂岩板，进行了不连续支柱式铺砂导流能力测试实验（见图3）。结果显示，无论支撑剂的粒径范围如何变化，三者间导流能力的差别不大，40～70目支撑剂的导流能力略高于其他二者的导流能力。这是由于三者均采用不连续支柱式铺砂，流通主要通过支柱间的高速流动通道进行流动，而不是通过支撑剂充填层间的空隙流动。支撑剂主要起到支撑裂缝防止裂缝闭合的作用，其对流体流动的贡献远小于高速流动通道，不再起到连续铺砂方式下的流通媒介的作用，因此通道压裂中的支撑剂支柱的稳定性对压裂施工成功与否有至关重要的影响。

图3 支撑剂粒径对导流能力的影响

2.3 支撑剂铺砂浓度

在研究支撑剂铺砂浓度对通道压裂导流能力的影响时，所采用的支撑剂类型，粒径及岩心均相同，仅铺砂浓度不同，纤维质量分数为0.6%，实验岩板为砂岩板，实验结果见图4可以看出，通道压裂的导流能力随着铺砂浓度的减少而减少。一方面，铺砂浓度的大小决定了支撑剂支柱的高度，而支柱的高度对支撑裂缝的高度有着重要影响，支柱高度越高，导流通道越宽敞，导流能力就越高；另一方面，对于低铺砂浓度而言，支撑剂铺砂层数较少，通常为1～2层，发生嵌入后，嵌入高度占据总铺砂高度的比例相应也越高，其对导流能力影响也就比高铺砂浓度大，这在通道压裂中尤为明显。因为通道压裂中采用的是不均匀铺砂，支撑剂不能完全铺满整个裂缝面，以此次实验为例，采用直径为1.42 cm五支柱时，支撑剂与导流室面积比值为0.12，当闭合压力10 MPa时，支撑剂所承受的压力已接近90 MPa，导致支撑剂嵌入成坑状嵌入。另一方面支撑剂破碎带来的碎屑也会阻塞孔隙等，从而导致渗透率和导流能力的降低。因此，若要明显提高裂缝导流能力，可以在施工条件允许的范围内，适当提高支撑剂的铺砂浓度。

图4 支撑剂铺砂浓度对导流能力的影响

2.4 支撑剂类型

实验采用陶粒、覆膜砂、石英砂3种不同的支撑剂进行对比，铺砂浓度5.0 kg/m2，粒径均为30～50目，纤维质量分数0.6%，实验岩板为砂岩板。实验结果见图5。

由图5可以看出，覆膜砂在导流能力方面表现最好，陶粒次之，石英砂最差。这是因为：石英砂最高可适用的闭合压力在30 MPa左右，超过30 MPa，石英砂会发生大量的破碎，导致通道压裂支柱效果变差，从而其导流能力低于覆膜砂和陶粒；另一方面，由于覆膜砂支撑剂外层包裹着一层树脂，因此在高闭合压力下，覆膜砂具有变形重塑的特点，增加了其与裂缝壁面的接触面积，降低了支撑剂嵌入的影响，同时由于树脂的包裹，使得碎屑不容易进入覆膜砂充填层空隙，裂缝的导流能力也就相对应下降较少，因此覆膜砂的导流能力高于陶粒。但是由于覆膜砂造价远高于陶粒、石英砂，因此在工程应用上，在选择支撑剂时应当综合考虑各方面的因素。

2.5 岩性类型

实验岩心分别为砂岩和页岩。利用这2种岩心进行了通道压裂导流能力对比实验（见图6），其中铺砂浓度为2.5 kg/m2，支撑剂为40～70目覆膜砂，纤维质量分数0.6%。实验表明，砂岩嵌入程度远高于页岩嵌入程度，导致其导流能力远低于页岩岩心的导流能力。在低闭合压力（10～40 MPa）下，页岩岩心的导流能力约为砂岩岩心导流能力的3～6倍，最高可达10倍以上；在高闭合压力（60～90 MPa）下，页岩岩心导流能力约为砂岩岩心的2～4倍。根据岩心静态力学参数对比可以看出，砂岩的弹性模量远低于页岩，因此，砂岩岩心的硬度也远低于页岩岩心。同时，砂岩的孔隙较为发育，支撑剂更容易嵌入，造成2种岩心嵌入程度差别较为明显，这种差别导致二者在裂缝内支柱高度的不同，从而造就了导流能力的明显差距。所以，在进行通道压裂设计时，应该充分考虑到压裂井改造层段的岩石力学性质，对嵌入严重、不适合进行通道压裂改造的压裂井改为常规压裂，或者增大砂比，提高裂缝的铺砂浓度，从而获得理想的导流能力。

图6 岩性对导流能力的影响

3 结论

1）通道压裂需在压裂液中加入一定比例的纤维材料来保证裂缝内支柱的稳定性，实验优化结果为加入纤维质量分数0.6%最优。

2）由于通道压裂中的支撑剂支柱构建起的导流通道是流体的主要流通通道，因此支撑剂粒径对通道压裂导流能力影响较弱，不同粒径的支撑剂间的导流能力差别很小。

3）铺砂浓度对通道压裂导流能力的影响程度较大，铺砂浓度越高，裂缝的导流能力越大。

4）支撑剂的嵌入对通道压裂的影响较大，覆膜砂、陶粒、石英砂3种支撑剂在通道压裂不连续铺砂实验中表现不一。覆膜砂利用其可变形的特性可以显著降低嵌入影响，陶粒次之，石英砂最差，故在选择支撑剂时应综合考虑各方面因素的影响。

5）不同岩性间进行通道压裂时，裂缝的导流能力有可能差别较大，原因是二者的硬度差别较大。硬度较大的地层易获得较高的导流能力，因此在进行通道压裂时，应充分考虑改造储层的岩石力学特性。

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