地层应力波动对支撑裂缝导流能力的影响

毕文韬沈雅婷卢拥军蒙传幼曲占庆崔 静

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊 065007）

地层应力波动对支撑裂缝导流能力的影响

毕文韬1，2沈雅婷2卢拥军2蒙传幼2曲占庆1崔 静1

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊 065007）

引用格式：毕文韬，沈雅婷，卢拥军，等.地层应力波动对支撑裂缝导流能力的影响［J］.石油钻采工艺，2015，37（6）：78-81.

支撑裂缝导流能力的高低在一定程度上影响着压裂效果的好坏，施工设计时需要重点考虑影响其导流能力的各种因素。为了深入解释地层应力波动对裂缝导流能力的影响机理，室内实验以不同岩性的岩心板为研究对象，利用加载循环应力的方式模拟开、关井过程，开展了不同岩性储层的相关研究。实验结果表明，开、关井过程引起的地层应力波动对砾岩、砂岩储层的导流能力影响较小；对煤岩储层的导流能力影响较大，现场施工中应尽量减少开、关井次数。

地层应力波动；循环加载；支撑裂缝；导流能力；煤岩储层

水力压裂技术在各类油气藏开采中发挥着重要作用，可以使油气层与井筒之间建立一条供油气流动的高导流通道，即在压裂施工中泵入地层大量支撑剂，使裂缝在储层闭合应力的作用下仍能保持张开状态以提供较高的导流能力［1］。以往研究中，对支撑裂缝导流能力的分析主要集中在支撑剂种类、粒径、嵌入、铺置浓度以及闭合压力等影响因素［2-6］，忽略了开、关井过程以及地壳运动引起的地层应力波动对裂缝导流能力的影响。这里在地层应力波动影响裂缝导流能力方面进行了实验评价。

1　实验研究

1.1岩石性质

实验所用砾岩的平均弹性模量为40 000 MPa，泊松比为0.16，砂岩平均弹性模量为23 000 MPa，泊松比为0.17，煤岩平均弹性模量为1 500～4000 MPa，泊松比为0.3。

1.2实验设备及原理

实验使用岩心板代替钢板，岩心板长17.7 cm，宽3.81 cm，厚1 cm，两端呈半圆形。实验仪器为自主设计研发的ZCJ-300长期导流能力测试系统，压力实验机采用双向油缸设计以实现闭合压力的增减可控；该系统具有可控循环加载功能，更真实地反映了在地壳运动和生产压力变化下，支撑裂缝导流能力的具体变化情况。实验原理是根据达西定律来计算支撑剂充填层在层流（达西流）条件下的渗透率模型［7］。

1.3实验条件

（1）测试样品：中密度陶粒425～850 µm（40/20目），视密度3.27 g/cm3，体积密度1.90 g/cm3；天然石英砂425～850 µm（40/20目），视密度2.64 g/cm3，体积密度1.61 g/cm3。

（2）实验液体：质量分数2%的KCl溶液，流量6 mL/min。

（3）实验温度：砾岩、砂岩为80 ℃；煤岩为常温（模拟地层温度）。

（4）裂缝宽度：砾岩岩心板5 mm（铺置浓度10 kg/m2）；砂岩岩心板1.66 mm（铺置浓度3 kg/m2）；煤岩岩心板5 mm（铺置浓度10 kg/m2）。

2　实验方案

实验所用的加载速率为特定储层压裂施工后的强制闭合速率，针对开、关井引起的地层应力波动对支撑裂缝导流能力影响进行研究。选择具有不同岩石特性的3种岩心，砾岩、砂岩使用陶粒支撑剂，煤岩使用天然石英砂支撑剂。每种岩心进行2组长期导流测试，实验1为对照实验，实验过程中逐渐加压，当所加压力达到该类岩石储层的地层闭合应力时稳载，在加载过程中测量各个压力点的导流能力；实验2前期与实验1相同，当压力加载到地层闭合应力时，稳载72 h后逐渐减小、增大压力，模拟开、关井过程中地层应力的变化，各个压力点稳定一段时间后测其导流能力。最后将2组实验对比分析得出地层应力波动因素对导流能力的影响结果。

3　实验结果及分析

3.1地层应力波动对砾岩导流能力的影响

实验结果如图1、图2所示。图1中随着闭合压力增大，裂缝导流能力迅速下降，主要是因为随着闭合压力的增大，岩板之间的支撑剂逐渐被压实，孔隙度降低导致渗透率下降，而且随着闭合压力的增大，支撑剂嵌入岩石，致使裂缝宽度减小，导流能力降低。同时随着实验的进行支撑剂会产生破碎，且岩板表面由于刻蚀产生碎屑，这些破碎的支撑剂以及碎屑运移填充至支撑剂孔隙间，降低了渗透率，最终导致导流能力降低。70 MPa稳载55 h后导流能力趋于稳定。

图2中70 MPa稳定72 h后开始循环加载，循环加载后期与之前稳载阶段相比，导流能力变化不大。原因有两方面：砾岩弹性模量高，裂缝宽度实时测量结果表明循环加载过程中裂缝宽度没有变化，说明循环加载对该类地层支撑剂的嵌入没有影响；砾岩岩性特性决定了循环加载过程不会加剧岩板表面碎屑的产生。因此，循环应力加载对砾岩导流能力基本没有影响。

图1　砾岩裂缝导流能力随闭合应力的变化

图2　砾岩裂缝导流能力随地层应力波动的变化

3.2地层应力波动对砂岩导流能力的影响

实验结果如图3、图4所示。

图3　砂岩裂缝导流能力随闭合应力的变化

图3中砂岩与砾岩的情况基本相同，随着闭合压力的增大导流能力快速降低，当压力加载至30 MPa并保持稳定时，导流能力下降趋缓，后期基本保持不变［8］。由图4数据可以看出，循环加载后期与稳载阶段相比，其导流能力下降了6%左右，裂缝宽度降低了0.05 mm，影响了支撑剂充填层的渗透率，最终导致了导流能力的降低。循环加载对砂岩导流能力的影响与不循环加载相比略有下降。

图4　砂岩裂缝导流能力随地层应力波动的变化

3.3地层应力波动对煤岩导流能力的影响

实验结果如图5、图6所示。

图5　煤岩裂缝导流能力随闭合压力的变化

图6　煤岩裂缝导流能力随地层应力波动的变化

图5和图6的导流能力变化在前期趋势相同，随着压力的增大而快速降低。图6中，循环加载后与之前稳载过程相比，导流能力明显降低，降低值约33%，由此可判断开、关井过程对煤岩裂缝导流能力的影响较大。分析原因有：该煤岩样品弹性模量较低，在1 500～4 000 MPa之间，泊松比为0.3，支撑剂嵌入较为严重，使裂缝宽度减小，循环应力加载后与稳载过程相比，缝宽降低约0.13 mm，导流能力有所降低；循环加载对天然石英砂的抗破碎能力影响较大，随着应力循环加载次数的增加，破碎率上升明显，且破碎率开始上升较快，随着循环次数的增加上升缓慢［9］。石英砂在20 MPa应力循环加载中破碎率增加，破碎的支撑剂阻塞孔隙之间的流体通道，使得渗透率降低，导流能力下降；循环应力加载作用在支撑剂充填层上，产生交变应力，煤岩岩板和支撑剂在交变应力的作用下加剧了煤粉的产生，当闭合压力处于10～30 MPa，2%的煤粉可以使导流能力下降13.1%～34.9%［10］，煤粉具有疏水性，极易聚集起来阻塞吼道孔隙，随着煤粉微粒的不断运移，使得支撑裂缝堵塞更为严重，渗透率降低，导流能力下降。

4　结论

（1）利用压力试验机实施循环应力加载模拟开、关井，开展了研究地层应力波动对支撑裂缝导流能力影响的实验，对压裂方案设计和现场施工具有指导意义。

（2）地层应力波动对砾岩类硬性地层的支撑裂缝导流能力基本没有影响，对砂岩有较小影响。

（3）地层应力波动对煤岩这种松软地层的影响较大，与稳载状态相比导流能力下降了约33%，煤岩储层现场施工中应尽量减少开、关井次数。

［1］朱怡晖，贾长贵，蒋廷学.多因素影响下的页岩支撑裂缝导流能力计算［J］.石油天然气学报，2014，36（8）：129-132，145.

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［7］SY/T 6302-2009，压裂支撑剂充填层短期导流能力评价推荐方法［S］.

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（修改稿收到日期 2015-10-10）

〔编辑 李春燕〕

Effect of reservoir stress fuctuation on conductivity of propped fractures

BI Wentao1，2，SHEN Yating2，LU Yongjun2，MENG Chuanyou2，QU Zhanqing1，CUI Jing1
（1.Petroleum Engineering College，China Uniνersity of Petroleum（East China），Qiangdao 266580，China；2. Langfang Branch，Research Institute of Petroleum Exploration and Deνelopment，CNPC，Langfang 065007，China）

The conductivity of propped fractures affect the effectiveness of fracturing，so frac design should particularly take into consideration the various factors which affect its conductivity. In order to profoundly interpret the mechanism of the effect of reservoir stress fluctuation on fracture conductivity，laboratory experiments were conducted on researches on reservoirs of different lithologies using core plates of different lithologies as object of study and using the cyclic stress loading to simulate the process of well opening and closing. The experiment result shows that the reservoir stress fluctuation caused by well opening and closing has a very little influence on the conductivity of conglomerate and sandstone reservoirs，and has a relatively large influence on the conductivity of coal rock reservoirs. The wells opening and closing should be kept to minimum.

reservoir stress fluctuation； cyclic loading； propped fracture； conductivity； coal rock reservoir

TE357

A

1000-7393（ 2015 ） 06-0078-03 doi:10.13639/j.odpt.2015.06.019

国家科技重大专项“页岩气勘探开发关键技术”（编号：2011ZX05018-004）

毕文韬，1991年生。中国石油大学（华东）在读硕士研究生，现主要从事油气藏储层改造的研究工作。E-mail：648815724@qq.com。