页岩支撑裂缝长期导流能力测试方法及测试装置改造

韩慧芬， 彭均亮， 吴 建， 高新平， 王 良

(1中石油西南油气田分公司工程技术研究院 2页岩气评价与开采四川省重点实验室 3中石油西南油气田分公司蜀南气矿)

水力压裂是油气藏增产改造的主要技术手段，为油气田的高效开发提供了技术保障。泵入地层中的支撑剂在储层闭合压力下形成支撑剂充填层，油气通过支撑剂充填层的渗流能力即为支撑裂缝导流能力。支撑裂缝导流能力是决定水力压裂效果的参数之一，对加砂压裂改造效果具有重要作用，而长期裂缝导流能力更制约了增产有效期的长短，页岩加砂压裂后储层的导流能力的影响因素以及形成的裂缝导流能力大小备受瞩目，因此，从室内开展页岩气井加砂压裂支撑裂缝长期导流能力的测试研究非常必要。利用长期导流能力实验结果优选支撑剂和优化加砂压裂设计，从而为加砂压裂改造取得较好的增产效果提供了保障。鉴于页岩气储层的脆性特征，需采用“大排量、大液量、小粒径、低砂比”的大规模水力压裂作业，形成复杂的裂缝网络，实现页岩气的工业开采。与常规砂岩储层的加砂压裂工艺相比，页岩气加砂压裂从施工工艺、缝网形成机理、施工参数等多方面均发生了很大的变化。目前国内对于页岩支撑导流能力的测试方法大多还是借鉴常规支撑剂充填层导流能力测试方法，无论测试方法还是测试装备都有一定的不适应性。

一、页岩储层体积压裂复杂缝网模式对室内导流能力测试新要求

常规砂岩储层压裂目的是以抑制天然裂缝扩展而形成主缝为主，而页岩储层通过“大排量、大液量、大砂量、小粒径、低砂比” 大规模水力压裂作业，使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的复杂裂缝网络，增加储层改造体积和裂缝复杂度，达到提高初始产量和最终采收率的目的。

目前页岩气井体积压裂多采用滑溜水携砂进行改造，由于滑溜水携砂能力有限，支撑剂不能在大规模裂缝网络中均匀分布，主要以砂堤、断续的支柱或单层局部分布等形式分布[1]。并随着缝网复杂性的增加，支撑剂的平均支撑浓度小于0.5 kg/m2或者支撑面积小于10%[2]。大部分裂缝没有支撑剂充填，但非支撑裂缝闭合后仍有导流能力，主要机理是剪切裂缝面的凸起能够有效的支撑裂缝[3]。页岩储层体积压裂后油气渗流通道主要为支撑剂充填层裂缝和储层剪切滑移形成的自支撑裂缝，因此，在室内需要对支撑剂充填层裂缝和自支撑裂缝的导流能力进行评价。

二、页岩储层体积压裂复杂缝网导流能力测试方法

1.页岩储层导流能力测试方法

之前页岩支撑剂充填层长期导流能力无统一测试方法，主要参照常规储层支撑剂导流能力测试方法，造成测试结果不能真实反映页岩储层导流能力。为了改变这一现状，中石化勘研院、中石油西南油气田分公司工程院、中石油廊坊分院等联合编制了NB/T 14023-2017《页岩支撑剂充填层长期导流能力测定推荐方法》行业标准，规定了页岩支撑剂充填层长期导流能力测定具体做法：页岩支撑剂将页岩岩板或同层位露头岩板加工成与测试设备相匹配、两端为弧形的岩板(长17.74±0.04 cm、宽3.76±0.05 cm、厚度大于 0.90 cm)，在储层温度及储层闭合压力下，以2～4 mL/min流量将2%KCl泵入导流室，设定回压在 2.07～3.45 MPa 之间，稳定条件下持续测定导流能力50±2 h。该标准将于2017年8月1日正式实施。

而国内对于页岩自支撑裂缝导流能力测试开展的工作较少，且目前尚无统一的标准做法。西南油气田分公司工程院、西南石油大学等根据页岩特性和体积压裂形成缝网机理，并经过大量室内实验摸索，在室内从页岩体积压裂自支撑裂缝的形成方式、错动距离、压力加载、流速控制等都有了自己的经验做法：①在页岩岩板中部沿劈裂方向预制划痕，将页岩岩板沿预制划痕劈裂成不规则的上下两块岩板；②将页岩岩板沿长度方向错动1～2 mm，形成剪切滑移自支撑裂缝，岩板端点高度差不大于0.2 mm；③将岩板多余部分切掉确保实验用页岩岩板尺寸与支撑导流仪导流室匹配；④在储层温度及储层闭合压力下，采用氮气以200～300 mL/min流速测定页岩自支撑裂缝导流能力，驱替系统流量采用氮气瓶及流量控制阀控制；⑤连续测定页岩自支撑裂缝导流能力的时间为50 h或者更长。

2.页岩储层导流能力测定流体介质

对于页岩储层导流能力测定的流体介质，这方面存在一些争论。一些研究学者提出了采用氮气进行页岩储层导流能力测试[4]，国内很多文献报道页岩储层导流能力测试仍然采用2%KCl水[5～6]。纪国法等人在文献[7]中通过大量调研文献得出结论是关于页岩气体积压裂支撑裂缝长期导流能力的研究尚未形成统一认识。鉴于页岩含有大量的黏土矿物，遇水容易吸水膨胀，液测导流能力并不能真实反映页岩气在地层裂缝中的渗流能力。因此，笔者建议室内采用氮气模拟储层闭合压力下天然气在页岩岩板夹持下的气相流动，尤其推荐采用氮气进行页岩自支撑裂缝导流能力测定，如果单纯评价支撑剂性能进行材料优选可以采用2%KCl水进行导流能力测试。

3.页岩支撑导流能力测试闭合压力加载方式

根据采用设计的压力试验机开展了地层应力波动对页岩储层支撑裂缝导流能力影响的实验，结果表明，地层应力波动对页岩储层导流能力的影响较大,循环加载次数增加,裂缝宽度降低,支撑剂破碎率开始上升明显,后来趋于平缓。因此，闭合压力加载速度的变化对于导流能力测试结果是有一定影响的，在页岩储层长期导流能力室内测试中，为了更真实模拟地下情况，改变常规储层支撑剂导流能力测试中闭合压力台阶式加载方式和加载过程中不考虑裂缝闭合时间的做法，考虑了实际储层闭合压力及裂缝闭合时间，有别于行业标准SY/T 6302-2009《压裂支撑剂充填层短期导流能力评价推荐方法》中闭合压力加载方式。具体做法为：不固定实验闭合压力，主要根据现场实际闭合压力及闭合时间来确定实验目标压力和压力增加速率，加载速率具体计算公式为：

v=p/t

(1)

式中：V—压力加载速率，MPa/min；p—实验压力，MPa；t—闭合时间，min。

三、页岩储层导流能力测试装置适应性分析

压力加载、流量及供液系统是导流能力测试的重要组成部分。NB/T 14023-2017《页岩支撑剂充填层长期导流能力测定推荐方法》和SY/T 6302-2009《压裂支撑剂充填层短期导流能力评价推荐方法》相比，对导流能力测试中的闭合压力加载方式、流量控制及测试时间进行了新的要求，主要体现在以下三个方面：①闭合压力为一恒定值，闭合压力加载时间为现场裂缝闭合时间；②测试流量由10 mL/min降为2～4 mL/min，流量误差小于5%；③测试时间由30 min增加为50 h以上。对于页岩自支撑裂缝导流能力测试，除了和以上闭合压力要求线性加载以及连续测试50 h以上外，还要求测试流体介质为氮气。

国内支撑剂导流能力的室内测试均采用的是支撑裂缝导流仪，如中石油西南油气田分公司工程院采用的是海安生产的DLY-2型支撑裂缝导流仪，其测试流程见图1。页岩气支撑剂充填层及自支撑裂缝导流能力测试方法与常规的支撑剂导流能力测试方法发生了改变，那么，对采用支撑导流仪开展页岩气支撑剂充填层及自支撑裂缝导流能力测试的适应性分析就非常必要。

图1 支撑裂缝导流能力测试示意图

1.闭合压力加载系统适应性分析

大部分石油高校以及油田研究院所采用国产支撑裂缝导流仪开展页岩支撑裂缝导流能力测试，其闭合压力加载系统存在的主要问题是：闭合压力通过油压泵进行加载，油压泵为柱塞泵，以脉冲方式供油进行闭合压力加载，全通过人工操作阀门开关控制，难以精确调节流量大小，造成输出压力不稳，增压时间也无法准确控制，以非线性方式加载闭合压力(图2)，不能实现页岩支撑剂和自支撑裂缝导流能力测试要求闭合压力线性加载方式。

图2 注射泵压力加载情况示意图

2.流量控制系统适应性分析

支撑导流仪大多都具备液测和气体测试功能，且采用平流泵替代柱塞泵实现平稳供液。平流泵与柱塞泵相比，改进了供油方式，使用非圆齿轮曲柄连杆结构，减小了脉冲，但仍然存在流量波动大，流量误差超过10%，不能满足2 mL/min注入流速下误差不大于5%的要求。

3.供液系统适应性分析

国产支撑导流仪多为2～3个1 L的储液缸，按照2 mL/min注入流速计算，只需向备用储液缸添加1～2次液体即可满足连续测试50 h的要求。

四、页岩储层导流能力测试装置改进目标

鉴于页岩支撑剂充填层导流能力及自支撑裂缝导流能力测试要求及目前国产支撑导流仪设备性能现状，需对支撑导流仪设备的闭合压力加载系统和流量控制系统进行改造，改进后的设备能达到以下目标：

1.实现闭合压力连续加载

(1)能进行闭合压力值及闭合时间的设定。

(2)在给定的闭合时间内实现闭合压力近线性速率的控制。

2.实现回压下低流量控制

(1)流量泵可接受计算机指令实现不同流量的自由切换。

(2)使流量泵在高低闭合压力下，不同流量时，都能实现稳定工作，达到API线性流要求。

(3)注入流速能满足2～4 mL/min，且稳定性好，要求固定流速下的流量误差不大于5%。

五、页岩支撑导流能力测试装置优化

1.支撑导流仪闭合压力加载系统改进措施

实现闭合压力线性加载且闭合时间可控有两种措施。第一种方式是采用直接购买国产或者进口恒速恒压泵更换供油泵，确保供液平稳、加载压力时无脉冲、压力增加速度可控，但是费用较高；第二种方式是在原有机械人工操作的方式升级为通过软件来控制，提高自动化程度，实现闭合压力近线性加载，能满足测试需要。第二种方式费用低，只需要编制控制软件、自改设备管路流程、增加少量设备部件，改造费用只有购买国产恒压泵的十分之一。具体方式为升级原有泵，通过软件自动化控制。在原有柱塞泵上加装伺服电机，在闭合压力加载系统加装压力传感器，传感器采集的闭合压力值传到软件控制系统，软件系统根据预设的工作程序，控制柱塞泵的工作。西南油气田分公司工程院改进后的闭合压力加载系统控制示意图见图3，软件控制程序能根据供油泵提供压力的最小值设置压力增加台阶，并控制稳定时间实现闭合压力近线性加载。

图3 改进后的闭合压力加载系统控制示意图

2. 支撑导流仪流量控制系统改进措施

页岩支撑剂充填层的导流能力按式(2)进行计算：

(2)

式中：kwf—支撑剂充填层导流能力，μm2·cm；μ—测试温度条件下流体黏度，mPa.s；Q—流速，cm3/s；L—压力端口间长度，cm；w—岩板宽度，cm；Δp—压力差值(上游压力减去下游压力)，kPa。

图4 页岩储层长期导流能力测试中流量变化曲线图

图5 页岩支撑剂充填层长期导流能力测试结果对比

在低流量测试导流能力的情况下，流量的精度及供液系统的稳定性对于测试结果的影响非常大。通过对比流量泵性能及使用效果，采用了进口ISCO泵替换了流量控制系统核心设备平流泵，ISCO泵采用无脉冲设计，具有恒速恒压功能，在供液平稳方面具有独特的优点，以流量2 mL/min进行测量，流量波动范围在1.93～2.05 mL/min范围内，流量误差只有3.5%，见图4，满足页岩长期导流能力测试要求。中石油西南油气田分公司工程院采用改进后国产DLY-2型支撑裂缝导流仪与中石化勘研院采用进口酸蚀裂缝导流仪在相同条件下进行页岩导流能力测试结果对比，见图5，初期由于人为因素差异造成实验数据有稍微差别，但导流能力降落趋势及最终的长期导流能力实验结果十分吻合，测试实验数据可靠。

六、结论

(1)本文提出了页岩室内储层复杂缝网的形成方式、错动距离、压力加载、流速控制方法，为页岩气井体积压裂自支撑裂缝导流能力测试和评价提供了依据。

(2)页岩储层长期导流能力测试包括支撑剂充填层裂缝导流能力和储层剪切滑移形成的自支撑裂缝导流能力。大部分国产支撑导流仪不能满足页岩储层长期导流能力测试要求，需要对其闭合压力加载系统、流量控制系统进行改进。

(3)改进后的支撑导流仪具备以下功能：①闭合压力能线性加载且加载时间可控；②测试液体流量满足2 ～4 mL/min，流量误差小于5%；③连续供液保证导流能力测试达到50 h以上。本文提出的支撑导流仪改进方法经济适用，测试数据可靠，能够用于页岩储层长期导流能力的测试。

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