不同粒径组合支撑剂对致密砂岩储层导流能力的影响

祝华军，赵 峰

（西南石油大学 地球科学与技术学院，四川成都 610500）

面对低渗透致密砂岩气藏流动孔喉半径小、渗透率低、自然产能低以及注水开发困难等特点，在进行水力加砂压裂储层改造时，对压裂液、支撑剂的要求也越来越高，以确保压裂改造后的储层具有比较高的导流能力，进而提高致密砂岩气藏的后期采收率[1]。

近年来，国内学者针对裂缝中支撑剂的短期导流能力、长期导流能力变化规律以及导流能力影响因素等方面进行了大量的研究[2]，但在致密砂岩储层压裂方面，针对不同粒径组合支撑剂对导流能力的研究较少。本工作以四川盆地某区块须家河组致密砂岩为实验对象，开展不同类型、粒径、比例的支撑剂裂缝导流能力实验，优选出适合致密砂岩的支撑剂组合方案，为致密砂岩压裂设计提供实验依据和技术参考。

1 致密砂岩岩石特征

实验岩板是取自四川盆地某区块须家河组气藏致密砂岩，岩石类型是岩屑石英砂岩和岩屑砂岩，黏土矿物发育，主要有高岭石、绿泥石［图1（a）］。岩石的储集空间主要有原生粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔、晶间孔［图1（b）］。岩心孔隙度为3.59%~8.02%，平均5.78%；气测渗透率为0.017~0.455mD，平均0.171mD，属于中低孔低渗致密砂岩。

图1 岩心照片

为排除岩板对裂缝导流能力影响，测试40/70目陶粒、70/140目石英砂不同粒径组合（1∶1，5∶1，10∶1）以及30/50目陶粒、70/140目石英砂不同粒径组合（1∶1，5∶1，10∶1）在闭合应力为45MPa，铺砂浓度5kg/m2，持荷时间为10h条件下的支撑剂嵌入深度。根据嵌入实验结果，发现平均嵌入深度很小，在0.016~0.036mm，不足以影响裂缝的导流能力。

2 实验设备及准备

2.1 实验仪器

实验使用NF-3型支撑剂裂缝导流能力测试仪，该测试系统可以模拟地层闭合压力120MPa以下、各类支撑剂在气测和液测不同情况下支撑剂的导流能力。设备闭合应力加载速率为1MPa/min，实验温度90℃以下，测量裂缝宽度为（15±0.05）mm，导流能力测试实验周期0~360h。

2.2 实验材料

支撑剂是某厂家覆膜陶粒支撑剂，粒径分别为30/50目，40/70目，以及四川盆地某区块压裂常用70/140目石英砂支撑剂，石英砂和陶粒强度分别是35MPa、69MPa。实验岩板是取自四川盆地某区块须家河组致密砂岩全直径天然岩心。

3 实验原理及方案

3.1 实验原理

实验仪器工作原理遵循达西定律：

式中，Ko为支撑剂裂缝渗透率，μm2；Qo为裂缝内流量，cm3/s；μ为实验气体黏度，mPa·s；L为测试段长度，cm；W为填充层宽度，cm；Wf为填充层厚度，cm；p1为进口压力，kPa；p2为出口压力，kPa。

3.2 实验方案

测试石英砂和陶粒不同粒径组合在不同闭合压力 条 件 下（4.1MPa、11MPA、17.9MPa、24.8MPa、31.7MPa、38.6MPa、45.5MPa逐级升高加载），铺砂浓度5kg/m2下岩板短期导流能力，实验温度为常温，实验测试介质为氮气。

3.3 实验步骤

①准备好胶圈和岩板；②清理导流室，更换导流室内侧的滤网，安装滤网使之与内表面到一个平面；③将胶圈套于上下活塞，胶圈可以涂抹凡士林，下活塞垂直压入导流室；④放入下岩板，加入已称量好的支撑剂，刮平；⑤用胶带将上岩板水平放入导流室；⑥将上活塞垂直压入导流室；⑦将组装好的导流室放入液压机承压平台并连接相应管线。

4 实验结果及分析

4.1 石英砂和陶粒支撑剂单一粒径导流能力测试 实验

将70/140目石英砂、40/70目陶粒和30/50目陶粒分别单独进行一组支撑裂缝导流能力实验，闭合应力按4.1MPa、11MPA、17.9MPa、24.8MPa、31.7MPa、38.6MPa、45.5MPa逐级升高。从图2分析得出：随着闭合压力的增加，导流能力下降；30/50目陶粒的钢板导流能力最好，其次是40/70目陶粒，70/140目石英砂钢板导流能力最差，只有3.6D·cm；70/140目石英砂和40/70目陶粒的导流能力下降幅度不大，闭合压力大于20MPa后，导流能力基本不变。

图2 石英砂和陶粒支撑剂单一粒径导流能力-闭合应力曲线

4.2 70/140目石英砂与40/70目陶粒不同比例组合导流能力测试实验

采用70/140目石英砂与40/70目陶粒按1∶1，1∶5，1∶10的比例混合分别完成3组压裂支撑剂导流能力测试（图3）。在闭合压力作用下，支撑剂会受到挤压和发生一定程度的破碎，挤压变形以及破碎后的碎屑充填空隙，使得空隙减小，导致其流动能力变差，导流能力下降。三组实验的导流能力都随闭合压力的增加而下降。在闭合压力是45.5MPa的条件下，70/140目石英砂与40/70目陶粒比例1∶1的导流能力最小，最高的是70/140目石英砂与40/70目陶粒比例1∶10的导流能力，表明随着40/70目陶粒的增加，导流能力上升。

图3 不同比例组合导流能力-闭合应力曲线

4.3 70/140目石英砂与30/50目陶粒不同比例组合导流能力测试实验

采用70/140目石英砂与30/50目陶粒按1∶1，1∶5，1∶10的比例混合分别完成3组压裂支撑剂导流能力测试（图4），从图4可以发现，导流能力随闭合压力的增加而下降，在闭合压力是45.5MPa的条件下，70/140目石英砂与30/50目陶粒比例1∶1的导流能力也是最小，逐步稳定在115.6D·cm，比例1∶5和1∶10基本相同均在131D·cm。还可以发现比例为1∶1的组合在各个闭合压力下都小于1∶5和1∶10的导流能力，而1∶5和1∶10的导流能力在闭合压力大于25MPa之后，两种比例的导流能力基本一致，表明导流能力不会随30/50目陶粒数量的增加而增加。

图4 不同比例组合导流能力-闭合应力曲线

对比图2和图3可以看出，当组合比例相同，石英砂粒径不变，陶粒粒径大的要比粒径小的导流能力好，可能原因是陶粒粒径大，堆积形成的孔隙越大，虽然石英砂会充填空隙，导致空隙减小，导流能力下降，但30/50目陶粒堆积的空隙要比40/70目陶粒堆积的空隙大，则在石英砂充填后，保留下的空隙要比40/70目的多，所以相同比例下，陶粒粒径大的导流能力好。

4.4 70/140目石英砂、40/70目陶粒、30/50目陶粒不同比例组合导流能力测试实验

将70/140目石英砂、40/70目陶粒和30/50目陶粒按1∶2∶2和1∶2∶7的比例采用混合砂方式进行实验。从图5可以看出，随着闭合压力的增加，导流能力下降，比例1∶2∶2和1∶2∶7的导流能力下降幅度不大；混合粒径铺砂的导流能力要比从左往右和从下往上铺砂的导流能力要小，可能的原因是混合铺砂方式中，粒径小的石英砂充填了陶粒之间的空隙，导致空隙减小，导流能力下降，其次比例1∶2∶2的导流能力要比1∶2∶7的导流能力差，可能原因是30/50目陶粒数量增加，则空隙增多，导致导流能力增加；在45.5MPa的闭合压力下，70/140目石英砂、40/70目陶粒、30/50目陶粒比例为1∶2∶2的导流能力在38·4D·cm，比例为1∶2∶7的导流能力在 49.9D·cm。

图5 三种不同比例组合导流能力-闭合应力曲线

5 结论

1）不同类型和粒径的支撑剂会对导流能力产生影响。陶粒的抗压强度高于石英砂，所以陶粒的导流能力比石英砂好；陶粒的目数越大，导流能力越强。在45MPa的闭合应力下，30/50目陶粒的导流能力是40/70目的2倍。

2）当石英砂和陶粒粒径相同，比例不同时，在相同闭合应力条件下，随着陶粒数量的增加，导流能力上升；当组合比例相同，石英砂粒径不变，陶粒粒径大的比粒径小的导流能力好，可能原因是陶粒粒径越大，堆积形成的孔隙越大，石英砂充填后剩余孔隙体积越大，导流能力就越好。

3）三种不同粒径的石英砂和陶粒组合的导流能力要比两种组合的导流能力差一些，可能是三种粒径组合堆积形成的孔隙体积要比两种不同粒径组合堆积形成的孔隙体积小，所以导流能力差些。但是三种不同粒径的石英砂和陶粒组合的导流能力随着闭合应力的增加，导流能力变化幅度越小，趋于稳定，会更适用到实际情况中。