页岩储层人工裂缝岩样制备方法及应力敏感性

应力敏感性是页岩储层的一个重要特性。由于大量天然裂缝和人工裂缝的存在,其渗透率应力敏感性与铺砂浓度密切相关,准确评价页岩人工裂缝的应力敏感性是一个难题。传统应力敏感性的研究多集中在测试和比较基质岩心、天然裂缝岩心及人工裂缝岩心等方面,对于不同铺砂浓度下人工裂缝的应力敏感性研究较少。因此,提出了一种模拟不同铺砂浓度的页岩岩样制备方法,并以四川盆地龙马溪组典型页岩为例,分别进行了变围压和变流压条件下页岩人工裂缝应力敏感性测试。研究结果表明,支撑剂的加入在大幅度提高裂缝导流能力的同时,有效降低了页岩人工裂缝的应力敏感性。且随着铺砂浓度增加,敏感性逐渐减弱,最终趋于不变;低铺砂浓度下（≤1 kg/m²）,两种测试方法所得结果基本一致;但高铺砂浓度下（>1 kg/m²）,由于存在明显的支撑剂运移现象,变流压测试结果明显高于变围压测试,且随铺砂浓度增加,差异逐渐加大至20%以上。因此,对于高铺砂浓度（>1 kg/m²）页岩人工裂缝应力敏感性的室内评价,为更好地模拟现场实际,应该采用变流压测试方法。     

页岩人工裂缝应力敏感评价方法

页岩储层具有低渗致密、无压裂不产气的特点,需要大型压裂改造产生易于气体流动的人工裂缝。为了定量化研究页岩人工裂缝应力敏感性,通过室内相似物理模拟实验,分析了人工裂缝宽度、渗透率、孔隙度随有效应力的变化规律。研究表明:无支撑人工裂缝初始渗透率相差不大,应力敏感变化规律一致,岩心渗透率提高幅度随应力的增加迅速下降,页岩造缝岩心应力敏感性极强;裂缝加入支撑剂后,初始渗透率相差较大,应力敏感性变弱,裂缝导流能力增加巨大;支撑剂破碎后有部分发生了弹性变形,对裂缝表面起到了较好的支撑作用。     

压裂液浸润对页岩储层应力敏感性的影响

页岩储层微裂缝发育,粘土矿物丰富,潜在较强应力敏感性。页岩储层压裂液返排率低,滞留在储层中的压裂液的浸润作用可能使页岩储层应力敏感行为复杂化,从而影响增产改造效果。选取四川盆地南部志留系龙马溪组出露的富有机质页岩,开展支撑与无支撑裂缝的干岩样、压裂液滤液浸润岩样的渗透率随有效应力变化实验。实验结果表明,页岩应力敏感性由强到弱依次为压裂液浸润无支撑裂缝岩样、无支撑裂缝干岩样、支撑裂缝干岩样、压裂液滤液浸润的支撑裂缝岩样。分析认为,压裂液与页岩的物理化学作用会降低页岩裂缝表面强度,使页岩微裂缝更易压缩闭合,强化了页岩的应力敏感性;支撑剂的有效支撑能够减弱页岩的应力敏感性。通过控制压裂液滤失、促进滤液返排、优化支撑剂铺置方式以及确定合理生产压差可有效保护页岩储层。     

页岩储层水力压裂支撑剂嵌入影响因素研究

页岩储层水力压裂过程中,支撑剂嵌入会对裂缝的导流能力产生一定的影响,从而影响页岩储层压裂施工的效果。为了研究支撑剂嵌入对页岩储层裂缝导流能力的影响,采用改进型的裂缝导流能力测试仪评价了不同因素对支撑剂嵌入深度和裂缝导流能力的影响。结果表明,随着闭合压力的增大,支撑剂嵌入深度和导流能力下降幅度逐渐增大,当闭合压力为70 MPa时,支撑剂的嵌入深度为0.94 mm,页岩板导流能力降低率达到了53.5%;支撑剂粒径越小、铺砂浓度越大、页岩杨氏模量越大,支撑剂嵌入深度和导流能力降低率就越小;另外,页岩板使用清水浸泡24 h后,支撑剂的嵌入深度明显增大,导流能力降低幅度明显增大,而使用3%KCl和压裂返排液浸泡后,支撑剂的嵌入深度和导流能力降低率均变化不大。该研究结果可以为页岩储层现场压裂施工设计提供参考。     

川南深层页岩压裂裂缝导流能力测试技术

随着埋深增加,深层页岩压裂后,裂缝导流能力能否有效保持是个关键问题。以川南龙马溪组深层页岩为例,对比测试了支撑裂缝及自支撑裂缝的导流能力,开展了主控因素影响规律分析及适应性评价。结果表明,应力增加,支撑裂缝及自支撑裂缝导流能力均呈指数式下降;支撑裂缝受粗糙度、铺砂浓度、支撑剂类型、粒径等影响,在低铺砂浓度下受裂缝面粗糙度主控,在高铺砂浓度下受支撑剂铺置主控;自支撑裂缝受裂缝产状、粗糙度、滑移量、力学性质等影响;对深层页岩而言,垂直自支撑裂缝、石英砂及覆膜砂铺置的支撑裂缝满足生产初期需求,陶粒铺置的支撑裂缝更有利于生产后期的导流能力保持。形成的压裂缝导流能力测试方法可为深层页岩的压裂优化设计提供借鉴。     

四川盆地志留系龙马溪组页岩裂缝应力敏感实验

裂缝网络是页岩气有效开发的基础,为研究页岩裂缝渗透率在有效应力作用下的变化规律,选取具有代表性的四川盆地龙马溪组页岩样品,通过实验考察了基质、微裂缝和人工裂缝渗透率对应力的敏感程度,总结了孔渗幂指数模型、Gangi模型和Walsh模型对裂缝渗透率的拟合和修正结果,并探讨了支撑裂缝和裂缝滑移降低应力敏感性的作用机理。研究结果表明,微裂缝和人工无填充裂缝的渗透率的应力敏感最强,随着有效应力的增加呈指数式递减,Gangi模型和Walsh模型的拟合精度都在97%以上,参数分析结果表明可通过增加裂缝面的粗糙度和向裂缝加入支撑剂来降低其应力敏感系数。有支撑和滑移裂缝的应力敏感性最低,仅仅在一定应力范围内满足Walsh模型。高应力状态下,优选强度较高、耐压性好的陶粒支撑剂有利于提高裂缝的导流能力,而裂缝滑移在一定程度上比裂缝支撑剂更能增加裂缝渗透率,因此在水力压裂模型中应该考虑设计裂缝滑移来降低裂缝的应力敏感性。     

组合粒径+滑溜水携砂铺置规律及导流能力——以吉木萨尔页岩油储层为例

为了解决页岩油组合粒径+滑溜水的支撑剂加砂工艺中裂缝有效支撑差、导流能力弱的问题，建立支撑剂粒径分布的稠密离散相模型(DDPM)，研究压裂主缝中组合粒径支撑剂加砂运移及铺置规律，并基于运移规律模拟结果，开展劈裂页岩岩板组合粒径不同铺置模式下的室内导流能力评价。结果表明：滑溜水携砂液体系下，裂缝内支撑剂叠置铺置时，后注入的支撑剂叠置于先注入支撑剂的顶端，且先注入的支撑剂会被后续注入的支撑剂向远端推移一定距离；组合粒径中粒径配比差异对于支撑剂运移形成的砂堤形态影响较小；大粒径组合逐级注入的方式更利于支撑剂在近缝口和裂缝内垂向铺置；在低闭合压力(p≤40 MPa)、铺砂浓度5 kg/m²条件下，沉降铺置方式最利于提高裂缝导流能力，其次为混合铺置，分段铺置方式最差；高闭合压力下(p>40 MPa)，铺置方式对裂缝导流能力影响较弱。综合支撑剂运移模拟和导流能力评价结果，建议吉木萨尔页岩油组合粒径加砂工艺采用逐级注入的方式，并保证组合粒径中大粒径拥有较大配比。     

页岩储层水力压裂支撑裂缝导流能力影响因素

支撑裂缝的导流能力是评价页岩储层水力压裂施工效果的一项重要参数,其大小受到多种因素影响。文中开展了支撑剂类型、颗粒大小、铺砂浓度等对支撑裂缝导流能力影响的室内实验研究。结果表明:陶粒的导流能力明显高于石英砂和覆膜砂,在低闭合压力条件下,20~40目陶粒的导流能力最大,在高闭合压力条件下,组合支撑剂的导流能力明显高于单一支撑剂;铺砂浓度越大,裂缝导流能力越大;循环应力加载模式下,裂缝导流能力比稳载时下降了31.7%,经过滑溜水和胍胶压裂返排液污染后,裂缝导流能力分别下降了33.9%和76.5%。研究成果指导了X-4井的现场压裂施工,该井措施后产气量较高且稳定生产,压裂增产效果较好。     

页岩储层支撑裂缝导流能力实验研究

为深入了解页岩储层支撑裂缝导流能力的大小及裂缝有效性,开展了支撑剂粒径、类型、铺置方式对导流能力影响的实验研究,并进行了循环应力加载模拟开、关井过程引起的地层应力波动对页岩储层导流能力影响的实验研究。结果表明:低闭合压力下,粒径越大,导流能力越高,随着闭合压力的增大,大粒径支撑剂导流能力下降迅速;支撑剂均匀铺置与完全混合铺置相比,前者导流能力较好;开、关井过程引起的地层应力波动对页岩导流能力的影响较大。以上因素的研究对压裂方案设计优化和现场施工具有一定的理论指导意义。     

通道压裂支撑裂缝影响因素分析

为了检测通道压裂所能提供导流能力大小及裂缝的有效性,利用某地层构造的砂岩、页岩进行室内导流能力测试。实验结果表明:通道压裂纤维用量为0.6%比较合适;支撑剂粒径对裂缝的导流能力影响较弱,在相同铺砂浓度下,不同粒径间支撑剂的导流能力差别很小;铺砂浓度对通道压裂导流能力影响较大,大量的支撑剂嵌入对低铺砂浓度导流能力伤害较为明显,高闭合压力下易造成明显的导流能力损失;陶粒、石英砂、覆膜砂3种支撑剂,在相同铺砂浓度下,随着闭合压力的增加,导流能力逐渐下降,覆膜砂的导流能力优于陶粒、石英砂;在相同铺砂条件下,支撑剂在砂岩中的嵌入程度高于页岩,导致其导流能力低于页岩中的导流能力。同时全面分析总结了在通道压裂中,影响支撑剂嵌入的各种因素,从而对优化通道压裂具有一定指导意义。     

多重伤害机制下的疏松砂岩裂缝导流能力变化规律

为了明确支撑剂嵌入和微粒运移两种伤害机制对疏松砂岩裂缝导流能力的影响,以人工研制疏松砂岩岩样为研究对象,使用不同粒径的陶粒作为支撑剂,开展了悬浮液注入条件下的疏松砂岩导流能力试验,评价了工程和地质因素对支撑剂嵌入深度和裂缝导流能力的影响。结果表明,铺砂浓度增大能增强导流能力,悬浮液浓度、支撑剂目数和流量的增大会导致导流能力减弱。岩石胶结强度增大、闭合压力降低、支撑剂目数和铺砂浓度增加会使嵌入深度减小,有效缓解嵌入导致的裂缝剥蚀。其中,支撑剂目数增加会使得导流能力减小。相同条件下,流速越大导致导流能力减小,同时也会影响后续的裂缝导流能力。该研究对于后期的油井防砂工作具有重要意义。     

致密油储层支撑裂缝导流能力预测模型

压裂改造是提高致密油储层初始产量和最终采收率的有效手段,其中裂缝导流能力保持是压裂设计的目标之一。现有支撑裂缝导流能力预测模型由于考虑影响因素不全,理论计算值与实际值存在较大偏差,文章基于Kozeny公式,以弹性力学理论为基础,考虑支撑剂强度、粒径、铺砂浓度、闭合压力、支撑剂嵌入、破碎、支撑剂与裂缝壁面变形综合影响,推导出支撑裂缝导流能力预测数学模型,通过室内实验可以知道,不同类型支撑剂、不同闭合压力下的支撑剂裂缝导流能力相差较大,当闭合压力和铺砂浓度一定时,陶粒和树脂砂的裂缝导流能力远大于石英砂。在铺砂浓度相同条件下,支撑剂的粒径对裂缝导流能力的影响也很大,在闭合压力未达到支撑剂的最大抗压强度时,支撑剂的粒径越大,其裂缝导流能力就越高。利用文章新推出的模型预测实验支撑剂的裂缝导流能力,计算结果表明,预测值与实验值吻合度较高,说明新模型具有良好的实用性。从实验和计算结果可以看出,支撑剂嵌入、破碎、支撑剂与裂缝壁面变形对支撑裂缝导流能力影响较大。仅考虑单一影响并不能完全反映真实情况。文章研究成果为致密油储层在考虑支撑剂嵌入、破碎和变形等情况下的支撑剂强度、粒径、铺砂浓度等优选提供了参考。     

涪陵龙马溪组页岩储层应力敏感实验研究

国内外对高压页岩储层的应力敏感报道较少。针对涪陵龙马溪组高压页岩储层条件,优选降内压的实验方法,开展了天然裂缝、压裂剪切裂缝和铺砂裂缝等3种裂缝岩样的应力敏感实验。研究结果表明:渗透率随有效应力的增加而降低,初期渗透率快速降低,后期渗透率降低幅度逐渐减小;压裂剪切裂缝页岩岩样的应力敏感程度最强,渗透率平均损害率87%;铺砂裂缝页岩岩样的应力敏感程度最弱,渗透率平均损害率47%。页岩储层渗透率与有效应力符合指数函数关系;涪陵龙马溪组页岩储层的强应力敏感性可较大幅度影响气井的稳产期和累产气量(累产气减少17%)。上述研究成果为涪陵龙马溪组页岩气井合理工作制度和开发技术政策的优化提供了理论指导。     

页岩气藏压裂支撑裂缝的有效性评价

为了了解、掌握页岩气藏清水压裂缝网能够提供的导流能力大小及裂缝的有效性,利用四川盆地某构造的页岩进行了室内裂缝导流能力测试。实验结果表明：支撑剂浓度不足单层的情况时,闭合压力低于30 MPa,导流能力可与一定量的高浓度（多层）情况相当,但支撑剂嵌入和破碎显著增加,其导流能力不稳定,随时间增加可持续降低,闭合压力40 MPa时,20/40目陶粒嵌入程度可达71.8%,闭合压力进一步增大,裂缝将闭合失效;较低硬度的页岩支撑剂嵌入严重,导致低支撑剂浓度裂缝残余支撑缝宽不足,仅增加支撑剂粒径不足以克服嵌入影响,裂缝内需要有足够的支撑剂浓度,形成的缝网不能过于复杂;页岩黏土含量高,支撑剂充填层泥化严重,对支撑裂缝有效性的伤害不容忽视,可变形的树脂覆膜砂在一定程度上解决了支撑剂嵌入和充填层泥化问题。     

页岩气网络压裂支撑剂导流特性评价

页岩气水平井长缝网络压裂支撑剂铺置浓度低,嵌入伤害大,导流特性与常规油气藏不同,与北美页岩气水平井中短缝压裂也有明显差异。为评价不同类型支撑剂在低铺砂浓度下的导流特性,采集龙马溪组地层页岩露头制作试验岩样,使用 FCES-100 裂缝导流仪对陶粒、石英砂、覆膜砂3种类型支撑剂在不同粒径、不同铺砂浓度和不同闭合压力条件下的导流特性进行了评价。结果表明:支撑剂类型、闭合压力和铺砂浓度对页岩支撑裂缝的导流能力影响较大;中高闭合压力和低铺砂浓度条件下,覆膜砂的导流能力最大,陶粒次之,石英砂最小。评价结果可为页岩气ESRV（effective stimulation reservoir volume）网络压裂裂缝导流能力的优化、支撑剂的优选和压裂设计提供依据。      

页岩体积压裂支撑剂铺置运移模拟及其应用

支撑剂在裂缝中的运移是页岩体积压裂中的难点及研究热点,目前一般将裂缝考虑为矩形平板状,但据现场实际、室内实验、微地震监测、理论分析,体积压裂裂缝一般具有不规则齿状特征,裂缝初始延伸方向很有可能与最终延伸方向存在一定夹角,并极有可能形成裂缝网络.针对页岩体积压裂中支撑剂在粗糙、迂曲的复杂裂缝中运移的问题,通过自底向顶的方式建立了三维粗糙迂曲裂缝模型,模拟了不同粗糙程度和迂曲程度中的固液两相流,研究了压裂液和支撑剂性能对铺砂的影响.结果表明:裂缝粗糙程度越大,裂缝迂曲、扭转程度越大,裂缝内平均砂浓度越高,铺砂越均匀;压裂液流速、黏度越大,支撑剂粒径、密度越小,平均砂浓度越高,铺砂越均匀.基于此结论对某井进行了支撑剂优选和组合,压裂施工过程顺利,压后效果较好.     

考虑支撑剂裂缝导流能力计算及缝内支撑剂运移模拟

裂缝导流能力是影响油气田产能的重要因素。根据支撑剂的最密排列以及Carman-Kozeny公式,结合弹性力学的相关知识,建立了考虑铺砂浓度、闭合压力、支撑剂粒径、支撑剂材料以及支撑剂嵌入的裂缝导流能力计算模型。结果表明:随着铺砂浓度的增加、支撑剂粒径的变大,裂缝的导流能力增大;低闭合压力的情况下支撑剂嵌入壁面对导流能力影响非常小,而在高压下支撑剂嵌入对导流能力影响稍大。该计算模型很好地结合了上述导流能力的影响因素,为油气田压裂生产提供了理论依据。     

页岩储层体积压裂复杂裂缝支撑剂的运移与展布规律

为了研究页岩储层体积压裂复杂裂缝支撑剂的运移与展布规律,构建了大尺度复杂裂缝支撑剂运移与展布评价实验系统,测试了次裂缝角度、注入排量、加砂浓度、支撑剂粒径、压裂液黏度等对支撑剂运移与展布的影响,研究了主/次裂缝中支撑剂的运移与展布规律。结果表明:(1)裂缝中流体流态随裂缝支撑高度增加逐步由层流向紊流转变;(2)支撑剂在裂缝中的运移方式主要包括悬浮运移和滑移运动;(3)分支前主裂缝的支撑剂展布形态与次裂缝角度、注入排量、加砂浓度和支撑剂粒径等参数相关,其中注入排量为最主要的影响因素;(4)分支后主裂缝的支撑剂质量比与次裂缝角度、注入排量、液体黏度、加砂浓度和支撑剂粒径呈正比,同次裂缝与主裂缝的流量比呈反比;(5)分支后次裂缝的支撑剂质量比与注入排量、次裂缝与主裂缝的流量比、压裂液黏度呈正比,与次裂缝角度、加砂浓度和支撑剂粒径呈反比;(6)分支后主裂缝的砂堤前缘角度同加砂浓度、支撑剂粒径、次裂缝与主裂缝的流量比呈正比,与次裂缝角度、注入排量和压裂液黏度呈反比;(7)次裂缝的砂堤前缘角度同次裂缝角度、加砂浓度与支撑剂粒径呈正比,和注入排量、压裂液黏度、次裂缝与主裂缝的流量比呈反比。结论认为,该研究成果可以为页岩储层体积压裂支撑剂的优选和压裂方案设计提供理论支撑。     

支撑裂缝导流能力的数值模拟

裂缝导流能力一般是利用室内实验进行评价,周期长、成本高且仅能测试较短时间的裂缝导流能力。笔者通过离散元颗粒流程序生成了真实尺寸的支撑剂颗粒,再现了微小支撑剂颗粒之间、支撑剂与裂缝面之间的高度非线性接触的物理本质。通过CFD,计算了支撑剂簇空隙流体与支撑剂的流固耦合作用,建立了支撑裂缝的裂缝导流能力的数值模拟模型,开展裂缝闭合应力、储层弹性模量、铺砂浓度和支撑剂组合形式等对裂缝导流能力的影响规律研究,揭示了支撑裂缝导流能力的变化机理。数值模拟结果显示,裂缝导流能力与铺砂浓度和支撑剂颗粒成正比,与闭合应力以及支撑剂嵌入深度成反比。     

石英砂用于页岩气储层压裂的经济适应性

四川盆地长宁—威远地区页岩气储层最小主应力介于44~68 MPa,一直使用可在高闭合压力下保持高导流能力的40~70目陶粒作为主要的支撑剂,但用量大、成本高。为了进一步降低支撑剂的成本,在采用气藏数值模拟方法论证储层所需的支撑裂缝导流能力的基础上,利用页岩气井生产分析结果和人工裂缝模拟结果研究储层作用在支撑剂上的有效应力、有效应力的加载速度和支撑剂的铺置浓度,提出了适合该区页岩气井压裂支撑剂导流的实验方法,评价了石英砂的导流能力及其对页岩气产能的影响,并利用该方法进行了支撑剂的筛选和现场试验。结果表明:(1)页岩基质渗透率小于6.0×10-4 m D时,主裂缝导流能力介于0.8~1.0 D·cm、分支裂缝导流能力介于0.05~0.10 D·cm即可满足生产需求;(2)当主裂缝垂直于最小主应力方向、分支裂缝垂直于主裂缝时,该地区页岩储层作用在主裂缝内支撑剂上的有效应力最大值为54 MPa,作用在分支裂缝内支撑剂上的最大有效应力约为69 MPa;(3)对标准支撑剂导流能力评价实验方法进行了修改——应力加载速度为1.0 MPa/min,支撑剂铺置浓度为2.5 kg/m2,最高加载压力设定为70MPa;(4)优选70/140目石英砂能够满足该区页岩气井压裂需求。在该区2个平台4口井的应用效果表明,将石英砂比例从30%提高到70%~80%,单段产气量无明显变化,单井可以节约支撑剂成本60万元~100万元,如果石英砂本地化,则成本可进一步降低。结论认为,该项成果为在基质渗透率极低的致密油气储层中采用石英砂替代陶粒以降低成本提供了技术支撑。