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。     

支撑剂嵌入不同坚固性煤岩导流能力实验研究

煤层气井压裂过程中,支撑剂嵌入会影响支撑裂缝的导流能力,从而严重影响煤层气的开发。为了研究支撑剂嵌入不同坚固性煤岩程度及支撑裂缝导流能力,测定了典型矿区煤岩的坚固性系数,运用LD-1A导流能力测试系统进行了支撑剂嵌入不同煤岩及导流能力模拟实验。实验表明,端氏、龙门塔和寨崖底煤岩的坚固性系数分别为1.4、0.4和0.5,35 MPa时,支撑剂嵌入柳林龙门塔煤岩的深度为0.5 mm,嵌入对导流能力损害率可达40%;不同矿区煤岩的坚固性系数差异很大,坚固性系数越小,支撑剂嵌入煤岩越严重,导流能力损害程度越大。该研究可为现场压裂施工提供依据。     

高速通道压裂支撑裂缝导流能力实验评价

支撑裂缝导流能力是评价压裂施工效果的重要参数,通过室内导流能力实验,研究支撑剂粒径和段塞数、纤维浓度及其加入方式对高速通道压裂支撑裂缝导流能力的影响,并采用正交试验和灰色关联分析法分析各参数对支撑裂缝导流能力的影响程度。结果表明:支撑剂粒径越大,支撑裂缝的导流能力越强;支撑剂段塞数越多,通过增加支撑剂段塞数得到的支撑裂缝导流能力增幅越小;当闭合压力小于41 MPa时,支撑剂段塞数越多,支撑裂缝导流能力随着闭合压力的增大降幅越大;支撑裂缝导流能力随纤维浓度的增加而降低,以纤维包裹支撑剂这种纤维加入方式对支撑裂缝导流能力的影响最大;各参数对支撑裂缝导流能力影响程度由大到小依次为闭合压力、支撑剂段塞数、纤维浓度、纤维加入方式、支撑剂粒径。     

基于水电相似原理的缝网导流能力计算模型

缝网导流能力是评价压裂施工效果的重要参数之一,建立缝网导流能力数值模型可以对导流能力进行快速有效的评价,并指导压裂施工参数优化设计。为此,基于Carman-Kozeny公式,建立了单一裂缝导流能力数值模型,考虑支撑剂嵌入、破碎和变形等因素对模型进行修正;根据水电相似原理,借助串并联电路的求解思路,建立缝网导流能力数值模型;在验证模型精度达到工程应用要求后,分析了闭合压力、铺砂质量浓度、支撑剂粒径、支撑剂密度和次生裂缝数量等因素对缝网导流能力的影响。研究结果表明:缝网导流能力数值模型的计算结果与试验结果很接近,均方根误差小于14%;缝网导流能力随闭合压力增加快速下降,随铺砂质量浓度增加明显升高;支撑剂粒度和支撑剂密度对缝网导流能力的影响较弱;缝网导流能力随次生裂缝数量增加而增加,且次生裂缝距井筒越近,增幅越大。建议对非常规储层进行压裂施工时,选择强度高、中等粒径的轻质支撑剂,并尽可能提高缝内铺砂质量浓度和近井筒区域次生裂缝数量。     

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。     

支撑剂嵌入及对裂缝导流能力损害的实验

对于岩石较软的地层，在压裂过程中的支撑剂嵌入会降低压裂充填后的裂缝宽度，同时嵌入区地层碎屑也会损害支撑剂充填层的导流能力，因而有必要对支撑剂的嵌入进行研究，并为压裂施工中的支撑剂优选提供依据。为此，运用API标准导流室和基于API标准导流室自行研制的测试仪器，对地层岩心的支撑剂嵌入情况进行了实验研究，并在支撑剂嵌入的基础上，考虑了地层碎屑对裂缝导流能力损害的影响。在国内首次对支撑剂嵌入后的岩心进行了微观分析，更加直观地反映了嵌入程度和嵌入状态。实验考察了不同铺砂浓度、不同压力下对不同岩心的支撑剂嵌入情况。实验表明：由于支撑剂的嵌入，会使支撑裂缝宽度有较大程度的减小；铺砂浓度越低，地层岩石越软，嵌入越严重。还模拟了支撑剂嵌入后不同碎屑浓度对同一种岩心的导流能力伤害程度，并发现在嵌入后的碎屑达到一定浓度后会直接堵塞孔道。     

压实与嵌入作用下压裂裂缝导流能力模型建立与影响因素分析

为了研究支撑剂压实与嵌入双重作用下压裂裂缝导流能力的变化规律,基于孔隙压缩性理论与固体接触理论,建立了考虑压实与嵌入双重作用的压裂裂缝导流能力模型,利用建立的模型对前人的压裂裂缝导流能力实验数据进行了拟合,并对模型参数分布规律及其影响因素进行了讨论分析。研究发现,该模型可以较好地描述压实与嵌入双重作用下压裂裂缝导流能力的变化规律;支撑剂充填层初始孔隙体积压缩系数体现了支撑剂充填层孔隙的压缩性,其值越大,压裂裂缝导流能力变化越大;支撑剂充填层初始孔隙体积压缩系数变化率的绝对值越大,压缩系数变化越大。研究认为,压实与嵌入双重作用下压裂裂缝导流能力模型可以预测压裂裂缝导流能力及其变化规律。      

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。     

考虑支撑剂及其嵌入程度对支撑裂缝导流能力影响的数值模拟

目前支撑剂粒径、铺置浓度、嵌入程度对裂缝导流能力的影响主要为实验研究,缺乏相应的理论计算模型研究,而理论计算模型会促使压裂方案设计更加合理、可靠,增加施工的成功率,达到预期的改造效果。为此,根据Carman Kozeny公式,建立了一种考虑支撑剂在岩石表面嵌入的支撑裂缝导流能力数值计算模型,利用实验数据对理论模型进行拟合校正,并通过校正后的理论模型计算了20～40目、30～50目和40～70目支撑剂在不同铺置层数、不同嵌入程度条件下的裂缝导流能力,分析了铺置层数、嵌入程度对导流能力的影响。结果表明：支撑剂粒径越大、铺置层数越多,裂缝导流能力越大;在单层铺置情况下,嵌入程度对导流能力的影响较大,嵌入程度从0增加到33%,导流能力降低85%。所建立的模型为致密油、页岩气等不同类型储层的粒径优选、砂比优化提供了参考和依据,也为后续考虑支撑剂嵌入的相关软件研究提供了理论模型。     

复杂条件下支撑剂导流能力的实验研究与分析

地层裂缝所处的各种复杂条件对水力压裂施工有重大的影响,利用导流能力测试仪器,测试分析了支撑剂嵌入、压裂液残渣、压裂液破胶效果、地层微粒侵入、闭合时间、酸碱性等复杂条件对支撑裂缝导流能力的影响。实验结果对正确评价支撑剂性能以及合理选择支撑剂具有一定的参考价值。基于实验测试的导流能力数据,应用统计分析原理,回归出导流能力随压力变化的函数关系式,对分析支撑剂导流能力和压裂施工设计具有一定的指导意义。