致密气是非常规天然气勘探和生产的关键领域之一，致密砂岩储层具有孔渗低、天然裂缝不发育和自然产能低等特点，有效的储层改造是获得良好增产稳产效果的前提。国内外对于致密油气储层的开发，常采用水力加砂压裂技术形成复杂裂缝网络，并采用支撑剂来支撑人工裂缝，实现储层增产改造[1-3]。水力压裂后储层形成的有效裂缝的导流能力是达到增产稳产效果的关键，而裂缝导流能力受到储层岩石物性、支撑剂类型及粒径大小、支撑剂铺砂浓度、闭合压力及闭合时间、压裂液残渣含量等多种因素的影响[4-6]。这些因素引起的裂缝导流能力的破坏机制包括支撑剂的破碎、嵌入和颗粒迁移等[7]。低黏度的滑溜水压裂液在致密砂岩储层的开发中发挥着重要作用。与交联流体不同，低黏度滑溜水的携砂能力更差，导致支撑剂填充的裂缝宽度有限[8]。目前，川渝地区致密气藏主体采用变黏滑溜水进行加砂体积压裂，力争在造长缝和复杂分支缝的同时进行快速破胶，以减少流体滞留造成的储层伤害[9-10]。在压裂作业完成后，支撑剂在地层压力的作用下，不同程度地嵌入到储层改造裂缝中，使有效缝宽降低，从而使裂缝导流能力下降。
近年来，国内外学者针对页岩储层和致密砂岩储层水力压裂支撑裂缝的导流能力影响因素进行深入探究，为支撑剂和现场压裂施工工艺参数的选择提供依据[11-14]。目前，大多采用裂缝导流能力测试仪评价闭合压力、支撑剂类型、支撑剂粒径、铺砂浓度及方式和不同工作液等因素对支撑剂嵌入程度的变化以及引起的裂缝导流能力变化，在此基础上对现场施工增产效果进行预测[15-17]。此外，黏土矿物含量会对裂缝导流能力造成影响，随着黏土矿物含量的提高，支撑裂缝表面硬度软化，导流能力迅速下降[18]。
川中秋林区块沙溪庙组致密砂岩气藏天然裂缝欠发育，储层水敏性中等偏强[19-20]。目前，采用控液提砂模式进行体积压裂，优选粒径为0.106~0.212 mm与0.212~0.425 mm的石英砂作为组合支撑剂，减少加液量以降低入井流体造成的储层伤害[21]。在水力压裂施工过程中，需要探索压裂施工方案在该区块储层改造中的适应性，以提高水力压裂支撑裂缝的导流能力。本研究以该区块致密砂岩储层为研究对象，使用支撑剂及酸蚀裂缝导流能力评价装置，开展不同支撑剂类型、粒径、铺砂浓度和压裂液类型对支撑裂缝液测导流能力影响的室内评价实验，明确适合该区块储层的现场使用的支撑剂，为致密砂岩压裂工艺参数设计及产能预测提供理论指导。
实验岩心取自四川盆地川中沙溪庙组致密气储层，岩石类型为细粒和中细粒岩屑长石砂岩，黏土矿物较发育且储层具有中等偏强水敏性，岩心扫描电镜图见图 1。由图 1(a)可知，颗粒间孔隙主要为片状的伊利石和伊蒙混层填充，观测到蜂窝状、半蜂窝状等典型伊蒙混层形貌特征，发育孔洞。由图 1(b)观测到石英、长石等颗粒保持较好，层理分明，可见小孔缝隙。岩石储集空间主要以粒间残余孔存在，胶结物类型主要为石英胶结。
实验材料：粒径为0.212~0.425 mm的覆膜石英砂、粒径为0.212~0.425 mm的石英砂、粒径为0.106~0.212 mm的石英砂，目标区块露头砂岩样品。具体参数见表 1所列。
实验仪器：实验使用成都岩心科技有限公司生产的支撑剂及酸蚀裂缝导流能力评价装置，该测试仪可模拟最高储层闭合压力达到120 MPa，实现支撑剂在模拟实验温度下的气测和液测导流能力评价。
1) 测试改造液体对岩板液测导流能力，其原理用达西定律解释，支撑剂的液测渗透率按式(1)计算，导流能力按式(2)计算。
式中：K为支撑裂缝的液测渗透率，μm2；μ为流体黏度，mPa·s；q为液体流量，cm3/min；L为测压孔间的长度，cm；A为导流室面积，cm2；Δp为导流室进出口压力差，kPa；Wf为支撑剂充填层厚度，cm；H为岩板宽度，cm。
2) 实验步骤。将岩板加工为长178 mm、宽38 mm和厚25 mm的矩形岩板。将两块岩板上下安装在导流室，并在岩板中间按照不同铺砂浓度铺置支撑剂，按照模拟裂缝宽度设置初始裂缝宽度。对组装好的导流室加载围压，保持围压大于进口压力(2 MPa)。在设定的实验闭合压力和温度条件下以恒定流量进行流体驱替，压差达到稳定后，记录进出口压力、流量等数据。
3) 测试条件。实验温度为70 ℃，流量设置为2 mL/min，采用逐级升高加载达到闭合压力条件6.9 MPa、13.8 MPa、27.6 MPa、41.4 MPa和55.2 MPa；实验流体采用现场压裂液原料及配方配制的低黏滑溜水。
选取粒径同为0.212~0.425 mm的3种支撑剂，包括陶粒、覆膜石英砂和石英砂，在铺砂浓度为5 kg/m2下评价支撑剂类型对致密砂岩储层缝宽和支撑裂缝导流能力的影响，实验结果如图 2和图 3所示。
由图 2可知，在相同的铺砂浓度下，随着闭合压力的增大，相同粒径的3种支撑剂在致密砂岩岩板上的嵌入程度均不断增大，即缝宽不断减小。减小程度因支撑剂的圆球度和硬度等性能参数不同而不同，石英砂作为支撑剂时缝宽减小最明显，在55.2 MPa下降低24.58%，这是由于其圆球度和硬度均最小，且在高闭合压力条件下破碎率较高。
由图 3可知，3种不同的支撑剂嵌入致密砂岩岩板后对其裂缝导流能力的影响差别较大，当闭合压力为55.2 MPa时，粒径均为0.212~0.425 mm的陶粒、覆膜石英砂和石英砂嵌入致密砂岩岩板引起的导流能力分别降低51.79%、49.43%和75.39%。石英砂作为支撑剂时破碎率较高，且强度和硬度较低，随着闭合压力的增大，其裂缝导流能力降低最严重。而覆膜石英砂破碎率低且强度高，其导流能力随闭合压力的增加下降最小。
选取铺砂浓度为5 kg/m2，评价不同粒径的支撑剂对致密砂岩储层支撑裂缝导流能力的影响，包括0.106~0.212 mm石英砂、0.212~0.425 mm石英砂、0.212~0.425 mm覆膜石英砂、0.106~0.212 mm石英砂与0.212~0.425 mm覆膜石英砂的不同组合(质量比分别为1∶4、1∶1和4∶1)，实验结果如图 4所示。由图 4可知，在相同的铺砂浓度和闭合压力条件下，单一粒径石英砂的粒径越大，则其支撑裂缝导流能力越大。在高闭合压力条件下，支撑剂粒径越大，导流能力下降的幅度越大。这是由于大粒径支撑剂的嵌入程度和破碎率更高，造成孔隙填充，渗流通道堵塞。当闭合压力从6.9 MPa升高至55.2 MPa时，0.212~0.425 mm石英砂支撑裂缝导流能力从52.33 μm2·cm下降至12.88 μm2·cm，而0.106~0.212 mm石英砂支撑裂缝导流能力从43.88 μm2·cm下降至11.28 μm2·cm。随着压力的升高，0.106~0.212 mm石英砂与0.212~0.425 mm覆膜石英砂的不同组合粒径(1∶4、1∶1和4∶1)支撑剂导流能力下降幅度相比单一支撑剂更加平缓，这是由于组合粒径支撑剂的粒度分布相对均匀，使其具备更好的承压能力和更低的破碎率。支撑剂组合4∶1的裂缝导流能力高于1∶4和1∶1组合，在高闭合压力条件下接近0.212~0.425 mm覆膜石英砂单一支撑剂的裂缝导流能力。
对0.212~0.425 mm石英砂、0.212~0.425 mm覆膜石英砂和0.106~0.212 mm石英砂在不同铺砂浓度下的裂缝导流能力进行评价，其结果见图 5~图 7。
由图 5~图 7可知，在相同的闭合压力下，增加支撑剂铺砂浓度可促使裂缝导流能力不断增加。在低闭合压力条件下，铺砂浓度的增加使得导流能力明显增大；而在高闭合压力条件下，这种影响程度逐渐减弱。在相同的铺砂浓度下，随着闭合压力的增加，支撑剂裂缝导流能力下降。随着铺砂浓度的增大，支撑剂嵌入引起裂缝导流能力降低的幅度减小，这是由于大的铺砂浓度使得支撑剂铺展层数变多，而嵌入层数占总铺置层的比例减小。在致密砂岩储层水力压裂施工过程中，常选择相对较高的铺砂浓度以获得良好的裂缝导流能力，降低支撑剂嵌入对导流能力的影响。
现场用清水压裂液和返排液压裂液破胶后均含有一定的残渣，由于高价金属离子对聚合物的絮凝沉淀作用，用返排液配制的压裂液残渣含量高于用清水配制的压裂液，且返排液回用时还含有一定量的悬浮物、离子和有机质等微小颗粒。为了探究不同压裂液对液测支撑裂缝导流能力的影响规律，实验流体分别采用质量分数为3% 的KCl、清水压裂破胶液和返排压裂破胶液，其结果如图 8所示。由于现场施工压力在40 MPa左右，故列出了在41.4 MPa下压裂液残渣对导流能力的影响实验结果，见表 2。根据压裂施工现场用支撑剂组合比例，实验支撑剂选择质量比为4∶1的0.106~0.212 mm石英砂和0.212~0.425 mm覆膜石英砂，铺砂浓度为7.0 kg/m2，实验压力分别为6.9 MPa、13.8 MPa、27.6 MPa、41.4 MPa和55.2 MPa。由图 8和表 2可知，当闭合压力为41.4 MPa时，清水压裂破胶液处理后的液测导流能力较质量分数为3% 的KCl降低25.43%，返排压裂破胶液处理后的液测导流能力较质量分数为3% 的KCl降低58.34%。当返排液回用时，由于其破胶液中含有的残渣、悬浮物等微小颗粒相较于清水压裂破胶液明显增加，流过裂缝时在支撑裂缝中堆积，使得渗流通道堵塞，造成支撑裂缝导流能力下降更为明显。
作为评价储层压裂改造施工效果的一项重要参数，支撑裂缝导流能力对指导致密砂岩气藏的压裂工艺优化、压裂效果预测及支撑剂优选评价具有重要的意义。为了验证导流能力室内实验的影响规律，参考优选的各项施工参数进行了压裂现场施工。
秋林221-8-H1井位于四川盆地川中沙溪庙组致密气区块，属沙二段8号砂组，其压裂施工段在2 643~4 120 m，施工段长1 464 m，储层温度为70 ℃左右，含水饱和度为35.8%~55.6%，储层平均渗透率为0.15×10-3 μm2，平均孔隙度为9.9%。根据致密砂岩储层水力压裂支撑裂缝导流能力影响因素的实验成果并结合储层低孔渗的特点，在该井的现场压裂施工过程中，改造液体选择清水配制的滑溜水体系，支撑剂采用组合支撑剂(质量比为4∶1的0.106~0.212 mm石英砂和0.212~0.425 mm覆膜石英砂)，选择较高铺砂浓度7 kg/m2，以获得良好的导流能力。施工排量为18 m3/min，泵压为40~60 MPa，最高砂浓度为480 kg/m3。按照控液提砂模式累计泵注滑溜水22 720 m3、支撑剂7 608 t，加砂强度5.2 t/m，用液强度14.8~16.3 m3/m。该井经过水力压裂后，获得了63.9×104 m3 /d的测试气产量及156.38×104 m3/d的无阻流量，取得了较好的施工改造效果。
1) 在相同的铺砂浓度下，随着闭合压力的增大，相同粒径的3种支撑剂在致密砂岩岩板上的嵌入程度均不断增大，即缝宽不断减小。石英砂作为支撑剂时破碎率较高且强度和硬度降低，随着闭合压力的增大，其裂缝导流能力降低最严重；覆膜石英砂破碎率低且强度高，其导流能力随着闭合压力的增加下降幅度最小。
2) 在相同的铺砂浓度和闭合压力条件下，单一粒径石英砂的粒径越大，则其支撑裂缝导流能力越大。在高闭合压力条件下，支撑剂粒径越大，导流能力下降的幅度越大。0.106~0.212 mm石英砂与0.212~0.425 mm覆膜石英砂的不同组合粒径质量比(1∶4、1∶1和4∶1)支撑剂导流能力下降幅度相比单一支撑剂更加平缓。支撑剂组合质量比4∶1的裂缝导流能力高于1∶4和1∶1组合，在高闭合压力条件下接近0.212~0.425 mm覆膜石英砂单一支撑剂的裂缝导流能力。
3) 在相同的闭合压力条件下，支撑剂铺砂浓度增加使得液测裂缝导流能力不断增加。在低闭合压力条件下，铺砂浓度的增加使得导流能力明显增大。而在高闭合压力条件下，这种影响程度逐渐减弱。综合考虑施工效果和经济成本因素，现场施工铺砂浓度选择7.0 kg/m2。
4) 当闭合压力为41.4 MPa时，清水压裂破胶液处理后的0.106~0.212 mm石英砂支撑裂缝液测导流能力较3%的KCl溶液降低25.43%，返排压裂破胶液处理后的液测导流能力较3%的KCl溶液降低58.34%。返排压裂破胶液通过裂缝时，其残渣、悬浮物等微小颗粒在支撑裂缝中堆积，使得渗流通道堵塞，造成支撑裂缝导流能力下降。因此，在压裂施工设计中对低渗储层应选择清水压裂液体系。
5) 该研究成果在秋林221-8-H1井的现场应用表明，压裂施工参数达到了设计要求，获得了良好的压后增产效果，验证了导流能力室内实验的影响规律。
2024, Vol. 53 Issue (3): 92-97 2024, Vol. 53 Issue (3): 92-97