致密砂岩水力压裂裂缝对压裂液滤失特征

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　　摘      要： 为研究致密砂岩水力压裂作用下裂缝对压裂液的滤失特征，通过室内岩心物理实验构建了压裂模型，利用压裂过程全景展示方式，全方位分析压裂过程裂缝对压裂液的滤失特征。研究表明：实验早期4 min前，压裂液的滤失对岩心渗透率伤害较大，渗透率降低幅度在70%～80%之间，当压裂持续进行10 min后，岩心渗透率伤害降低幅度较小。出现这一过程的原因为裂缝内压裂液滤饼的逐渐形成，滤饼形成过程岩心渗透率大幅降低，当实验进行30 min后，滤饼基本形成并趋于稳定后，对岩心渗透率的影响效果减弱。实验结果认为，裂缝内滤饼的出现对压裂液的滤失产生了一定的影响，造成了压裂液滤失系数出现两段式的下降过程。
　　关  键  词：压裂液;致密砂岩;人工裂缝;滤失
　　中图分类号：TQ 317        文献标识码： A     文章编号： 1671-0460（2020）08-1737-04
　　Abstract：  In order to study the effect of fractures on filtration loss characteristics of fracturing fluid under tight sandstone hydraulic fracturing， a fracturing model was built through the indoor core physical experiment， and the filtration characteristics of fracturing fluid in the fracturing process were analyzed by the way of panoramic display of the fracturing process. The results showed that the damage of core permeability caused by the filtration of fracturing fluid before 4 min of the experiment was large， and the decrease range of core permeability was between 70% and 80%. After the fracturing continued for 10 min， the decrease range of core permeability damage was small. The reason for this process was the gradual formation of filter cake of fracturing fluid in the fracture. During the formation of filter cake， the core permeability was greatly reduced. After 30 min of experiment， the filter cake was basically formed and tended to be stable， and the effect on core permeability was weakened. The experimental results showed that the emergence of filter cake in the fracture had a certain impact on the filtration loss of the fracturing fluid， resulting in a two-stage decline process of the filtration coefficient of the fracturing fluid.
　　Key words： Fracturing fluid; Tight sandstone; Artificial fracture; Filtration
　　隨着非常规油气勘探开发技术的发展，以压裂酸化为手段的储层改造工艺正广泛运用于现场。而压裂液作为压裂施工过程中的主要工作介质，其质量、稳定性、配伍性都会影响最终压裂效果，所以必须在材料优选、配液和泵送使用阶段进行过程质量监控，确保压裂成功[1]。
　　在水力压裂过程中，进入油藏的压裂液通常分为两部分：一部分保留在裂缝中，这是一种有效的压裂液，可以促进裂缝的扩展;其余大部分处于压裂过程中随着裂缝的扩散，无效的流体将从裂缝壁流失到储层中。储层中流失的压裂液会影响压裂施工效果并对储层产生一定伤害，需要前期的设计与规避。首先，流体损失的量直接影响裂缝流体的效率和人工裂缝几何形状的大小。如果来自构造层中的裂缝流体的流体损失太大，则有效裂缝流体流速将降低，这将减小裂缝延伸长度和裂缝宽度，从而导致裂缝破裂程度和原始设计体积相比具有最小差异性。这导致使用液体裂缝的效率下降，不符合经济和合理的选择。其次，在压裂过程中注入地层流体的损失直接影响压裂过程人工裂缝的延伸。因此，研究裂缝流体形成过程中流体损失的类型和数量对于裂缝设计和后效预测非常重要[2-3]。裂缝长度太大的原因通常是由于从裂缝流体计算出的流体损失较低。第三，在压裂过程中，由于压裂液的损失，人工裂缝将在压裂液中填充过多的石英砂，这通常会导致砂比增加，导致施工过程中的泵极高压力，并在施工过程中被迫停止泵[4-5]。因此，有必要研究施工过程中和施工后裂缝流体的过滤损失。本文致力于更准确地描述过滤过程，以满足现场将来的科学研究和建设需求。
　　1  区块概况 　　研究区自从2007年开发以来，共压裂300多次，主要集中在A、B、C等低含水区块，改造层位主要为严1、严2段。
　　A区块：所研区块断块相对其他区块较小，初期由于保守开采运用了250 m井距的三角形不规则井网。改造层位原始地层压力33.52 MPa，地层压力系数1.11～1.27，是正常压力系统。地层温度126.2 ℃。依据测试资料分析，改造层段有效渗透率为（0.22～1.85）×10-3 μm2，平均孔隙度为13.9%～15.4%，判定为中孔低渗透储层。储层流体密度 0.794 5～0.851 9 g·cm-3，黏度11.94～98.99 mPa·s，含蜡质量分数16.4%，平均胶质沥青质质量分数22.49%，原油性质较好。
　　B区块：该区块地层压力系数0.91～1.14，油层天然能量不足。地层温度118.9 ℃。依据测试资料分析，改造层段有效渗透率为（1.37～36.4）×10-3 μm2，平均孔隙度为15.2%～19.2%，判定为中孔低渗透储层。储层流体密度0.873 5～0.940 8 g·cm-3，黏度256.03～1 487 mPa·s，含蜡量18.9%，平均胶质沥青质质量分数47.47%，判定为高密度、高黏度、高胶质沥青质含量。并且储层物性差，层间非均质性强，产量下降快。
　　C区块：该区块压力系数0.91～0.98，油层天然能量不足。地层温度118.3 ℃。依据测试资料分析，改造层段有效渗透率为（2.02～281.21）×10-3 μm2，平均孔隙度为11.3%～25.4%，判定为中孔低渗透储层。储层流体密度0.912 1～0.931 2 g·cm-3，黏度167.06～1 295 mPa·s，含蜡质量分数18.9%，平均胶质沥青质质量分数31.71%，综合解释判定为高密度、高黏度、高胶质沥青质含量。
　　压裂液方面：本施工限于时代发展下的压裂液体系变化，在工程技术与设备升级的前提下充分考虑到储层伤害和地层滤失等因素。当前已经升级运用羧甲基羟丙基胍胶（HPG）压裂液，对储层伤害极小;相关的压裂工艺也根据区块开发初期的小砂量、低砂比、笼统性一次加砂升级为电撬压裂泵组运用下的当前的大砂量、高砂比、多重化学剂和复合工艺构成的二次加砂升级式施工，全面优化工艺完整性和最终效果。
　　2  压裂液滤失物理模型
　　研究之前应参考传统模型和相关分析法，在此确立压裂液滤失系数为关键研究点，并利用经典滤失模型进行辅助研究。但是传统的运算结果会得出定值可测物理量，不符合现场多维影响因素下的变化特征，通俗来讲即为滤失情況的发生会导致可变解或者多维域度的自由解[6]，所以需要重新梳理和设定压裂液滤失物理模型以设立研究边界。在此为得出精确的动态滤失系数，梳理了相关影响因素，发现系统内在变化规律。运用渗流理论进行滤失模型修订，将研究边界涵盖滤饼对滤失系数的影响[7]。
　　依据渗流原理进行压裂施工，现场实际裂缝平面展布示意图如图1所示。从图1可以看出，小箭头所示的是压裂液通过周围岩石孔隙进行渗流的大致方向，而两端的大箭头指示压裂过程中裂缝的主要延伸方向。实际压裂过程中压裂液流动方向会随着岩石最大破裂压力、泵车压力和压裂液浓度进行动态变化，成双线性流动状态脉冲式挤入地层，将支撑剂携带渗流入人工裂缝中。所以模型的建立需要考虑到这种可变量带来的影响，在井筒垂直的基础上囊括人工裂缝壁面滤失问题。
　　真实环境下的单井压裂应该在三维情况下考虑人工裂缝的形态。如图2所示。
　　其中w、h、xf分别代表裂缝宽度、高度和长度。根据渗流原理进行孔隙基质模型、裂缝基质模型和双孔模型3种模型下的多重可测物理量分析。
　　孔隙基质模型表征了压裂液通过一定宽度的人工裂缝进入地层后的规律，在这个动态过程中液体在储层裂缝壁上，通过位置变化而导致孔隙特性变化，以至于形成不同程度孔隙型滤失，如果孔隙基质上存在裂缝那么这种滤失强度将会更大，压裂液会根据黏度和渗流特性的关系与孔隙基质发生匹配性变化，以至于产生不同的检测性滤失（图3）。
　　双重孔隙物理模型同时考虑了储层裂隙以及基质微小孔隙导致的压裂液不规则的间歇性流动。其中不同规模和地层的天然裂缝与压裂过程中产生的孔隙差异大，渗透率相关数据成动态变化趋势。而压裂液也会根据动力学优势进行较大人工裂缝→天然裂缝→孔隙基质的选择性规模流动，形成不同的滤失结果。
　　3  滤失实验分析
　　真实压裂过程中，相关压裂液体系会根据储层岩石滤失性质和经验参数进行相应防滤剂和其他化学微粒的添加以在一定程度上满足不同水马力下的井筒流体性质，以达到满足压裂设计的同时最大化延伸裂缝并保护储层不受伤害。但是如何进行岩石的滤失性质分析以不断优化压裂液是相关技术人员应当注意的。压裂液通过人工裂缝而不断滤失的过程会形成不同程度的滤饼，并以积聚的方式在人工裂缝壁面及其大裂缝处形成不同硬度的滤饼。根据现场工程经验滤饼的形成与压力强度和混砂浓度是一个正比关系，其中因为压裂过程的不断进展滤饼会首先在人工裂缝较近的距离产生，该阶段形成的滤饼为内滤饼。当压裂持续一段时间后内滤饼会逐步稳定，而携砂液会继续推进至人工裂缝壁外部逐步形成外滤饼。随着水利冲刷导致的射流能量变化，滤饼的稳定性会动态发生变化，而波动性增长，一直增厚至一定硬度和强度后不再变化。但是随着压裂过程的继续，外滤饼是会受到人工裂缝的增长或者水利冲刷而被一定程度剥蚀，最终的稳定程度是现场多方因素导致的。所以需要进行相关的实验进行综合判定，在储层保护的同时最大化减小不必要的滤失。
　　取研究区典型常见岩芯，制取为标准圆柱体进行实验台架上的稳定夹持。在恒温条件下配置常规压裂液，并放置1天，使得细菌含量与现场压裂液一致。在实验台架上阶段性进行加压，并最终保持岩芯两端压差恒定，待稳压至一定时间后进行从左到右的压裂液依次加入，并在一侧设置流量计进行动态监控。计算并表征时间变化趋势下的流量变化。全程描述内滤饼形成过程中单位面积岩芯滤失量的变化强度并观测内滤饼的形成与解除。后续再进行外滤饼形成的性质描述（图4）。 　　进一步规范实验数据，设定实验所用岩芯尺寸为直径2.53～2.51 cm，长度为3～3.2 cm，实验用岩芯孔隙度为7.98%～8.34%。标定s100样本岩芯为实验对象，测定当前实验环境温度为24 ℃，选用之前配置好并放置1天后压裂液载入实验准备槽。加压至实验管汇两端压力至5.88 MPa，阶段性升至7.85 MPa，再阶段性加压至9.85 MPa。在此为保护一手数据资料，故不做列表参数，仅做图像分析（图5、6）。
　　通过图5、图6综合数据可以看出，数据结果同时表征了实验在起初的时候会得到较大的压裂液滤失响应，但是随着时间的推移这种数据表征会变得缓慢而平稳。分析滤失量实验数据可知，当实验进行5 min时滤饼基本形成，但滤饼尚不稳定。随着时间的持续，大致在实验进行30 min后，滤饼形成与剥蚀速度趋于平衡后，滤饼总体上才开始保持稳定，这是压裂液的滤失基本不再随着时间变化而增长，滤失速率趋于一个稳定值。
　　压裂液的滤失与压裂液配比以及压裂强度有关，也受到裂缝内滤饼的稳定和破坏的影响，且滤饼的性质（硬度、渗透率）也和压裂过程息息相关。但是这种规律需要进一步的实验进行验证。但是当前的数据列可以充分证明，当实验进行至5 min时，虽然滤饼以极快的速度进行堆积与形成，但是其强度和厚度无法达到时间阈内的稳定值，以至于时间角度下的变化速度和其他可测物理量无法达到平衡，更不能直接性进行规律描述。但是当时间进行至30 min后，这种不可变因素就会减小以至于压裂液滤失量开始呈现稳定。但是真实现场情况下需要进一步的多维参数模拟，以至于还原不同期间下的真实变化。
　　进一步通过相关标准和一些经验公式进行数据拟合计算，并运用计算机技术进行相关迭代分析，得出部分巖性渗透率比与时间图谱，在此进行岩性实验情况下的污染后影响性质描述，获取相关渗透率多维数据。实验表明：实验初期的渗透率比值呈现大幅下降趋势，通过数据列核算可以进一步得出这种下降在70%～80%之间。后续的实验数据列（10 min标准时间）的渗透率比值成平稳变化，进一步验证了上面数据得出的滤饼初始形成过程中的不稳定过程，通过渗透率减小可知这种稳定性变化与趋势是不可控的。
　　综上所述，压裂施工过程是一项集动力学、流体力学、机械工程和地质学为一体的综合性系统工程。如何进行致密砂岩水力压裂作用下的压裂液滤失特征描述与裂缝性能的分析是科研工作者和现场技术人员需要注意的。
　　4  结束语
　　致密砂岩水力压裂需要进行前期的模拟和设计，在支撑剂可靠、压裂液合规且成本最优的前提下开展相关工作。在现场施工过程中不能因为大规模携砂而无限制进行压裂液的使用。室内实验也证明裂缝对滤失有着较大影响，其中实验进行5 min时相关的滤失量可达到70%，同时会污染岩性。
　　参考文献：
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