吳建發(fā)　樊懷才　張   鑒

胡浩然　苑術(shù)生　李佳峻

中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院

0 　引言

頁巖氣作為存儲于暗色泥頁巖與碳質(zhì)頁巖中自生自儲的天然氣，廣泛分布于北美、中亞、中東、北非及我國的部分地區(qū) ^[1-7] 。 2012 年設(shè)立了中國第一個國家級頁巖氣示范區(qū)長寧—威遠頁巖氣示范區(qū) ^[8-10] 。截至 2020 年 12 月，中石油西南油氣田分公司頁巖氣年產(chǎn)量突破 100 × 10 ⁸ m ³ ，顯示了川南頁巖氣良好的勘探開發(fā)潛力。

然而，由于頁巖儲層超低孔、超低滲特性，國內(nèi)外普遍采用水平井和大型水力壓裂技術(shù)進行有效開發(fā) ^[11-14] 。頁巖基質(zhì)滲透率較低，氣井生產(chǎn)壓差往往較大。大量實驗研究及現(xiàn)場應(yīng)用證實 ^{[15-1 9]} ，較大生產(chǎn)壓差作用下，由于支撐劑的破碎、嵌入及運移等作用，頁巖儲層裂縫表現(xiàn)出一定的應(yīng)力敏感特征。國內(nèi)外頁巖氣生產(chǎn)實踐表明，通過優(yōu)化排采測試及生產(chǎn)制度 ^[20-23] 可避免或降低頁巖人工裂縫應(yīng)力敏感性對滲透率的傷害程度，從而提高氣井 EUR 和井控地質(zhì)儲量采收率。目前，國內(nèi)頁巖氣井排采測試制度可分為油嘴由大到小和由小到大兩種方式，哪種排采方式更有利于降低應(yīng)力敏感性對氣井產(chǎn)能的傷害程度尚未明確。除排采測試方式外，油嘴尺寸的更換級差對頁巖氣井產(chǎn)能也有影響 ^[24-30] ，四川盆地某區(qū)塊頁巖氣井測試結(jié)果表明，不同油嘴尺寸級差條件下氣井的測試產(chǎn)量、穩(wěn)產(chǎn)時間差別明顯。

雖然生產(chǎn)現(xiàn)場實踐證實合理控制生產(chǎn)壓差可以降低滲透率損失程度、提高氣井開發(fā)效果，但還需要深化控壓生產(chǎn)的機理性認識。目前，國內(nèi)主要采用微觀分析、理論計算、變圍壓實驗等方式 ^[31-35] 評價頁巖人工裂縫應(yīng)力敏感性，無法全面考慮支撐劑壓實、變形、嵌入、破碎、運移對頁巖人工裂縫應(yīng)力敏感性的影響，為此，本文以四川盆地龍馬溪組頁巖為研究對象，創(chuàng)新采用定圍壓變流壓測試方式開展頁巖人工裂縫滲透率敏感性實驗，實驗過程更符合頁巖氣井生產(chǎn)實際，深化頁巖氣井特殊生產(chǎn)機理性認識，研究成果為頁巖氣井排采制度和氣井生產(chǎn)制度優(yōu)化等提供借鑒。

1 　實驗準備

1.1 　實驗材料

本實驗選取川南某區(qū)塊龍一 ₁ ² 層位的巖心樣本（表 1 ）。由于頁巖層理發(fā)育、脆性高，在人工造縫時， 若作用力方向未與層理縫對齊，容易出現(xiàn)應(yīng)力錯位， 導(dǎo)致造縫成功率較低。常規(guī)線切割造縫方法，造出的縫面過于光滑平整，與現(xiàn)場壓裂縫的縫面特征差異較大。為此，采用巴西劈裂法 ^[27-28] 進行人工造縫（圖1）， 巴西劈裂法的優(yōu)勢：①劈裂機頂針對準巖心層理縫， 壓力作用于層理縫局部弱應(yīng)力面，緩慢加壓將巖心壓開，獲得天然的粗糙裂縫；②劈裂機放樣倉為“凹” 型，兩側(cè)倉壁可模擬原始地層圍壓條件下人工裂縫張開的過程；③操作流程簡單，造縫成功率較高（可達95% 左右）。

為了模擬不同加砂強度、不同排采方式、不同生產(chǎn)制度下頁巖人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感性，將 70/100 目 30% 石英砂與 40/70 目 70% 陶粒的支撐劑均勻地鋪置于人工裂縫中（圖 2 ），鋪砂濃度分別設(shè)置為 0.5 kg/m ² 、 1.0 kg/m ² 、 2.0 kg/m ² 、 5.0 kg/m ² 、 10.0 kg/m ² ，其中以 2.0 kg/m ² 為主。采用熱縮膜包裹巖心，固定裂縫及支撐劑的位置，制得不同鋪砂濃度的支撐裂縫巖心樣本（圖 3 ），巖樣制備情況及鋪砂誤差如表 2 所示。

1.2 　實驗流體

本實驗采用純度為 99.9% 的 N ₂ 作為實驗流體。

2 　實驗測試設(shè)計

現(xiàn)有的儲層應(yīng)力敏感性評價研究對象主要為基質(zhì)和微裂縫，并且以變圍壓測試為主，如果采用該測試方式評價有支撐劑條件下頁巖人工裂縫的應(yīng)力敏感性，僅能模擬支撐劑變形、嵌入、破碎對人工裂縫滲透率的影響，無法模擬頁巖氣井生產(chǎn)過程中支撐劑在高速流體沖刷作用下發(fā)生運移對裂縫滲透率應(yīng)力敏感的影響。因此，本次研究創(chuàng)新設(shè)計了變流壓方式開展頁巖人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感實驗，確保了測試過程更符合生產(chǎn)實際。

2.1 　實驗設(shè)計思路

為了評價人工裂縫不同鋪砂濃度條件下應(yīng)力敏感性，深化頁巖氣井排采制度、生產(chǎn)制度優(yōu)化的機理性認識，設(shè)計了 3 套實驗方案（表 3 ），實驗測試流程如圖 4 所示。

方案 1 模擬不同加砂強度條件下頁巖人工裂縫因支撐劑變形、破損、嵌入條件下滲透率變化規(guī)律，為優(yōu)化加砂強度提供依據(jù)。實驗選取 6 塊巖心鋪砂濃度分別為 0 kg/ m ² 、 0.5 kg/ m ² 、 1.0 kg/ m ² 、 2.0 kg/ m ² 、 5.0 kg/ m ² 、 10.0 kg/ m ² ?？紤]頁巖氣井生產(chǎn)壓差一般較大，導(dǎo)致作用在支撐劑上的有效應(yīng)力普遍偏高，因此實驗設(shè)計初始作用在支撐劑上有效應(yīng)力為 10 MPa 。每塊巖心先由有效應(yīng)力 10 MPa 以 5 MPa 級差逐級加載至設(shè)計的最高有效應(yīng)力，然后再以 5 MPa 級差從最高有效應(yīng)力逐級卸載至有效應(yīng)力為 10 MPa ，評價不同鋪砂濃度條件下頁巖人工裂縫的應(yīng)力敏感性。

方案 2 模擬油嘴由小到大、由大到小兩種測試條件下人工裂縫滲透率變化規(guī)律，為優(yōu)化排采制度提供依據(jù)。兩者測試條件下巖心鋪砂濃度均為 2.0 kg/ m ² 。開展油嘴由小到大排采制度的模擬實驗時，由于上一級小油嘴測試對初始滲透率產(chǎn)生的傷害可以忽略，因此，可以采用同一組巖心以 5 MPa 級差從有效應(yīng)力 10 MPa 逐級加載至 30 MPa ，模擬油嘴由小到大測試條件下人工裂縫的滲透率變化規(guī)律。開展油嘴由大到小排采制度的模擬實驗時，由于每組實驗作用在人工裂縫和支撐劑上的初始有效應(yīng)力較大，會對初始滲透率產(chǎn)生先期傷害，因此，油嘴由大到小測試方式的模擬實驗需要選取多個初測滲透率（有效應(yīng)力 10 MPa 時測定的滲透率）相近的巖心，每組實驗都需要使用新的巖心，以 5 MPa 級差從各巖心最大有效應(yīng)力逐級卸載至 10 MPa ，模擬不同初始油嘴尺寸條件下人工裂縫的滲透率變化規(guī)律。

方案 3 模擬不同生產(chǎn)制度條件下人工裂縫滲透率變化規(guī)律，為優(yōu)化生產(chǎn)制度提供依據(jù)。各巖心鋪砂濃度均設(shè)置為 2.0 kg/ m ² 。為了深化放壓、控壓兩種生產(chǎn)方式的機理認識，設(shè)計了有效應(yīng)力變化幅度分別為 2.5 MPa 、 5.0 MPa 、 7.5 MPa 、 10 MPa 條件下頁巖人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感性實驗，掌握大壓差、小壓差逐級穩(wěn)定降壓兩種生產(chǎn)方式人工裂縫滲透率變化規(guī)律。另外，設(shè)計不同應(yīng)力加載、卸載條件下滲透率應(yīng)力敏感測試實驗，掌握滲透率恢復(fù)率突變的臨界條件，為氣井合理配產(chǎn)提供依據(jù)。

2.2 　測試方法

1 ）按照頁巖人工裂縫應(yīng)力敏感性測試實驗流程圖連接實驗裝置，并檢測管線、儀器裝置的氣密性；其次，將填充好支撐劑、塑封完整的巖樣放入巖心夾持器，用黑色熱縮膜包裹固定。

2 ）采用壓力跟蹤模式對測試系統(tǒng)逐步加壓，即圍壓先從 0 逐步增加至 5 MPa ，然后圍壓與流壓之間的壓差始終保持在 5 MPa 同步增加圍壓和流壓，至圍壓上升至 45 MPa 、流壓上升至 40 MPa ，這樣既可保證人工裂縫滲透率不發(fā)生先期明顯傷害，又可避免夾持器套筒損壞。最后，固定流壓為 40 MPa ，繼續(xù)升高圍壓直至 50 MPa 。

3 ）實驗過程中圍壓大小不變，通過調(diào)整出口端回壓，模擬人工裂縫、支撐劑所承受的有效應(yīng)力的變化以及在不同生產(chǎn)壓差作用下支撐劑的運移情況，評價有效應(yīng)力條件下人工裂縫的應(yīng)力敏感性，測試方式更符合頁巖氣井實際生產(chǎn)過程。

3 　實驗成果認識

3.1 　不同測試方式對頁巖裂縫應(yīng)力敏感性評價結(jié)果的影響

為了評價變圍壓測試和變流壓測試條件下支撐劑的運移情況，分別對兩種不同測試前后巖心進行了CT 掃描。CT掃描結(jié)果顯示，在實驗前，支撐劑在人工裂縫中基本上呈均勻分布狀態(tài)。對比圖5-a、b可以看出，變圍壓測試前后支撐劑分布特征基本一致，支撐劑在裂縫中分布均勻，不存在堆積區(qū)域，支撐劑無明顯運移情況。對比圖5-c、d可以看出，變流壓測試后支撐劑明顯沿測試氣流方向運移。因此，支撐劑運移對頁巖人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感性的影響不容忽略，應(yīng)采用變流測試方式評價頁巖人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感性。

3.2 　支撐形式對頁巖裂縫應(yīng)力敏感性的影響

在壓裂過程中，由于重力分異作用，壓裂液的延伸距離往往遠大于支撐劑運移的距離，造成距離井 底遠端的人工縫網(wǎng)中無支撐劑支撐，為了掌握有 / 無支撐劑鋪置條件下人工裂縫應(yīng)力敏感性，開展了有 / 無支撐劑的人工裂縫應(yīng)力敏感性對比實驗。

從圖 6 可以看出，對于無支撐劑的人工裂縫，在加載過程中，當(dāng)有效應(yīng)力從 10 MPa 增大至 30 MPa 時， 巖樣歸一化滲透率下降至 0.1 ；在卸載過程中，有效應(yīng)力恢復(fù)到 10 MPa 后，歸一化滲透率恢復(fù)到 0.35 ， 滲透率損失率為 65% ，人工裂縫應(yīng)力敏程度為中等偏強。結(jié)果表明，壓裂后僅被壓裂液壓開而沒有支撐劑支撐的人工裂縫，在生產(chǎn)過程中裂縫更容易閉合， 滲透率下降速度快，難以達提高氣井產(chǎn)量的目的。

對初始鋪砂濃度為2.0 kg/m ² 的人工裂縫開展定圍壓變流壓測試，從圖5 ～ 8 可以看出，采用變流壓測試，支撐劑破損率隨著有效應(yīng)力增加而增加，且支撐劑會不同程度地嵌入到裂縫面內(nèi)以及在裂縫內(nèi)發(fā)生運移，造成人工裂縫滲透率出現(xiàn)應(yīng)力敏感現(xiàn)象， 即隨著有效應(yīng)力增大至30 MPa，巖樣歸一化滲透率降至0.6 左右；在卸載過程中，當(dāng)有效應(yīng)力恢復(fù)到10 MPa，歸一化滲透率緩慢增大到0.71，滲透率損失率為29.0%，人工裂縫應(yīng)力敏感程度為中等偏弱。因此，對于頁巖氣井，壓裂過程中盡量確保支撐劑鋪置更遠，形成更多的支撐縫，壓后排采及生產(chǎn)過程中要盡量避免支撐劑發(fā)生嵌入、破碎、運移等現(xiàn)象發(fā)生， 降低人工裂縫的應(yīng)力敏感性，使人工裂縫保持較高的導(dǎo)流能力。

3.3 　支撐劑濃度對人工裂縫應(yīng)力敏感性的影響

為優(yōu)化加砂強度，需對不同鋪砂濃度下頁巖人工裂縫滲透率敏感性進行分析。從圖 9 、 10 可以看出，當(dāng)鋪砂濃度為 0.5 kg/m ² 、有效應(yīng)力從 10 MPa 增大至 30 MPa 時，巖樣歸一化滲透率降至 0.42 ，在卸載過程中，當(dāng)有效應(yīng)力恢復(fù)到 10 MPa ，歸一化滲透率緩慢增大到 0.57 。隨著鋪砂濃度增大，特別是當(dāng)鋪砂濃度大于 2.0 kg/m ² 后，滲透率應(yīng)力敏感性差異越來越小，即當(dāng)有效應(yīng)力增大至 30 MPa 時，巖樣歸 一化滲透率降至 0.5 ～ 0.6 左右；在卸載過程中，當(dāng)有效應(yīng)力恢復(fù)到 10 MPa ，歸一化滲透率緩慢增大到 0.6 ～ 0.71 ，滲透率損失率為 30% ～ 40% 左右，應(yīng)力敏感性為中等偏弱。

3.4 　有效應(yīng)力加載方式對人工裂縫應(yīng)力敏感性的影響

為模擬排采時油嘴由大到小條件下人工裂縫滲透率變化規(guī)律，采取由大到小方式加載有效應(yīng)力開展實驗，如圖11所示。選取滲透率均為1 350 mD左右的5塊巖樣，各巖樣初始有效應(yīng)力為10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa，分別以5 MPa級差依次降低有效應(yīng)力至10 MPa。從圖11可以看出，當(dāng)初始有效應(yīng)力為30 MPa時，人工裂縫滲透率由1 350 mD左右下降至593 mD，隨著有效應(yīng)力減小，滲透率逐步恢復(fù)，但恢復(fù)程度有限，當(dāng)有效應(yīng)恢復(fù)至10 MPa時，滲透率僅能恢復(fù)至810 mD。對比圖11中初始有效應(yīng)力分別為10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa的滲透率變化曲線，若初始有效應(yīng)力越大，則滲透率下降越明顯，有效應(yīng)力下降過程中滲透率恢復(fù)程度越低。分析認為，初始有效應(yīng)力大，則作用在支撐劑上的有效作用力越大，且氣體流速越快，導(dǎo)致支撐劑變形、嵌入、破碎、運移越嚴重，人工裂縫滲透率不可逆?zhèn)Τ潭仍矫黠@。

為模擬排采時油嘴由小到大條件下人工裂縫滲透率變化規(guī)律，采取由小到大方式加載有效應(yīng)力開展實驗，如圖 12 所示。選取滲透率為 1 350 mD 左右的巖樣，初始有效應(yīng)力為 10 MPa ，以 5 MPa 級差依次增加有效應(yīng)力至 30 MPa 。從圖 12 可以看出，當(dāng)初始有效應(yīng)力從 10 MPa 逐步增大至 30 MPa ，人工裂縫滲透率由 1 350 mD 逐步降低至 873 mD ，明顯高于圖 11 中當(dāng)初始有效應(yīng)力為 30 MPa 時人工裂縫滲透率降至 593 mD 。分析認為，模擬油嘴由小到大的方式排采測試時，隨著支撐劑上有效作用力逐步增大，支撐劑逐步被壓實，顆?？蓜幽芰ο陆?，達到相同有效應(yīng)力時，人工裂縫滲透率傷害主要由支撐劑變形、嵌入、破壞造成的，支撐劑運移對滲透率產(chǎn)生的傷害較小。因此，推薦頁巖氣井排采過程中，應(yīng)采取油嘴由小到大的方式測試求產(chǎn)，以降低排采過程中頁巖人工裂縫的應(yīng)力敏感性傷害程度。

3.5 　有效應(yīng)力加載幅度對人工裂縫應(yīng)力敏感性的影響

一般來說，氣井配產(chǎn)越高，則壓降速度越快、壓降幅度越大。選取初始有效應(yīng)力為 10 MPa 時滲透率基本接近（約為 1 350 ～ 1 400 mD ）的四組巖心，設(shè)置 2.5 MPa 、 5.0 MPa 、 7.5 MPa 、 10.0 MPa 四種有效應(yīng)力增加級差，分別模擬不同配產(chǎn)、不同壓降幅度條件下人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感性變化規(guī)律。

從圖13可以看出，滲透率變化曲線可以劃分為兩個階段：第一個階段（有效應(yīng)力為10.0～17.5 MPa），各級壓降幅度下的滲透率下降趨勢和下降程度基本接近，分析認為，該階段滲透率損失主要受支撐劑壓實、變形影響；第二個階段（有效應(yīng)力為17.5～40.0 MPa），該階段各級壓降幅度越大，則滲透率下降越明顯，分析認為，該階段滲透率損失不僅受支撐劑破損、嵌入影響，而且支撐劑運移對滲透率下降影響程度加劇，壓降幅度越大則支撐劑運移越明顯。因此，實際排采及生產(chǎn)過程中應(yīng)采取小油嘴逐級放大生產(chǎn)壓差的方式進行生產(chǎn)，避免“ 跨級 式”更換油嘴，防止人工裂縫快速閉合及氣井出砂現(xiàn)象發(fā)生。

3.6 　頁巖人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感性突變界限

為了掌握支撐劑發(fā)生破損、嵌入及運移等對人工裂縫滲透率產(chǎn)生的不可逆?zhèn)?，明確人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感性突變的技術(shù)界限，按照表 3 中實驗方案 3 設(shè)計，開展有效應(yīng)力從 10 MPa 增加至最大有效應(yīng)力分別為 15 MPa 、 20 MPa 、 25 MPa 、 30 MPa 條件下的加載 / 卸載應(yīng)力敏感實驗，評價不同最大有效應(yīng)力條件下滲透率恢復(fù)率。

將初始有效應(yīng)力為 10 MPa （圍壓 50 MPa ，流壓 40 MPa ）壓實條件下巖心的滲透率視為滲透率 k ₁ ， 將最大有效應(yīng)力分別增加至 15 MPa 、 20 MPa 、 25 MPa 、 30 MPa 后再恢復(fù)至 10 MPa 時的滲透率視為 k ₂ ，將 k ₂ / k ₁ 比值定義為滲透率恢復(fù)率。

從圖 14 和表 4 可以看出，滲透率恢復(fù)率隨有效應(yīng)力增大呈“兩段式”特征，有效應(yīng)力低于 19 MPa 時，滲透率的恢復(fù)率可達到 95% 左右，該階段主要以支撐劑變形為主，滲透率恢復(fù)率較高；當(dāng)有效應(yīng)力大于 19 MPa 后，支撐劑發(fā)生破碎、嵌入、運移現(xiàn)象明顯，滲透率恢復(fù)率較低。因此，在氣井配產(chǎn)時， 應(yīng)充分考慮頁巖人工裂縫滲透率恢復(fù)率突變的技術(shù)界限，避免因生產(chǎn)壓差過大導(dǎo)致人工裂縫滲透率產(chǎn)生不可逆?zhèn)Α?

4 　結(jié)論

1 ） CT 掃描結(jié)果表明，定圍壓變流壓測試方式時頁巖人工裂縫中支撐劑會發(fā)生運移，定圍壓變流壓測試方式更符合頁巖氣井生產(chǎn)實際。

2 ）未鋪置支撐劑時，頁巖人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感程度中等偏強；鋪置支撐劑時，頁巖人工裂縫滲透率應(yīng)力敏感程度中等偏弱。因此，壓裂過程中應(yīng)實時優(yōu)化壓裂工藝確保支撐劑鋪置更遠，形成更多的支撐縫，壓后排采及生產(chǎn)過程中要盡量控制生產(chǎn)壓差，一方面防止無支撐劑鋪設(shè)的裂縫過早發(fā)生閉合， 另一方面防止有支撐縫中的支撐劑過早發(fā)生破碎、嵌入和運移，確保人工裂縫長期保持較高的導(dǎo)流能力。

3 ）較油嘴由大到小測試方式，達到相同有效應(yīng)力時，采用油嘴由小到大測試時人工裂縫滲透率損失量小，推薦氣井排采過程中采取油嘴由小到大的方式測試求產(chǎn)。

4 ）小壓差逐級降壓生產(chǎn)更有利于保持人工裂縫長期導(dǎo)流能力，推薦實際排采及生產(chǎn)過程中采取小油嘴逐級放大生產(chǎn)壓差的方式進行生產(chǎn)，避免“ 跨級” 更換油嘴。

5 ）頁巖人工裂縫滲透率存在不可逆?zhèn)Φ募夹g(shù)界限，頁巖氣井優(yōu)化配產(chǎn)時生產(chǎn)壓差不宜超過該技術(shù)界限，避免因生產(chǎn)壓差過大導(dǎo)致人工裂縫滲透率產(chǎn)生不可逆?zhèn)Α?/span>