裂缝对致密储层渗流能力影响实验研究

吕金龙，卢祥国，王 威，谢 坤，胡 勇

(1.东北石油大学，黑龙江 大庆 163318；2.提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318；3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

0 引 言

近年来，随着国民经济快速发展，清洁能源需求量日益增加，天然气在国民经济和日常生活中的作用受到国内外广泛关注[1-3]。与日益增长的天然气需求量相比较，国内常规天然气储量和产量略显不足，天然气供求关系表现出严重不平衡。为此，非常规(致密气藏和页岩气藏)气藏勘探开发开始受到重视[4-6]。目前，中国低渗致密砂岩气藏开发处于规模开发早期阶段，由于技术等原因低渗致密砂岩气藏动用程度和采出程度远远低于常规砂岩气藏。与常规气藏相比较，低渗透砂岩气藏具有储层渗透率低、非均质性严重和储量丰度低等特点，自然产能很低，需要借助增产措施才能达到工业开发效益标准[7-9]。目前压裂已成为实现低渗透气藏提高采收率的一种有效技术手段，但实际实施过程中对于存在边底水的气藏，压裂施工面临较严重的水侵问题，一旦发生水侵，将导致储量损失和产气量减少[10-12]，因此，压裂施工裂缝参数选择对于提高气藏开发效果意义十分重大。裂缝对基质切割作用能改善渗透率及储层渗流能力，但裂缝参数是如何影响储层渗流能力还缺乏系统研究，相关量化研究成果尚未见报道。针对低渗透气藏开发技术需求，开展了裂缝对储层渗流能力改善作用机理及其影响因素研究，对压裂施工参数设计具有重要参考价值。

1 实验条件

1.1 人造岩心

1.1.1 岩心物性参数设计

实验用基质岩心均为长条状，气测渗透率(Km)为0.1、0.5 mD，岩心裂缝开度均为50 μm，配产量为1 000 mL/min，采用石英砂环氧树脂胶结压制而成[13-14]，规格为30.0 cm×4.5 cm×4.5 cm。

1.1.2 岩心制作方法

在岩心多次填装模型加压过程中，根据裂缝设计宽度、开度、贯穿程度和位置，将设计的淀粉材质隔层平铺在已压好的岩心上，最后再加压成型并升温固化。将制好的岩心抽真空饱和含降解酶水，之后将岩心浸泡于装有含降解酶水溶液的容器中，并放置于70 ℃烘箱中48 h，淀粉材质隔层被分解为多糖小分子，进入水溶液，产生设计规格裂缝。

1.1.3 仪器设备

实验采用高精度压力传感器记录压力变化，D08-8C/ZM型气体流量计计量气体流量，数据自动采集系统记录相关实验数据。仪器设备主要包括气体计量系统、气水分离器、岩心夹持器、中间容器、缓冲气瓶、高压气瓶以及高压自动环压泵等。

1.1.4 实验步骤

实验步骤主要包括：①计算理论渗透率，并采用渗透率测试装置测试岩心实测渗透率；②将岩心放入岩心夹持器中，加环压至25 MPa；③关闭岩心夹持器出口端，向岩心夹持器中裂缝人造岩心充注气体至20 MPa，待进、出口端压力平衡后，关闭进口端；④设置流量计配产气量值，打开出口端阀门，开始衰竭开采实验，同时记录实验过程中压力、产气量和产气时间等实验数据。

2 结果分析

2.1 裂缝参数对岩心渗透率的影响

2.1.1 裂缝宽度的影响

在裂缝数量为1和全贯穿条件下，裂缝宽度对裂缝-孔隙双重介质岩石理论和实测渗透率值影响结果见表1，裂缝宽度与岩心渗透率增加倍数关系见图1。文中渗透率增加倍数为不同Km下理论渗透率或实测渗透率与Km的比值。

表1 裂缝-孔隙双重介质岩石理论渗透率和实测渗透率

由表1、图1可知：裂缝宽度对裂缝-孔隙双重介质岩石渗透率存在影响；随裂缝宽度增加，岩心渗透率几乎成正比例增大；气测岩心渗透率的变化对裂缝-孔隙双重介质岩石渗透率增加影响较小；在裂缝宽度相同条件下，随气测渗透率增加，渗透率增加倍数减小；在岩心气测渗透率相同条件下，裂缝-孔隙双重介质岩石渗透率增加倍数与裂缝宽度成正比。分析认为，理论计算渗透率值与实测渗透率值存在差异是因为实际裂缝壁面粗糙，增加了气体流动阻力，从而导致实测渗透率值较小。

图1 裂缝宽度与岩心渗透率增加倍数关系

2.1.2 裂缝贯穿程度的影响

在裂缝数量为1和裂缝宽度为2.5 cm时，裂缝贯穿程度与岩心渗透率增加倍数关系见图2。由图2可知：裂缝贯穿程度对裂缝-孔隙双重介质岩石渗透率影响较小；在贯穿程度相同条件下，随基质渗透率增加，裂缝-孔隙双重介质岩石渗透率增加倍数基本保持不变；在岩心气测渗透率相同和贯穿程度小于100%时，随裂缝贯穿程度增加，裂缝-孔隙双重介质岩石渗透率增加倍数较小，表明裂缝贯穿程度对岩心渗透率改善作用较小。

图2 裂缝贯穿程度与岩心渗透率增加倍数

2.1.3 裂缝数量的影响

在裂缝宽度为2.5 cm和全贯穿条件下，裂缝数量与岩心渗透率增加倍数关系见图3。由图3可知：裂缝数量对裂缝-孔隙双重介质岩石渗透率存在影响；在裂缝数量相同条件下，随气测渗透率增大，渗透率增加倍数减小，但不同气测渗透率岩心实测渗透率相差不大，说明裂缝数量改善渗透率效果明显，气测渗透率对裂缝-孔隙双重介质岩石渗透率影响相对较小；在岩心气测渗透率相同条件下，随裂缝数量增加，裂缝-孔隙双重介质岩石渗透率增加倍数增大，但其增大幅度随裂缝数量增加而减小。分析认为，理论计算渗透率值与实测渗透率值存在差异，一方面是因为实际裂缝壁面粗糙，增加了气体流动阻力；另一方面是因为气体在裂缝与裂缝之间发生窜流，进而导致实测渗透率值较小。

图3 裂缝数量与岩心渗透率增加倍数

2.1.4 裂缝分布位置的影响

在裂缝数量为1、宽度为2.5 cm、贯穿程度为25%时，裂缝分布位置与岩心渗透率增加倍数关系见图4。由图4可知，裂缝分布位置对裂缝-孔隙双重介质岩石渗透率基本不存在影响；在裂缝距采出端距离相同条件下，随气测渗透率增加，裂缝-孔隙双重介质岩石渗透率增加倍数基本保持不变；在岩心气测渗透率相同条件下，随裂缝距采出端距离增加，裂缝-孔隙双重介质岩石渗透率增加倍数也基本保持不变，表明裂缝分布位置对裂缝-孔隙双重介质岩石渗透率影响较小。

图4 裂缝分布位置与岩心渗透率增加倍数关系

2.2 裂缝对储层产气能力影响

2.2.1 基质岩心产气能力

在不同渗透率条件下，基质岩心产气量、产气时间和平均产气速度实验数据见表2。衰竭开采过程中注入压力、瞬时产气量和累计产气量动态特征曲线见图5。

表2 基质岩心产气能力测试结果

图5 注入压力、瞬时产气量和累计产气量与时间关系

由表2、图5可知，Km对岩心产气能力存在影响。随基质岩心渗透率增加，岩心孔喉增大，气体在多孔介质中渗流阻力降低，相应的产气时间和稳产时间减少，但高渗气藏进口压力下降幅度较大，气藏产量递减期滞后，瞬时产量较高，最终产气量与平均产气速度增大。分析认为，与高渗透岩心相比，气体在低渗透岩心中流动时需要的流动压差更大，因此，实验结束时，低渗透岩心远离采出端仍具有一定压力，且该压力随岩心渗透率增加而降低，这是低渗透率较高渗透率气藏产气量低的主要原因。

2.2.2 裂缝宽度的影响

在裂缝数量为1和全贯穿条件下，缝宽对裂缝-孔隙双重介质岩心产气量、产气时间和平均产气速度影响情况见表3。

由表3可知，裂缝宽度对岩心产气能力存在影响。当岩心渗透率较低时，岩心原始孔喉较小，气体在多孔介质中的渗流阻力较大，随裂缝宽度增加，井身与裂隙的接触面积增大，气体排泄面积随之增加，储层压差梯度增大，气体通过岩心的能力增加，导致更多的气体流进井口内，从而使岩心产气时间增加，产气量和平均产气速度增大。

2.2.3 裂缝贯穿程度的影响

在裂缝数量为1和裂缝宽度为2.5 cm时，裂缝贯穿程度对裂缝-孔隙双重介质岩心产气量、产气时间和平均产气速度影响情况见表4。

表3 不同缝宽下裂缝-孔隙双重介质岩心产气能力测试结果

表4 不同贯穿程度下裂缝-孔隙双重介质岩心产气能力测试结果

由表4可知，裂缝贯穿程度对岩心产气能力存在影响。岩心气测渗透率相同时，随裂缝贯穿程度增加，裂缝贯穿程度对岩心渗透率改善作用减小，渗流阻力变化不大，但增大了裂缝上下壁面基质岩石中的气体与裂隙的接触面积，增加了气体排泄的面积，储层压差梯度增大，气体通过岩心的能力增加。由于裂缝贯穿程度增加到一定程度，流线会发生变化，渗流阻力会增大，因此，平均产气速度呈先增后减的趋势。在现场实际中，随储层渗透率增大，可适当缩减裂缝长度，从而减少施工成本和难度。

2.2.4 裂缝数量的影响

在裂缝宽度为2.5 cm和全贯穿条件下，裂缝数量对裂缝-孔隙双重介质岩心产气量、产气时间和平均产气速度影响情况见表5。

表5 不同裂缝数量下裂缝-孔隙双重介质岩心产气能力测试结果

由表5可知，裂缝数量对岩心产气能力存在影响。随裂缝数量增加，增大了裂缝上下壁面基质岩石中气体与裂隙接触面积，增加了气体排泄面积，储层压差梯度增大，岩心允许气体通过能力增加，导致更多气体流进井口内，从而使岩心产气时间和产气量增加。当裂缝贯穿程度与间距一定时，裂缝数量越多，泄气面积越大，缝间干扰越严重，在2条裂缝间会形成一个低压区，中间地带气体受到2个反向驱动力，因此，在该区域内形成一个“不动区”，两者效果相互抵消，产气量增产幅度和平均产气速度随着裂缝数量增加而减小。

2.2.5 裂缝分布位置的影响

在裂缝数量为1、裂缝宽度为2.5 cm、贯穿程度为25%时，裂缝位置对裂缝-孔隙双重介质岩心产气量、产气时间和平均产气速度影响结果见表6。由表6可知，裂缝分布位置对岩心产气能力基本不存在影响。与相同渗透率基质岩心相比，裂缝-孔隙双重介质岩心产气能力没有得到较大的改善效果。在岩心气测渗透率相同条件下，随裂缝距采出端距离增加，裂缝-孔隙双重介质岩心产气能力基本保持不变。可见，在裂缝上下壁面基质岩石中气体与裂隙的接触面积相同，即气体排泄面积相同的情况下，储层压差梯度相差不大，气体通过裂缝-孔隙双重介质岩心的能力大致相同，产气能力也趋于相同。

表6 不同裂缝位置下裂缝-孔隙双重介质岩心产气能力测试结果

2.2.6 裂缝与底水相对位置的影响

在Km为0.5 mD、裂缝数量为1、裂缝宽度2.5 cm时，裂缝与底水距离对裂缝-孔隙双重介质岩心产气量、产气时间和平均产气速度影响实验数据见表7。

表7 不同裂缝与底水距离下裂缝-孔隙双重介质岩心产气能力测试结果

由表7可知，裂缝与底水相对位置对岩心产气能力存在影响。在岩心气测渗透率和裂缝贯穿程度相同条件下，裂缝远离底水时，岩心产气能力受底水水侵影响较裂缝靠近底水时弱，岩心产气量和平均产气速度相对较大，产气时间相对较长。随裂缝贯穿程度增加，产气量、产气时间和平均产气速度减少。与表4对比可知，裂缝性气藏有无底水对气体产能影响很大，在贯穿程度为50%时，裂缝远离底水产气量(2.87 L)与无底水产气量(4.09 L)相比下降了29.8%，裂缝靠近底水产气量(2.51 L)与无底水产气量(4.09 L)相比下降了38.6%。在裂缝远离底水情况下，当贯穿程度大于50%后，产气量开始低于基质岩心产气量，在裂缝靠近底水情况下，当贯穿程度大于20%后，产气量会低于基质岩心产气量。分析认为，在裂缝性气藏开发过程中，裂缝是流体主要渗流通道，裂缝贯通水体越长或裂缝越靠近水体时，随着气藏能量的逐步下降，由于气、水在裂缝中运移时受到的阻力远低于在基质中运移时受到的阻力，水体会沿裂缝快速突进。在水体突进过程中，水与基质接触，在润湿性和毛管压力作用下，基质渗吸水，沿裂缝两侧的储层基质含水饱和度增加，封堵部分气相渗流通道，同时底水侵入储层后，储层内气体的渗流方式也会发生改变，由单相气流转变为气水两相流，增加了储层基质气相渗流阻力，严重阻碍气体流动，最终导致储层基质气相渗流能力大幅度下降[15]，产气量、产气时间和平均产气速度减少，气藏采收率降低。

3 结 论

(1) 裂缝-孔隙双重介质岩心渗透率理论计算值与实测值存在差异，原因在于实际裂缝壁面粗糙增加了气体流动阻力，进而造成实测渗透率值较小。

(2) 在裂缝全贯穿条件下，裂缝宽度和数量对岩心渗透率影响较大。在裂缝未贯穿条件下，裂缝贯穿程度和裂缝分布位置对岩心渗透率影响较小，裂缝-孔隙双重介质岩心渗透率受基质渗透率影响程度较大。

(3) 随裂缝宽度、贯穿程度和数量增加，裂缝-孔隙双重介质岩心产气能力增大。在裂缝未贯穿条件下，裂缝分布位置对岩心产气能力影响较小。

(4) 在岩心基质渗透率和裂缝贯穿程度相同条件下，裂缝与底水距离越大，裂缝-孔隙双重介质岩心产气能力受底水水侵影响程度越小，产气量越大，产气时间越长。