搜索
页岩地层中水致损伤对支撑剂裂缝导流能力的影响1摘要页岩和水的相互作用可以显著降低页岩裂缝的导流能力。可能影响页岩裂缝导流能力的因素包括页岩的矿物组成，支撑剂嵌入，页岩岩粒运移，支撑剂微粒运移，盐水浓度，长期应力中的应用，和裂缝中残留水的影响。过度的支撑剂嵌入的因素已在前人的工作中被详细报告过（Zhang等人的工作。2014A）。本文则介绍其余部分因素的研究。每一个因素的探讨我们都做了详细实验。为了研究岩石矿物组成的影响，我们测量了巴内特页岩，鹰福特页岩和贝雷砂岩在水生损伤恢复后的裂缝导流能力。在裂缝导流能力测量过程中，水流量方向被转换成页岩颗粒运移的影响。页岩粒度测量利用了显微成像技术，且在扫描电子显微镜下观察的结果同样被予以显示。支撑剂微粒运移的研究实验是通过在岩石破裂面两边各放置两种颜色的砂粒，然后用显微镜来确定其中一种砂的迁移和两种砂粒的混合情况。盐水的浓度影响的研究是通过注射新鲜水和2%的氯化钾。注水后，支撑剂包或是完全干燥或是保持潮湿用以探讨残余水造成的损害。结果表明，粘土含量决定了裂缝导流能力中的水致损伤。从页岩裂缝产生的岩粒是因为裂缝面剥落，边坡失稳，和粘土扩散会移动裂缝内部和导致裂缝导流能力降低12到20%。这项研究中不包括支撑剂颗粒迁移的数据证明。长期压力的应用导致了裂缝导流能力减少20%。在巴内特页岩试验中，在初始裂缝导流能力大于65md-ft的情况下。注入盐水后，新鲜水导致的裂缝导流能力下降不是很显著。在很小程度上恢复裂缝导流能力可通过在蒸发作用的辅助下，去除裂缝中的残余水来实现。至此，支撑剂裂缝导流能力的理论模型扩展到包括水生损伤的影响。巴内特页岩中损伤因素的实验性相互关系将在这个模型中有所体现和补充。2引言页岩裂缝导流能力的重要性往往被忽略考虑到基岩从微达西到毫微达西的渗透能力。量纲表皮系数与无量纲裂缝导流能力之间的关系表明，如果无量纲裂缝导流能力超过10，则油井产能会有最小幅度的提高（Cinco-LeyandSamaniego-V1981）。假设页岩地层水中基岩渗透性为0.0001md且裂缝导流能力为5md-ft，那么1000-ft裂缝中无量纲裂缝导流能力为50。然而，一个不容忽视的事实是Cinco-LeyandSamaniego-V1981所举例的关系是衍生于一个自身被假定具有平面裂缝的垂直井。公认为页岩的水力压裂创造了连通裂缝的网络（(Dan-ielsetal.2007）。不同于传统的压裂井，页岩油藏中产生的工业用碳氢化合物取决于其较大的规模，和具有足够导流能力的人工造缝网络。裂缝网络的构筑物在页岩中是十分广泛的，以至于整体裂缝网络的传导性都在井的长期生产中起着至关重要的作用。Mayerhoferetal.(2006)等人油藏模拟研究表明，整体裂缝导流能力对油井产能影响非常显著。在同样的人工网络容量下，裂缝导流能力在五年内由0.5经过四次增长到5md-ft。另外40%累积产量的增加可以通过增加裂缝导流能力达到20md-ft达到。.以前的研究已经表明，裂缝导流能力在现实的形成环境中被显著减少的因素，如凝胶损伤，升高的压力和温度，非达西流、多相流、支撑剂破碎和嵌入设备，和生产经营（(Cooke1975;Reed1980;ParkerandMcDaniel1987;Barreeetal.2003;Palischetal.2007;Zhangetal.2014a）。以往的研究人员研究了无支撑剂裂缝在水露头后延时强度的降低（(Ramurthyetal.2011;Akradetal.2011;LinandLai2013）。然而，这些研究使用1英寸直径在实验测量芯插头。通过小型芯插头更有限的应用现实性条件下测得的裂缝导流能力。本研究旨在探讨页岩裂缝进行性损伤的页岩/水用的7英寸长页岩样品的相互作用。被研究的因素包括页岩矿物学，页岩微粒运移、支撑剂微粒运移、盐水浓度、长期蠕变，和裂缝中的残留水。3实验描述3.1页岩样本巴内特页岩和鹰福特页岩样本在这项研究中均被采用。巴内特页岩样品来自德克萨斯的圣萨巴露头资料。巴内特页岩露头在以往的工作中已被Zhang等人针对其特点进行了介绍。（2014B）。鹰福特页岩是一种富含有机质海洋化石的页岩。它沉积愈白垩纪晚期，德克萨斯南部。鹰福特页岩样品沿美国90号公路采集，德尔里约西北约30英里，德克萨斯。露头暴露20至30英尺的有机丰富的泥灰岩和中鹰福特形成石灰石等（图1）。用于裂缝导流能力测试的岩样的尺寸要求，可以在Zhang资料中找到。（2014B）。页岩样品被塑造成适合于修正的美国石油研究所的导流能力尺寸，可容纳样品长度为7英寸，宽度6.5英寸，厚度在1到3英寸之间，具体取决于岩石的完整性。页岩样品制备方法的详细程序由Zhang等人提出的。（2014B）。图1鹰福特页岩露头图240/70筛砂粒和30/50筛砂粒尺寸分配3.2支撑剂在这项研究中使用70/40目和30/50目獾砂。从鹰福特页岩压裂现场收集的沙子。分析结果表明，砂符合原料对于颗粒尺寸分布的标准（图2）。一些质量参数的沙子显示在表1。3.3试验液完好的裂缝导流能力和水损伤恢复后的裂缝导流能力，是用干燥的氮气测定。研究盐水浓度的影响则用2%氯化钾，其次是新鲜水。在其他测试中，在用氮模拟损伤过程后将回流的水注入裂缝中（Zhangetal.2014A）。在重组回流水中，总矿化度浓度约为38000ppm。3.3实验装置测试装置包括气体喷射装置、液体喷射装置，电导池组合布莱，闭合应力的应用单元和压力/速度数据。图3为简要安装说明。安装说明书和安装错误评估可在zhang的资料中找到。裂缝导流能力测量过程中所产生的压力和速度测量误差在3%以内。3.4实验程序和条件一般性断裂-裂缝导流能力测量程序在图4中提供。测量的设置和评价的规范介绍如下：⑴页岩样品的断裂，从而保持了断裂表面粗糙度。⑵样本是涂有硅橡胶层，使样品的裂缝导流能力细胞壁之间的间隙可以填充有弹性的橡胶。⑶支撑剂手动放置在底部以保证页岩压裂-真正的断裂面。⑷用手泵将样品装进改性的原料。样本的两侧没有剪切偏移对齐。封闭应力施加的液压负载框架。⑸同一流体被注入到在一定的流速的压裂，并记录在实验过程中的微分压力的裂缝。⑹导流能力的计算和分析表1砂粒质量参数图3气水流能力测试简要安装示意图孔眼尺寸NTU圆度球度40/70530.750.7530/50430.750.75塞阀回压阀压力表分离压力器出动管线蓄电池#1Airhose蓄电池r#2蓄电池#3Gas-flowcontrollerSyringepump电子元件组合N21.诱导裂缝2.覆盖岩样3.压裂支撑剂位置图4常规导流能力测试步骤为了评估导流能力的降低，干燥的氮气流第一个测量完好的裂缝导流能力，其次是注水去评估由于页岩/水相互作用而受损的裂缝导流能力。然后，干燥的氮气流再次从裂缝中去除水和测量恢复的裂缝导流能力。实验在70○F条件下进行。裂缝中作用的最大有效闭合应力长期传导测试为6000psi，剩余短期传导测试为4000psi。计算有效闭合压力的方法可在Zhang的资料中找到。在地下条件中，闭合应力可比设定条件更高。在本实验中，闭合应力是简单不变的。3.5实验后分析蔡司透镜显微镜和扫描电子显微镜把断裂面和支撑剂的图像显示出来。碎砂和粘土颗粒大小一个图像处理的程序测定ES（FerreiraandRasband2012）。要确保单变量分析，其他参数（除了调查之一）保持不变。例如，研究岩石类型的影响，所有的实验条件都相同，用不同的岩样进行。4实验结果与讨论本节重点讨论的损害机制是根本上导致水流量后的裂缝导流能力减少。4.1岩石类型效应贝雷砂岩是在对照实验中选择研究岩石类型的导流能力损伤的影响。贝雷砂岩的矿物成分、巴内特页岩和鹰福特页岩在表2中有所总结。贝雷砂岩是富含石英的岩石含有石英和粘土87%只有6%，而巴内特页岩含有55%的粘土和33%夸脱Z在研究巴内特页岩粘土主要是伊利石、伊/蒙混层粘土。鹰福特页岩是碳酸盐岩，包含62%方解石。其他矿物包括长石、石2.5in.1in.2.5in.4.修正API电池5.测量Measurement6.分析图Analysis20001000Closurestress轻便附加压力10010185%0.10.01Gasflow200010001001010.1WaterflowGasflow0.01Sidepiston0100200300400500600Time(minutes)膏和其他矿物的痕迹。图5比较了3种不同岩石裂缝中的水流量所导致的裂缝导流能力变化。闭合应力恒定在4000psi。在序列中，裂缝的导流能力是由氮、返水、氮测定。最初的完好的裂缝导流能力为贝雷砂岩断裂与40/70目砂在0.10磅/平方英尺65md-ft.水流量下测定，第二气体裂缝导流能力为61md-ft。导流能力恢复了94%，表明贝雷砂岩中水对裂缝导流能力的损害是可以忽略不计。方解石丰富的鹰福特页岩30/50目砂在0.20磅/平方英尺。水流量变化前后的裂缝导流能力是242和191md-ft。有约80%的裂缝导流能力恢复。然而，在巴内特页岩裂缝中，水流量变化后15md-ft由初始无损裂缝导流能力明显降低到0.41md-ft。气体流量可以恢复的裂缝导流能力只有1.7md-ft.由于水流变化，导流能力测试结束时有88%不可恢复。所有其他条件相同的情况下，对三种不同的岩石裂缝导流能力的测试比较清楚地表明，岩石岩性对恢复导流能力有重大的影响。粘土/水的相互作用会导致严重的损害，在粘土丰富的页岩裂缝导流能力的情况下，膨胀粘土和岩粒是目前引起和产生页岩裂缝的主要原因。图5水降后的巴内特页岩、鹰福特页岩和贝雷砂岩的裂缝导流能力，所有数据均在4000psi闭合应力条件下表2三种岩样的矿物成分4.2页岩颗粒运移的影响导致页岩微粒运移的裂缝内因素主要有粘土分散，岩面剥落的支撑剂嵌入引起的，和粗糙面边坡的破坏。图6显示碎砂页岩颗粒混合和选择。一般而言，页岩颗粒比碎砂更圆，碎粘土%石英%碳酸盐%其他%贝雷砂岩68725巴内特页岩553339鹰福特页岩1224622砂通常有一个不规则的形状。碎砂的长轴比短轴大的多。因此，它们比页岩颗粒更易保留且更难移动。据统计，来自页岩颗粒比破碎的支撑剂小得多。有一个图像处理和分析程序，用于测量颗粒的大小。在这个程序中，每一部分分别是换算统计的阴影面积和总的像素数。然后计算具有相同面积的等效圆的直径。在这项研究中，共有10620个样本进行了随机直径计算。其大小分布情况如图7所示。显然，70%的页岩薄片直径小于15毫米，只有2%的颗粒大于100毫米。其余的颗粒，以及从15到100毫米的分级。图6片状砂页岩和破碎砂粒与岩粒混合图7片状砂页岩岩粒尺寸分布图8所示为系统中单位面积的毛孔面积。这种理想化的模型被选为测试存在孔隙大小相对优良的尺寸。他们不代表现实的支撑剂充填层会因为不规则的颗粒形状和尺寸而发生变化。40/70目砂具有标称直径约12.6毫米到165毫米的包装参数。鉴于粒度分布，颗粒可以被移动，进而通过大孔，但或被截留在孔喉。所提出的颗粒块的流动途径和减少的断裂的裂缝导流能力。这个想法是在流动方向中释放岩石颗粒和井孔吼道。KhilarandFogler(1983)报道，采用贝雷砂岩岩心驱替过程中的流动方向的切换，可以暂时恢复80%的渗透能力。在这项研究中，流动的返排水功能切换后达到稳态流动。结果如图9所示。图8砂粒系统内的单元内孔隙尺寸图940/70筛砂粒0.20lbm/ft2位置回流水交换流向导致导流能力回升破碎砂粒100m片状砂页岩破碎砂粒完好的裂缝导流能力是87md-ft,4000-psi闭合应力。返水的导流能力降低约4md-ft.时回水方向突然切换，裂缝导流能力是暂时恢复，但只有回到15md-ft.花了2个小时（约50孔隙体积量）在颗粒被收复和反流刺利用。这是由于流动方向的逆转颗粒和重新发布的指示。流向变换周期表明，颗粒运移导致总裂缝导流能力减少近似12至20%。在实验结束时，初始断裂裂缝导流能力