摘要

水力壓裂造縫技術(shù)可以提高致密地層原油產(chǎn)量，裂縫對巖石孔隙采收率的影響是研究的重點。巖石孔隙結(jié)構(gòu)在壓裂,尤其是實驗室制造裂縫過程中會發(fā)生變化，影響基質(zhì)孔隙與裂縫間的傳質(zhì)作用，需要考慮這些變化，以準(zhǔn)確評估裂縫對孔隙流體運移的影響；直接比較樣品壓裂前后的結(jié)果，會得出一些誤導(dǎo)性結(jié)論。本研究使用重水與瓜膠配置裂縫填充材料，此材料不會侵入基質(zhì)孔隙，也不會產(chǎn)生可探測的¹H核磁信號。對使用這種新材料填充裂縫的樣本進(jìn)行測驗并對比未填充樣本測量數(shù)據(jù)，可以獲得裂縫核磁特征，并在后續(xù)N2和CO2吞吐實驗研究中將其孤立、消除用于分析裂縫對孔-縫二元體系流體運移的影響機(jī)理。實驗結(jié)果表明：1)裂縫會降低氣體的波及效率，這可以通過注入N2而不是CO2得到部分緩解，N2可以彈性支撐小孔隙，但純N2吞吐的總回收率顯著低于CO2；2）填充裂縫會增大孔隙采收率。

實驗設(shè)備和方法流程

本研究中采用的低場核磁共振設(shè)備是中國蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產(chǎn)的低場核磁共振巖心分析系統(tǒng)（中尺寸核磁共振成像分析儀），如圖1所示。低場核磁共振監(jiān)測注氣吞吐驅(qū)油過程。1）飽和油基質(zhì)樣品注氣吞吐實驗（Dong,2020a,2020b）；2）壓裂樣品注氣吞吐實驗，巴西劈裂法（BDM）造縫，飽和油確定壓裂后總孔隙分布；3）填充縫樣品注氣吞吐實驗，重水與瓜膠配置裂縫填充劑，確定裂縫分布和含量。四塊樣品初始核磁T2曲線如圖2所示。

圖1.中尺寸核磁共振成像分析儀

圖2. 壓裂前樣品飽和輕油T₂譜（J-1和J-2取自吉木薩爾凹陷，J-3和J-4取自西湖凹陷）

實驗結(jié)果

壓裂縫分布

通過瓜膠填充實驗得到壓裂張開縫的完整T₂分布（T₂譜橙色填充區(qū)域，圖3），T₂譜右側(cè)新增部分大尺寸縫，微小縫可延伸至T₂ =1 ms處。壓裂改變了基質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)(M0 vs. G0)，基質(zhì)孔幅度和邊界的變化各有不同。因此，明確裂縫和基質(zhì)孔分布，有助于準(zhǔn)確評價裂縫對流體運移的影響。

圖3. 裂縫T₂分布（Q1和Q2為大中小孔分界線）

壓裂前后孔隙增幅

計算裂縫填充前后的孔隙變化率（圖4），PVF（藍(lán)色）反映壓裂對總孔隙的改善效果，PVG（紅色）反映基質(zhì)孔隙轉(zhuǎn)化為裂縫的量。壓裂對微孔發(fā)育巖樣（J-1和J-2）孔隙體積的改善效果更明顯，但基質(zhì)孔轉(zhuǎn)化為裂縫的比例低。宏孔發(fā)育巖樣（J-3和J-4）結(jié)論相反，總孔隙體積的改善效果一般，但基質(zhì)孔轉(zhuǎn)化為裂縫的比例高。其中，PVF通過比較M0和F0累積核磁信號量得到，PVG通過比較M0和G0累積核磁信號量得到。

圖4. 裂縫填充前后的孔隙變化率

裂縫填充性對流動的影響

壓裂改變了基質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)，基于原始樣品得到的孔隙大小劃分方法在此不再適用。本文用裂縫尺寸三分位數(shù)將孔隙劃分為大中小三類計算孔隙產(chǎn)狀(如中等孔隙Q₁ <T₂ < Q₂)。需要注意的是，壓裂不會引入新的油量，計算裂縫采收率時需校正掉額外填充的油量（F0-M0）。壓裂后孔隙采收率數(shù)據(jù)如圖5所示，壓裂前基質(zhì)孔隙的采收數(shù)據(jù)見（Dong, 2020a, 2020b）。

圖5. 裂縫巖樣注氣吞吐T₂譜（‘G₆ N₂-CO₂’為裂縫填充樣品G₂的第六輪N₂-CO₂吞吐譜）

以壓裂前M₀采收率為基值，對比裂縫和氣體組合下的增采量Ru（圖6）。基質(zhì)巖樣M₀注N₂-CO₂效果要好于純CO₂（灰色，Dong,2020a）。相比于純CO₂吞吐模式，壓裂樣品注N₂-CO₂在微孔發(fā)育巖樣（J-1和J-2）中效果好，但在宏孔發(fā)育樣品中效果差（J-3和J-4），推測與N₂分子對小孔的彈性支撐作用有關(guān)。裂縫會存儲大量氣體，尤其是CO₂，削弱氣體在基質(zhì)孔隙的擴(kuò)散動能，使得總采出量下降（紅色）。裂縫填充處理可以增大氣體在基質(zhì)孔隙中的波及效率，增大采收率（藍(lán)色）。短期來看，造裂會大幅度提高產(chǎn)量；但縫的儲氣性對長期開發(fā)會產(chǎn)生不利影響。

圖6. 裂縫填充和注氣組合模式下的增采量

相關(guān)文獻(xiàn)

1）Dong Xu, Shen Luyi*, Golsanami Naser, Liu Xuefeng, Sun Yuli, Wang Fei, Shi Ying, Sun Jianmeng. How N2 injection improves the hydrocarbon recovery of CO2 HnP: An NMR study on the fluid displacement mechanisms. Fuel. 2020a. 278:118286.

2）Dong Xu, Shen Luyi*, Liu Xuefeng, Zhang Pengyun, Sun Yuli, Yan Weichao, Sun Jianmeng. NMR characterization of a tight sand’s pore structures and fluid mobility: An experimental investigation for CO2 EOR potential. Marine and Petroleum Geology. 2020b. 118:104460.

3）Liu Xuefeng, Dong Xu*, Golsanami Naser, Liu Bo, Shen Luyi W., Shi Ying, Guo Zongguang. NMR characterization of fluid mobility in tight sand: Analysis on the pore capillaries with the nine-grid model. Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2021. 94.