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页岩气储层水力压裂复杂裂缝导流能力实验研究王雷;王琦【摘要】为研究页岩气储层水力压裂后复杂裂缝导流能力,运用FCES-100裂缝导流仪,选取页岩地面露头岩心,加工成符合实验要求尺寸岩心板,将页岩复杂裂缝简化为转向裂缝和分支裂缝两种形式,用陶粒和覆膜砂两种类型支撑剂进行导流能力实验测试.实验结果表明:裂缝形态对导流能力影响较大,裂缝转向后导流能力明显低于单一裂缝,低闭合压力条件下转向裂缝与单一裂缝导流能力相差35％～ 40％,随闭合应力增大,差距逐渐增大;低闭合压力下陶粒导流能力高于覆膜砂,而当闭合压力增大后覆膜砂的导流能力反超陶粒,低铺砂浓度下反超趋势更加明显;分支裂缝存在时,等量支撑剂多条分支裂缝的等效导流能力小于单一裂缝,高闭合压力下分支裂缝中不同分支铺砂浓度的差异越大,导流能力与单一裂缝越接近.%In order to study the seepage capacity of complex fracture after fracturing of shale gas well,the outcrop shale being processed into the core plates whose size meets the requirements of the experiments,the complex fractures in the shale being simplified to two types:turning fractures and branching fractures,and ceramsite and coated sand being used as proppant,the seepage capacity of 2 kinds of complex fractures was tested by FCES-100 fracture flow deflector.The experimental results show that:the fracture morphology has a great influence on its seepage capacity,the seepage capacity of turning fracture is lower 35％～40％ than that of single fracture under low closing pressure,and the difference between both increases gradually with the increase of closing pressure;under low closure pressure,the seepage capacity of the ceramic proppant fracture is higherthan that of the coated proppant fracture,but with the increase of the closure pressure,the seepage capacity of the coated proppant fracture increases gradually and exceeds that of the ceramic proppant fracture,and the exceeding trend becomes more obvious under low sand concentration;the equivalent seepage capacity of branching fracture is lower than that of single fracture under the same amount of proppant,the difference between both dwindles with the increase of the difference in the sand concentration of different branch cracks under high closure pressure.【期刊名称】《西安石油大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(032)003【总页数】5页(P73-77)【关键词】页岩气井;水力压裂;裂缝导流能力;支撑剂;复杂裂缝【作者】王雷;王琦【作者单位】中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室,北京102249;中国石油勘探开发研究院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TE357.1王雷,王琦.页岩气储层水力压裂复杂裂缝导流能力实验研究[J].西安石油大学学报(自然科学版),2017,32(3):73-77.WANG Lei,WANG Qi.Experimental research on seepage capacity of complex fracture in shale gas reservoir after hydraulic fracturing[J].Journalof Xi′an Shiyou University (Natural Science Edition),2017,32(3):73-77.页岩气储层渗透率低、物性差，不采取增产改造措施一般没有工业产能[1-2]，而水力压裂是提高页岩气井生产能力的有效措施[3]。
中国石油大学渗流力学实验报告实验日期：成绩：班级：学号：姓名教师：同组者：实验一不可压缩流体单向稳定渗流实验一、实验目的1. 本实验采用的是变截面两段均质模型，通过实验观察不同段的不同压力降落情况。
2. 进一步加深对达西定律的深入理解，并了解它的适用范围及其局限性。
二、实验原理一维单相渗流实验以稳定渗流理论为基础，采用变直径填砂管模型，以流体在模型中的流动模拟水平均质地层中不可压缩流体单向稳定渗流过程。
保持填砂管两端恒定压力，改变出口端流量，在稳定条件下测量填砂管不同位置处的压力值，可绘制压力随位置的变化曲线；根据一维单相稳定渗流方程的解并计算两段填砂管的渗透率。
三、实验流程1～10－测压管11－供液阀12－供液筒13－溢流管14－供液控制阀15－水平单向渗流管（粗）16－支架17－水平单向渗流管（细）18－出口控制阀19－量筒图1 一维单相稳定渗流实验流程图四、实验步骤1. 记录渗流管长度、渗流管直径、测压管间距等相关数据。
2. 关闭出口阀控制“18”，打开供液阀“11”，打开管道泵电源，向供液筒注水。
3. 打开并调节供液控制阀“14”，使各测压管液面与供液筒内的液面保持在同一水平面上。
4. 稍微打开出口阀控制“18”，待渗流稳定后，记录各测压管的液面高度，用量筒、秒表测量渗流液体流量，重复三次。
5. 调节出口控制阀“18”，适当放大流量，重复步骤4；测量不同流量下各测压管高度，共测三组流量。
6. 关闭出口控制阀“18”，关闭供液控制阀“14”，结束实验。
五、数据处理1. 根据表1，记录取全所需数据，计算三个不同流量下的测压管水柱高度。
表1 测压管液面基准读数记录表表2 测压管液面读数记录表填砂管粗端直径= 9.0 cm，长度= 52.3 cm；填砂管细端直径= 4.5 cm，长度= 50.8 cm；填砂管粗端截面积A1= 63.585 cm2，填砂管细端截面积A2= 15.896 cm2；填砂管上部接头厚度3.0cm，相邻两侧压管中心距= 12.5 cm；流体粘度= 1 mPa·s。
支撑剂裂缝导流能力实验一、引言支撑剂裂缝导流能力实验是石油勘探和开采过程中的重要环节之一，通过在地下岩层中注入支撑剂，形成裂缝以增加油气储集层的渗透性和产能。
然而，支撑剂在注入过程中可能出现聚集现象，导致裂缝未能达到预期的效果。
因此，为了评估支撑剂的裂缝导流能力，需要进行相应的实验研究。
本文将介绍支撑剂裂缝导流能力实验的目的、实验装置和流程、实验结果及其分析，以及对实验结果的讨论和应用前景。
二、目的支撑剂裂缝导流能力实验的目的是评估不同类型支撑剂在地下岩层中形成裂缝后的导流能力，为石油开发提供理论依据和技术支持。
三、实验装置和流程1. 实验装置实验装置主要由以下部分组成： - 岩心模型：模拟地下岩层，用于注入支撑剂和测量裂缝导流能力。
- 注入装置：用于将支撑剂注入岩心模型，可以控制注入压力、注入速度等参数。
- 测量装置：用于测量裂缝导流能力，包括压力传感器、流量计等。
2. 实验流程实验流程如下： 1. 准备岩心模型：选择合适的岩心样本，按照实验要求进行处理和制备。
2. 注入支撑剂：将支撑剂注入岩心模型，控制注入参数，例如注入压力、注入速度等。
3. 测量裂缝导流能力：通过压力传感器等测量装置，记录裂缝导流能力相关的数据，如注入压力、裂缝宽度、流量等。
4. 分析数据：对实验数据进行分析和统计，计算裂缝导流能力的指标。
四、实验结果及其分析1. 实验结果实验得到的主要结果如下： - 支撑剂注入过程中，裂缝宽度和注入压力的变化曲线。
- 不同类型支撑剂在地下岩层中形成的裂缝宽度。
- 支撑剂注入后的裂缝导流能力，包括流量、渗透率等指标。
2. 数据分析根据实验结果，可以进行如下数据分析： - 不同类型支撑剂的裂缝导流能力对比：比较不同支撑剂的导流能力，评估其在实际应用中的优劣。
- 注入参数对裂缝导流能力的影响：分析注入压力、注入速度等参数对裂缝导流能力的影响程度，为优化注入过程提供依据。
- 支撑剂聚集对裂缝导流能力的影响：研究支撑剂聚集现象对裂缝导流能力的影响，探讨减少聚集的方法。
支撑剂裂缝导流能力实验一、实验介绍支撑剂裂缝导流能力实验是评价支撑剂在裂缝中的导流能力的一种实验方法。
该实验可以模拟地下水流动环境，通过测量不同条件下裂缝中的水压变化来评估支撑剂对于水流导向的影响。
二、实验原理当地下水流经岩石裂隙时，由于裂隙内部摩擦力和黏滞阻力的存在，会形成一定的水压差。
而支撑剂作为填充物进入裂隙后，会改变裂隙中的孔隙度和渗透性，从而影响水流在其中的通透性和导向性。
因此，通过测量不同条件下支撑剂填充后裂隙内部的水压变化情况，可以评估支撑剂对于地下水流动态行为的影响。
三、实验步骤1. 准备实验设备：包括试样（模拟岩石裂缝）、注液装置、压力传感器等。
2. 制备试样：将试样材料（如砾石、沙子等）放置于模拟岩石裂缝中，并按一定比例混合支撑剂。
3. 安装试样：将制备好的试样安装在注液装置中，并连接压力传感器。
4. 开始实验：通过注液装置向试样中注入一定流量的水，并记录压力传感器输出的裂缝内部水压变化情况。
5. 改变实验条件：可以改变水流速度、支撑剂填充比例、裂缝宽度等实验条件，以评估不同条件下支撑剂对于水流导向的影响。
四、实验结果分析通过测量不同条件下裂缝内部水压变化情况，可以得到支撑剂对于地下水流动态行为的影响。
具体分析如下：1. 支撑剂填充比例对导流能力的影响：当支撑剂填充比例较低时，裂缝内部孔隙度较大，导致水流通透性较强，而当填充比例逐渐增加时，孔隙度减小，从而限制了水流通透性和导向性。
因此，在实际施工中需要根据具体情况选择合适的填充比例。
2. 水流速度对导流能力的影响：当水流速度较慢时，水流容易被支撑剂阻挡，从而导致水压变化较小；而当水流速度逐渐加快时，水流可以穿过支撑剂层，从而导致水压变化较大。
因此，在实际施工中需要根据地下水流速度选择合适的支撑剂类型和填充比例。
3. 裂缝宽度对导流能力的影响：当裂缝宽度较大时，水流通透性和导向性较强，因此支撑剂对于裂缝内部的影响相对较小；而当裂缝宽度逐渐减小时，支撑剂填充后可以有效限制水流通透性和导向性。
采油工程实验曲占庆战永平周童温庆志编中国石油大学(华东)石油工程学院实验教学中心2011年6月目录实验一垂直管流实验 (1)实验二抽油泵泵效实验 (4)实验三裂缝导流能力模拟实验 (7)实验四酸化压裂教学实训 (11)参考文献 (14)附录 (15)实验一 垂直管流实验一、实验目的(1) 观察垂直井筒中出现的各种流型，掌握流型判别方法； (2) 验证垂直井筒多相管流压力分布计算模型； (3) 了解自喷及气举采油的举升原理。
二、实验原理在许多情况下，当油井的井口压力高于原油饱和压力时，井筒内流动着的是单相液体。
当自喷井的井底压力低于饱和压力时，则整个油管内部都是气-液两相流动。
油井生产系统的总压降大部分是用来克服混合物在油管中流动时的重力和摩擦损失，只有当气液两相的流速很高时(如环雾流型)，才考虑动能损失。
在垂直井筒中，井底压力大部分消耗在克服液柱重力上。
在水平井水平段，重力损失也可以忽略。
所以，总压降的通式为：a r h P P P P ∆+∆+∆=∆总式中：h P ∆-重力压降；r P ∆-摩擦压降；a P ∆-加速压降。
在流动过程中，混合物密度和摩擦力沿程随气-液体积比、流速及混合物流型而变化。
油井中可能出现的流型自下而上依次为：纯油流、泡流、段塞流、环流和雾流。
除某些高产量凝析气井和含水气井外，一般油井都不会出现环流和雾流。
本实验以空气和水作为实验介质，用阀门控制井筒中的气水比例并通过仪表测取相应的流量和压力数据，同时可以从透明的有机玻璃管中观察相应的流型。
三、实验仪器(1) 仪器与设备：自喷井模拟器(使用方法参见附录)，空气压缩机，秒表等； (2) 实验介质：空气，水。
(3) 设备的流程(如图1所示)图1-1 垂直管流实验设备流程图四、实验步骤(1) 检查自喷井模拟器的阀门开关状态，保证所有阀门都关闭，检查稳压罐的液位，如不足(稳压罐高度3/4)请打开稳压罐进液阀门加液使稳压罐的液位保持在稳压罐高度3/4液位；(2) 打开气路阀门，保证气路畅通后打开空气压缩机，向管路供气；(3) 调整稳压罐定值器，保证稳压罐压力表压力不超过0.10MPa，打开稳压罐压力阀门，等待压力稳定后打开液路阀，向系统供液；(4) 此时系统已经开始同时供应液体和气体，待液面上升至井口时，可以改变气液阀门的相对大小，观察井筒中出现的各种流型，调节到所需流型，待流型稳定后开始测量；(5) 按下流量积算仪清零按钮，同时启动秒表计时，观察井底流压和气体浮子流量计的示数。
裂缝导流能力实验
一、 实验目的
1、了解支撑裂缝导流能力随闭合压力变化的规律，以及相同闭合压力条件
下不同铺砂层数导流能力的差异。
2、分别应用达西公式和二项式公式进行计算，分析结果的异同点，并说明
原因。
3、熟悉裂缝导流仪的操作及实验流程。
二、实验原理
裂缝的渗透率可由气体渗流的流量来反映，测量气体在不同入口和出口压力下的流量后，可通过气体径向渗流的达西公式来确定裂缝的导流能力。
三、 实验仪器和材料
1、仪器名称：裂缝导流仪，包括以下组成部分：压力试验机、空气压缩机、定值器、精密压力表、浮子流量计、岩心（钢板）模、游标卡尺、电子天平、放大镜。
2、材料：不同产地的石英砂和陶粒。
四、实验步骤
（1） 准备实验工作
1、在附表 1 中记录使用的砂子产地、粒径、名称及某温度下的气体粘度；
2、用游标卡尺量出岩心模的外径 ro 及孔眼的内径 re 记录附表 1 中，用作计算岩心模面积；
3、称一定重量的砂子（记下砂子的颗粒直径）均匀地铺在缠有铜网的岩心面上，要保持单层，铺完后用放大镜检查一下砂子是否铺的均匀和紧密。
然后称剩余砂子的重量，二者之差即为铺在岩心上的砂重，并按下式计算出支撑剂的浓度：
2=
单层支撑剂的重量
支撑剂浓度（g/cm ）铺有支撑剂岩心的面积
，将此浓度值记入表 1 中。
4、将上岩心片（孔眼向下）放于下岩心片的上方，然后上下岩心片放在试验机下承压板中心位置。
5、认真记录试验机载荷刻度盘上读出加载值。
图1岩心模型
（2） 岩心加压法
1、岩心放在下承压板上，用手旋转螺杆将上承压板合并，压住岩心模型，准备加载。
2、旋紧回油阀，按绿钮开机器，用送油阀慢慢加压，通过控制送油阀开启程度控制加压速度，当主动指针（黑针）转到 1.5 吨（或 1KN）时,将送油阀放慢关闭维持此点上，将定值器打开使气体进入浮子流量计中，同时浮子上升，调节定值器旋钮,使浮子指示到流量计刻度的最高度值。
送油阀继续开动，当指针加到所规定的吨数时，保持指针示数不变。
同时读出流量数 Q 和对应的压力 P （精密压力表示数）,记录在记录表中。
4、需要载荷分别依次加到
30KN 50KN （70KN）100KN （120KN）150KN （180KN）200KN 250KN 300KN
读出相应的 P，Q 值，用达西公式计算。
注意：在测点 7、12、18 吨（或 70、120、180KN）处，保持载荷不变，改变 P（调定值器阀），读出 Q, 每测点共记5 组数据于记录表中，用于二项式公式计算。
5、试验结束后，关送油阀，按红钮关电源，慢慢打开回油阀卸载，将岩心取出，观察支撑剂破碎情况。
6、双层支撑剂测定：将重量为岩心上铺设单层时支撑剂重量二倍浓度分量的支撑剂铺于岩心表面，依次按步骤（二）进行操作，测出不同载荷下的 P 及Q 值记入记录表中。
五、实验原始数据
裂缝导流能力模拟实验原始记录表
表1 基本参数
表3 定载荷下的流量与压力关系数据
六、实验结果计算
以单程，载荷=50KN 下的实验数据为例进行计算 （1）闭合压力计算
2
2
50000P =
80.92(/)9.863.052
kg cm ==⨯闭加压载荷（kg ）铺有支撑剂的岩心面积（cm ） （2）计算裂缝导流能力K f W
62222
00.8210 1.230 4.503ln 0.0178910ln
360020.455 1.2086()()(1.230)
o n e f i r Q P r K W m cm P P μμππ⨯+⨯⨯⨯⨯==
=⋅-⨯- 同理，可以其他加压载荷下的闭合压力和导流能力，计算结果如表4所示。
表4 不同载荷下的闭合压力和导流能力
图2 导流能力与闭合压力关系曲线
由关系曲线可以观察得到，单层数据最后一个数据点偏离曲线较远，可视为坏死点。
随着闭合压力的增大，裂缝的导流能力逐渐下降。
而且双层支撑剂的导流能力大于单层支撑剂的导流能力。
原因为随着闭合压力的增大，填砂逐渐被压实，孔缝体积减小，宏观体现为砂砾的导流能力下降。
（3）用二项式公式计算裂缝导流能力
二项式公式：
22
i
P P
A BQ
Q
-
=+
以定载荷为120KN的实验数据进行处理，得到表所示的处理结果。
表5 120KN载荷下(Pi2-P02)/Q与Q的值
以
22
i
P P
Q
-
为纵轴，Q为横轴，绘制如下，（因为单层的最后一组数据为坏死点，
将其去掉）
图3 二项式计算裂缝导流能力关系曲线
由上图3可知：单层A=0.0135，双层A=0.013（取绝对值） 则有，裂缝在120KN 载荷下 单层支撑剂导流能力为：
20.01789 4.503ln
ln 3.04()0.01350.455
o f e r K W m cm A
r μ
μ=
=⨯=⋅ 双层支撑剂导流能力为：
20.01789 4.503ln
ln 3.15()0.0130.455
o f e r K W m cm A
r μ
μ=
=⨯=⋅ 对比二项式计算结果和用达西公式求出的值，可以发现，两者相差较大。
二项式得到的导流能力明显大于达西公式得到的导流能力。
原因可能为
1）压力比较大，岩石砂砾为非均质性，对达西公式的计算结果产生较大偏
差；
2）在使用二项式公式进行计算时使用的是最小二乘法进行拟合，存在拟合
的精度误差；
3）对于气测渗透率，由于气体的膨胀和滑脱效应要对达西公式进行校正，
而实验中的公式未经校正。
七、思考题：
1、裂缝导流能力的概念。
答：形成的填砂裂缝宽度与缝中渗透率的乘积，代表填砂裂缝让流体通过的能 力。
2、画出致密地层内和微裂缝、高渗透地层压裂过程中井底压力变化曲线。
3、按照不同压裂施工阶段的任务，压裂液可分为哪几种，并简述其作用。
答：共分为三种：前置液，携砂液，顶替液。
（1）前置液：它的作用是破裂地层并造成一定几何尺寸的裂缝以备后面的携砂液进入。
在温度较高的地层里，它还可起一定的降温作用。
有时为了提高前置液的工作效率，在前置液中还加入一定量的细砂以堵塞地层中的微隙，减少液体的滤失；
（2）携砂液:它起到将支撑剂带入裂缝中并将支撑剂填在裂缝内预定位置上的作用。
在压裂液的总量中，这部分比例很大携砂液和其他压裂液一样，有造缝及冷却地层的作用。
携砂液由于需要携带密度很高的支撑剂，所以必须使用交联的压裂液(如冻胶等)
（3）顶替液:中间顶替液用来将携砂液送到预定位置，并有预防砂卡的作用；最后顶替液是注完携砂液后将井筒中全部携砂液顶替到裂缝中，以提高携砂液效率和防止井筒沉砂。
4、简述地面砂比的概念。
答：有两种不同的定义方法：一是单位体积混砂液中所含的支撑剂质量；另一种是支撑剂体积与压裂体积之比。
八、实验总结
通过本次实验，了解了支撑裂缝导流能力随闭合压力变化的规律，知道了不同铺砂层数导流能力的差异。
在利用达西公式和二项式公式进行计算时，会存在比较大的误差，是不同的计算模型的适用条件不同所造成的。
最后，十分感谢老师的悉心指导！。
