鐘安海

（勝利油田分公司采油工藝研究院，山東 東營 257000）

壓裂過程中多裂縫產(chǎn)生因素分析及處理措施

鐘安海

（勝利油田分公司采油工藝研究院，山東 東營 257000）

壓裂過程存在多裂縫是近年來對壓裂技術的新認識，多裂縫的存在對壓裂施工及壓后產(chǎn)能都會產(chǎn)生較大的負面影響，而處理多裂縫是壓裂改造技術的一個難點。從提高壓裂成功率及壓后效果的角度出發(fā)，分別分析了多裂縫的形成原因及幾何形態(tài)，研究了多裂縫的理論特性，在研究現(xiàn)場施工曲線的基礎上歸納了多裂縫敏感性特征，最終從根本避免產(chǎn)生多裂縫和減少多裂縫的負面影響兩個方面提出了優(yōu)化鉆井方案、優(yōu)化射孔井段、采用定向射孔、優(yōu)化施工排量及增加液體黏度等多種措施。同時筆者提出了處理多裂縫問題的艱巨性，需要進一步研究新工藝、新措施，為進一步認識、研究和處理多裂縫提供了理論依據(jù)和技術支持，為復雜儲層的壓裂改造提供了參考。

多裂縫；壓裂；裂縫形態(tài)

K D Mahrer等［1］采用總結歸納、實驗研究及理論分析等多種手段證明了地層存在產(chǎn)生多裂縫的條件并提出了壓裂過程存在多裂縫的觀點，并且隨著研究的進一步深入，目前壓裂過程存在多裂縫的觀點已被廣泛認可［2］。伴隨著泥灰?guī)r、玄武巖、火山巖等復雜巖性的開發(fā)及井身條件越來越復雜，壓裂過程存在多裂縫已成為壓裂增產(chǎn)措施發(fā)展的較大障礙［3］，因此，研究多裂縫的成因及控制措施對壓裂技術的發(fā)展有著積極的意義。

1 多裂縫形成原因

產(chǎn)生多裂縫的機理比較復雜，研究證明，傳統(tǒng)的巖石的抗拉強度、斷裂力學的破壞準則和Mohr-Coulomb準則都不能對多裂縫進行較好的解釋［4］，因此采用考慮流固耦合的分形模型［5］對多裂縫進行分析。楊天鴻等利用流固耦合的模型研究了裂縫的起裂和延伸規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn)當圍巖應力比為1.5～1.0時產(chǎn)生多條裂縫，這為多裂縫的產(chǎn)生提供了較好的解釋。同時，國外的J L Brmulye等［3］通過大量實驗證明多裂縫的成因與天然微裂縫、井身方向、射孔等因素有關。因此多裂縫產(chǎn)生的主要原因可歸納為地層應力因素、井身方向、井段的長度、射孔數(shù)目及位置等。

根據(jù)多裂縫形成的原因［6］，其形態(tài)大致分為3類：一種是裂縫在各個方向上發(fā)展的多裂縫；一種是垂直或與主裂縫交叉的多裂縫；一種是裂縫平行于最大主應力方向的多裂縫。

第1種多裂縫形成的原因主要是由于地層應力均衡，地層的最大水平主應力與最小水平主應力相差不大，即σmax∶σmin≈1.0～1.5。當在井筒的各個方向上都有射孔且同時受力時，地層在各個方向上均有產(chǎn)生裂縫并且延伸的可能。當最先起裂的裂縫在延伸的過程中遇阻，近井地帶壓力升高，由于在水平各個方向應力相差不大，此時就有新裂縫產(chǎn)生，從而導致多條裂縫共同發(fā)展（見圖1）。

第2種多裂縫是由于地層非均質性強且本身存在潛在的天然微裂縫，這些天然微小裂縫與近井水平最大主應力相交或垂直，水力裂縫方向大致與水平最大主應力一致，在水力裂縫開啟后，可能橫穿天然裂縫。當縫內凈壓力足夠大時，天然裂縫開啟，裂縫存在沿天然裂縫方向發(fā)展的趨勢，當水力裂縫橫穿多個微小裂縫時就出現(xiàn)形態(tài)如圖2的多裂縫。

第3種多裂縫是在大斜度井壓裂時，當井斜方向和最大主應力方向垂直或斜交時，由于射孔較多，在垂直于井斜的平面上地應力大小和方向都相同，每個孔眼所在的位置都有裂縫產(chǎn)生的可能，此時往往會產(chǎn)生平行的多條裂縫，并一起延伸（見圖3）。

2 多裂縫特性理論

在忽略裂縫間相互干擾的情況下，根據(jù)美國壓裂專家Nolte Smith提出的裂縫參數(shù)之間關系式分析多裂縫的特性。

1）多裂縫中每條裂縫分配到的流量較單一裂縫要少。在總量一定的條件下，裂縫條數(shù)越多每條裂縫分得的流量越少。

2）多裂縫中每條裂縫縫長較短，縫寬也較小。根據(jù)式（1），流量與縫長成正比，因此縫長較短。根據(jù)式（3）推知，由于縫長小而導致每條縫內凈壓力較小，再根據(jù)式（2）、（4）得到每條裂縫的縫寬、縫高，其都比單一裂縫要小。

3）整體縫內凈壓力較高。從整體上分析，單一縫寬較小，但總的縫寬比單一裂縫要大，

由式（2）得出總凈壓力升高，這與文獻相一致［6］。因此，多裂縫與單一裂縫相比，具有縫多、縫短、縫窄及縫內凈壓力高等特點。

3 多裂縫的敏感性特征

由于多裂縫分布在地層內部，因此分析多裂縫敏感性外在特征最實際的方法是研究施工數(shù)據(jù)。為直觀地分析井底壓力，選用2次不坐封壓裂施工進行研究，施工曲線分別如圖4、圖6所示。從施工曲線可以看出，2次施工都是低砂比進地層時出現(xiàn)砂堵，反應了地層內裂縫狹窄；對圖4施工進行壓力降G函數(shù)分析（見圖5），從圖5可以看出曲線出現(xiàn)明顯上凸，且有天然裂縫開啟閉合的特征，地層濾失量大；圖4為在深度1 600 m左右的壓裂施工曲線，施工壓力大于30 MPa，明顯高于同層段的壓裂施工壓力。

結合施工分析和理論研究及Lehman［7］的研究成果，歸納敏感性特征如下：

1）縫窄，施工加砂困難，易形成砂堵，往往低砂比砂子進入地層時即出現(xiàn)突然性砂堵。

2）由于多裂縫縫內凈壓力高，總的縫長、縫高不容易控制，形成的濾失面較大，因此濾失量大，G函數(shù)具有天然裂縫開啟的特征。

3）由于多裂縫縫內凈壓力高而導致施工壓力異常高，比同區(qū)塊、同深度的壓裂井施工壓力高出很多。

4）斜井壓裂時出現(xiàn)多裂縫較多。在近幾年勝利油田被認定為產(chǎn)生多裂縫的井中，斜井占90%。

5）壓后產(chǎn)能遞減快。由于多裂縫多產(chǎn)生于近井地帶，遠井地帶改造程度低，導致壓后產(chǎn)能遞減較快。

4 解決多裂縫的手段探討

多裂縫的形態(tài)各異，形成原因諸多，在處理措施上應從根本上避免產(chǎn)生多裂縫、已產(chǎn)生多裂縫盡可能降低危害2個方向進行探討。

1）從儲層改造的角度出發(fā)，盡量避免產(chǎn)生多裂縫，這就要求在鉆井方案設計時盡量避免在壓裂目的層有較大的斜度，這是避免產(chǎn)生多裂縫的根本，在必需在目的層造斜時應當讓井斜方向與最大主應力方向一致，可以避免產(chǎn)生圖3所示的多裂縫。

2）對于大井段壓裂，采用優(yōu)化射孔技術優(yōu)化射孔井段和定向射孔的措施，只射開部分井段，使裂縫從一處起裂、延伸，避免多裂縫的形成；對于斜井，采用定向射孔技術，使射孔方向與地層最大主應力方向一致，使起裂方向與延伸方向一致。

3）采用前置小陶粒段塞工藝［8］。采用小陶粒段塞來堵塞多裂縫，使先得到液體的部分小裂縫被堵死，以促使剩余裂縫可以得到足夠的液體，從而能達到裂縫充分發(fā)育，進而保證施工成功并且達到較好地改造儲層的目的。

4）優(yōu)化施工排量。在不開啟新裂縫的前提下，盡可能采用大排量增大縫內的凈壓力，進而增大裂縫的尺寸，保障順利加砂。

5）增加液體的黏度。采用高黏度的液體可以降低濾失，增強攜砂能力，保證施工成功。

5 結論

1）多裂縫的存在影響了壓裂施工和壓后產(chǎn)能，其本質是多條裂縫同時存在于近井地帶，縫窄、縫短，表現(xiàn)在施工上是濾失量大，低砂比階段就出現(xiàn)加砂困難，施工壓力高等問題。產(chǎn)生多裂縫的根本原因是地層應力在不同方向上差異小、最大主應力方向與起裂受力方向不匹配或者存在與主應力方向垂直的潛在天然微裂縫。

2）解決多裂縫的根本是在鉆井或射孔時考慮裂縫的走向，使裂縫的起裂方向與地層的最大主應力方向一致；其次，采用小陶粒前置段塞技術、優(yōu)化排量技術、高黏度液體技術也能大幅度減少多裂縫帶來的危害，但不能從根本解決多裂縫的存在。因此，新的工藝、措施尚待進一步探討。

［1］ Mahrer K D，Aud W W，Hansen J T.Far-field hydraulic fracture geometry：a changging paradigm［A］.SPE 36441，1996.

［2］ Weijers L，Wright C A，Sugiyama H，et al.Simultaneous propagation ofmultiple hydraulicfractures-evidence，impactand modeling implications［A］.SPE 64772，2000.

［3］羅天雨.水力壓裂多裂縫基礎理論研究［D］.成都：西南石油大學，2006：1-2.

Luo Tianyu.The study on the mechanism of multiple fractures in hydraulic fracturing dissertation for the doctoral degree in engineering［D］.Chengdu：Southwest Petroleum Institute，2006：1-2.

［4］ 曲展.巖層水力壓裂的非線性動力學分析［D］.西安：西安交通大學，2000：3-9.

Qu Zhan.Analyzing on the block hydraulic fracturing by non-linear dynamic the postdoctoral paper［D］.Xi′an：Xi′an Jiaotong University，2000：3-9.

［5］ 楊天鴻，唐春安，徐濤，等.巖石破裂過程中的滲流特性：理論、模型與應用［M］.北京：科學出版社，2004：13-27.

Yang Tianhong，Tang Chun′an，Xu Tao.The theory，model and application of seep characteristic during block fracturing［M］. Beijing：Science Publishing House，2004：13-27.

［6］ 羅天雨，趙金洲，王嘉淮，等.復雜裂縫產(chǎn)生機理研究［J］.斷塊油氣田，2008，15（3）：46-48.

Luo Tianyu，Zhao Jinzhou，Wang Jiahuai，et al.Forming mechanism of complicated fractures in hydraulic fracturing［J］.Fault-Block Oil &Gas Field，2008，15（3）：46-48.

［7］ Lehman Lyle V，Brumley John L.Etiology of multiple fractures［A］. SPE 37406，1997.

［8］ 羅天雨，王嘉淮，趙金洲，等.多裂縫防治措施研究［J］.斷塊油氣田，2006，13（6）：40-42.

Luo Tianyu，Wang Jiahuai，Zhao Jinzhou，et al.Study on prevention and treatment of multiple hydraulic fractures［J］.Fault-Block Oil& Gas Field，2006，13（6）：40-42.

Analysis of factors producing multiple fractures during hydraulic fracturing and treatment measures

Zhong Anhai
(Research Institute of oil Production Technology,Shengli Oilfield Company,SINOPEC,Dongying 257000,China)

It is a new viewpoint that multiple fractures exist in hydraulic fracturing.The existence of multiple fractures brings negative effects for both fracturing and well productivity after fracturing.But it is a difficult question to deal with multiple fractures. This paper analyzed the reason of multiple fractures forming and geometric configuration started with raising the success ratio of fracturing and well productivity after fracturing.Theory characteristics of multiple fractures were studied.Based on the on-site operation curve,the author summarized the sensitivity characteristics of multiple fractures.In order to avoid to produce multiple fractures and to reduce the influence of multiple fractures,many kinds of measures,such as optimizing drilling,perforation,rate of construction,adopting oriented perforating and increasing viscosity of fracturing fluid,were taken.At the same time,the difficult points of dealing with multiple fractures were put forward.New methods and techniques need to be studied in future.This paper can provide theory basis and technical support for knowing,studying and dealing with multiple fractures.It can also provide a reference for fracturing of complex reservoir.

multiple fractures,fracturing,configuration of fracture.

TE357.1+1

A

2009-12-18；改回日期：2010-07-12。

鐘安海，男，1976年生，工程師，碩士，2004年畢業(yè)于石油大學（北京），一直從事壓裂酸化研究工作。E-mail：zhonganhai@163.com。

（編輯 滕春鳴）

1005-8907（2010）05-617-04

鐘安海.壓裂過程產(chǎn)生多裂縫因素分析及處理措施［J］.斷塊油氣田，2010，17（5）：617-620.

Zhong Anhai.Analysis of factors producing multiple fractures during hydraulic fracturing and treatment measures［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2010，17（5）：617-620.