曲占慶,范 菲,胡高群,張秀芹

(中國石油大學(xué),山東 東營 257061)

水平井壓裂縫縫高影響因素及控制方法研究

曲占慶,范 菲,胡高群,張秀芹

(中國石油大學(xué),山東 東營 257061)

為將裂縫高度控制在油氣層內(nèi),研究了巖石物質(zhì)特性、施工參數(shù)、地層應(yīng)力差和其他作業(yè)條件對縫高的影響。研究表明,產(chǎn)層和隔層的水平地應(yīng)力差對裂縫垂向延伸影響非常顯著,斷裂韌性對縫高影響不大,施工排量明顯影響裂縫尺寸,同時總結(jié)出控制裂縫縫高的 3種方法:即人工隔層控制縫高、利用施工排量來控制縫高、利用壓裂液黏度和密度控制縫高。采用倍數(shù)法和計算法對勝利油田梁 8-平 1井進(jìn)行了產(chǎn)能預(yù)測?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果顯示,壓裂施工采用人工隔層控制縫高技術(shù)取得了明顯效果。

水平井壓裂;巖石物質(zhì)特性;施工參數(shù);地層應(yīng)力差;裂縫高度;縫高控制;梁 8-平 1井

前 言

在水力壓裂過程中,裂縫會沿著垂直方向上延伸,當(dāng)裂縫超出生產(chǎn)層而進(jìn)入隔層時會影響水力壓裂效果。垂直裂縫縫高上下延伸,當(dāng)油層較薄或者隔層應(yīng)力較小時,裂縫有可能穿透生產(chǎn)層進(jìn)入隔層。如果縫高進(jìn)一步增大,穿透隔層,裂縫有可能穿入隔層外的水層或者氣層,導(dǎo)致壓裂失敗,若裂縫過高,在同樣作業(yè)規(guī)模下,會影響縫長的延伸,達(dá)不到壓裂的目的。近年來國內(nèi)外對裂縫高度延伸機(jī)理進(jìn)行了大量的研究[1-4],對影響裂縫高度的因素有了更深入的認(rèn)識,發(fā)展了多種人工控制裂縫高度的技術(shù)。勝利油田梁 8-平 1井區(qū)域構(gòu)造位置位于東營凹陷西南坡,主要含油層系為沙四段,屬于低孔特低滲透油藏。隔層產(chǎn)層應(yīng)力差小、壓裂裂縫高度難以有效遏制。由于水平井穿過的地層比較復(fù)雜,為了防止縫高過高帶來的負(fù)面影響,研究裂縫縫高延伸機(jī)理,判斷裂縫是否進(jìn)入隔層,明確影響縫高大小的因素,針對影響因素采取切實(shí)可行的方法控制裂縫高度。有效控制裂縫高度是保持裂縫內(nèi)的凈壓力穩(wěn)定,確保施工成功的關(guān)鍵技術(shù)。

1 裂縫進(jìn)入隔層判據(jù)及縫高計算

根據(jù)產(chǎn)層和隔層間材料力學(xué)性質(zhì)差異對裂縫延伸的影響[5],假設(shè)縫寬剖面處于平面應(yīng)變彈性狀態(tài),縫寬剖面為正弦形狀,忽略沿縫高方向應(yīng)力和濾失損失,得出裂縫穿過界面的簡單判斷依據(jù):

式中:S1為產(chǎn)層的比表面能,J/m2;S2為隔層的比表面能,J/m2;G1為產(chǎn)層的剪切彈性模量,MPa;G2為隔層的剪切彈性模量,MPa;p1為產(chǎn)層內(nèi)的裂縫延伸壓力,MPa;p2為隔層內(nèi)的裂縫延伸壓力, MPa;Klc為巖石的斷裂韌性,MPa·m0.5;G為剪切彈性模量,MPa;S為比表面能,J/m2;μ為泊松比;E為楊氏模量,MPa。

當(dāng) p2

式中:μ1為產(chǎn)層的泊松比;μ2為隔層的泊松比;Klc2為產(chǎn)層的斷裂韌性,MPa·;Klc1為隔層的斷裂韌性,MPa·m0.5。

裂縫發(fā)展的形狀取決于裂縫前緣的應(yīng)力強(qiáng)度因子,只有當(dāng) k1值達(dá)到某臨界值時,裂縫將向前延伸。根據(jù)公式 (4),可以推導(dǎo)出井底流體壓力與裂縫高度的關(guān)系:

式中:p為井底流體壓力,MPa;k1為蓋層、產(chǎn)層和底層的應(yīng)力強(qiáng)度因子,即它們大小相等,MPa·m0.5;σ1為產(chǎn)層的最小水平主應(yīng)力,MPa;σ2為蓋層和底層的最小水平主應(yīng)力,即它們大小相等,MPa;h為產(chǎn)層的厚度,m;ho為裂縫穿入底層或底層的厚度,即穿入底層或與底層的厚度相等,m。

2 縫高影響因素敏感性分析

水力壓裂裂縫垂向擴(kuò)展是地層條件和壓裂作業(yè)條件耦合作用的結(jié)果[6]。產(chǎn)層與隔層之間的原地應(yīng)力差、彈性模量差、斷裂韌性差、界面強(qiáng)度、裂縫中壓裂液壓力分布以及壓裂液的流變性等都會對裂縫垂向延伸產(chǎn)生重要影響。此外,地層的非均質(zhì)性和天然裂縫以及壓裂液的濾失特性、壓裂液的泵注速度等都將對裂縫的延伸產(chǎn)生影響[7]。裂縫可從強(qiáng)度大的巖石進(jìn)入強(qiáng)度小的巖石,反之則不能。

產(chǎn)層和隔層的水平地應(yīng)力差是影響裂縫垂向延伸的主要因素,而地層的水平地應(yīng)力與地層的力學(xué)參數(shù)相關(guān)。泊松比、彈性模量越大,則水平地應(yīng)力越大。當(dāng)產(chǎn)層與隔層之間地應(yīng)力差和彈性模量差異較大時,在界面處的裂縫寬度將減少,壓裂液垂向流動受限,并形成較大壓差,產(chǎn)生一定的止裂作用。地層力學(xué)參數(shù)對裂縫的延伸影響很大。

以勝利油田純梁地區(qū)梁 8-平 1井為例。該井產(chǎn)層厚度為 60 m,泊松比為 0.2,楊氏模量為20 000 MPa,底層應(yīng)力為 34.9 MPa,產(chǎn)層應(yīng)力為32.5 MPa,蓋層應(yīng)力為 33.6 MPa,斷裂韌性為 2 MPa·m0.5。分別針對地應(yīng)力差、裂縫斷裂韌性、施工排量等因素的變化對縫高的影響進(jìn)行研究。保持其他因素不變,改變其中一項,作出相應(yīng)的裂縫高度圖。

(1)產(chǎn)層與隔層之間的原地應(yīng)力差對縫高的影響。取注入排量為 4 m3/s,注液時間為 45 min。應(yīng)力差為 -1～6 MPa,計算可以得到蓋層與產(chǎn)層應(yīng)力差和裂縫高度的關(guān)系(圖 1)。

圖 1 蓋層與產(chǎn)層應(yīng)力差和裂縫高度的關(guān)系

在蓋層與產(chǎn)層的應(yīng)力差為1MPa時,裂縫總高度為 128.2 m,在隔層與產(chǎn)層的應(yīng)力差為 5 MPa時,裂縫總高度為 94 m。從圖 1可以看出,產(chǎn)層和隔層的水平地應(yīng)力差對裂縫垂向延伸的影響非常顯著,在蓋層和產(chǎn)層的應(yīng)力差從 -1 MPa升至 5 MPa的過程中,裂縫高度下降比較明顯,由此可見,隔層對裂縫垂向延伸起了很好的控制作用,這為利用人工隔層的方法控制裂縫高度提供了依據(jù)。

(2)巖石物質(zhì)特性對裂縫延伸高度的影響。巖石物質(zhì)特性包括地層巖石的剛性、韌性、塑性等,以及遮擋層與油層界面的結(jié)合強(qiáng)度、巖石性質(zhì)差異等。根據(jù)巖石物質(zhì)特性,對垂向裂縫延伸影響較大的是巖石的塑性、韌性以及巖層間是否存在滑移現(xiàn)象。遮擋層的塑性表現(xiàn)為泊松比,此值越大,對裂縫延伸幅度的影響越大。對于砂巖油層,泥巖或頁巖遮擋層泊松比都有一定的數(shù)值范圍,由此得出裂縫的延伸情況也是不確定的。這里只討論裂縫斷裂韌性對裂縫縫高的影響,取施工排量為 3.5 m3/s,蓋層的斷裂韌性為 1MPa·m0.5,底層斷裂韌性為 1～5MPa·m0.5,計算結(jié)果見圖 2。隨底層斷裂韌性的增加,裂縫上高基本上保持不變,而裂縫下高有較少的減少,當(dāng)?shù)讓訑嗔秧g性由 1 MPa·m0.5增至 5 MPa·m0.5時,裂縫上高從 40.6 m減至 38.2 m,減少 2.4 m?？梢钥闯?斷裂韌性對裂縫縫高的影響不大。

圖 2 底層斷裂韌性與裂縫高度的關(guān)系

(3)施工參數(shù)對縫高的影響。其他參數(shù)不變,施工排量為 2.5～5.5 m3/s,繪制裂縫高度圖 (圖3),分析不同排量下的裂縫高度。圖 3反映了注液排量對縫高的影響,施工參數(shù)包括注液排量和注入時間,間接地也反映了施工規(guī)模?？梢钥闯?隨著施工規(guī)模的增大,裂縫高度增加,施工排量明顯影響裂縫尺寸,采用小排量施工可以控制裂縫高度。主要原因在于小排量施工有利于降低壓裂液在縫中的流動壓力梯度,該結(jié)論已被國內(nèi)外的壓裂實(shí)踐所證實(shí)[8]。值得注意的是,不同壓裂液有不同的極限造縫能力,即當(dāng)其他參數(shù)不變時,施工規(guī)模大到一定程度后,繼續(xù)增加施工規(guī)模,裂縫尺寸增加量減小。

圖 3 注液排量與裂縫高度的關(guān)系

(4)其他作業(yè)條件對裂縫垂向延伸的影響。壓裂液的黏度、密度、支撐劑濃度和射孔情況都會影響裂縫垂向延伸。其中,壓裂液黏度無論對大型壓裂或常規(guī)壓裂都非常重要,高黏度壓裂液有較好的攜砂能力,造縫高度也較大。理論和實(shí)踐證明,黏度對縫高延伸的影響要比排量大得多。對于已形成一定壓裂規(guī)模的油田,其壓裂液的性能和使用具有相對的穩(wěn)定性,選取濾失較小、攜砂能力較強(qiáng)的壓裂液有助于提高壓裂液的性能;其次針對某一油田的壓裂作業(yè),調(diào)節(jié)施工排量和施工壓力也可以改變裂縫延伸高度。

3 縫高控制方法

產(chǎn)層與隔層之間的原地應(yīng)力差、彈性模量差、斷裂韌性差、界面強(qiáng)度以及裂縫中壓裂液壓力分布和壓裂液的流變性等都會對裂縫垂向延伸產(chǎn)生重要影響[9]。地層的非均質(zhì)性、天然裂縫、壓裂液的濾失特性以及壓裂液的泵注速度等都將對裂縫的延伸產(chǎn)生影響。

(1)人工隔層控制縫高。人工隔層的施工工藝是在注完前置液造出一定規(guī)模的裂縫后,在注入混砂液之前,用攜帶液攜帶隔離劑 -空心微粉和粉砂,進(jìn)入裂縫?？招奈⒎墼诟×ψ饔孟卵杆僦糜谛律芽p的頂部,粉砂在重力作用下沉淀于裂縫的底部,從而在裂縫的頂部和底部分別形成一個低滲透或不滲透的人工隔層。人工隔層的形成,首先限制了攜砂液的高壓向上部和下部傳遞,從而達(dá)到了改變縫內(nèi)垂直方向上流壓地分布,降低了上下層段中縫內(nèi)流壓與地應(yīng)力之差,增加了上下隔層與產(chǎn)油層之間的地應(yīng)力差,因此,人工隔層能控制縫高的增加;其次,人工隔層還起到轉(zhuǎn)向劑的作用,使后來注入的攜砂液轉(zhuǎn)為水平流向,從而使裂縫向縫長方向延伸。為了使制造的隔離層達(dá)到最佳效果,需要從隔離劑的鋪置厚度、隔離劑的輸送規(guī)律和隔離劑的鋪置位置 3個方面來考慮。

(2)利用施工排量來控制裂縫高度。一般施工排量越大,裂縫高度越大。在不同的地區(qū),施工排量對裂縫高度的影響大小也不同。現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)表明,在作業(yè)條件允許的情況下,為了避免縫高過高,施工排量應(yīng)該控制在 3.5 m3/min以內(nèi)。

(3)利用壓裂液黏度和密度控制裂縫高度。在其他情況不變的條件下,壓裂液黏度越大,裂縫縫高越大,一般認(rèn)為壓裂液黏度保持為 50～100 mPa·s比較合適。

利用壓裂液的密度控制縫高,通過控制壓裂液中垂向壓力分布來實(shí)現(xiàn)。若要控制裂縫向上延伸,應(yīng)采用密度較高的壓裂液;若要控制裂縫向下延伸,則采用密度較低的壓裂液。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 產(chǎn)能預(yù)測

用 2種方法對梁 8-平 1井進(jìn)行產(chǎn)能預(yù)測[10]:①倍數(shù)法,水平井相鄰直井初期產(chǎn)能為 12 t/d,水平井產(chǎn)能按直井產(chǎn)能的 1.5～2.5倍計算;②根據(jù)水平井產(chǎn)量預(yù)測公式 (Joshi)計算,射開水平段長度為 200 m,滲透率為 6.3×10-3μm2,孔隙度為12.7%,原油地下黏度為1.08 mPa·s,根據(jù)產(chǎn)液量和生產(chǎn)壓差的關(guān)系,水平井生產(chǎn)壓差取 8 MPa,計算出水平井初期產(chǎn)能約為 18.7 t/d。

式中:reh為泄油半徑,m;L為射開水平段長度,m;r為孔眼半徑,m;a為排油橢圓長軸的一半,m;Jh為產(chǎn)液指數(shù),m3/(d·MPa);Kh為滲透率,μm2;μ為原油黏度,mPa·s;Bo為原油體積系數(shù);h為儲層厚度,m;δ為孔隙度;rw為水平井半徑,m;β為油藏各向異性比值。

綜合考慮,水平井初期產(chǎn)能取為 18 t/d,不含水。

4.2 人工隔層技術(shù)控制縫高

進(jìn)行壓裂增產(chǎn)措施時為了防止縫高過高帶來的負(fù)面影響,采用人工隔層技術(shù)控制縫高?？刂瓶p高劑形成的人工隔層可以有效控制裂縫高度延伸。利用壓裂裂縫監(jiān)測技術(shù)可以得到裂縫高度(圖 4)。可以看出,裂縫高度基本都在同一直線上,只有中間少數(shù)幾個位置出現(xiàn)了上竄,并且上竄幅度不大,基本沒有下竄現(xiàn)象出現(xiàn),表明采用人工隔層技術(shù)裂縫高度延伸得到了有效控制。

圖4 裂縫高度

5 結(jié) 論

(1)產(chǎn)層和隔層的水平地應(yīng)力差對裂縫垂向延伸的影響非常顯著,在蓋層和產(chǎn)層的應(yīng)力差從 -1 MPa升至 5 MPa的過程中,裂縫高度下降比較明顯,隔層對裂縫垂向延伸起到很好的控制作用。

(2)巖石物質(zhì)特性中斷裂韌性對裂縫縫高尺寸的影響不大。

(3)隨施工規(guī)模增大,裂縫高度增加,施工排量明顯影響裂縫尺寸,采用小排量施工可控制裂縫高度。不同壓裂液有不同的極限造縫能力,即當(dāng)其他參數(shù)不變時,施工規(guī)模達(dá)到一定程度后,繼續(xù)增加施工規(guī)模,裂縫尺寸增加量減小。

(4)總結(jié)出裂縫縫高的控制方法,即人工隔層控制縫高,利用施工排量、壓裂液黏度和密度控制裂縫高度。壓裂施工采用人工隔層控制縫高技術(shù)取得了明顯效果。

[1]Teufel L W,Clark J A.Hydraulic fracture propagation in layered rock:Experimental studies of fracture containment [C].SPE9878,1984:20-32.

[2]JeffreyR G.The combined effectsof fluid lag and fracture toughnesson hydraulic fracture propagation[C]. SPE18957,1988:269-276.

[3]郎兆新,張麗華,程林松 .壓裂水平井產(chǎn)能研究[J].石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,1994,18(2):43-46.

[4]TalbotDM.Stimulation fracture height control abovewater or depleted zones[C].SPE60318,2000:1-9.

[5]周文高,胡永全,等 .控制壓裂縫高技術(shù)研究及影響因素分析[J].斷塊油氣田,2006,13(4):70-72.

[6]胡永全,任書泉 .水利壓裂裂縫高度控制分析[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),1996,15(2):55-58.

[7]李勇明,李崇喜,郭建春 .砂巖氣藏壓裂裂縫高度影響因素分析[J].石油天然氣學(xué)報,2007,29(2):87-90.

[8]馬新仿,張士誠 .水力壓裂技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].河南石油,2002,16(1):44-47.

[9]崔建,張軍,王延民 .儲層裂縫預(yù)測方法研究 [J].重慶科技學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2005,10(1):5-8.

[10]丁一萍,等 .一種壓裂水平井產(chǎn)能計算方法 [J].特種油氣藏,2008,15(2):64-68.

編輯 王 昱

TE357.1

A

1006-6535(2010)03-0104-04

20091116;改回日期:20100115

中石化勝利油田分公司科研項目“低滲透油藏水平井壓裂工藝配套技術(shù)研究”部分內(nèi)容 (54-2008-js-00077)

曲占慶 (1963-),男,教授,博士,1986年畢業(yè)于中國石油大學(xué) (華東)石油工程專業(yè),現(xiàn)從事采油工程技術(shù)研究工作。