穆海林 劉興浩 劉江浩 陳艷輝 劉建中 蘇丹丹

（中國(guó)石油天然氣集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司）

近幾年，隨著頁(yè)巖氣和致密油等非常規(guī)領(lǐng)域改造技術(shù)和理念的進(jìn)步與革新，體積壓裂技術(shù)成為這類儲(chǔ)層的主流改造技術(shù)，是低滲、特低滲透儲(chǔ)層經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。能不能把非常規(guī)儲(chǔ)層體積壓裂的技術(shù)借鑒到致密砂巖儲(chǔ)層改造之中，實(shí)現(xiàn)對(duì)該類儲(chǔ)層“廣義”的體積改造而獲得最佳的改造效果呢？本文在非常規(guī)儲(chǔ)層體積壓裂技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)巴90井儲(chǔ)層改造的施工情況進(jìn)行實(shí)例分析，論證了非常規(guī)儲(chǔ)層體積壓裂技術(shù)在致密砂巖儲(chǔ)層改造應(yīng)用的可行性。

1.體積壓裂技術(shù)的發(fā)展與概念

1.1 水平井體積壓裂的發(fā)展歷程

致密油氣在國(guó)外發(fā)展較早，其中美國(guó)最具有代表性。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)致密氣勘探開(kāi)發(fā)率先獲得重大突破，并進(jìn)入快速發(fā)展階段，20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始研究水平井壓裂增產(chǎn)技術(shù)，最初是沿水平井段進(jìn)行籠統(tǒng)壓裂。2002年以后，隨著致密氣、頁(yè)巖氣、致密油等非常規(guī)油氣資源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)和水平井的大規(guī)模應(yīng)用，許多公司開(kāi)始嘗試水平井分段壓裂技術(shù)。在隨后的幾年里，微地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的提高和工廠化作業(yè)模式的日益成熟，壓裂段數(shù)越來(lái)越多，作業(yè)效率越來(lái)越高。2007年開(kāi)始，水平井分段壓裂技術(shù)成為非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)的主體技術(shù)，開(kāi)始在北美大規(guī)模應(yīng)用。

我國(guó)水平井體積壓裂技術(shù)起步較晚，2006年針對(duì)水平井分段改造進(jìn)行攻關(guān)，目前形成了雙封單卡壓裂技術(shù)、封隔器滑套分段壓裂技術(shù)和水力噴砂分段壓裂技術(shù)的三大主體技術(shù)。2008年中國(guó)石油開(kāi)始試驗(yàn)應(yīng)用縫網(wǎng)壓裂技術(shù)，2009年開(kāi)始試驗(yàn)應(yīng)用體積壓裂技術(shù)，2010年初步建立了體積壓裂技術(shù)體系。

1.2 體積壓裂的概念

體積壓裂指通過(guò)分段多簇射孔，借助多段壓裂工具，利用轉(zhuǎn)向材料，優(yōu)選液體黏度和支撐劑粒徑，優(yōu)化施工排量和加砂方式等合理組合的工藝方法，在形成一條或多條主裂縫的基礎(chǔ)上，繼續(xù)在主裂縫的側(cè)向強(qiáng)制形成次生裂縫、并在次生裂縫基礎(chǔ)上形成二級(jí)次生裂縫。以此類推，達(dá)到主裂縫和多級(jí)次生裂縫交織，一定量次的裂縫與儲(chǔ)層天然裂縫相溝通而形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層長(zhǎng)、寬、高三維方向的全面改造（圖1）。體積壓裂技術(shù)是在縫網(wǎng)壓裂的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它的核心理念是打碎儲(chǔ)層基質(zhì)，形成網(wǎng)絡(luò)裂縫，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層流體從基質(zhì)到裂縫的最短距離滲流，大幅度降低儲(chǔ)層基質(zhì)中油氣流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)壓差（圖2）。

圖1 水平井分段體積改造裂縫監(jiān)測(cè)圖

圖2 縫網(wǎng)壓裂裂縫形態(tài)示意圖

2 適合體積壓裂的儲(chǔ)層地質(zhì)條件

2.1 巖石脆性特征對(duì)形成網(wǎng)絡(luò)縫的影響

巖石的脆性特征通過(guò)脆性指數(shù)進(jìn)行表征。在美國(guó)頁(yè)巖氣藏大量實(shí)踐的基礎(chǔ)上，總結(jié)得出的適應(yīng)美國(guó)頁(yè)巖儲(chǔ)層的巖石脆性指數(shù)的兩種計(jì)算方法。

式中：

B—巖石脆性指數(shù)

Q—巖石石英含量

C—碳酸鹽礦物含量

L—黏土礦物含量

RICKMAN提出的巖石力學(xué)法：

式中：

Ε—楊氏模量

υ—泊松比

脆性儲(chǔ)層壓裂過(guò)程中可產(chǎn)生剪切破壞，在高排量施工時(shí)更易產(chǎn)生多級(jí)次生裂縫，儲(chǔ)層石英、碳酸巖等脆性礦物含量的高低決定儲(chǔ)層的脆性特征，是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層體積壓裂的物質(zhì)基礎(chǔ)。儲(chǔ)層巖石脆性越高，壓裂時(shí)其破裂形態(tài)復(fù)雜，其形成的網(wǎng)狀裂縫形態(tài)越復(fù)雜。

2.2 儲(chǔ)層裂縫發(fā)育情況對(duì)形成網(wǎng)絡(luò)縫的影響

圖3 水力裂縫與天然裂縫相交示意圖

在含天然裂縫儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造時(shí)，水力裂縫與天然裂縫會(huì)產(chǎn)生交互拓展 （圖3）。當(dāng)水力裂縫與天然裂縫平行時(shí)，天然裂縫在水力裂縫靠近過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力作用下，很可能出現(xiàn)剪切滑移，尤其是水平層理發(fā)育儲(chǔ)層，剪切滑移是主要反映方式。剪切應(yīng)力的急劇變化使得天然裂縫面很容易發(fā)生剪切破壞而形成次生裂縫。當(dāng)水力裂縫與天然裂縫呈60°相交時(shí)，產(chǎn)生剪切滑移的可能性較小，而當(dāng)水力裂縫與天然裂縫垂直相交的結(jié)果是水力裂縫直接穿過(guò)天然裂縫。同時(shí)，在含天然裂縫的儲(chǔ)層，σHmax-σHmin值較小，（σHmax－最大水平主應(yīng)力，σHmin－最小水平主應(yīng)力）。 壓裂施工中在裂縫延伸壓力作用下，更易發(fā)生轉(zhuǎn)向。

裂縫在含天然裂縫和水平層理發(fā)育的儲(chǔ)層延伸過(guò)程中產(chǎn)生剪切、滑移和轉(zhuǎn)向（圖4），能形成不完全閉合的網(wǎng)絡(luò)裂縫，所以儲(chǔ)層天然裂縫和水平層理發(fā)育是實(shí)現(xiàn)體積改造的前提。

圖4 裂縫剪切、滑移

2.3 水平應(yīng)力差異對(duì)形成網(wǎng)絡(luò)縫的影響

水平應(yīng)力差異通過(guò)水平應(yīng)力差異系數(shù)進(jìn)行表征，計(jì)算方法為：

（σHmax-σHmin）/σHmin

裂縫的延伸遵循能量最小原則，常規(guī)壓裂過(guò)程中，裂縫延伸方向受控的力學(xué)條件是:

σHmax+T＞P≥σHmin+T

P—裂縫延伸壓力

T—巖石抗張強(qiáng)度

當(dāng)P＞σHmax+T時(shí)，裂縫可擺脫水平應(yīng)力的束縛，改變延伸和擴(kuò)展方向。當(dāng)壓裂過(guò)程中，采用技術(shù)手段使裂縫延伸壓力的增加量△P＞σHmax-σHmin，就可以滿足裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向的力學(xué)條件。由此可知：當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)越小時(shí)，σHmax-σHmin越小，在壓裂施工中，裂縫越易發(fā)生轉(zhuǎn)向而形成網(wǎng)絡(luò)縫。

綜上所訴，網(wǎng)絡(luò)裂縫形成也需要儲(chǔ)層具備相應(yīng)的地質(zhì)條件，它包括巖石脆性特征、裂縫發(fā)育情況、水平應(yīng)力差異三個(gè)方面。在體積壓裂中，巖石脆性越大、微裂縫越發(fā)育、水平應(yīng)力差異越小，體積壓裂越容易形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。

3 體積壓裂的主要工藝技術(shù)措施

在儲(chǔ)層具備體積改造的地質(zhì)條件下，體積改造的技術(shù)關(guān)鍵是如何在致密儲(chǔ)層造縫和如何形成縫網(wǎng)。利用低黏度壓裂液通過(guò)高排量施工可對(duì)低孔低滲的致密儲(chǔ)層進(jìn)行充分造縫并產(chǎn)生次生裂縫，而形成縫網(wǎng)的關(guān)鍵是如何使裂縫延伸產(chǎn)生轉(zhuǎn)向。根據(jù)裂縫延伸受控力學(xué)的力學(xué)條件公式，在壓裂施工中通過(guò)提高裂縫延伸壓力，使△P＞σHmax-σHmin是裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向的必要條件。

3.1 利用應(yīng)力干擾提高裂縫延伸壓力

通過(guò)優(yōu)選裂縫發(fā)育、脆性特征強(qiáng)的井段進(jìn)行分段分簇射孔，進(jìn)行多點(diǎn)限流壓裂，降低井筒附近的壓力損失，同時(shí)利用段間、簇間壓裂時(shí)產(chǎn)生的縫間應(yīng)力干擾，提高裂縫延伸壓力，促使裂縫轉(zhuǎn)向，充分造縫而產(chǎn)生復(fù)雜縫網(wǎng)，最大限度提高儲(chǔ)層的改造體積（圖5）。對(duì)于體積改造而言，通過(guò)分段分簇射孔，多點(diǎn)限流，充分利用應(yīng)力干擾而迫使裂縫轉(zhuǎn)向、分叉產(chǎn)生次生裂縫是形成網(wǎng)絡(luò)裂縫的關(guān)鍵，而其它技術(shù)是裂縫產(chǎn)生轉(zhuǎn)向的輔助手段。

圖5 不同射孔方式壓裂效果示意圖

3.2 通過(guò)提高砂比或使用大粒徑支撐劑提高裂縫延伸壓力

壓裂施工過(guò)程中，通過(guò)提高砂比或使用大粒徑支撐劑，使支撐劑對(duì)已形成的水力裂縫進(jìn)行封堵，從而提高裂縫的延伸壓力，通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)的變化形成新的裂縫而實(shí)現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向。通過(guò)某井高砂比壓裂施工曲線圖（圖6）得知，該井通過(guò)長(zhǎng)時(shí)高砂比施工，后期在排量和砂比不變情況下，施工壓力由25 MPa上升至28 MPa，裂縫的延伸壓力上升3 MPa，后壓力下降至26 MPa，說(shuō)明新的裂縫被壓開(kāi)，成功實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

圖6 高砂比壓裂施工曲線

3.3 通過(guò)暫堵劑提高裂縫延伸壓力

壓裂施工過(guò)程中，實(shí)時(shí)向地層加入油溶性或水溶性暫堵劑，可配合支撐劑一同加入，對(duì)已形成的支撐裂縫進(jìn)行封堵，形成高應(yīng)力區(qū)，裂縫延伸壓力升高后壓開(kāi)新的裂縫，實(shí)現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向。通過(guò)束探1H井體積壓裂第一段施工曲線（圖7）可看出，加酸停泵后，在前置液段塞中加入油溶性暫堵劑，排量穩(wěn)定不變前提下，施工壓力由43 MPa上升至52 MPa，暫堵劑封堵效果明顯。

圖7 暫堵劑應(yīng)用壓裂施工曲線

3.4 利用人工遮擋提高裂縫延伸壓力

依據(jù)儲(chǔ)層改造的需要，需要控制裂縫的延伸方向。在壓裂施工過(guò)程中，實(shí)時(shí)向地層加入上浮劑或下沉劑，建立人工遮擋層，形成高應(yīng)力區(qū)域，提高裂縫在該區(qū)域的延伸壓力，迫使裂縫延伸產(chǎn)生轉(zhuǎn)向。該工藝最典型的是二次加砂工藝，通過(guò)一次加砂停泵后形成的高應(yīng)力支撐劑遮擋層，控制裂縫向上延伸，既可控制溝通下部?jī)?chǔ)（水）層，亦可提高儲(chǔ)層的縱向改造程度。該工藝實(shí)例分析可詳見(jiàn)本文巴90井實(shí)例分析。

4 非常規(guī)體積壓裂技術(shù)理念對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層改造的啟示

4.1 致密砂巖儲(chǔ)層的特點(diǎn)

致密砂巖儲(chǔ)層巖性非均質(zhì)性強(qiáng)，巖石類型主要由（長(zhǎng)石）巖屑砂巖、巖屑石英砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖、石英砂巖、中粒及細(xì)粒巖屑砂巖等巖石類型。因石英與長(zhǎng)石與脆性指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，從巖石成分分析，致密砂巖儲(chǔ)層巖石脆性指數(shù)較高。致密砂巖儲(chǔ)層破壞性成巖作用（膠結(jié)、壓實(shí)和充填作用）導(dǎo)致原生孔隙大量減少以及次生孔隙欠發(fā)育，只有局部發(fā)育裂縫，儲(chǔ)層物性差，表現(xiàn)為低孔低滲和特低孔特低滲的物性特征。從致密砂巖儲(chǔ)層的特點(diǎn)分析，脆性特征強(qiáng)，存在裂縫發(fā)育的致密砂巖儲(chǔ)層是適合通過(guò)體積壓裂技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層改造的。

4.2 常規(guī)壓裂經(jīng)典理論

常規(guī)壓裂是以線彈性斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，假設(shè)壓裂人工裂縫為張開(kāi)型，且沿井筒射孔層段形成雙翼對(duì)稱裂縫，以一條主裂縫實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的改善，它最大的制約是垂直主裂縫方向儲(chǔ)層的滲流能力未得到改善，即主裂縫的垂向上仍然是基質(zhì)向裂縫的“長(zhǎng)距離”滲流。

4.3 非常規(guī)體積壓裂理念對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層改造的啟示

致密砂巖儲(chǔ)層具備巖性致密、非均質(zhì)性強(qiáng)、層內(nèi)應(yīng)力差異大等特點(diǎn)，當(dāng)對(duì)多層進(jìn)行壓裂改造時(shí)，采用常規(guī)壓裂工藝進(jìn)行籠統(tǒng)壓裂往往對(duì)“差層”改造不徹底，達(dá)不到最佳的改造效果。雖然致密砂巖儲(chǔ)層并不完全具備體積壓裂的地質(zhì)條件，且受鄰層、隔層的影響，施工規(guī)模往往受到制約，不能進(jìn)行大排量的分段體積改造，但如果把體積壓裂的理念應(yīng)用于該類儲(chǔ)層、特別是多層、復(fù)雜巖性儲(chǔ)層的壓裂改造中，在確保有效縫長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，采用體積壓裂的技術(shù)手段，壓后形成多條主裂縫，同時(shí)控制裂縫延伸方向，優(yōu)化壓裂后裂縫形態(tài)，實(shí)現(xiàn)多主縫和微裂縫的溝通，最大限度提高儲(chǔ)層縱向剖面的動(dòng)用程度，實(shí)現(xiàn)“廣義”的體積改造，一定能夠提高壓裂改造的效果。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例分析

巴90井是位于內(nèi)蒙古錫盟東烏珠穆沁旗珠恩嘎達(dá)布其鎮(zhèn)177°方位12.9 km的一口探井，構(gòu)造位置為巴音都蘭凹陷北洼槽巴77x井東構(gòu)造-巖性圈閉。儲(chǔ)層深度：2354.2～2367.0 m，厚度12.8 m/1層，砂礫巖儲(chǔ)層，有效孔隙度平均5.45%，滲透率平均1.56 mD。

5.1 儲(chǔ)層地質(zhì)特點(diǎn)

儲(chǔ)層解釋雖為單層，但層內(nèi)巖性復(fù)雜，非均質(zhì)性強(qiáng)，取心分析，2362 m下部巖性較純，為細(xì)砂巖，上部為砂礫巖和凝灰?guī)r，微裂縫發(fā)育。測(cè)井曲線分析結(jié)合物性分析報(bào)告表明儲(chǔ)層上部含泥質(zhì)較重，非常致密，儲(chǔ)層上下巖性、物性差異大。應(yīng)力曲線分析（圖8），2362 m上部應(yīng)力值高，下部應(yīng)力值低，壓裂改造時(shí)，裂縫主要在下部延伸，儲(chǔ)層縱向改造難度很大。

圖8 巴90井應(yīng)力曲線

5.2 壓裂改造的針對(duì)性工藝技術(shù)措施

借鑒非常規(guī)儲(chǔ)層體積壓裂的理念，對(duì)巴90井壓裂改造的具體措施如下：

（1）射孔優(yōu)化。由于儲(chǔ)層是單層，無(wú)法進(jìn)行分段分簇射孔優(yōu)化，根據(jù)儲(chǔ)層的巖性和應(yīng)力分析，優(yōu)化射孔井段2355.0～2364.0 m，避免壓裂裂縫在下部?jī)?chǔ)層的過(guò)度延伸。

（2）采用清潔酸+胍膠復(fù)合壓裂模式。儲(chǔ)層巖心酸蝕實(shí)驗(yàn)證明儲(chǔ)層巖心溶蝕率較高，采用清潔酸+胍膠的復(fù)合壓裂方式進(jìn)行改造，提高壓后效果，優(yōu)化酸液配方為10%HCL+2%HF+3%多氫酸+2%VES+2%緩蝕劑+1%鐵穩(wěn)劑。

（3）壓裂改造采用二次加砂模式。第二次加砂利用第一次加砂停泵裂縫閉合后支撐劑形成的高應(yīng)力遮擋，逼迫裂縫產(chǎn)生轉(zhuǎn)向，向上延伸。

（4）壓裂液采用變濃度壓裂液。一次加砂采用常規(guī)壓裂液，優(yōu)化稠化劑濃度為0.45%，二次加砂采用低濃度壓裂液，優(yōu)化壓裂液濃度為0.35%。

（5）采用多級(jí)變排量施工。第一次加砂低排量起步，多級(jí)變排量施工，控制裂縫高度，造長(zhǎng)縫重點(diǎn)改造下部?jī)?chǔ)層，確保壓后的效果，優(yōu)化施工排量3.0～4.5 m3/min。第二次加砂采用低黏度壓裂液進(jìn)行高排量施工，突破上部應(yīng)力遮擋，充分改造上部致密儲(chǔ)層，最大限度的提高儲(chǔ)層縱向剖面的動(dòng)用程度，優(yōu)化施工排量為4.5～7.0 m3/min。

5.3 施工簡(jiǎn)況

2013年4月20日對(duì)巴90井進(jìn)行了復(fù)合壓裂施工，施工中注入互溶劑10 m3，清潔酸40 m3，隔離液25 m3，一次加砂破裂壓力29.04 MPa，施工加入20/40目陶粒23.46 m3，平均砂比24.02%，二次加砂破裂壓力36.21 MPa，施工加入20/40 目陶粒29.78 m3，平均砂比22.90%（圖9）。

5.4 壓后效果評(píng)價(jià)

（1）微地震裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

圖9 巴井壓裂施工曲線圖

從巴90井微地震裂縫監(jiān)測(cè)圖（圖10）及解釋成果表可以看出（表1），該井壓裂后形成西北—東南向和東北—西南向兩條主裂縫，兩條主裂縫融匯成縫網(wǎng)，縫網(wǎng)長(zhǎng)度360 m，縫網(wǎng)寬度330 m，儲(chǔ)層改造達(dá)到預(yù)期的效果。

圖10 巴90井微地震裂縫監(jiān)測(cè)圖

表1 巴90井微地震裂縫監(jiān)測(cè)成果表

（2）增產(chǎn)效果

巴90井壓前日產(chǎn)油0.69 m3，壓后日產(chǎn)油12.47 m3，乳化水1.48 m3，返排率24%，增產(chǎn)效果明顯。

6 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）巖石的脆性特征、裂縫發(fā)育情況及水平應(yīng)力差異是非常規(guī)儲(chǔ)層體積壓裂的三個(gè)地質(zhì)條件，巖石脆性越大、微裂縫越發(fā)育、水平應(yīng)力差異越小，體積壓裂越容易形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。

（2）分段分簇射孔、壓裂液黏度、施工排量、裂縫內(nèi)凈壓力是非常規(guī)儲(chǔ)層體積壓裂的主要工程因素，實(shí)施的關(guān)鍵如何通過(guò)以上工藝技術(shù)使裂縫產(chǎn)生剪切、滑移和轉(zhuǎn)向。

（3）致密砂巖儲(chǔ)層在應(yīng)用非常規(guī)儲(chǔ)層體積改造技術(shù)時(shí)要充分考慮儲(chǔ)層的地質(zhì)條件。

（4）應(yīng)用非常規(guī)儲(chǔ)層體積壓裂技術(shù)理念，致密砂巖儲(chǔ)層在進(jìn)行壓裂改造時(shí)，應(yīng)考慮如何在形成長(zhǎng)縫的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高儲(chǔ)層的縱向剖面的動(dòng)用程度，從而提高壓后效果。

（5）非常規(guī)儲(chǔ)層體積壓裂中分段、分簇射孔、使用低粘度壓裂液進(jìn)行高排量施工、裂縫轉(zhuǎn)向等核心技術(shù)應(yīng)用到脆性特征強(qiáng)、局部裂縫發(fā)育的致密砂巖儲(chǔ)層可以提高儲(chǔ)層改造的效果。

1 陳作，薛承瑾，蔣廷學(xué).頁(yè)巖氣井體積壓裂技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用建議[J].天然氣工業(yè)，2010，30（10）:30-32.

2 孫海成，湯達(dá)禎，蔣廷學(xué)，等.頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù)[J].油氣地質(zhì)與采收率，2011,18（4）：90-93,97.

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