周 祥，張士誠，鄒雨時，潘林華，柳凱譽，張 雄

(1．中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京102249;2．重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院頁巖氣分院，重慶400042;3．中石油長城鉆探 井下作業(yè)公司，北京102249;4．西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊830000)

20世紀(jì)末，美國將頁巖氣的勘探開發(fā)理念引入Bakken致密油藏區(qū)并獲得巨大成功，以此為突破，實現(xiàn)了以Bakken、Eagleford等致密區(qū)為代表的規(guī)?；_發(fā)，扭轉(zhuǎn)了美國多年石油產(chǎn)量下降的趨勢［1-2］。國內(nèi)學(xué)者通過分析美國頁巖氣開發(fā)的經(jīng)驗并借鑒相關(guān)理念，提出了“體積壓裂”的新概念。體積改造技術(shù)是指通過分段分簇射孔，高排量、大液量、低黏液體壓裂等技術(shù)，在產(chǎn)生主裂縫的同時，充分溝通天然裂縫和巖石層理，在主裂縫的側(cè)向形成分支裂縫，最終形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)一定空間范圍的充分改造［3］。目前，有關(guān)致密油藏的研究多集中于地質(zhì)特征和開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)［1-5］，而關(guān)于致密油藏裂縫擴展和產(chǎn)能方面的數(shù)值模擬研究相對較少。深入和細化研究致密油藏水平井體積壓裂裂縫擴展規(guī)律和產(chǎn)能變化規(guī)律對現(xiàn)場施工工藝的選擇和施工參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計有重要的指導(dǎo)作用。

1 裂縫擴展形態(tài)的影響因素

1．1 地質(zhì)因素

巖石礦物組成影響巖石的力學(xué)特性，繼而影響水力裂縫擴展路徑。黏土礦物含量增加，巖石脆性減弱，不利于儲層的壓裂改造;隨著碳酸鹽含量的增加，巖石顯示中等脆性;石英成分含量較高且鈣質(zhì)充填天然裂縫發(fā)育的儲層脆性較強，水力壓裂時易于形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)［6-7］。儲層最大/最小水平主應(yīng)力差是體積壓裂能否形成復(fù)雜裂縫的重要影響因素。應(yīng)力差越小，與水力裂縫相遇的天然裂縫越容易被開啟，主裂縫兩側(cè)越容易產(chǎn)生次生裂縫，更有利于形成復(fù)雜裂縫;應(yīng)力差越大，水力裂縫遇上天然裂縫時越易于穿過天然裂縫，沿最大主應(yīng)力方向擴展［8-9］。充填的天然裂縫是力學(xué)上的薄弱環(huán)節(jié)，水力裂縫開啟并溝通天然裂縫有助于形成復(fù)雜縫網(wǎng)。因此，天然裂縫的性質(zhì)和發(fā)育程度對體積壓裂有重要影響。天然裂縫性質(zhì)包括天然裂縫尺寸、方位和巖石密度及力學(xué)特性(摩擦系數(shù)、黏聚力)。研究表明:當(dāng)天然裂縫與水力裂縫夾角較小(小于30°)時，水力裂縫容易開啟天然裂縫并發(fā)生轉(zhuǎn)向;當(dāng)兩者夾角較大(大于60°)時，水力裂縫容易穿過天然裂縫;當(dāng)兩者夾角為中等(介于30°～60°)時，低應(yīng)力差條件下易開啟天然裂縫并發(fā)生轉(zhuǎn)向，高應(yīng)力差條件下易穿過天然裂縫［10］。天然裂縫摩擦系數(shù)或黏聚力降低，天然裂縫更容易開啟，水力裂縫形態(tài)由平面縫趨向復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)［11］。

1．2 工程因素

儲層地質(zhì)條件是體積壓裂能否成功的基礎(chǔ)，而適配的壓裂工藝和施工參數(shù)是體積壓裂成功的保障。國內(nèi)外研究和經(jīng)驗表明:形成復(fù)雜裂縫的有利條件是大排量、大液量、低黏度壓裂液和低砂比。對于同一地層，泵注排量與縫內(nèi)凈壓力呈正比，凈壓力升高有利于提高裂縫的復(fù)雜性［12］;增大壓裂液量能增大儲層的改造體積;低黏度壓裂液有利于增加裂縫的復(fù)雜性，但是攜砂性能變差;混合壓裂液體系結(jié)合小粒徑支撐劑能兼顧增加裂縫復(fù)雜程度和改善壓后裂縫網(wǎng)絡(luò)的有效性［13］。另外，同步壓裂、重復(fù)壓裂以及改變壓裂順序等技術(shù)都有助于擴大改造區(qū)域，增強改造效果。

2 裂縫擴展模擬分析

基于復(fù)雜裂縫擴展模擬軟件，對體積壓裂裂縫擴展情況展開了模擬分析。模型中巖石變形是基于線彈性斷裂理論，巖石破裂遵循最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則和摩爾庫倫準(zhǔn)則，考慮了裂縫－塊體系統(tǒng)的滲流應(yīng)力耦合，采用有限元和離散元的混合方法求解。能模擬不同巖石力學(xué)參數(shù)、就地應(yīng)力、天然裂縫性質(zhì)、施工排量和壓裂液黏度等關(guān)鍵參數(shù)對裂縫擴展的影響［14］。為了模擬不同儲層條件下體積壓裂裂縫擴展情況，以紅崗油田扶余儲層和長7致密砂巖儲層主要地質(zhì)參數(shù)為基本輸入?yún)?shù)展開了模擬分析(表 1)。

表1 扶余和長7致密砂巖儲層巖石力學(xué)性質(zhì)Tab．1 Mechanic properties of Fuyu and Chang 7 tight sandstone reservoirs

2．1 紅崗扶余儲層裂縫擴展模擬結(jié)果

紅崗扶余儲層代表高水平主應(yīng)力差和天然裂縫欠發(fā)育儲層。共設(shè)計了3組方案，方案一(圖1(a))，天然裂縫主要以高角度縫存在，與最大主應(yīng)力夾角為0 ～15°，天然裂縫密度為0．03 m/m2，單級4簇射孔，簇間距20 m，施工排量為12 m3/min。方案二中改變天然裂縫性質(zhì)，天然裂縫密度設(shè)定為0．06 m/m2，角度設(shè)定為15 ～30°(圖 1(b))，方案三天然裂縫密度0．06 m/m2，角度15～30°，簇間距 15 m，共5簇射孔(圖1(c))。對比方案一和方案二可知，高水平主應(yīng)力差條件下，天然裂縫密度和角度較低時，水力裂縫趨向于平面縫;隨著裂縫密度及角度的增加，裂縫復(fù)雜性增強，改造效果增強。更大的天然裂縫密度和角度增加了其與水力裂縫相遇的概率，且增強了水力裂縫局部范圍內(nèi)轉(zhuǎn)向的可能性，所形成裂縫更復(fù)雜。由方案二和方案三的模擬結(jié)果可知，水平主應(yīng)力差較大條件下，單級段長固定時，簇間距減小，簇數(shù)增加，裂縫改造體積增加。由于水平主應(yīng)力差大(10 MPa)，足以抵消縫間應(yīng)力干擾對裂縫擴展路徑的影響，水力裂縫穿過天然裂縫，仍沿最大主應(yīng)力方向擴展，所以五簇射孔比四簇射孔能更大程度改造儲層。

圖1 高地應(yīng)力差下裂縫擴展模擬(10 MPa)Fig．1 Fracture propagation simulation results under high formation stress difference

2．2 長7致密砂巖儲層裂縫擴展模擬結(jié)果

長7致密砂巖儲層代表低水平主應(yīng)力差和天然裂縫發(fā)育類儲層。對比分析了3種方案，方案一天然裂縫與最大主應(yīng)力夾角為0～30°，天然裂縫密度為0．12 m/m2，單級4簇射孔，簇間距20 m，施工排量為12 m3/min(圖2(a));方案二天然裂縫密度為0．14 m/m2，角度為 0 ～30°，簇間距 20 m，4 簇射孔(圖2(b));方案三天然裂縫密度為0．12 m/m2，角度為0～30°，簇間距15 m，5簇射孔(圖2(c))。由模擬結(jié)果可知，低水平主應(yīng)力差條件下，裂縫密度越大，網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜。由于儲層就地應(yīng)力差小，在應(yīng)力干擾作用下，縫間的天然裂縫更易被激活，水力裂縫容易沿天然裂縫擴展發(fā)生轉(zhuǎn)向甚至合并，當(dāng)單級段長固定時，簇間距的減小將導(dǎo)致合并轉(zhuǎn)向更嚴(yán)重，最終減小改造體積。所以簇間距20 m比15 m時效果更佳。

圖2 低地應(yīng)力差下裂縫擴展模擬(3 MPa)Fig．2 Fracture propagation simulation results under low formation stress difference

對比紅崗儲層與長7儲層裂縫擴展結(jié)果，低水平主應(yīng)力差天然裂縫發(fā)育類致密砂巖儲層，具有良好的體積壓裂先天基礎(chǔ)，壓后裂縫網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，改造效果更顯著。這類地層簇間距不宜太小，否則應(yīng)力干擾太強而降低裂縫復(fù)雜性。高水平應(yīng)力差天然裂縫欠發(fā)育致密儲層，先天地質(zhì)條件不利于縫網(wǎng)的形成，這類地層減小簇間距有利于增強體積壓裂效果。簇間距的設(shè)定除了要從力學(xué)角度考慮其對裂縫擴展的影響，還應(yīng)從產(chǎn)能角度分析與優(yōu)化，從而獲得最佳經(jīng)濟效益。

3 產(chǎn)能變化規(guī)律數(shù)值模擬

基于紅崗油田扶余致密砂巖儲層流體物性和地層數(shù)據(jù)，建立了水平井體積壓裂理論數(shù)值模型，模擬衰竭式開發(fā)2 a產(chǎn)能的變化規(guī)律。儲層埋深2 200 m，有效厚度6 m，地層壓力20．3 MPa，滲透率0．1 ×10－3μm2，孔隙度9%，水平段長850 m，壓裂10級，單級4簇射孔，水平井方向沿最小主應(yīng)力方向。體積壓裂形成的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)采用離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型模擬，用等效滲流阻力法和局部網(wǎng)格加密技術(shù)對裂縫網(wǎng)絡(luò)進行處理，見圖3。

圖3 水平井體積壓裂產(chǎn)能預(yù)測模型Fig．3 Productivity forecasting model of volume fracturing horizontal well

3．1 改造體積對產(chǎn)能的影響

縫網(wǎng)的改造體積一般定義為縫網(wǎng)長度、寬度和高度的乘積?？紤]到實際施工時，改造井水平段長度和儲層厚度是一定的，即縫網(wǎng)寬度和高度不變，改造體積因縫網(wǎng)長度不同而有差異，如圖4，改造體積分別為 102 ×104m3、119 ×104m3、136 ×104m3、153 ×104m3，增幅分別為 16．7%、33．3% 和 50．0%，相應(yīng)的累產(chǎn)油增幅分別為10．6%、20．9%和31．1%。致密儲層滲透率低，體積壓裂后改造區(qū)域內(nèi)流體運移至裂縫的距離大大縮短，滲流能力極大提高，而未改造區(qū)域滲流阻力仍然很大，產(chǎn)能貢獻主要來自于改造區(qū)域，產(chǎn)能與改造體積呈正相關(guān)。但是考慮到經(jīng)濟效益問題，更大的改造體積需要更多的人工成本和材料成本。因此，改造體積不是越大越好，需結(jié)合凈收益進行優(yōu)化。

圖4 改造體積對產(chǎn)能的影響Fig．4 Effect of SRV on productivity of horizontal well

3．2 導(dǎo)流能力對產(chǎn)能的影響

水力裂縫是致密儲層生產(chǎn)的主要滲流通道，其導(dǎo)流能力的大小對產(chǎn)能影響很顯著。國外學(xué)者［15］模擬體積壓裂縫網(wǎng)導(dǎo)流能力時有2種方法，其一是支撐劑均勻分布，即主裂縫和次裂縫導(dǎo)流能力相同;其二是支撐劑主體分布在主裂縫中，主裂縫導(dǎo)流能力較高，次裂縫因剪切錯位自支撐或是支撐劑局部支撐具有一定導(dǎo)流能力。本文中采用第二種方法，次裂縫導(dǎo)流能力假定為主裂縫的1/50［16］。圖5為導(dǎo)流能力對致密砂巖儲層水平井產(chǎn)能的影響，導(dǎo)流能力從10 μm2·cm 增加至20 μm2·cm，產(chǎn)能提高了6．4%，而從 20 μm2·cm 增加至 30 μm2·cm，產(chǎn)能提高了 2．3%，從 30 μm2·cm 增加至 40 μm2·cm，產(chǎn)能僅提高了1．3%。由于儲層滲透率很低，滲流阻力大，當(dāng)水力裂縫導(dǎo)流能力大于20 μm2·cm后繼續(xù)增加導(dǎo)流能力值對產(chǎn)能的貢獻不明顯。所以，對于致密儲層，水力裂縫導(dǎo)流能力達到一定水平即可，需從其他方面如裂縫密度、改造體積著手，綜合考慮提高產(chǎn)量。

圖5 裂縫導(dǎo)流能力對產(chǎn)能的影響Fig．5 Effect of fracture seepage capacity on productivity of horizontal well

3．3 次裂縫對產(chǎn)能的影響

水平井體積壓裂后會在主裂縫周邊產(chǎn)生大量次生裂縫，筆者定量研究了不同地層滲透率條件下次生裂縫對水平井產(chǎn)能的貢獻程度。次裂縫導(dǎo)流能力仍假定為主裂縫導(dǎo)流能力的1/50，模擬地層滲透率分別為0．001 ×10－3μm2、0．005 ×10－3μm2、0．01 ×10－3μm2、0．05 ×10－3μm2、0．1 ×10－3μm2，主裂縫導(dǎo)流能力從 10 μm2·cm 增加至 50 μm2·cm。模擬結(jié)果如圖6所示，隨著地層滲透率的增加，次生裂縫對水平井產(chǎn)能的貢獻程度逐漸減小;不同裂縫導(dǎo)流能力條件下，次裂縫對產(chǎn)能貢獻的程度非常接近。當(dāng)?shù)貙訚B透率為 0．001×10－3μm2、主裂縫導(dǎo)流能力為10 μm2·cm時，次裂縫對產(chǎn)能貢獻程度為28．98%;而當(dāng)?shù)貙訚B透率為 0．1 ×10－3μm2時，次生裂縫對產(chǎn)能的貢獻程度為16．39%。因此，地層滲透率越低，次生裂縫對產(chǎn)能的貢獻程度越高，施工設(shè)計時應(yīng)以更大程度改造目標(biāo)區(qū)為目標(biāo)。

圖6 次裂縫對產(chǎn)能貢獻的比重Fig．6 Contribution of induced fracture to productivity of horizontal well

3．4 簇間距對產(chǎn)能的影響

如前所述，水力裂縫擴展時，附近的應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生改變，距離水力裂縫越近的區(qū)域，應(yīng)力狀態(tài)改變越大。應(yīng)力狀態(tài)的改變將會影響裂縫擴展軌跡，從而影響體積壓裂效果;另一方面，水平井投入生產(chǎn)后，各裂縫的壓力波會相互干擾，從而影響產(chǎn)能。為研究簇間距對不同致密儲層產(chǎn)能的影響，對比分析了3 種地層滲透率 0．1 ×10－3μm2、0．01 ×10－3μm2、0．001 ×10－3μm2，簇間距分別為 15 m、20 m和30 m(對應(yīng)單級5簇、4簇和3簇)時的產(chǎn)能變化。模擬結(jié)果見圖7。各方案采用相同的施工液量，簇數(shù)少時，半縫長較大，裂縫密度較小;簇數(shù)多時，半縫長較短，裂縫密度較大。通過對比可知，投產(chǎn)初期，射孔簇間距越小，裂縫越密對應(yīng)的產(chǎn)能越大;隨著生產(chǎn)的進行，不同滲透率的地層生產(chǎn)規(guī)律出現(xiàn)差異。當(dāng)?shù)貙訚B透率為0．1×10－3μm2時，單級3簇射孔，簇間距為30 m對應(yīng)的產(chǎn)能最大;當(dāng)?shù)貙訚B透率為0．001×10－3μm2時，生產(chǎn)540 d之前，單級 5簇射孔，簇間距為15 m對應(yīng)的產(chǎn)能最大，540 d以后，4簇射孔對應(yīng)的產(chǎn)能最高;當(dāng)?shù)貙訚B透率為0．01×10－3μm2時，生產(chǎn)270 d之前，4簇射孔產(chǎn)能更佳，而270 d之后，3簇射孔產(chǎn)能最大。地層滲透率較高時，壓力傳播較快，縫間壓力干擾明顯，裂縫密度不宜過大，較少的射孔簇數(shù)有利于提高產(chǎn)能;地層滲透率較低時，壓力傳播較慢，壓力干擾不顯著，此時增大裂縫密度有利于提高產(chǎn)能。

圖7 簇間距對產(chǎn)能的影響Fig．7 Effect of cluster spacing on productivity of horizontal well

4 結(jié)論

(1)體積壓裂的效果受儲層地質(zhì)條件和工程因素的雙重影響，應(yīng)充分了解儲層地質(zhì)特點，針對性地制定合理的施工方案。

(2)就地應(yīng)力差越小，天然裂縫越發(fā)育，越有利于提高裂縫網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。對于低地應(yīng)力差天然裂縫發(fā)育的致密儲層，簇間距不宜太小，否則應(yīng)力干擾太強而降低裂縫復(fù)雜性;對于高地應(yīng)力差天然裂縫欠發(fā)育致密儲層，應(yīng)力干擾對裂縫擴展軌跡的影響有限，宜減小簇間距以增強體積改造效果。

(3)紅崗儲層中，水平井產(chǎn)能隨改造體積增大而增加，考慮到經(jīng)濟效益，改造體積存在最優(yōu)值。裂縫導(dǎo)流能力增大有利于提高單井產(chǎn)能，但是當(dāng)導(dǎo)流能力超過20 μm2·cm時，繼續(xù)增大導(dǎo)流能力產(chǎn)能增幅有限。當(dāng)儲層滲透率大于0．01×10－3μm2時，較大的簇間距(30 m)能減弱縫間壓力干擾，保持較高產(chǎn)能;當(dāng)儲層滲透率小于0．01×10－3μm2時，壓力傳播速度慢，壓力干擾相對較弱，較小的簇間距(15 m)有利于獲得較高的產(chǎn)能。

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