劉 斌

（中國(guó)石化江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院采氣工藝研究所，湖北 武漢430035）

壓裂施工曲線圖通常由三條曲線組成，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，泵注壓力、施工排量、砂濃度曲線為縱坐標(biāo)曲線。三條曲線的核心是壓力曲線，它是施工過(guò)程中地下情況的直接反映。結(jié)合可控制的排量和砂比曲線，根據(jù)壓裂施工曲線中曲線特征就可以對(duì)施工情況、地層情況和裂縫特征做出判斷，為下步措施提供指導(dǎo)依據(jù)，保證施工安全順利進(jìn)行。

1 壓裂曲線特征

1.1 曲線關(guān)鍵點(diǎn)－破裂壓力和停泵壓力

1）破裂壓力。破裂壓力是地層破裂，裂縫開(kāi)啟的壓力。通過(guò)破裂壓力可以大致判斷地層的塑脆性，然后評(píng)估地層的可壓性。在壓裂施工曲線中，脆性地層有明顯破裂顯示，判斷地層破裂相對(duì)容易。對(duì)于塑性地層或者裂縫發(fā)育地層，判斷地層破裂相對(duì)較為困難?？傮w來(lái)說(shuō)，地層是否壓開(kāi)在曲線上有以下表征：①明顯破裂顯示：a.排量上升，泵壓迅速下降；b.排量上升，泵壓不變；c.排量不變，泵壓上升到一定值后迅速下降。②無(wú)明顯破裂顯示：泵壓隨排量的增加而增加。無(wú)明顯破裂顯示可能與地層的原生裂縫有關(guān)，從理論上講，一次破裂產(chǎn)生一條裂縫，多次破裂可能顯示多條裂縫。無(wú)明顯破裂顯示，并不是地層沒(méi)有形成裂縫，只能說(shuō)明：a.地層產(chǎn)生裂縫時(shí)所引起的泵壓或排量的變化在地面反映不明顯；b.地層位于斷層附近；c.地層微裂縫發(fā)育或?qū)儆谥貜?fù)壓裂層。

2）停泵壓力。停泵壓力能反映地層應(yīng)力的大小。通過(guò)停泵壓力能估算最小地應(yīng)力的上限值，而地層最小地應(yīng)力則直接影響裂縫形態(tài)。因此，可以根據(jù)最小地應(yīng)力對(duì)裂縫形態(tài)進(jìn)行初步的判斷（垂直、水平）。當(dāng)某區(qū)塊存在斷層屬于正斷層、逆斷層或者平移斷層中一種時(shí)，且最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和地層上覆垂向應(yīng)力大小存在較大差別時(shí)，在該區(qū)域施工產(chǎn)生裂縫的形態(tài)相對(duì)較為穩(wěn)定。通過(guò)壓裂施工曲線，可以對(duì)裂縫的形態(tài)（垂直縫或水平縫）進(jìn)行判斷。根據(jù)水力壓裂機(jī)理，裂縫總是在垂直于最小主應(yīng)力的平面內(nèi)延伸。當(dāng)?shù)叵氯S應(yīng)力狀態(tài)為σH＞σh＞σv時(shí)，裂縫為水平縫；當(dāng)水平方向任一應(yīng)力最小時(shí)，裂縫為垂直縫。

其判斷方法為：σmin上限＝Pc＋ρgH

式中：σmin上限－最小主應(yīng)力上限值，MPa；Pc－停泵壓力，MPa；ρ－頂替液密度，g／cm3；H－地層壓裂層段中部垂深，m。

當(dāng)σmin上限與σv（上覆應(yīng)力，梯度近似取22.6KPa／m）比值小于1時(shí)，裂縫為垂直縫；當(dāng)σmin上限與σv比值大于1時(shí)，裂縫為水平縫。

1.2 曲線核心－壓力趨勢(shì)線

壓力趨勢(shì)線是人為將加砂過(guò)程中段塞階段壓裂峰值（高點(diǎn)或者低點(diǎn)）連接起來(lái)的直線。由于lgP－lgt雙對(duì)數(shù)曲線圖（圖1）能反映裂縫在擴(kuò)展過(guò)程中的狀態(tài)，一般用于壓裂施工分析。

1）Ⅰ型曲線。曲線斜率較小，即上升速度非常緩慢，說(shuō)明裂縫受地層滲透性差、層薄的影響，在高度方向延伸受阻，沿水平方向延伸緩慢；

2）Ⅱ型曲線。壓力隨時(shí)間波動(dòng)較小，較為平穩(wěn)，可能是壓開(kāi)的新裂縫或天然微裂縫的張開(kāi)增加了濾失量，使得泵入的液體被濾失，達(dá)到了平衡狀態(tài)，縫長(zhǎng)得不到延伸；

3）Ⅲ型曲線。曲線斜率接近1，壓力的增量正比于泵入液體體積的增量，說(shuō)明支撐劑在縫內(nèi)存在嚴(yán)重的堵塞；

4）Ⅳ型曲線。說(shuō)明裂縫穿過(guò)低應(yīng)力層，在垂向上延伸，或者溝通了天然裂縫；

5）Ⅴ型曲線。與Ⅱ型曲線較為相似，但壓力曲線上下波動(dòng)一般由地層物性影響，說(shuō)明地層物性嚴(yán)重非均質(zhì)性。

圖1 lgP－lgt雙對(duì)數(shù)曲線圖

雖然lgP－lgt雙對(duì)數(shù)曲線圖能直接反映裂縫擴(kuò)展形態(tài)，但現(xiàn)場(chǎng)施工需要實(shí)施判斷和調(diào)整下部施工，lgP－lgt雙對(duì)數(shù)曲線需要處理，較為繁瑣，所以只能作為施工后續(xù)分析。由于P－t曲線（圖2）與lgP－lgt雙對(duì)數(shù)曲線存在一定相關(guān)度，因此選用壓力趨勢(shì)線能較好地判斷裂縫延伸擴(kuò)展情況。

圖2 壓裂施工曲線壓力趨勢(shì)線示意圖

1.3 曲線靈魂－壓力曲線實(shí)時(shí)斜率

壓力曲線實(shí)時(shí)斜率K是實(shí)時(shí)△P／△t的比值（圖3），間接反映液體（或者攜砂液）在裂縫中運(yùn)移的阻力，結(jié)合壓力高點(diǎn)狀況，可為下部加砂提供指導(dǎo)。

圖3 壓裂施工曲線壓力曲線實(shí)時(shí)斜率示意圖

斜率K值越大，曲線越陡，且壓力高點(diǎn)不回落，表明攜砂液在裂縫中運(yùn)移受阻。為了安全施工，下部可考慮降低砂比或者降低段塞攜砂液量。斜率K值越小，曲線變化較為平緩，待壓力高點(diǎn)回落后，可以繼續(xù)提高砂比進(jìn)行施工。

2 實(shí)例分析

2.1 施工簡(jiǎn)況

X井第八段壓裂3 551.5～3 593.0m（圖4）：注入酸液20m3、減阻水1 856.3m3、膠液275.00m3，總液量為2 151.3m3；加100目粉陶13.98m3、40／70 目砂43.1 5m3、30／50目砂7.93m3，加砂總量65.06m3，平均砂比7.85% ；施工泵壓78.2～79.4MPa，排量10.0～14.0m3／min，停泵壓力31.60MPa。

圖4 X井第八段壓裂施工曲線

2.2 曲線分析

X井第八段軌跡穿行于第5小層下部（圖5），巖性為高碳高硅頁(yè)巖。注酸排量1m3／min，壓力80MPa，無(wú)明顯破裂壓力，說(shuō)明濾失較大，微裂縫較為發(fā)育。從整體上看，100目粉陶的封堵打磨效果較為明顯，整個(gè)壓力趨勢(shì)線平緩向下，屬于Ⅳ型曲線；裂縫延伸擴(kuò)展較好，局部出現(xiàn)壓力“尖峰”，屬于Ⅲ型曲線。曲線斜率K值較大，說(shuō)明攜砂液在裂縫運(yùn)移過(guò)程中存在受阻，液體濾失過(guò)大，形成局部砂堵，隨著液體進(jìn)入，憋壓沖開(kāi)堵塞的支撐劑。為了降低下步施工風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)采取多打頂替液，待壓力回落后，降低攜砂液砂比進(jìn)行施工，順利結(jié)束本段施工。

圖5 X井第八段井眼軌跡穿行示意圖

假設(shè)地層壓裂層段垂深2 400m，上覆應(yīng)力梯度22.6KPa／m，壓裂液密度1.05g／cm3，估算最小地應(yīng)力的上限值σmin上限。由σmin上限＝Pc＋ρgh計(jì)算可得：σv＝54.2MPa，σmin上限＝56.3MPa，σmin上限／σv＝1.04＞1，理論上形成水平縫可能性較大，但由于σmin上限和σv較為接近，水平縫和垂直縫可能同時(shí)產(chǎn)生，形成較為復(fù)雜的裂縫。

3 結(jié)論

1）通過(guò)破裂壓力表征可以大致判斷地層的塑脆性，評(píng)估地層的可壓性。

2）利用停泵壓力能估算最小地應(yīng)力的上限值，從而預(yù)測(cè)裂縫形態(tài)（水平縫和垂直縫）。

3）根據(jù)理論分析的曲線類型來(lái)判斷裂縫的延伸情況、壓力趨勢(shì)線能較好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

4）根據(jù)壓力曲線實(shí)時(shí)斜率適時(shí)調(diào)整下部施工措施，以保證順利施工。

5）利用壓裂曲線特征分析指導(dǎo)X井第八段壓裂施工，適用有效。

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