趙振峰 唐梅榮 王成旺

中國(guó)石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院, 陜西 西安 710018

0 前言

在低滲透油氣藏非均質(zhì)厚儲(chǔ)層的開發(fā)過程中,采用傳統(tǒng)集中射孔壓裂技術(shù)開發(fā)效果不明顯,裂縫模擬及監(jiān)測(cè)表明:儲(chǔ)層縱向難以動(dòng)用,改造效果有待提高。近年來針對(duì)致密厚層采用多級(jí)射孔壓裂的增產(chǎn)改造手段,取得了較好的試油效果[1-3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞裂縫延伸機(jī)理開展了大量研究,研究表明層間彈性模量差[4-5]、層間應(yīng)力差[6-10]、巖性差異[11]及施工情況[10-12]影響了水力壓裂裂縫的擴(kuò)展。大量物理模擬實(shí)驗(yàn)在分析裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響因素時(shí)并未充分考慮真實(shí)厚儲(chǔ)層的非均質(zhì)性程度,同時(shí)對(duì)多級(jí)射孔分段壓裂的增產(chǎn)機(jī)理及增產(chǎn)效果的闡述不夠詳盡[10,13-20]。因此本文結(jié)合某油田真實(shí)儲(chǔ)層非均質(zhì)條件,以裂縫與儲(chǔ)層接觸面積為指標(biāo),自主設(shè)計(jì)并開展了常規(guī)集中射孔壓裂與多級(jí)射孔分段壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn),研究了常規(guī)集中射孔壓裂與多級(jí)射孔分段壓裂兩種不同改造方式條件下的裂縫擴(kuò)展規(guī)律及增產(chǎn)機(jī)理。本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果為解釋多級(jí)射孔壓裂增產(chǎn)機(jī)理、論證理論研究、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工提供參考。

1 試樣準(zhǔn)備及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

在模擬某油田實(shí)際儲(chǔ)層條件下多級(jí)射孔分段壓裂過程時(shí),需要根據(jù)力學(xué)參數(shù)相似、地應(yīng)力相似、幾何參數(shù)相似、排量相似原理計(jì)算出多級(jí)射孔分段壓裂實(shí)驗(yàn)室物理模型參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)驗(yàn)室物理模型參數(shù)與儲(chǔ)層參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)室物理模型參數(shù)與儲(chǔ)層參數(shù)對(duì)應(yīng)表

參數(shù)名稱實(shí)驗(yàn)室模型參數(shù)儲(chǔ)層參數(shù)參數(shù)名稱實(shí)驗(yàn)室模型參數(shù)儲(chǔ)層參數(shù)彈性模量/GPa13/17.315/20模型高/m0.630泊松比0.210.21模型長(zhǎng)/m0.3無限大抗張強(qiáng)度/MPa4.2/5.24.2/5.2模型寬/m0.3無限大地應(yīng)力/MPa8-9-1132-36-45排量/(mL·min-1)306×106

為了獲得能夠模擬實(shí)際儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)的巖樣,首先開展了不同配方條件下巖石試樣制備及其力學(xué)性能測(cè)試。以水泥、石膏、細(xì)石英砂為骨料,按不同比例配方制備試樣模擬材料,將每種比例的澆鑄塊制備成Φ 25 mm×50 mm的圓柱形巖心試樣并進(jìn)行相關(guān)力學(xué)測(cè)試,使模擬材料的強(qiáng)度、彈性模量及泊松比接近實(shí)際地層,最終確定水泥和石英砂的比例為1∶2和1∶1.88。試樣測(cè)試結(jié)果為:抗張強(qiáng)度4.2 MPa、彈性模量13 GPa、泊松比0.21和抗張強(qiáng)度5.2 MPa、彈性模量17.3 GPa、泊松比0.21共兩組配方。

其次,按照所獲得的配方制備水泥并利用實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呒庸ぶ苽洳煌愋湍M巖樣。對(duì)于均質(zhì)巖樣的制備,直接用配置好的水泥砂漿澆鑄,澆鑄過程見圖1。對(duì)于非均質(zhì)巖樣的制備,需要將不同層位進(jìn)行分隔,避免不同類型水泥砂漿混合,因此加工了相應(yīng)的隔板,在模具不同空間內(nèi)灌注不同的水泥砂漿,澆鑄過程見圖2。澆鑄完成后,使用橡皮錘敲打模具四周,排出氣泡。凝固24 h后,拆除模具,對(duì)試樣澆水并用塑料膜包裹,進(jìn)行一周時(shí)間的養(yǎng)護(hù),以保證模擬材料有最好的效果。

圖1 均質(zhì)巖樣制備模具

圖2 兩層非均質(zhì)巖樣制備模具

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

為了研究非均質(zhì)厚儲(chǔ)層多級(jí)射孔分段壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律及增產(chǎn)機(jī)理，共設(shè)計(jì)了6組物理模擬實(shí)驗(yàn)方案。

1.2.1 方案1

均質(zhì)模型+集中射孔+籠統(tǒng)注入。模擬射孔距離上邊界13.5 cm、射孔段長(zhǎng)度3 cm、距離下邊界13.5 cm、射孔相位90度、射孔孔徑0.3 cm、射孔深度2.5 cm、孔間距離0.25 cm。采用籠統(tǒng)注入方式+注入速度30 mL/min+注入液體總量2.0 L+觀察裂縫擴(kuò)展規(guī)律并測(cè)量擴(kuò)展面積。

1.2.2 方案2

均質(zhì)模型+兩級(jí)射孔+籠統(tǒng)注入。模擬射孔距離上邊界9 cm、射孔段長(zhǎng)度1.5 cm、中間隔層距離9 cm、射孔段長(zhǎng)度1.5 cm、距離下邊界9 cm、射孔相位90度、射孔孔徑0.3 cm、射孔深度2.5 cm、孔間距離0.25 cm。采用籠統(tǒng)注入方式+注入速度30 mL/min+注入液體總量2.0 L+觀察裂縫擴(kuò)展規(guī)律并測(cè)量擴(kuò)展面積。

1.2.3 方案3

非均質(zhì)模型+兩級(jí)射孔+籠統(tǒng)注入。模型上下兩層彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度不同,采用兩級(jí)射孔,模擬射孔距離上邊界9 cm、射孔段長(zhǎng)度1.5 cm、中間隔層距離9 cm、射孔段長(zhǎng)度1.5 cm、距離下邊界9 cm、射孔相位90度、射孔孔徑0.3 cm、射孔深度2.5 cm、孔間距離0.25 cm。采用籠統(tǒng)注入方式+注入速度30 mL/min+注入液體總量2.0 L+觀察裂縫擴(kuò)展規(guī)律并測(cè)量擴(kuò)展面積。

1.2.4 方案4

非均質(zhì)模型+兩級(jí)射孔+分段注入。模型上下兩層彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度不同,采用兩級(jí)射孔,模擬射孔距離上邊界9 cm、射孔段長(zhǎng)度1.5 cm、中間隔層距離9 cm、射孔段長(zhǎng)度1.5 cm、距離下邊界9 cm、射孔相位90度、射孔孔徑0.3 cm、射孔深度2.5 cm、孔間距離0.25 cm。采用分段注入方式+注入速度30 mL/min+注入液體總量2.0 L+觀察裂縫擴(kuò)展規(guī)律并測(cè)量擴(kuò)展面積。

1.2.5 方案5

非均質(zhì)模型+三級(jí)射孔+籠統(tǒng)注入。模型上下兩層彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度不同,采用三級(jí)射孔,模擬射孔距離上邊界6.75 cm、射孔段長(zhǎng)度1.0 cm、中間隔層距離6.75 cm、射孔段長(zhǎng)度1.0 cm、中間隔層距離6.75 cm、射孔段長(zhǎng)度1.0 cm、距離下邊界6.75 cm、射孔相位30度、射孔孔徑0.3 cm、射孔深度2.5 cm、孔間距離0.25 cm。采用籠統(tǒng)注入方式+注入速度30 mL/min+注入液體總量2.0 L+觀察裂縫擴(kuò)展規(guī)律并測(cè)量擴(kuò)展面積。

1.2.6 方案6

非均質(zhì)模型+三級(jí)射孔+分段注入。模型上下兩層彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度不同,采用三級(jí)射孔,模擬射孔距離上邊界6.75 cm、射孔段長(zhǎng)度1.0 cm、中間隔層距離6.75 cm、射孔段長(zhǎng)度1.0 cm、中間隔層距離6.75 cm、射孔段長(zhǎng)度1.0 cm、距離下邊界6.75 cm、射孔相位90度、射孔孔徑0.3 cm、射孔深度2.5 cm、孔間距離0.25 cm。采用分段注入方式+注入速度30 mL/min+注入液體總量2.0 L+觀察裂縫擴(kuò)展規(guī)律并測(cè)量擴(kuò)展面積。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 集中與多級(jí)射孔裂縫擴(kuò)展對(duì)比

對(duì)比分析圖3～4可知，兩級(jí)射孔籠統(tǒng)壓裂方式比集中射孔籠統(tǒng)壓裂方式的裂縫面積更大,因此同等條件下兩級(jí)射孔籠統(tǒng)壓裂比集中射孔籠統(tǒng)壓裂增產(chǎn)效果更好。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)多級(jí)射孔籠統(tǒng)壓裂時(shí)縱向應(yīng)力均質(zhì)情況下,巖石在射孔位置同時(shí)起裂,產(chǎn)生的兩條裂縫在垂直方向同時(shí)擴(kuò)展,擴(kuò)展的裂縫會(huì)在裂縫尖端周圍產(chǎn)生局部應(yīng)力,從而彼此干擾,所以會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜裂縫情況。

a) 集中射孔管柱

b) 籠統(tǒng)壓裂效果

a) 兩級(jí)射孔管柱

b) 籠統(tǒng)壓裂效果

2.2 籠統(tǒng)與分段壓裂裂縫擴(kuò)展對(duì)比

圖5為非均質(zhì)模型+兩級(jí)射孔+籠統(tǒng)注入條件裂縫擴(kuò)展及裂縫面積情況。圖6為非均質(zhì)模型+兩級(jí)射孔+分段注入條件裂縫擴(kuò)展及裂縫面積情況。圖7為非均質(zhì)模型+三級(jí)射孔+籠統(tǒng)注入條件裂縫擴(kuò)展及裂縫面積情況。圖8為非均質(zhì)模型+三級(jí)射孔+分段注入條件裂縫擴(kuò)展及裂縫面積情況。

a) 兩級(jí)射孔管柱

b) 籠統(tǒng)壓裂效果

a) 兩級(jí)射孔管柱

b) 分段壓裂效果

a) 三級(jí)射孔管柱

b) 籠統(tǒng)壓裂效果

a) 三級(jí)射孔管柱

b) 分段壓裂效果

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1)本文設(shè)計(jì)并開展了定點(diǎn)多級(jí)壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)研究,通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M,觀測(cè)和分析了致密儲(chǔ)層常規(guī)射孔壓裂、多級(jí)射孔籠統(tǒng)壓裂和多級(jí)射孔分段壓裂裂縫的起裂和擴(kuò)展特征,從實(shí)驗(yàn)角度直觀論證定點(diǎn)多級(jí)壓裂增產(chǎn)機(jī)理。

2)在籠統(tǒng)壓裂方式條件下,分級(jí)射孔比集中射孔獲得的裂縫面積更大,壓裂增產(chǎn)效果更好。在施工規(guī)模和射孔級(jí)數(shù)相同條件下,非均質(zhì)儲(chǔ)層多級(jí)射孔分段壓裂比籠統(tǒng)壓裂獲得的裂縫面積大,即多級(jí)射孔分段壓裂比籠統(tǒng)壓裂效果好。在施工規(guī)模和注入方式相同條件下,射孔級(jí)數(shù)越多,裂縫越復(fù)雜,裂縫與儲(chǔ)層接觸面積越大,壓裂效果越好。

3)針對(duì)低滲透非均質(zhì)厚儲(chǔ)層而言,基于多級(jí)射孔壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律及增產(chǎn)機(jī)理,推薦采用多級(jí)射孔、分段注入方式進(jìn)行壓裂。