盧軍凱，姚丹丹，汪 濤，羅 成，顏 菲，王 倩

(1.中國石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院，唐山 063000；2.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 100000)

中國致密油資源非常豐富，分布范圍廣，主要集中在準噶爾盆地二疊系、鄂爾多斯盆地三疊系、四川盆地侏羅系、松遼盆地白堊系、渤海灣盆地古近系、柴達木盆地新近系地層[1]。但針對致密油的開發(fā)還處于起步階段，主要以水平井體積壓裂為主，近年來注水和CO2吞吐，暫堵重復(fù)壓裂等方式也被運用到致密儲層的開發(fā)中來[2-4]，但還是面臨著地層能量補充困難、產(chǎn)量遞減迅速的困難[5-7]，需要進一步了解致密儲層巖石在開展水力壓裂過程中的破壞特征。中外學者針對不同巖性的巖石開展了大量水力壓裂物理模擬實驗[8-11]，研究了影響水力裂縫擴展的主要因素。其中，天然裂縫作為重要的滲流通道，同時也對水力裂縫的擴展行為有很大影響，膠結(jié)脆弱的層理縫極易伴隨著橫切縫的產(chǎn)生而大量開裂[12]，增加壓裂后裂縫網(wǎng)絡(luò)的密度。在水力壓裂過程中，天然裂縫尖端附近會發(fā)育許多待破裂區(qū)，即斷裂過程區(qū)[13-15]，在宏觀裂縫形成前產(chǎn)生微裂隙，此區(qū)域會最終影響水力裂縫的起裂和初始擴展方向。針對天然裂縫對水力裂縫擴展的影響已有許多研究[16-18]，程萬[19]在大量實驗的基礎(chǔ)上，提出了水力裂縫與天然裂縫相互作用的判別準則，但在天然裂縫發(fā)育的致密儲層中，多條天然裂縫之間相互影響，相互干擾，水力裂縫也并非依次溝通各條天然裂縫，單條裂縫的相交準則已不再適用。通過選取天然裂縫發(fā)育的致密灰?guī)r露頭，開展水力壓裂物理模擬實驗，研究地層內(nèi)部裂縫形成的時機，以及水力裂縫與多條天然裂縫待破區(qū)的溝通和相互作用規(guī)律。

1 待破裂區(qū)的壓裂模擬實驗驗證

1.1 斷裂損傷過程區(qū)

裂縫性儲層中天然裂縫(簡稱為“弱面”)發(fā)育，構(gòu)成非均一性弱面網(wǎng)體。圖1為模擬在發(fā)育微裂隙地層的水力裂縫擴展初始形態(tài)，圖2為水力裂縫擴展過程中溝通天然裂隙，同時裂縫尖端的天然裂隙逐漸開裂并貫穿的過程[20]。由于巖體發(fā)育天然裂縫和微裂隙等非均質(zhì)屬性，在水力壓裂時會形成損傷過程區(qū)，即待破區(qū)；當水力裂縫擴展時必然會遭遇弱面，其擴展路徑會受到天然裂縫待破區(qū)的影響。

圖1 水力裂縫擴展的初始階段[20]

圖2 水力裂縫追蹤天然裂縫擴展[20]

1.2 物理模擬實驗

利用室內(nèi)真三軸水力壓裂實驗?zāi)M系統(tǒng)，對裂縫性致密露頭進行水力壓裂實驗。以渤海灣盆地南堡凹陷高深北區(qū)的地質(zhì)參數(shù)為目標，根據(jù)相似準則[21]計算室內(nèi)壓裂實驗參數(shù)。其地層埋深約3 800 m，水平最大地應(yīng)力梯度約為2.25 MPa/100 m，水平最小地應(yīng)力梯度約為1.88 MPa/100 m，上覆巖層壓力梯度約為2.13 MPa/100 m，彈性模量約為19 GPa，泊松比約為0.29，孔隙壓力梯度約為1.34 MPa/100 m。依據(jù)上述數(shù)據(jù)，制定實驗方案如下，水平最小地應(yīng)力19.1 MPa，水平最大地應(yīng)力26.3 MPa，上覆巖層壓力24.1 MPa。壓裂液采用滑溜水體系，黏度為3 mPa·s。

實驗中四塊的露頭巖樣如圖3所示，尺寸均為400 mm×400 mm×400 mm，露頭表面能夠觀察到隨機分布的層理縫和天然裂縫(圖4)，實驗前在巖樣一側(cè)進行鉆孔，埋入井筒并模擬固井。

圖3 露頭試樣

圖4 壓裂前露頭試樣的天然裂縫分布情況

實驗過程中通過聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測和采集巖樣的破裂信號，聲發(fā)射探頭布置方式和位置如如圖5所示。

圖5 聲發(fā)射探頭布置方式[8]

實驗中采用變排量壓裂工藝不斷提高縫內(nèi)凈壓力，使得隨機裂縫性儲層壓裂后水力裂縫與天然裂縫溝通形態(tài)更加復(fù)雜。實驗開始時采用小排量0.163 mL/s注入，進行憋壓至巖石破裂，巖石發(fā)生破裂后將排量提升至0.326 mL/s，進行二次憋壓；當壓力升高到11.5 MPa時，每2 min將排量提高0.326 mL/s，直到壓裂液滲出停泵，結(jié)束實驗。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 水力裂縫擴展形態(tài)

當水力裂縫逼近天然裂縫時會發(fā)生轉(zhuǎn)向，穿透天然裂縫，激活天然裂縫等行為，這與裂縫開度、弱面膠結(jié)強度等因素相關(guān)。1#試樣[圖6(a)]中，水力裂縫HF1沿垂直于最小主應(yīng)力方向起裂，形成橫切縫，遇開度大、膠結(jié)強度弱的天然裂縫NF1后轉(zhuǎn)向至天然裂縫面擴展；當水力裂縫HF2遇到開度小、膠結(jié)強度高的天然裂縫NF2后穿透天然裂縫。水力裂縫會沿著天然裂縫發(fā)生滑移，這與弱面抗剪強度，弱面內(nèi)摩擦系數(shù)有關(guān)，如2#試樣[圖6(b)]，水力裂縫遇天然裂縫，在裂縫面內(nèi)發(fā)生滑移，滑移后兩條水力裂縫匯合成為一條主裂縫。水力裂縫擴展方向受天然裂縫影響會發(fā)生扭曲，這除了和弱面開度、膠結(jié)強度有關(guān)，還與逼近角、地應(yīng)力相關(guān)，如4#試樣[圖6(d)]，水力裂縫受天然裂縫引導(dǎo)，沿天然裂縫擴展，在地應(yīng)力的影響下，擴展方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)；當壓裂施工排量較高時，水力裂縫可以激活多條天然裂縫，形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。

2.2 待破裂區(qū)識別

裂縫性儲層中發(fā)育大量的天然層理和微裂縫等薄弱面，在井筒內(nèi)壓瞬時升高達到地層破裂之前，由于拉伸作用會使巖石內(nèi)部發(fā)育的弱面附近產(chǎn)生很多弱膠結(jié)的微裂隙，這種微裂隙可能發(fā)育在井筒周圍，也可能存在于遠離井筒的位置。微裂隙的存在會影響到水力裂縫起裂方向，還會影響到裂縫網(wǎng)絡(luò)的擴展規(guī)模，這與地層破裂瞬間有多少個微裂隙同時起裂相關(guān)，這種即將發(fā)生張性破裂的微裂隙稱之為待破裂區(qū)。

以2#試樣為例分析待破裂區(qū)對水力裂縫擴展形態(tài)的影響，在壓裂模擬試驗的初始階段采用低排量注入壓裂液，隨著井筒內(nèi)壓力升高可以觀察到聲發(fā)射信號的出現(xiàn)，聲發(fā)射信號點急劇上升處與泵壓急劇升高處相對應(yīng)(圖7)。在注入壓力達到破裂壓裂前，聲發(fā)射信號的高點已經(jīng)出現(xiàn)，說明巖石內(nèi)部已經(jīng)發(fā)育大量待破區(qū)。達到峰值注入壓力前，井筒和天然裂縫附近區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生大量的待破裂區(qū)，當達到破裂壓力時，井筒周圍發(fā)育的多處待破裂區(qū)溝通產(chǎn)生裂紋，并最終在井筒周圍形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，裂縫網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模隨排量增加會逐漸向外擴展。從壓裂曲線可以看出，巖石破裂后，排量升高，泵壓也相應(yīng)升高(圖8)，聲發(fā)射信號再次不斷積累，累計聲發(fā)射信號仍然在泵壓波動前先達到高點，可見在水力裂縫隨泵壓升高開始新的擴展，地層內(nèi)部仍先產(chǎn)生許多微裂隙，與前一次累計聲發(fā)射信號特征相符。

圖7 聲發(fā)射信號強度-泵壓曲線

圖8 泵壓-排量-時間曲線

實驗后壓裂結(jié)果如圖9所示。實驗共形成兩條水力裂縫，與其中一條天然裂縫近似正交，壓裂過程中激活天然裂縫附近的待破裂區(qū)，使得水力裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向，并溝通天然裂縫。在實驗過程中觀察到壓裂液沿天然裂縫交匯處滲出，表明水力裂縫在排量增大后致使縫內(nèi)液壓迅速上升，并首先沿著待破裂區(qū)多發(fā)區(qū)域擴展。壓裂結(jié)束后，巖石內(nèi)部水力裂縫與天然裂縫充分溝通形成了復(fù)雜裂縫。整個水力壓裂試驗過程中排量和壓力曲線如圖8所示，從泵壓和排量關(guān)系曲線可知，小排量蹩壓到足夠大時，會發(fā)育大量破裂區(qū)，使地層達到峰值壓力后多個破裂區(qū)同時開始起裂。提高排量泵壓隨之上升，增加排量后會在距離裂縫縫尖的遠端繼續(xù)產(chǎn)生待破裂區(qū)，并有助于增加裂縫網(wǎng)絡(luò)的擴展規(guī)模。水力裂縫與天然裂縫不斷溝通而導(dǎo)致泵壓再次下降，如此反復(fù)，泵壓發(fā)生上下波動。

圖9 2#試樣壓裂后水力裂縫與天然裂縫溝通形態(tài)

3 現(xiàn)場應(yīng)用

冀東油田南堡凹陷是渤海灣盆地北部的一個小型斷陷盆地，從深部到淺層依次有奧陶系、古近系(沙河街組和東營組)、新近系(館陶組和明化鎮(zhèn)組)等含油層系。根據(jù)高深北高5斷塊Es32+3Ⅴ451塊巖心孔滲測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，Ⅴ油組巖心孔隙度主體(64%)小于15%，滲透率主體(65%)小于1×10-3μm2，平均滲透率為2.1×10-3μm2，是重點勘探的致密儲層。該區(qū)域儲層段水平兩向地應(yīng)力差大(>10 MPa)，但層理、天然微裂縫發(fā)育，屬于裂縫性致密儲層，如圖10所示。根據(jù)微地震監(jiān)測資料顯示，受高地應(yīng)力差控制，目前開發(fā)有著水力壓裂裂縫單一，天然裂縫和層理開啟困難，裂縫性儲層的優(yōu)勢沒有得到充分發(fā)揮，投產(chǎn)后產(chǎn)量遞減迅速等困難。

圖10 層理和微裂縫發(fā)育情況

為了充分發(fā)揮天然裂縫和層理的優(yōu)勢，利用待破區(qū)的特性，采用小排量激活大量待破區(qū)，再提高排量貫穿裂縫的施工方式，開展新的水力壓裂試驗，利用微地震技術(shù)監(jiān)測水力裂縫擴展情況。選取該試驗井其中一段分段壓裂微地震監(jiān)測解釋如圖11示，裂縫的主要發(fā)育趨勢為從東北向西南發(fā)育，裂縫方位為北東62°～67°。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示，初始階段大部分微地震事件產(chǎn)生在射孔位置附近，待破區(qū)產(chǎn)生大量微裂縫，隨壓裂施工持續(xù)進行，排量提高，待破區(qū)內(nèi)微裂縫積累的變形在多處貫通為宏觀水力裂縫，形成的水力裂縫在擴展過程中溝通天然裂縫，裂縫擴展規(guī)模逐漸擴大，每一級復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)均垂直于井眼軌跡方向發(fā)育。表明儲層內(nèi)天然裂縫發(fā)育的待破裂區(qū)在大排量壓裂施工時會直接影響水力裂縫的擴展路徑和擴展規(guī)模。

圖11 微地震裂縫監(jiān)測解釋俯視圖

4 結(jié)論與建議

為了充分發(fā)揮天然裂縫的優(yōu)勢，針對裂縫性儲層特性，開展了水力壓裂物理模擬實驗和現(xiàn)場驗證，研究了裂縫待破區(qū)對水力裂縫擴展和最終形態(tài)的影響，可以得出以下結(jié)論。

(1)在泵壓達到破裂壓力前，聲發(fā)射信號先達到峰值點，說明在宏觀水力裂縫形成前，壓裂液會使層理和天然裂縫弱面附近產(chǎn)生很多微裂隙，即待破裂區(qū)。待破裂區(qū)的位置和發(fā)育程度會影響到水力裂縫起裂方向，還會影響到裂縫網(wǎng)絡(luò)的擴展規(guī)模。

(2)當水力裂縫延伸到層理面后，隨排量階梯式增加，泵壓提高，會使層理面附近發(fā)育新的待破裂區(qū)，進而影響到水力裂縫的轉(zhuǎn)向、分叉或是否穿透天然裂縫，因此，待破裂區(qū)的準確預(yù)測對縫網(wǎng)壓裂起裂時機的研究具有指導(dǎo)意義。

建議現(xiàn)場壓裂施工以低排量、長時間注入壓裂液，讓井筒周圍發(fā)育的待破裂區(qū)域規(guī)模逐漸擴大，當壓開地層后再逐漸提高排量，能夠重新激活更多的待破裂區(qū)，促使水力裂縫與天然裂縫充分溝通，實現(xiàn)最優(yōu)壓裂縫網(wǎng)規(guī)模。