張永平 齊士龍 唐鵬飛 張興雅 楊春城 宋景楊

1.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院；2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

徐家圍子斷陷位于松遼盆地的北部，總面積為5 300 km2，其早白堊世沙河子組以扇三角洲、辮狀河三角洲、湖相沉積為主，廣泛發(fā)育的扇(辮狀河)三角洲砂體，為致密氣藏形成提供了儲(chǔ)集空間［1-2］。以往沙河子組深層致密儲(chǔ)層常規(guī)壓裂30口井，壓后均為低產(chǎn)氣井，常規(guī)壓裂技術(shù)不適用于沙河子組致密氣藏儲(chǔ)層的增產(chǎn)需求。2014年以來借鑒國(guó)外頁巖體積壓裂理念，開展11口大規(guī)模體積壓裂試驗(yàn)，4口井獲得產(chǎn)量突破，但由于體積壓裂理論研究缺失，體積壓裂裂縫起裂機(jī)制認(rèn)識(shí)不清，設(shè)計(jì)優(yōu)化方向不明確，無法形成深層致密氣藏改造的主體技術(shù)。為提高松北沙河子組致密氣儲(chǔ)層壓裂改造效果，深化目標(biāo)區(qū)塊水力壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理認(rèn)識(shí)，亟需開展裂縫擴(kuò)展規(guī)律和主控因素研究。

水力壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了大量研究［3-16］。趙歡等［17］應(yīng)用擴(kuò)展有限元方法，結(jié)合斷裂力學(xué)最大主應(yīng)力斷裂準(zhǔn)則，建立多裂縫擴(kuò)展的流固耦合模型，研究致密砂巖儲(chǔ)層多裂縫擴(kuò)展時(shí)應(yīng)力干擾下裂縫延伸規(guī)律及形態(tài)影響因素。葉亮等［18］基于真三軸壓裂模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)鄂爾多斯盆地東部3種不同脆性致密砂巖開展了壓裂模擬實(shí)驗(yàn)，分析了脆性、壓裂液類型和層理對(duì)裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響。夏彬偉等［19］采用四維水射流割縫裝置和大尺寸真三軸相似物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展了不同縫間距、應(yīng)力差、壓裂排量對(duì)水平井多裂縫擴(kuò)展規(guī)律的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，研究致密砂巖水平井割縫壓裂裂縫擴(kuò)展及轉(zhuǎn)向規(guī)律。閆天雨等［20］利用真三軸水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分析了水平應(yīng)力差、壓裂液黏度以及排量對(duì)復(fù)雜縫網(wǎng)形成規(guī)律的影響，通過實(shí)驗(yàn)研究了致密砂巖儲(chǔ)層水力壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)及空間展布規(guī)律。劉乃震等［21］基于真三軸水力壓裂模擬系統(tǒng)，開展已壓裂縫內(nèi)流體壓力、段間距、射孔參數(shù)、水平應(yīng)力差和水平井段固井質(zhì)量對(duì)致密砂巖儲(chǔ)集層多裂縫擴(kuò)展形態(tài)影響的實(shí)驗(yàn)，研究了致密砂巖水平井多段壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律。周詳?shù)龋?2］利用數(shù)值模擬方法，模擬了不同儲(chǔ)層條件下水平井體積壓裂裂縫擴(kuò)展情況，分析了不同裂縫參數(shù)下水平井產(chǎn)能變化規(guī)律，闡述了地質(zhì)因素和工程因素對(duì)致密油藏體積壓裂裂縫形態(tài)的影響。前人學(xué)者所做的研究在物理模擬和數(shù)值模擬方面均較為完備，但對(duì)于致密砂巖儲(chǔ)層施工工藝適應(yīng)性方面的研究尚有所欠缺。

對(duì)松北沙河子組的野外露頭開展大型水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)，并建立了考慮天然裂縫的致密氣儲(chǔ)層體積壓裂離散元力學(xué)模型和流體流動(dòng)的有限元模型，明確松北沙河子組致密氣儲(chǔ)層復(fù)雜裂縫擴(kuò)展規(guī)律及主控因素，針對(duì)不同地質(zhì)條件下儲(chǔ)層開展施工工藝適應(yīng)性論證，為主體增產(chǎn)技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)概況

松北沙河子組儲(chǔ)層埋藏深度較大(＞3 000 m)，儲(chǔ)層物性較差，非均質(zhì)性強(qiáng)，整體屬于特低孔致密儲(chǔ)層，天然裂縫欠發(fā)育，主要為高角度和傾斜的構(gòu)造裂縫，單井裂縫總平均線密度小于0.2條/m［23-24］。前期室內(nèi)巖心力學(xué)參數(shù)測(cè)試顯示儲(chǔ)層彈性模量、泊松比變化范圍廣，彈性模量16.0～33.5 GPa，平均值24.3 GPa，泊松比 0.11～0.25，平均值 0.211。隨著圍壓的增加，彈性模量、泊松比增加。脆性指數(shù)0.157～0.689，平均值0.409；不同井巖心平均脆性指數(shù)差異較大；隨著圍壓、礫石含量的增加，脆性指數(shù)降低。斷裂韌性1.2～1.7 MPa · m1/2，平均值1.5 MPa · m1/2。

地應(yīng)力參數(shù)測(cè)試結(jié)果顯示，水平最大主應(yīng)力方位 NE77.2°～NE94.1°，梯度 1.49～1.83 MPa/100 m；水平最小主應(yīng)力方位 NE167.2°～NE184.1°，梯度 1.3～1.46 MPa/100 m；水平最大垂向應(yīng)力梯度為1.88～2.2 MPa/100 m；水平地應(yīng)力差7.6～11.9 MPa。室內(nèi)全直徑物理模擬實(shí)驗(yàn)表明，高水平應(yīng)力差9 MPa和天然裂縫欠發(fā)育條件下，巖石非均質(zhì)性致使單段2簇壓裂僅單簇起裂，形成1條簡(jiǎn)單橫切裂縫，通過1次暫堵后可形成1條主分支縫，局部多分支縫；礫石(＜20 mm)致使水力裂縫局部迂曲，形成復(fù)雜多分支縫；更小粒徑礫石(＜2 mm)對(duì)水力裂縫影響微乎其微；不含礫石試樣整體裂縫形態(tài)復(fù)雜性低于含礫石試樣。破裂模式多樣，礫石為主巖樣，破裂面更為復(fù)雜迂曲；模擬實(shí)驗(yàn)中聲發(fā)射事件的離散程度高，整體以剪切破壞為主導(dǎo)，在0 MPa低圍壓下，剪切事件比例相對(duì)較少(40.4%)，在40 MPa高圍壓下，剪切事件比例相對(duì)增加(54.2%)。

2 裂縫擴(kuò)展物理模擬實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)是認(rèn)識(shí)裂縫擴(kuò)展規(guī)律的有效手段，基于真三軸水力壓裂模擬系統(tǒng)，對(duì)松北沙河子組致密氣儲(chǔ)層開展大露頭巖樣水力壓裂物理模擬，研究水平應(yīng)力差、巖石脆性指數(shù)、暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝等因素對(duì)水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響。

2.1 試樣準(zhǔn)備及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

試樣取自松北沙河子組野外巖心露頭，根據(jù)露頭尺寸在大型切石機(jī)上加工成50×50×80 cm的長(zhǎng)方體巖樣或50×50×50 cm的立方體巖樣，其中一面中心位置沿致密砂巖紋層方向鉆取盲孔，并采用高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂膠固定鋼管模擬井筒在盲孔內(nèi)，對(duì)于50×50×80 cm試樣，設(shè)計(jì)井筒長(zhǎng)度為35 cm，鉆孔深度43 cm；對(duì)于50×50×50 cm立方塊試樣，設(shè)計(jì)井筒長(zhǎng)度為20 cm，鉆孔深度28 cm。利用大尺寸真三軸壓裂模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展致密砂巖儲(chǔ)層水力裂縫擴(kuò)展模擬實(shí)驗(yàn)［25］。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)相似準(zhǔn)則對(duì)試樣加載三軸液壓，分別沿X、Y、Z軸方向施加水平最小主應(yīng)力σh、水平最大主應(yīng)力σH、垂向應(yīng)力σv，井筒方向沿水平最小主應(yīng)力的方向(X軸方向)。根據(jù)松北沙河子組儲(chǔ)層條件，設(shè)定水平應(yīng)力差為6、9、12 MPa，分析不同水平應(yīng)力差條件下的裂縫擴(kuò)展規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)壓裂液中加入紅色示蹤劑，以輔助觀察巖樣壓裂裂縫的形態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束對(duì)壓裂后的巖樣進(jìn)行CT掃描和劈裂，觀察內(nèi)部染色痕跡并構(gòu)建相應(yīng)的三維裂縫形態(tài)，分別采用紅、黃、藍(lán)3種顏色表示水力裂縫、層理縫和天然裂縫。模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1，各巖樣進(jìn)行相應(yīng)標(biāo)號(hào)，其中6#巖樣進(jìn)行暫堵劑轉(zhuǎn)向壓裂。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experiment parameters

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 水平應(yīng)力差的影響

松北沙河子組儲(chǔ)層水平應(yīng)力差在8～12 MPa之間，通過剖分對(duì)比1#、2#和3#壓后巖樣，分析不同水平應(yīng)力差(6、9、12 MPa)對(duì)壓裂裂縫形態(tài)的影響規(guī)律。巖樣水力壓裂實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果如圖1所示，1#巖樣(圖1a)含1條與井筒平行的天然裂縫，實(shí)驗(yàn)設(shè)置的應(yīng)力差為6 MPa，壓后天然裂縫開啟，并形成了1條與之呈30°夾角的水力裂縫，水力裂縫在遠(yuǎn)離天然裂縫側(cè)較為扭曲，并伴有小角度微小分支縫。2#巖樣(圖1b)含2條層理縫和1條天然裂縫，實(shí)驗(yàn)設(shè)置的應(yīng)力差為9 MPa，壓后2條層理縫與1條天然裂縫均開啟，并形成1條水力裂縫多縫交織，且水力裂縫貫穿2條層理縫。3#巖樣(圖1c)含有1條天然裂縫，實(shí)驗(yàn)設(shè)置的應(yīng)力差為12 MPa，壓后水力裂縫較為平直的貫穿巖樣，未能激活天然裂縫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低水平應(yīng)力差下(≤6 MPa)，裂縫的扭曲程度更大，更易形成復(fù)雜裂縫。隨著地應(yīng)力變大，裂縫形態(tài)越規(guī)則，形成的裂縫面也更加平整。在水平應(yīng)力差足夠高時(shí)(≥12 MPa)，即使存在天然裂縫也難以被激活，不能形成復(fù)雜裂縫。

圖1 巖樣水力壓裂實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果Fig.1 Simulation results of hydraulic fracturing experiment for rock samples

2.3.2 巖石脆性指數(shù)的影響

巖石脆性指數(shù)表征巖石發(fā)生破裂前的瞬態(tài)變化難易程度，反映的是儲(chǔ)層壓裂后形成裂縫的復(fù)雜程度。根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試得到巖樣的彈性模量和泊松比，再采用彈性模量-泊松比法加權(quán)系數(shù)確定巖石脆性指數(shù)［26］?？紤]水平應(yīng)力差為6 MPa，以天然裂縫發(fā)育的4#和5#巖樣，研究不同脆性指數(shù)條件下的壓后裂縫形態(tài)。壓裂結(jié)束后，脆性指數(shù)為0.38的4#巖樣形成了1條簡(jiǎn)單的縱向縫，天然裂縫未被激活(圖2a)。而脆性指數(shù)為0.62的5#巖樣中2條天然裂縫被激活，產(chǎn)生了更加復(fù)雜的裂縫形態(tài)(圖2b)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，松北沙河子組致密氣藏脆性指數(shù)對(duì)裂縫復(fù)雜程度的影響較大，儲(chǔ)層脆性指數(shù)越高，巖石越易破碎，更易形成復(fù)雜裂縫。

圖2 巖樣水力壓裂實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果Fig.2 Simulation results of hydraulic fracturing experiment for rock samples

2.3.3 暫堵壓裂工藝的影響

對(duì)于致密砂巖儲(chǔ)層，暫堵壓裂是提高裂縫復(fù)雜程度的有效方式。通過暫堵提高縫內(nèi)凈壓力，迫使裂縫轉(zhuǎn)向，有效提高裂縫復(fù)雜程度［27］。為此針對(duì)松北沙河子組致密氣藏采用暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)手段，提高凈壓力對(duì)裂縫復(fù)雜程度影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析。如圖3所示，在9 MPa水平地應(yīng)力差條件下，6#無天然裂縫巖樣初次壓裂后形成1條貫穿巖樣的單翼水力裂縫，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%暫堵劑壓裂后近井筒處裂縫產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)形成與原水力裂縫夾角60°分支縫，破巖觀察到暫堵劑在裸眼段聚集未被攜帶至縫內(nèi)，因此只在井筒附近形成新的起裂點(diǎn)產(chǎn)生分支縫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，松北沙河子組致密氣藏在不含天然裂縫，水平應(yīng)力差9 MPa條件下，暫堵轉(zhuǎn)向壓裂能夠形成分支裂縫，有效地提高了裂縫復(fù)雜程度。

圖3 6#巖樣(暫堵)水力壓裂實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果Fig.3 Simulation results of hydraulic fracturing experiment for 6# rock sample (temporary plugging)

3 復(fù)雜裂縫擴(kuò)展數(shù)值模擬

水力壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)受水平應(yīng)力差、儲(chǔ)層巖石脆性指數(shù)、天然裂縫密度等地質(zhì)參數(shù)的影響［28］，前期物理模擬結(jié)果表明，松北沙河子儲(chǔ)層水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)受水平應(yīng)力差、儲(chǔ)層巖石脆性指數(shù)影響顯著，對(duì)于不同地質(zhì)條件儲(chǔ)層如何提高改造效果需要進(jìn)一步研究?；陔x散元法，建立考慮天然裂縫的致密氣體積壓裂三維網(wǎng)絡(luò)裂縫擴(kuò)展模型［29-30］，分析縫網(wǎng)體積壓裂、暫堵轉(zhuǎn)向壓裂、密集切割壓裂工藝條件下裂縫擴(kuò)展形態(tài)，形成適應(yīng)性工藝優(yōu)化方案。

3.1 三維裂縫擴(kuò)展模型

3.1.1 應(yīng)力平衡方程與縫內(nèi)流體流動(dòng)

巖石基質(zhì)塊體運(yùn)動(dòng)符合牛頓第二定律，考慮塊體可變形，小位移線彈性動(dòng)態(tài)方程為［31］

式中， σi為Cauchy張量；bi為彈性體力，N；ρ為巖石密度，kg/m3； μx為軸向位移，mm；α為阻尼系數(shù)； μy為徑向位移，mm；Di為Hooke張量； εi為壓縮應(yīng)變，mm。對(duì)于各向同性(均質(zhì))彈性巖石的本構(gòu)模型表征僅需要彈性模量E和泊松比ν共2個(gè)彈性常數(shù)。

將裂縫內(nèi)壓裂液考慮為不可壓縮牛頓流體在平板內(nèi)的層流，則滿足式(4)連續(xù)性方程、式(5)全局質(zhì)量守恒方程［32］

式中，w為動(dòng)態(tài)裂縫寬度，m；t為時(shí)間，s；s為裂縫內(nèi)任一點(diǎn)坐標(biāo)； μ為流體黏度，Pa· s ；p為流體壓力，MPa；Q為施工排量，m3/s；q為壓裂液濾失量，m3/s，基質(zhì)具有超低滲透率，模型中忽略了壓裂液濾失影響，即q=0。

3.1.2 裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則

由于巖石變形與縫內(nèi)流體流動(dòng)相互影響，因此需要耦合巖石變形與復(fù)雜裂縫內(nèi)流體流動(dòng)。在井筒射孔點(diǎn)，隨著壓裂液的注入，初始裂縫處的流體壓力不斷升高，巖石單元體之間將發(fā)生拉伸或剪切滑移，即當(dāng)最大壓主應(yīng)力(壓為負(fù))達(dá)到巖石抗拉強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生張性破裂；而當(dāng)滿足Mohr-Coulomb準(zhǔn)則時(shí)，發(fā)生剪切破裂，表達(dá)式為

式中， τ0為黏聚力，N；φ為內(nèi)摩擦角，°；σn為縫面法向有效壓應(yīng)力，N。

3.1.3 裂縫形態(tài)描述

為了對(duì)比描述壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)復(fù)雜程度，定義儲(chǔ)層復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋率為

式中，F(xiàn)為復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋率；U為未改造面積，m2；T為目標(biāo)改造面積，m2。

3.2 模擬結(jié)果及分析

松北沙河子組儲(chǔ)層水平地應(yīng)力差的范圍在7.6～11.9 MPa， 脆性 指 數(shù) 為 0.157～0.689， 平均 值0.409，微地震測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)顯示儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育不均勻，總體天然裂縫欠發(fā)育，局部存在層理縫與天然裂縫交錯(cuò)。由于儲(chǔ)層非均質(zhì)性程度高，僅采用傳統(tǒng)縫網(wǎng)體積壓裂工藝難以有效動(dòng)用全部?jī)?chǔ)層，因此需要針對(duì)不同儲(chǔ)層地質(zhì)條件優(yōu)化設(shè)計(jì)壓裂施工工藝。

3.2.1 縫網(wǎng)體積壓裂

縫網(wǎng)體積壓裂工藝條件下水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)受到水平應(yīng)力差、天然裂縫密度等地質(zhì)參數(shù)的影響?？紤]儲(chǔ)層強(qiáng)非均質(zhì)性，對(duì)不同地質(zhì)因素下縫網(wǎng)體積壓裂進(jìn)行模擬，模擬地質(zhì)參數(shù)：天然裂縫密度不同發(fā)育程度，水平應(yīng)力差3～15 MPa，彈性模量30 GPa，泊松比為0.21；工程參數(shù)：3簇/段，簇間距為30 m，排量為10 m3/min，黏度5 mPa · s，注液量2 000 m3。

模擬結(jié)果如圖4所示，水平應(yīng)力差主要決定著縫網(wǎng)體積壓裂工藝下水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)的復(fù)雜程度，隨著水平應(yīng)力差增加，水力裂縫復(fù)雜性和復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋率快速降低。水平應(yīng)力差小于6 MPa時(shí)，易擴(kuò)展形成復(fù)雜裂縫；水平應(yīng)力差在6～9 MPa時(shí)，趨于擴(kuò)展形成局部復(fù)雜縫或分支縫；水平應(yīng)力差高于9 MPa時(shí)，趨于擴(kuò)展形成簡(jiǎn)單縫。天然裂縫密度在水平應(yīng)力差小于9 MPa時(shí)影響顯著，水平應(yīng)力差高于9 MPa時(shí)影響減弱。水平應(yīng)力差低于9 MPa時(shí)，水力裂縫復(fù)雜性和復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋率隨天然密度增加而快速提升。相對(duì)應(yīng)地，水平應(yīng)力差高于12 MPa時(shí)，縫網(wǎng)體積壓裂工藝不易激活天然裂縫，天然裂縫發(fā)育段水力裂縫復(fù)雜性提升不明顯，不能充分利用天然裂縫而形成復(fù)雜裂縫。水平應(yīng)力差9～12 MPa時(shí)，體積壓裂常規(guī)施工參數(shù)不易激活天然裂縫，天然裂縫發(fā)育段水力裂縫復(fù)雜性提升不明顯，不能充分利用天然裂縫形成縫網(wǎng)。

圖4 復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋率與天然裂縫密度關(guān)系Fig.4 Relationship between the coverage of complex fracture network and the density of natural fractures

3.2.2 暫堵轉(zhuǎn)向壓裂

對(duì)于常規(guī)縫網(wǎng)體積壓裂工藝難以滿足儲(chǔ)層改造需求的地層采用暫堵轉(zhuǎn)向壓裂開展模擬，模擬地質(zhì)參數(shù)：考慮天然裂縫密度發(fā)育程度，水平應(yīng)力差6～12 MPa，彈性模量 30 GPa，泊松比 0.21；工程參數(shù)：3簇/段，簇間距 30 m，排量 10 m3/min，黏度5 mPa · s，注液量2 000 m3。通過數(shù)值模擬，3簇縫內(nèi)一次暫堵前后水力裂縫形態(tài)如圖5所示，模擬條件分別為：(a)水平應(yīng)力差6 MPa、天然裂縫密度0.1條/m；(b)水平應(yīng)力差9 MPa、天然裂縫密度 2.5條/m；(c)水平應(yīng)力差12 MPa、天然裂縫密度5條/m。由模擬結(jié)果可知，通過暫堵轉(zhuǎn)向壓裂明顯提高了裂縫復(fù)雜程度：水平應(yīng)力差在6～12 MPa時(shí)，主要形成簡(jiǎn)單縫，通過1次暫堵后，封堵點(diǎn)附近可形成多分支縫，整體復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋率可提升10%；在水平應(yīng)力差高于12 MPa時(shí)，即使在天然裂縫非常發(fā)育段5條/m，縫內(nèi)暫堵也不易形成分支縫。

圖5 水力裂縫形態(tài)Fig.5 Hydraulic fracture morphology

3.2.3 密集切割壓裂

松北沙河子組儲(chǔ)層普遍水平應(yīng)力差高、天然裂縫欠發(fā)育，采用密集切割壓裂工藝。密集切割壓裂工藝相較于常規(guī)縫網(wǎng)體積壓裂簇間距縮小，簇間裂縫作用程度增加，有利于形成復(fù)雜裂縫擴(kuò)展形態(tài)。模擬地質(zhì)參數(shù)：彈性模量為30 GPa，泊松比為0.21；工程參數(shù)：排量為10 m3/min，黏度為5 mPa · s，注液量為2 000 m3。模擬結(jié)果如圖6所示，在天然裂縫密度相同的條件下，隨著水平應(yīng)力差逐漸增大，復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋率逐漸降低，水平應(yīng)力差越大越不利于形成復(fù)雜裂縫。在水平應(yīng)力差相同的條件下，隨著天然裂縫密度逐漸增大，復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋率逐漸升高，天然裂縫密度越大越有利于形成復(fù)雜裂縫。相比于縫網(wǎng)體積壓裂工藝(3簇、簇間距30 m)，密集切割壓裂工藝(5簇、簇間距15 m)在不同水平應(yīng)力差條件下的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋率逐漸接近，但是水平應(yīng)力差越小仍有利于局部復(fù)雜縫的形成。密集切割壓裂工藝實(shí)現(xiàn)多簇密集裂縫擴(kuò)展，大幅度增加裂縫復(fù)雜性，天然裂縫作用減弱，但天然裂縫密度大于0.5條/m仍有利于形成局部復(fù)雜縫或分支縫。

圖6 天然裂縫密度對(duì)復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的影響Fig.6 Influence of natural fracture density on the coverage of complex fracture network

3.2.4 脆性指數(shù)對(duì)3種壓裂工藝裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響

松北沙河子組儲(chǔ)層不同位置巖石脆性指數(shù)差異較大，大露頭巖樣壓裂模擬結(jié)果表明，脆性指數(shù)是影響水力壓裂裂縫擴(kuò)展的重要因素，需要對(duì)不同施工工藝下巖石脆性指數(shù)的影響進(jìn)行研究。模擬地質(zhì)參數(shù)：水平應(yīng)力差9 MPa，天然裂縫密度2.5條/m；模擬工程參數(shù)：排量10 m3/min，黏度5 mPa · s，注液量2 000 m3。模擬結(jié)果如圖7所示，隨著脆性指數(shù)增加，復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋率快速增加，脆性指數(shù)低于0.4時(shí)增加18%，超過0.4后增長(zhǎng)變緩，增加6%，超過0.7后變化較小，僅僅增加1%。暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝相比于縫網(wǎng)體積壓裂工藝，其復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋率對(duì)脆性指數(shù)變化更為敏感，并且高脆性指數(shù)更有利于暫堵轉(zhuǎn)向提升復(fù)雜裂縫覆蓋率，脆性指數(shù)0.4時(shí)暫堵后覆蓋率增加6%，而脆性指數(shù)0.7時(shí)暫堵后覆蓋率增加9%。密集切割壓裂工藝相比較于暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝，脆性指數(shù)高于0.4后，其提升復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋率更加明顯，脆性指數(shù)0.4、0.7時(shí)覆蓋率分別提升11%、16%。

圖7 脆性指數(shù)對(duì)復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的影響Fig.7 Influence of natural fracture occurrence on hydraulic fracture propagation morphology

4 體積壓裂工藝優(yōu)選

通過露頭巖樣物模實(shí)驗(yàn)及復(fù)雜裂縫模擬，確定了松北沙河子組致密氣藏體積裂縫形成的主控地質(zhì)因素為天然裂縫、水平應(yīng)力差、脆性指數(shù)。根據(jù)松北沙河子組致密氣藏儲(chǔ)層性質(zhì)，將儲(chǔ)層劃分為3類：第1類儲(chǔ)層，自然條件易于形成復(fù)雜裂縫；第2類儲(chǔ)層，自然條件較難形成，但通過技術(shù)手段能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜裂縫；第3類儲(chǔ)層，無法形成復(fù)雜裂縫。第1類儲(chǔ)層水平應(yīng)力差小于6 MPa、天然裂縫密度＞0.5條/m，通過復(fù)雜裂縫體積壓裂工藝即可形成復(fù)雜縫網(wǎng)。第2類儲(chǔ)層的水平應(yīng)力差為6～12 MPa、天然裂縫密度＞0.5條/m，通過暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝可形成多條局部復(fù)雜縫。第3類儲(chǔ)層的水平應(yīng)力差高于12 MPa、天然裂縫不發(fā)育，需要密集切割壓裂工藝才能形成密集簡(jiǎn)單縫。整體上隨著脆性指數(shù)降低、天然裂縫密度降低、水平應(yīng)力差增大，需要采用暫堵轉(zhuǎn)向壓裂、密集切割壓裂工藝條件才能大幅度提升水力裂縫的復(fù)雜程度。根據(jù)體積裂縫形成條件，通過多因素界限劃分，建立了松北沙河子組致密氣藏不同儲(chǔ)層類型劃分與復(fù)雜裂縫判斷圖版(圖8)，形成了致密氣藏體積壓裂優(yōu)選技術(shù)。

圖8 致密氣儲(chǔ)層類型劃分與復(fù)雜裂縫判斷圖版Fig.8 Influence of brittleness index on coverage of complex fracture network

5 結(jié)論

(1)通過露頭大巖樣物模實(shí)驗(yàn)，松北沙河子組儲(chǔ)層存在含少量天然裂縫的區(qū)域可被水力裂縫溝通形成復(fù)雜縫網(wǎng)。水力壓裂裂縫形態(tài)受水平應(yīng)力差、巖石脆性指數(shù)等地質(zhì)因素影響顯著，當(dāng)水平應(yīng)力差大于12 MPa時(shí)，即使儲(chǔ)層發(fā)育天然裂縫也難以實(shí)現(xiàn)溝通，巖石脆性指數(shù)的差異會(huì)產(chǎn)生明顯不同的壓裂裂縫復(fù)雜程度，暫堵轉(zhuǎn)向壓裂在水平應(yīng)力差9 MPa下可使天然裂縫不發(fā)育段形成分支縫。

(2)建立了匹配松北沙河子組儲(chǔ)層的壓裂數(shù)值模型，并基于模型分別采用縫網(wǎng)體積壓裂、暫堵轉(zhuǎn)向壓裂和密集切割壓裂工藝對(duì)不同地質(zhì)條件下儲(chǔ)層裂縫擴(kuò)展形態(tài)開展了研究，縫網(wǎng)體積壓裂工藝和暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝下，水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)對(duì)地質(zhì)參數(shù)敏感程度趨于一致，而密集切割壓裂工藝下水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)對(duì)地質(zhì)參數(shù)敏感程度相對(duì)減弱。

(3)根據(jù)儲(chǔ)層天然裂縫密度、水平應(yīng)力差、巖石脆性指數(shù)建立了沙河子組致密氣藏復(fù)雜裂縫判斷圖版，形成了沙河子組致密氣藏體積壓裂工藝優(yōu)選技術(shù)與不同工藝體積壓裂參數(shù)優(yōu)化方法等工藝技術(shù)系列，實(shí)現(xiàn)了不同區(qū)塊、不同巖性的儲(chǔ)層針對(duì)性改造。