王賢君 胡智凡 張洪濤 陳希迪 王維

1.中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院；2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點實驗室

大慶外圍油田位于長垣東西兩側(cè)，主要發(fā)育姚家組葡萄花油層及泉三、四段扶楊油層，局部發(fā)育黑帝廟、薩爾圖、高臺子油層。葡萄花油層主要為三角洲前緣相沉積，屬于中低滲透儲層，滲透率為(2.1～80)×10-3μm2，孔隙度為 16%～20%，儲層天然裂縫不發(fā)育，水平主應(yīng)力差為4～7 MPa。扶楊油層主要為多物源河流-三角洲沉積，屬于低、特低滲透儲層，滲透率為 (1.4～17.7)×10-3μm2，孔隙度為 12.8%～16.9%，儲層天然裂縫不發(fā)育，儲層水平主應(yīng)力差為5～9 MPa。大慶外圍油田年產(chǎn)油量是原油穩(wěn)產(chǎn)的重要組成部分，約占21.3%。目前大慶外圍油田采出程度為12.19%，綜合含水率為74.31%，其中日產(chǎn)油小于1.0 t的低產(chǎn)油井高達1萬余口，占比48%，難以支撐油田穩(wěn)產(chǎn)上產(chǎn)的需要。

壓裂改造是提高單井產(chǎn)量的主要手段［1-2］。針對低產(chǎn)直井壓裂提產(chǎn)，主要采取常規(guī)壓裂、大規(guī)模壓裂等方式［3］，存在問題有：(1)在現(xiàn)有井網(wǎng)條件下，常規(guī)壓裂穿透比一般為0.45，半縫長一般為80～150 m，縫控體積小，未能實現(xiàn)對油層的充分改造，初期日增油0.7～1.5 t，增產(chǎn)效果差；(2)常規(guī)壓裂裂縫延伸方向與井排方向平行，不能改變注水受效間距，未能形成“引效”機制，措施有效期短，僅為7～12個月；(3)大規(guī)模壓裂僅增加縫長，易溝通鄰井，不能改善井排間砂體控制程度，縫控體積提高幅度不顯著，且成本高。

為此，開展了直井多分支縫壓裂技術(shù)研究。在常規(guī)壓裂條件下，通過加入縫內(nèi)暫堵劑，在主裂縫端部產(chǎn)生橋堵，阻止主縫繼續(xù)向前延伸，從而在主縫內(nèi)部的兩側(cè)開啟分支裂縫［4-6］，通過多次縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向，形成多組分支裂縫，大幅度提高縫控體積，同時縮短井網(wǎng)側(cè)向的注采距離，完善注采關(guān)系，挖潛主縫兩側(cè)剩余油，提高長期改造效果。

1 多分支縫形成機制

1.1 多分支縫壓裂真三軸物理模擬實驗

利用大尺寸真三軸壓裂模擬系統(tǒng)，對尺寸為300 mm×300 mm× 300 mm巖樣進行模擬［7-9］。如圖1所示，為水平應(yīng)力差為1、3、6、7 MPa時的物理模擬實驗結(jié)果。首先利用胍膠壓裂液壓裂出1條裂縫，模擬主縫壓裂過程，并使用示蹤劑標示；然后泵入縫內(nèi)暫堵劑，再利用胍膠壓裂液壓開第2條裂縫，模擬分支縫壓裂過程，并記錄壓力變化；實驗結(jié)束后取出巖樣觀察裂縫形態(tài)。模擬實驗結(jié)果表明，通過縫內(nèi)暫堵方式，在水平應(yīng)力差≤6 MPa時，能夠形成多分支縫。隨著水平應(yīng)力差的增加，分支縫破裂壓力逐漸增大，分支縫與主縫夾角逐漸減小。

圖1 物理模擬實驗Fig.1 Physical model experiment

1.2 多分支縫壓裂數(shù)模研究

利用有限元軟件，基于多孔介質(zhì)流固耦合模型，建立多分支縫水力壓裂有限元模型。模型關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下：最小水平主應(yīng)力為28 MPa，巖石抗張強度為3 MPa，水平應(yīng)力差為1～6 MPa。

設(shè)置主裂縫端部巖石強度無限大，以此來模擬縫內(nèi)暫堵。如圖2所示，為水平應(yīng)力差為2 MPa時多分支縫壓裂數(shù)值模擬圖。模擬結(jié)果表明，通過縫內(nèi)暫堵方式，能夠形成分支縫。在水平應(yīng)力差1～6 MPa條件下，分支縫破裂壓力為31.8～33.2 MPa，分支縫與主縫夾角為12°～86°，分支縫破裂壓力、分支縫與主縫夾角變化規(guī)律與物理模擬結(jié)果一致。

圖2 多分支縫壓裂數(shù)值模擬Fig.2 Numerical simulation of multiple branch fracturing

1.3 多分支縫起裂特征分析

從物模及數(shù)模結(jié)果可以看出，分支縫與主縫并不垂直，兩者之間夾角隨著水平應(yīng)力差的增加而減小，水平應(yīng)力差為1 MPa的情況下，分支縫與主縫之間夾角為86°；水平應(yīng)力差為6 MPa的情況下，分支縫與主縫之間夾角為12°，水平應(yīng)力差越小，多分支縫控制面積越大，多分支縫壓裂效果越好。

通過線性回歸，可得到分支縫起裂方向數(shù)值計算模型為

式中，y為分支縫與主縫夾角，°；x為水平應(yīng)力差，MPa。

2 多分支縫壓裂優(yōu)化設(shè)計方法

多分支縫壓裂井多為老井，壓裂優(yōu)化主要包括：現(xiàn)今地應(yīng)力演變計算，主裂縫半長及導(dǎo)流能力、分支縫長度及導(dǎo)流能力、分支縫條數(shù)等裂縫參數(shù)優(yōu)化，施工參數(shù)優(yōu)化。

2.1 現(xiàn)今地應(yīng)力演變計算

由于長期開發(fā)的影響，地層壓力會發(fā)生變化，導(dǎo)致地應(yīng)力及巖石力學參數(shù)發(fā)生改變，壓前需確定現(xiàn)今地應(yīng)力及巖石力學參數(shù)，為壓裂優(yōu)化設(shè)計及現(xiàn)場診斷控制提供依據(jù)。

根據(jù)經(jīng)典地應(yīng)力計算式(2)～(3)可知，影響地應(yīng)力的主要因素有地層壓力、巖石力學參數(shù)、垂向應(yīng)力、構(gòu)造作用，而對一個油藏而言垂向應(yīng)力、構(gòu)造作用是不變的。要計算現(xiàn)今地應(yīng)力，首先需明確現(xiàn)今地層壓力下的巖石力學參數(shù)。通過巖石力學參數(shù)實驗，可得到大慶外圍低滲透儲層的巖石力學參數(shù)變化規(guī)律。

彈性模量隨地層壓力變化關(guān)系式為

泊松比隨地層壓力變化關(guān)系式為

Biot系數(shù)隨地層壓力變化關(guān)系式為

式中，σH為最大水平主應(yīng)力，MPa；μ為泊松比；σv為垂向應(yīng)力，MPa；α為Biot系數(shù)；pp為地層孔隙壓力，MPa；E為彈性模量，MPa； ξH為最大水平主應(yīng)力方向構(gòu)造系數(shù)，無量綱；σh為最小水平主應(yīng)力，MPa；ξh為最小水平主應(yīng)力方向構(gòu)造系數(shù)，無量綱；p原始為原始地層孔隙壓力，MPa。

將現(xiàn)今地層壓力，代入式(4)～(6)，確定現(xiàn)今的彈性模量、泊松比、Biot系數(shù)，將其和構(gòu)造系數(shù)、初始垂向應(yīng)力一起代入經(jīng)典地應(yīng)力計算式(2)～(3)，即可確定現(xiàn)今水平應(yīng)力。

2.2 裂縫參數(shù)優(yōu)化

直井多分支縫壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化采用油藏數(shù)值模擬軟件進行，優(yōu)化方法如下：(1)根據(jù)油藏儲層條件，建立主縫長度及導(dǎo)流能力的優(yōu)化模型，根據(jù)產(chǎn)量拐點確定最優(yōu)主縫模型，優(yōu)化主縫半長及導(dǎo)流能力；(2)結(jié)合壓裂井現(xiàn)今水平應(yīng)力差和分支縫起裂方向的計算數(shù)值模型，確定分支縫與主縫夾角；(3)在最優(yōu)主縫模型上設(shè)置單組分支縫，根據(jù)產(chǎn)量拐點確定最優(yōu)分支縫模型，優(yōu)化分支縫長度及導(dǎo)流能力；(4)在最優(yōu)分支縫模型上，設(shè)置不同分支縫組數(shù)，根據(jù)產(chǎn)量拐點確定最優(yōu)分支縫組數(shù)。采用油藏數(shù)值模擬軟件對滲透率為 (5～80)×10-3μm2的儲層進行了裂縫參數(shù)優(yōu)化，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 直井多分支縫壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化原則Table 1 Principles for optimization of fracture parameters in fracturing of multiple branch fractures in vertical well

3 多分支縫壓裂工藝

3.1 縫內(nèi)暫堵劑評價優(yōu)選

縫內(nèi)暫堵劑目前有纖維和粉末2種類型，室內(nèi)評價表明纖維的暫堵強度為27 MPa，粉末的暫堵強度為35 MPa，2種暫堵劑的暫堵強度均能滿足現(xiàn)場需求；纖維的降解率為98%，粉末的降解率為92%，纖維降解率相對較好。

裂縫端部加砂完成后，纖維隨支撐劑一起進入裂縫內(nèi)部，纖維填充支撐劑孔隙，形成“纖維+支撐劑”暫堵段塞，纖維降解后原“纖維+支撐劑”暫堵段塞段裂縫中的支撐劑仍然存在，原“纖維+支撐劑”暫堵段塞段裂縫仍然有效支撐；裂縫端部加砂完成后，粉末單獨進入裂縫內(nèi)部，形成粉末暫堵段塞，粉末降解后，原粉末暫堵段塞段裂縫失去有效支撐，原粉末暫堵段塞段裂縫有閉合風險。為此，優(yōu)選纖維作為縫內(nèi)暫堵劑。

3.2 纖維縫內(nèi)暫堵劑用量及加入速度

纖維與支撐劑一起進入裂縫內(nèi)，形成“纖維+支撐劑”暫堵段塞。為了保證暫堵效果，纖維用量、加入速度非常重要。根據(jù)現(xiàn)場纖維實際用量、加入速度與暫堵后施工壓力上升關(guān)系，建立了纖維用量及加入速度經(jīng)驗公式。

當水平應(yīng)力差分別為 1、2、3、4、5、6 MPa時，纖維用量經(jīng)驗公式分別為

當施工排量分別為 3、3.5、4、4.5、5、5.5、6 MPa時，纖維加入速度經(jīng)驗公式為

式中，m為纖維暫堵劑質(zhì)量，kg；h為裂縫高度，m；v為纖維暫堵劑加入速度，kg/min；s為砂比，%。

3.3 多分支縫壓裂現(xiàn)場診斷控制方法

目前現(xiàn)場施工中，判斷裂縫是否轉(zhuǎn)向、是否形成分支縫，主要根據(jù)暫堵后施工壓力上漲值是否大于3 MPa來定性判斷，缺少可靠的理論依據(jù)。為此，研發(fā)了多分支縫壓裂現(xiàn)場診斷控制方法。主縫暫堵后，根據(jù)施工壓力、沿程摩阻、凈液柱壓力實時計算井底壓力。若井底壓力≥垂直分支縫起裂方向水平應(yīng)力+巖石抗張強度，則判斷產(chǎn)生分支縫；若井底壓力＜垂直分支縫起裂方向水平應(yīng)力+巖石抗張強度，則判斷未產(chǎn)生分支縫，需繼續(xù)投入縫內(nèi)暫堵劑。

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

4.1 現(xiàn)場應(yīng)用效果

在第七、第八、第九、第十采油廠以及方興油田的11個區(qū)塊，累計現(xiàn)場試驗310口井，相較常規(guī)壓裂規(guī)模增大20%，初期單井日增油1.9～4.8 t，達到常規(guī)壓裂的2.1～4.0倍，階段累計增油13.3萬t，投入產(chǎn)出比達1∶1.8，預(yù)計最終投入產(chǎn)出比1∶2.5，有效期達18個月以上，表明在井網(wǎng)條件下多分支縫壓裂有效增大了縫控體積，改善了注采關(guān)系，實現(xiàn)了低滲透儲層壓裂改造的低投入高產(chǎn)出。井下微地震監(jiān)測結(jié)果顯示，通過直井多分支縫壓裂，在主裂縫兩側(cè)形成多條分支縫，縫控體積增大82.3%，如圖3所示。

圖3 多分支縫壓裂井下微地震裂縫形態(tài)監(jiān)測結(jié)果Fig.3 Results of downhole micro-seismic monitoring of fracture morphology in fracturing of multiple branch fractures

4.2 鄰井常規(guī)壓裂及連通注水井情況

油井B和D為2口鄰井。其中，B井有效厚度為6.4 m，采用常規(guī)壓裂工藝，砂量為33 m3、液量為215 m3，壓裂后初期單位有效厚度日產(chǎn)油為0.7 t，產(chǎn)量快速下降，有效期僅7個月，壓裂后主裂縫兩側(cè)連通水井注入量、注入壓力無改變；其中，D井有效厚度為4 m，采用多分支縫壓裂工藝，砂量為45 m3、液量為280 m3，壓后初期單位有效厚度日產(chǎn)油0.8 t，產(chǎn)量波動小，壓裂后8個月單位有效厚度日產(chǎn)油為0.75 t，產(chǎn)量基本沒有下降，主裂縫兩側(cè)連通水井在注入壓力不變的條件下，日注水量增加 40 m3，且D井地層壓力逐漸恢復(fù)，表明D井產(chǎn)生了分支縫，縮短了注采距離，改善了注采關(guān)系。

5 結(jié)論

(1)通過真三軸物模實驗和數(shù)值模擬研究，從機理上明確了分支縫壓裂技術(shù)可行性，量化了分支縫形成條件，認識了多分支縫起裂延伸規(guī)律，為井網(wǎng)條件下增大縫控體積奠定了理論基礎(chǔ)。

(2)形成了現(xiàn)今地應(yīng)力演變計算方法和多分支縫壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，提高了裂縫與油藏的匹配程度。

(3)形成“纖維+支撐劑”縫內(nèi)暫堵工藝，避免了常規(guī)縫內(nèi)暫堵工藝暫堵劑降解后暫堵段塞段裂縫閉合的風險，且配套了現(xiàn)場施工診斷控制方法，為現(xiàn)場判斷裂縫是否轉(zhuǎn)向、是否形成了分支縫提供了技術(shù)參考依據(jù)。