李傳亮，龐彥明，周永炳，戰(zhàn)劍飛，朱蘇陽

（1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610599；2.中國石油大慶油田責(zé)任有限公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712；3.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163002；4.黑龍江省陸相頁巖油重點實驗室，黑龍江 大慶 163712）

0 引言

對于具有一定自然產(chǎn)能的油氣藏，利用直井開采即可獲得經(jīng)濟效益。但是，直井與油氣藏的接觸面積小，產(chǎn)油氣能力有限。為了提高油氣井產(chǎn)能，人們想到了壓裂，通過壓裂在地層中產(chǎn)生1條裂縫（雙翼單縫），疏通了油氣流入井筒的通道，進而提高了油氣井的產(chǎn)能[1-2]。

由于特低滲透油氣藏的自然產(chǎn)能特別低，單縫壓裂對油氣井的產(chǎn)能提高幅度有限，因此依然無法達到經(jīng)濟有效開采的目的。于是，人們又想到了水平井。在油氣藏中首先打水平井，可以大幅度擴大油氣井與儲層的接觸面積；然后在水平井上進行多級壓裂，可以在地層中產(chǎn)生多條裂縫（包括體積縫），壓裂縫遍布整個油氣藏，油氣流入井筒的通道更加密集和暢通，油氣藏的改造體積進一步擴大，油氣藏的產(chǎn)能得到了徹底釋放，油氣井的產(chǎn)能大幅度提高。壓裂技術(shù)也因此成為了特低滲透油氣藏（包括頁巖油氣藏）產(chǎn)能建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)[3-9]。

壓裂技術(shù)自1947年誕生以來，已逐步發(fā)展成為油氣井增產(chǎn)、注水井增注的強有力技術(shù)[10]。沒有壓裂技術(shù)，許多特低滲透油氣資源則無法實現(xiàn)經(jīng)濟有效開發(fā)。壓裂技術(shù)也是隨著油田開發(fā)而不斷發(fā)展成熟起來的，它從早期的小型壓裂逐步發(fā)展成為中型壓裂、大型壓裂或超大型壓裂，從單縫壓裂逐步發(fā)展成為多縫壓裂、體積縫網(wǎng)壓裂（即體積壓裂）。壓裂的規(guī)模越來越大，壓出的裂縫數(shù)量越來越多，壓裂的效果也越來越好[9-12]。

但是，壓裂在什么條件下可以產(chǎn)生單縫，在什么條件下可以產(chǎn)生多縫或縫網(wǎng)，目前并沒有徹底搞清楚，尚需進行深入的研究，本文擬對該問題進行理論分析和機理探討。

1 直井壓裂垂直縫

直井一般適合于具有一定自然產(chǎn)能的油氣藏，這類油氣藏都有一定的滲透性，壓裂的目的是改造近井地帶用于解堵和提高產(chǎn)能，但壓裂范圍有限。

所謂的壓裂，就是通過向井筒注入高壓流體，把井筒周圍地層壓出裂縫的過程。油氣井壓裂產(chǎn)生何種裂縫，與井點處的地質(zhì)條件和應(yīng)力條件有關(guān)，還與壓裂的施工條件有關(guān)[13-15]。

圖1表示1口直井打開了1個砂巖地層。假設(shè)上覆壓力pob為最大主應(yīng)力，則地層中只會產(chǎn)生垂直裂縫。圖中σH為最大水平地應(yīng)力，σh為最小水平地應(yīng)力，紅色部分代表油井，虛點部分代表地層，下同。

圖1 直井俯視圖及地應(yīng)力條件

在圖1地應(yīng)力條件下，井筒周圍的周向應(yīng)力如圖2所示[13]。圖中 rw為油氣井半徑，r為徑向距離，σθ為周向應(yīng)力。

圖2 井筒周圍極坐標及周向應(yīng)力

式中：pb為地層破裂壓力，MPa；θ為方位角，（°）；σf為巖石拉伸應(yīng)力強度，MPa；η為巖石性質(zhì)參數(shù)；pi為地層（流體）壓力，MPa；φc為巖石觸點孔隙度；ν為巖石泊松比；φ為巖石孔隙度。

由于 0<φ<1，0<ν<0.5，因此，0<η<0.5。 當(dāng) φ>0，則η>0，表明巖石具有滲透性；當(dāng) φ=0，則 η=0，表明巖石沒有滲透性。

由式（1）可以看出，地層破裂壓力隨方位角的變化而變化，即井壁上每一點的破裂壓力都不相同。假設(shè)最大水平地應(yīng)力為50 MPa，最小水平地應(yīng)力為30 MPa，地層壓力為10 MPa，巖石拉伸應(yīng)力強度為5 MPa，孔隙度為10%，觸點孔隙度為50%，泊松比為0.25，則破裂壓力的計算結(jié)果如表1所示。

表1 井筒周圍破裂壓力計算結(jié)果

井底壓裂縫都是拉張作用的結(jié)果，屬于張性縫。通過力學(xué)分析，可以得到井壁上的周向結(jié)構(gòu)有效應(yīng)力，令它等于地層巖石的拉伸應(yīng)力強度，則井壁上各點的破裂壓力[16-18]為

由表1可以看出，0°（最大水平地應(yīng)力）方向的破裂壓力最小，90°（最小水平地應(yīng)力）方向的破裂壓力最大。因此，地層中最容易產(chǎn)生的裂縫是平行于最大水平地應(yīng)力方向的裂縫，最不容易產(chǎn)生的裂縫是垂直于最大水平地應(yīng)力方向的裂縫。

如果壓裂時的井底壓力低于30.93 MPa，則無法壓裂地層，地層中也不可能產(chǎn)生裂縫。如果井底壓力達到了30.93 MPa，則只能在0°方向上壓出1條裂縫（見圖3a。圖中油井四周的黑色部分為裂縫，下同）。如果井底壓力達到了31.80 MPa，則可以在-45°～45°的范圍壓出多條裂縫（見圖3b）。如果井底壓力達到了34.35 MPa，甚至更高，則可以在井底周圍全方位壓出多條裂縫（見圖3c）。

圖3 井底壓出裂縫分布

地層中一旦壓出了1條裂縫，由于滲透性地層的濾失作用，井底壓力則很難繼續(xù)升高，也就很難在其他方向壓出裂縫。這就是常規(guī)壓裂只能壓出1條裂縫的原因。若想壓出多條裂縫，必須快速提高井底壓力，比如提高壓裂泵組的功率，這樣就會大幅度增加壓裂成本，礦場上一般不會采用。

1個井點的周圍可以視為平面均質(zhì)地層，即宏觀均質(zhì)地層通常只能壓出1條裂縫，這就是單縫壓裂（見圖3a）。

在低滲透地層直井中實施的爆炸（燃）壓裂可以產(chǎn)生多條裂縫（見圖4），主要原因是爆炸產(chǎn)生的瞬間高壓，可以超過井筒周圍每一點的破裂壓力[19-21]。

圖4 爆炸壓裂產(chǎn)生多條裂縫

由于爆炸壓裂的作用時間短暫，裂縫延伸范圍有限，而且不好控制，因此應(yīng)用范圍不廣。下面不再討論爆炸壓裂的問題。

2 直井壓裂水平縫

在上覆壓力為最大主應(yīng)力的深層地層中進行壓裂，一般只能產(chǎn)生垂直裂縫。若在上覆壓力為最小主應(yīng)力的淺層地層中進行壓裂，則通常只產(chǎn)生水平裂縫（見圖5。圖中黃色部分為應(yīng)力弱面）。

圖5 直井壓裂水平裂縫

直井產(chǎn)生水平裂縫的破裂壓力[22]為

由于地層垂向上存在非均質(zhì)性，即地層由許多小的均質(zhì)地層組成，不同深度的巖石物性和拉伸應(yīng)力強度都不相同，其破裂壓力也不相同，破裂壓力最小或最脆弱的均質(zhì)小層會率先破裂。地層壓出1條裂縫之后，其他層位就不會再壓出裂縫。由微觀均質(zhì)地層組成的宏觀非均質(zhì)地層，也只能壓出1條裂縫，并且裂縫只在1個小的均質(zhì)地層中擴展，這也是單縫壓裂。若想在地層中產(chǎn)生多條水平裂縫，可以采用分層壓裂或分段壓裂技術(shù)。

3 水平井壓裂均質(zhì)地層

對于自然產(chǎn)能特別低的油氣藏，采用直井壓裂產(chǎn)能依然較低，只能采用水平井壓裂開采。由于水平井的水平段較長，1次壓裂只能產(chǎn)生1條裂縫，對產(chǎn)能的提高幅度有限。因此，一般都采用多級壓裂的方式進行分段壓裂，每1個點位產(chǎn)生1條裂縫，整個水平段上就可以壓出多條裂縫，這樣就可以大幅度增加油氣入井的通道（見圖6。圖中綠色部分為橋塞），進而大幅度提高油氣井的產(chǎn)能。

圖6 水平井分段單縫壓裂（側(cè)視圖）

為了讓壓裂縫垂直于水平井，以便增大油氣藏的改造體積，一般都把水平井設(shè)計成平行于最小水平地應(yīng)力的方向。

宏觀上的非均質(zhì)地層，分段之后每一段也可視為均質(zhì)地層，即微觀上為均質(zhì)地層。

對于圖6中水平井的垂直裂縫，相當(dāng)于直井中產(chǎn)生的水平裂縫，破裂壓力公式為

4 水平井壓裂非均質(zhì)地層

微觀均質(zhì)地層在1個點位只能壓出1條裂縫，而微觀非均質(zhì)地層則可以壓出縱橫交錯的裂縫網(wǎng)絡(luò)，這就是縫網(wǎng)（體積）壓裂。頁巖就是典型的微觀非均質(zhì)地層，下面以頁巖地層為例分析體積壓裂的問題。

頁巖是由細小的砂巖地層（砂條）和泥巖地層（基質(zhì)）組成的非均質(zhì)地層（見圖7。圖中黃色橢圓部分為砂條，下同）。砂條為儲層，基質(zhì)為烴源層和蓋層[23]。基質(zhì)生成的油氣短距離運移進入砂條儲集起來。頁巖不是純泥巖，其顯著特征就是頁理結(jié)構(gòu)。砂條鑲嵌在泥巖中，就形成了頁巖。也可以說頁巖是非均質(zhì)泥巖，泥巖是均質(zhì)頁巖。砂條是頁巖中的微型巖性圈閉，無數(shù)個微型巖性圈閉油氣藏就構(gòu)成了大型頁巖油氣藏。頁巖的封閉性能極好，以至于很多頁巖氣藏都是異常高壓氣藏。有些頁巖地層中發(fā)育了微裂縫，微裂縫相當(dāng)于儲集油氣的砂條。頁巖油氣藏的生儲蓋配置良好，所以才保存了大量的頁巖油氣資源。

圖7 頁巖及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)

頁巖中的油氣是受砂條（微型巖性圈閉）控制的，不是受頁巖地層的宏觀構(gòu)造控制的，頁巖油氣藏沒有宏觀的蓋層和圈閉等概念。砂條中的油氣都是不連通的，開采頁巖油氣必須通過水平井加多級壓裂的方法把盡量多的砂條連通起來，連通的砂條越多，油氣的產(chǎn)能就越大。沒有被壓裂縫連通的砂條，其中的油氣則無法被開采出來。

頁巖油氣藏的壓裂，不能進行分段單縫壓裂（見圖6），這樣連通的砂條數(shù)量有限。頁巖油氣藏的開采必須進行分段分簇多縫體積壓裂，即在整個頁巖地層中形成縱橫交錯的裂縫網(wǎng)絡(luò)（見圖8。圖中黑色線為主裂縫，藍色線為分支裂縫，下同）。由于頁巖為微觀非均質(zhì)地層，具備了進行體積壓裂的地質(zhì)條件。若是微觀均質(zhì)地層，則只能進行分段單縫壓裂。頁巖地層的壓裂縫為主裂縫和分支裂縫構(gòu)成的復(fù)雜縫網(wǎng)。由于非均質(zhì)性的原因，地層巖石的破裂壓力分布是不均勻的，因而壓裂縫也都是彎曲的，它沿著破裂壓力最小的方向蜿蜒延伸。均質(zhì)地層中的壓裂縫大多是直裂縫。

圖8 頁巖地層體積壓裂縫網(wǎng)

泥巖為韌性巖石，可壓性弱；砂巖為脆性巖石，可壓性強。頁巖介于二者之間，具有一定的可壓性。頁巖的硅質(zhì)或鈣質(zhì)成分含量越高，可壓性就越強。

壓裂時首先會在頁巖地層中產(chǎn)生主裂縫，主裂縫會沿著最大水平地應(yīng)力的方向擴展，主裂縫的破裂壓力計算公式為式（4）。由于頁巖是非均質(zhì)地層，每一點的破裂壓力都不相同，主裂縫會沿著砂條密集的方向蜿蜒延伸（見圖9）。

圖9 頁巖水平井壓裂主裂縫和分支裂縫（俯視圖）

由于頁巖的物性極差，濾失作用很弱，主裂縫中的壓裂液容易憋壓。高壓液體在主裂縫的橫側(cè)方向上會進一步壓出分支裂縫，垂直分支裂縫會沿著最小水平地應(yīng)力的方向擴展，其破裂壓力公式[24]為

水平分支裂縫會在水平方向上擴展，其破裂壓力計算公式為式（3）。

由于頁巖的砂條很小，不管是垂直分支縫，還是水平分支縫，1次開裂后的延伸范圍都很小，需多次開裂連續(xù)接替才能形成較大的壓裂改造體積。

主裂縫與分支裂縫實際上是同步產(chǎn)生的。砂條有利于裂縫的形成和擴展，泥巖基質(zhì)傾向于阻止裂縫的形成和擴展。因此，當(dāng)主裂縫①擴展到砂條上方的泥巖時，裂縫的擴展受阻，裂縫憋壓產(chǎn)生分支裂縫②；當(dāng)分支裂縫②擴展到側(cè)向泥巖時受阻，裂縫憋壓再次產(chǎn)生主裂縫③，裂縫進一步向前擴展（見圖10。圖中黑色表示第1次壓開的主裂縫，藍色表示隨后壓開的分支裂縫，棕色表示再次壓開的主裂縫）。主裂縫與分支裂縫是交替產(chǎn)生依次擴展的，地層中多次開裂，最終形成一個復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。由于頁巖的微觀非均質(zhì)性，主裂縫和分支裂縫都很難沿直線擴展。

圖10 主裂縫和分支裂縫交替擴展

致密油氣藏與頁巖油氣藏有相似之處，也屬于微觀非均質(zhì)地層，也可以進行體積壓裂。

圖11為礦場上體積壓裂時的微地震監(jiān)測[25]。該圖顯示了主裂縫與分支裂縫的分布情況。圖11為5級9簇壓裂，其中1級和4級為單簇設(shè)計，2級和3級為2簇設(shè)計，5級為3簇設(shè)計。壓裂過程中一共監(jiān)測到698個微地震事件，1個微地震事件對應(yīng)1個地層開裂點，體積壓裂縫網(wǎng)形態(tài)明顯。裂縫動態(tài)長度在25～210 m，裂縫動態(tài)高度在24～45 m，裂縫動態(tài)寬度在44～127 m。裂縫翼長不同，對稱性較差，裂縫擴展范圍差異很大，地層非均質(zhì)性導(dǎo)致的裂縫不規(guī)則性是體積壓裂縫的顯著特征。

圖11 體積壓裂微地震監(jiān)測

從上面的分析可以看出，體積壓裂縫網(wǎng)只能產(chǎn)生在物性極差的微觀非均質(zhì)地層中，物性極差的均質(zhì)地層和物性較好的地層都不會產(chǎn)生體積壓裂縫網(wǎng)。

5 體積壓裂的施工條件

根據(jù)前面的分析可知，產(chǎn)生體積壓裂縫網(wǎng)的地質(zhì)條件是物性極差的微觀非均質(zhì)地層。但是否一定能夠產(chǎn)生體積壓裂縫網(wǎng)，還需要滿足一定的施工條件。

由于地層的物性極差，可以視為沒有滲透性。此時，φ=0，φc=0，η=0，主裂縫的破裂壓力公式（4）可以簡化為

產(chǎn)生垂直分支裂縫的式（5），可以簡化為

產(chǎn)生水平分支裂縫的式（3），可以簡化為

垂直分支裂縫與主裂縫的破裂壓力差Δpb1為

該差值越大，越不容易產(chǎn)生垂直分支縫，也就越不容易實現(xiàn)體積壓裂。

水平分支裂縫與主裂縫的破裂壓力差Δpb2為

該壓力差值越大，越不容易產(chǎn)生水平分支縫，也就越不容易實現(xiàn)體積壓裂。

由式（6）—（10）可以看出，分支裂縫的破裂壓力比主裂縫的破裂壓力高，也就是說，地層產(chǎn)生主裂縫比較容易，而產(chǎn)生分支裂縫則比較困難。要想在地層中實現(xiàn)體積壓裂產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)，井底壓力必須同時大于主裂縫和分支裂縫的破裂壓力。

為了提高井底壓力，可采用2個措施：一是提高壓裂泵組功率；二是降低壓裂液黏度，讓壓裂液流到主裂縫時還有較高的剩余壓力（凈壓力）去壓裂分支裂縫。

重慶地區(qū) ZX03井完鉆井深達 5 793.0 m[26]，垂深4 176.9 m，水平段長1 262.0 m，層位為龍馬溪組，巖性主要為灰黑色、黑色頁巖。縱向上，龍馬溪組龍11段—五峰組的Ⅰ類儲層總厚度20.3 m，Ⅱ類儲層總厚度28.1 m。

龍11段最大水平地應(yīng)力106.51 MPa，最小水平地應(yīng)力87.17 MPa，水平應(yīng)力差達19.34 MPa；五峰組最大水平地應(yīng)力107.37 MPa，最小水平地應(yīng)力87.56 MPa，水平應(yīng)力差達19.81 MPa。較高的水平應(yīng)力差致使體積壓裂的實現(xiàn)難度加大。

地層上覆壓力大約為96.20 MPa，上覆壓力與最小水平主應(yīng)力的差值為8.65～9.02 MPa。為了實現(xiàn)體積壓裂，現(xiàn)場采用了低黏度壓裂液（2～3 mPa·s滑溜水）和大排量（17 m3/min）泵入技術(shù)，施工壓力高達90～118 MPa，井底凈壓力高達28～33 MPa。

根據(jù)式（6），該井點產(chǎn)生主裂縫的破裂壓力為92.17～92.56 MPa；根據(jù)式（7），產(chǎn)生垂直分支裂縫的破裂壓力為111.51～112.37 MPa。破裂壓力非常高，垂直分支裂縫與主裂縫的破裂壓力差為19.34～19.81 MPa。根據(jù)式（8），產(chǎn)生水平分支裂縫的破裂壓力為101.20 MPa，水平分支裂縫與主裂縫的破裂壓力差為8.64～9.03 MPa。雖然地層的破裂壓力差比較高，形成裂縫網(wǎng)絡(luò)的難度比較大，但井底壓力高，井底凈壓力高達28～33 MPa，已遠遠超出了破裂壓力差，為復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成和擴展提供了保障。

該井壓后微地震監(jiān)測顯示，總改造體積達6 179×104m3，壓裂25段的平均單段改造體積為247×104m3，形成了裂縫網(wǎng)絡(luò)。該井壓后排液3 d見氣，7 mm油嘴放噴測試，產(chǎn)氣量為21.3×104m3/d，成功實現(xiàn)了體積壓裂[26]。

6 結(jié)論

1）在直井中進行壓裂，通常只能實現(xiàn)單縫壓裂。在均質(zhì)地層或宏觀非均質(zhì)地層的水平井上進行壓裂，通常只能實現(xiàn)分段單縫壓裂。實現(xiàn)體積縫網(wǎng)壓裂的地質(zhì)條件為物性極差的微觀非均質(zhì)地層。

2）體積壓裂縫網(wǎng)是由主裂縫和分支裂縫組成的裂縫網(wǎng)絡(luò)，主裂縫與分支裂縫同步擴展依次接替，裂縫蜿蜒曲折，裂縫形態(tài)不規(guī)則，而均質(zhì)地層中的裂縫通常都是直裂縫。

3）分支裂縫的破裂壓力比主裂縫的破裂壓力高，只有當(dāng)井底壓力同時高于主裂縫和分支裂縫的破裂壓力時才能壓出體積縫，為此需要提高壓裂泵組的功率，采用低黏壓裂液和大排量泵入技術(shù)。