張 勇, 王志晟, 甘宇明, 何金鵬, 雷豐宇, 郭子義

(1青海油田分公司鉆采工藝研究院 2青海油田分公司監(jiān)督監(jiān)理公司)

縫網(wǎng)壓裂技術(shù)的突破使煤層氣、頁巖油氣和致密油氣等低滲透儲層得到了有效開發(fā)[1-2]。縫網(wǎng)壓裂的影響因素較多，主要包含儲層應(yīng)力差、巖石脆性、裂隙發(fā)育程度和角度等[3]。目前大量研究表明儲層應(yīng)力差小，巖石脆性指數(shù)高，儲層裂隙發(fā)育等有利于縫網(wǎng)的形成[4]。近年來低滲透油藏逐漸成為青海油氣田增儲上產(chǎn)的重要組成部分，主要以南翼山、烏南、七個泉、扎哈泉、砂西等油藏為代表，其縫網(wǎng)壓裂相關(guān)物性參數(shù)見表1。常規(guī)壓裂改造程度低、措施后效果不明顯，開發(fā)效益差[5-6]。

表1 青海油田低滲油藏縫網(wǎng)壓裂相關(guān)參數(shù)

通過表1可以看出，以英西區(qū)塊為代表的青海油田具有典型的高應(yīng)力差、裂縫發(fā)育特征。目前對于高應(yīng)力差下天然裂縫發(fā)育的儲層是否能夠形成縫網(wǎng)研究較少。針對該問題，本文開展高應(yīng)力差下縫網(wǎng)壓裂的可行性機理研究。

圖1 水力裂縫和天然裂縫相交示意圖

一、天然裂縫起裂模型研究

當水力裂縫延伸遇到天然裂縫時，裂縫的延伸方向與天然裂縫的壁面的受力狀態(tài)、縫內(nèi)凈壓力、巖石內(nèi)聚力等有關(guān)[7]。水力裂縫遇到天然裂縫時會出現(xiàn)兩種情況[8]：①穿過天然裂縫繼續(xù)延伸；②沿著天然裂縫繼續(xù)延伸。研究表明，天然裂縫開啟方式又可以分為張開起裂和剪切起裂兩種類型。剪切起裂是指應(yīng)力狀態(tài)的改變，導(dǎo)致裂縫壁面產(chǎn)生剪切滑動的一種起裂模式[9],如圖1示意。

建立人工水力裂縫與天然裂縫相交時的示意圖，如圖1所示。地層的最大、最小水平主應(yīng)力分別為σH和σh;水力裂縫與天然裂縫之間的夾角為逼近角度，記為θ；沿天然裂縫方向的正應(yīng)力為σ和切應(yīng)力為τ。根據(jù)彈塑性力學(xué)知識可以得出天然裂縫壁面處的應(yīng)力分量如式(1)：

(1)

縫內(nèi)的液體壓力為最小水平主應(yīng)力與縫內(nèi)凈壓力之和。另外當水力壓裂與天然裂縫相遇時刻，兩條裂縫之內(nèi)的液體壓力近似相等。水力裂縫內(nèi)的液體壓裂為σh+σt+Δp，則可以得到天然裂縫內(nèi)的凈壓力表達式(2)：

Δσ=σh+σt+Δp-σn

(2)

式中：Δσ—天然裂縫內(nèi)凈壓力；σt—巖石抗拉強度；Δp—水力裂縫內(nèi)凈壓力。

天然裂縫剪切破壞判據(jù)：當作用在壁面上的剪應(yīng)力高于裂縫壁面阻止剪切滑動應(yīng)力時，裂縫發(fā)生剪切破壞。

|τ|>τ0+Kf·Δσ

(3)

式中：τ0—巖石的內(nèi)聚力;Kf—縫面的摩擦因數(shù)。

將式(1)和式(2)代入到式(3)整理得到：

(4)

整理式(4)可以得到式(5)：

(5)

以青海油田躍東區(qū)塊儲層物性參數(shù)為例，計算天然裂縫發(fā)生剪切破壞的情形。其中剪切應(yīng)力摩擦系數(shù)為0.7，儲層巖石的內(nèi)聚力為7 MPa，巖石抗拉強度2 MPa，計算0～6 MPa縫內(nèi)凈壓力情況下的逼近角廣度變化情況，計算結(jié)果如圖2。

天然裂縫與水力裂縫夾角的范圍稱為逼近角廣度。結(jié)果顯示,當天然裂縫發(fā)生剪切破壞時，不同縫內(nèi)凈壓力的情況下，最優(yōu)逼近角出現(xiàn)在某一合適的角度，逼近角度的過高或者過低均不利于天然裂縫發(fā)生剪切破壞。當縫內(nèi)凈壓力由2 MPa提高至6 MPa時，天然裂縫逼近角廣度明顯提高。縫內(nèi)凈壓力為2 MPa時，最優(yōu)逼近角廣度范圍為17°～42°；縫內(nèi)凈壓力為6 MPa時，最優(yōu)逼近角廣度范圍為8°～52°。表明提高縫內(nèi)凈壓力可以使更廣泛的天然裂縫開啟。

圖2 天然裂縫剪切破壞時逼近角廣度圖

圖3 天然裂縫剪切破壞時縫內(nèi)凈壓力變化

圖3所示對于不同應(yīng)力差條件下，隨著逼近角廣度的增加，天然裂縫開啟所需的凈壓力的變化趨勢相同。當逼近角在20°～30°之間時使天然裂縫發(fā)生開啟的凈壓力較低。結(jié)果表明，對于應(yīng)力差分為4 MPa、8 MPa、12 MPa、16 MPa，天然裂縫發(fā)生剪切破壞的縫內(nèi)凈壓力分別為7 MPa、5 MPa、3.8 MPa、2 MPa。即隨著最大、最小應(yīng)力差增加，使天然裂縫發(fā)生剪切破壞所需要的縫內(nèi)凈壓力降低。

二、工藝措施及效果措施

縫內(nèi)凈壓力受主應(yīng)力剖面、彈性模量、泊松比、斷裂韌性、黏度和施工排量等參數(shù)控制[10-11],根據(jù)翁定為、袁征等人研究，優(yōu)選合適的低砂比段塞能夠起到封堵微裂縫，提升縫內(nèi)凈壓力的作用[12-13]。前置液階段形成主縫后，進行低砂比段塞交替泵注封堵微裂縫。攜砂液階段對主裂縫進行加砂支撐，最終形成縫網(wǎng)[14-16]。

獅41H3井是英西油田的一口水平井，該區(qū)天然裂縫發(fā)育，巖礦分析脆性礦物約占74.9%，脆性指數(shù)為66%。該井最大、最小水平應(yīng)力差范圍：9.3～16.1 MPa，平均為13.6 MPa。對5 009～5 073 m井段進行改造施工。本井采用大液量、高排量，多級脈沖暫堵壓裂工藝進行提高縫內(nèi)凈壓力施工，盡可能的開啟天然裂縫。

圖4 獅41H3井壓裂施工曲線

圖5 獅41H3井壓降測試曲線G函數(shù)分析

本井施工期間低砂比階段液體為滑溜水，通過圖4可以看出，本井在施工排量為6 m3/min時，施工壓力約90 MPa平穩(wěn)延伸。通過軟件計算本井的閉合壓力為107.2 MPa。由此可以計算出本井施工期間井底凈壓力約為9 MPa。本井平均應(yīng)力差為13.6 MPa，借鑒圖3可以初步判斷本井施工凈壓力可使廣泛角度的天然裂縫發(fā)生剪切破壞。

另外，對本井壓降曲線進行G函數(shù)顯示本井閉合特征明顯，測定閉合壓力為107.17 MPa，閉合時間為11.8 min。與過原點的切線相比，地面壓力Gd/dG曲線具有明顯的上凸現(xiàn)象(見圖5)。這表明壓裂施工期間存在多裂縫開啟的現(xiàn)象。上述現(xiàn)象說明了高應(yīng)力差裂縫儲層提高縫內(nèi)凈壓力方式開啟天然裂縫的可行性。

三、結(jié)論

(1)本文給出了一種天然裂縫開啟的數(shù)學(xué)模型。模型計算結(jié)果顯示：提高施工凈壓力可以使更廣泛角度的天然裂縫發(fā)生開啟；另外，對于天然裂縫發(fā)育儲層，高應(yīng)力差利于觸發(fā)天然裂縫發(fā)生剪切破壞。

(2)對獅41H3井進行壓裂改造并對本井測壓降數(shù)據(jù)進行G函數(shù)分析(圖5)，結(jié)果顯示該井具有明顯的工藝特征。驗證了高應(yīng)力差裂隙儲層的縫網(wǎng)理論的合理性和提高凈壓力縫網(wǎng)工藝的可行性。

大量研究表明，主應(yīng)力差的減小利于形成縫網(wǎng)。然而對于高應(yīng)力差儲層是否能夠形成縫網(wǎng)，研究相對較少。通過上述研究顯示，對于應(yīng)力差較大，天然裂縫發(fā)育儲層可以通過開啟天然裂縫的方式進行縫網(wǎng)改造。且采取提高凈壓力的工藝方式利于縫網(wǎng)的形成。該研究可為柴達木盆地的增產(chǎn)改造提供參考。