超低滲透油藏水平井儲能壓裂機(jī)理研究與現(xiàn)場試驗(yàn)

黃 婷 ， 蘇良銀 ， 達(dá)引朋 ， 楊立安

（1. 中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安 710018；2. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018）

HQ 油田長6 儲層為典型的超低滲透油藏，儲層物性較差，油藏壓力保持水平低，地層原油具有低密度、低黏度和低凝固點(diǎn)等特征。綜合來看，壓裂是開發(fā)HQ 油田長6 油藏的主要手段。近年來，HQ 油田規(guī)模應(yīng)用水平井分段壓裂技術(shù)，有效提高了單井產(chǎn)量，但是部分水平井由于初期改造規(guī)模小，改造范圍有限，部分儲量難以有效動用，導(dǎo)致穩(wěn)產(chǎn)時間短，近井地帶能量虧空明顯，短期內(nèi)產(chǎn)量下降明顯[1-6]。目前，國外對水平井重復(fù)壓裂技術(shù)的研究和現(xiàn)場應(yīng)用較少，對超低滲透油藏水平井重復(fù)壓裂技術(shù)的研究和應(yīng)用更少；國內(nèi)水平井重復(fù)壓裂一般側(cè)重于壓裂工藝研究[7-12]，對壓裂前補(bǔ)能和壓裂后燜井方面的研究較少，尤其是機(jī)理研究，目前，尚未見到通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究儲能壓裂增產(chǎn)機(jī)理方面的報道。為此，筆者在分析超低滲透油藏水平井低產(chǎn)原因的基礎(chǔ)上，提出了超低滲透油藏水平井儲能壓裂技術(shù)思路。室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，地層內(nèi)維持高壓可以產(chǎn)生大量微裂縫，這些微裂縫可有效溝通水力裂縫與天然裂縫，使天然裂縫面產(chǎn)生明顯的錯動痕跡；滲流理論及有限元分析結(jié)果進(jìn)一步明確了儲能壓裂增產(chǎn)機(jī)理。儲能壓裂技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)對低產(chǎn)低效水平井重復(fù)改造具有較好的適應(yīng)性，可為同類超低滲透油藏重復(fù)壓裂開發(fā)提供技術(shù)參考。

1 水平井低產(chǎn)低效原因分析

1.1 儲層物性差，注水不見效

HQ 油田長6 油藏屬于典型的超低滲透油藏，油層厚度較大，為5.00～30.00 m，平均為14.40 m。油層厚度分布嚴(yán)格受控于砂體展布，砂巖厚度大的地方，油層厚度大，主體帶滲透率為0.3 mD 左右，孔隙度約為11.5%，受儲層物性及天然微裂縫影響，注水見效差，難以形成有效驅(qū)替。

1.2 水平井初次改造程度低，剩余油富集

受初期理論認(rèn)識和施工條件限制，水平井初期改造規(guī)模小，改造程度低。油井投入開采后，因注水不見效，儲層能量下降快，油井近井地帶形成了低壓區(qū)。剩余油測試顯示，裂縫側(cè)向40.00 m 外和油水井三角地帶未水洗，剩余油富集。預(yù)測HQ 油田剩余油含油面積238.3 km2，地質(zhì)儲量1.0×108t；長6 油藏的整體采油速度為0.3%～0.8%，采出程度僅為4.42%。重復(fù)壓裂后產(chǎn)生的新裂縫需要從低壓區(qū)延伸至高壓區(qū)，即從已開采區(qū)域延伸至未開采區(qū)域，難度較大。由于該油藏儲層的地質(zhì)特征特殊，常規(guī)壓裂形成的水力裂縫形態(tài)相對單一，難以形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

2 儲能壓裂室內(nèi)模擬試驗(yàn)

儲能壓裂是在壓裂前注入適量的驅(qū)油壓裂液，依靠滲流作用，使水流動到低孔隙壓力區(qū)，擾動和開啟遠(yuǎn)端天然裂縫，加速剩余油向水力裂縫流動，有效補(bǔ)充地層能量。設(shè)計時提高壓裂前置液比例，結(jié)合“原縫復(fù)壓+加密布縫”的體積壓裂重復(fù)改造技術(shù)，并且在壓裂后燜井進(jìn)行滲吸擴(kuò)散，增大壓裂改造體積和裂縫復(fù)雜程度，從而恢復(fù)老井產(chǎn)能。

根據(jù)巖石破壞機(jī)理，設(shè)計了室內(nèi)儲能壓裂模擬試驗(yàn)方案。水泥和石英砂按照1∶1 配制混凝土，制成邊長30.0 cm 的立方體混凝土試件，其滲透率為0.4 mD，接近儲層真實(shí)滲透率（0.3 mD）。試件內(nèi)部預(yù)制了6 條不同傾角的石膏質(zhì)地的天然裂縫。采用30.0 cm×30.0 cm 高應(yīng)力真三軸物理模擬試驗(yàn)機(jī)和SAMOSTM 聲發(fā)射檢測系統(tǒng)模擬研究儲層的實(shí)際應(yīng)力狀況。

初次壓裂形成水力裂縫后，繼續(xù)向試件注水模擬儲能壓裂過程中維持地層高壓（低于裂縫延伸壓力）的狀態(tài)，同時通過聲發(fā)射信號檢測系統(tǒng)檢測試件內(nèi)部的破壞情況，尤其是微裂縫的發(fā)育情況。

試驗(yàn)后剖開試件，發(fā)現(xiàn)水力裂縫與天然裂縫溝通，在高孔隙壓力作用下天然裂縫界面被充分浸泡軟化，天然裂縫面錯動痕跡非常明顯。

儲能壓裂模擬過程中，試件初次破裂之后，通過壓力控制系統(tǒng)將縫內(nèi)壓力維持在11.6 MPa，該壓力低于裂縫延伸壓力，即初次壓裂形成的裂縫不再延伸。聲發(fā)射事件隨注入壓力的變化情況表明（見圖1），注入壓力維持在11.6 MPa，3 000 s 后試件仍然不斷有聲發(fā)射信號產(chǎn)生，每一個聲發(fā)射信號代表巖石內(nèi)部微裂紋的發(fā)育和擴(kuò)展，以及高孔隙壓力對天然裂縫的擾動。

圖 1 儲能壓裂過程中的聲發(fā)射事件分布Fig.1 Distribution of acoustic emission events during energy storage fracturing

聲發(fā)射檢測結(jié)果表明，憋壓過程中試件內(nèi)部產(chǎn)生了大量微破裂。試驗(yàn)進(jìn)行到11 000 s 之后聲發(fā)射信號明顯減弱、甚至消失（見圖1）。由此可知，在實(shí)驗(yàn)室條件下，關(guān)井憋壓的有效時長至少為11 000 s，約為3 h。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則，計算得到特征時間t，根據(jù)特征時間與試驗(yàn)中的燜井時間t1，變換得到現(xiàn)場施工燜井時間tm。

式中：t 為特征時間，s；rw為試驗(yàn)井眼直徑，m，取0.005 5 m；q 為試驗(yàn)流量，m3/s，取3.3×10-8m3/s；μ 為流體黏度，Pa·s，取2.0 Pa·s；E 為彈性模量，GPa。

計算可得，現(xiàn)場試驗(yàn)燜井時間至少為55.1 h，為了使壓裂后有更多的微裂縫發(fā)育，同時考慮如果燜井時間過長會影響整體產(chǎn)量，所以現(xiàn)場試驗(yàn)燜井時間設(shè)計為72 h。

3 儲能壓裂增產(chǎn)機(jī)理

3.1 壓裂液滲流理論

根據(jù)滲流力學(xué)基本理論可知，壓裂前注入前置液并燜井增壓，能大幅提高近井地帶的水相飽和度、水相壓力和低壓區(qū)的儲層孔隙壓力，因此，會提高地層壓力保持水平，實(shí)現(xiàn)油井增產(chǎn)的目的。

根據(jù)每段累計虧空體積、儲層基質(zhì)滲透率和地層能量保持水平，計算壓裂前注入地層的液量：

式中：V 為水井單段注入液量，m3；ηs為地層能量保持程度；Vk為單段虧空體積，m3；K0為基質(zhì)滲透率，mD。

3.2 燜井儲層應(yīng)力變化特征

壓裂后進(jìn)行燜井，以弱化巖石應(yīng)力，加劇天然裂縫錯動和分離，使其發(fā)生剪切破壞和拉伸破壞，從而實(shí)現(xiàn)水力裂縫與天然裂縫的溝通，增大地層能量，提高裂縫復(fù)雜程度。

用有限元法分析地應(yīng)力場，主要是利用巖土工程中的反演理論，首先根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)建立研究區(qū)域的地質(zhì)模型和力學(xué)模型，再根據(jù)不同方向分布的井點(diǎn)數(shù)據(jù)反演出研究區(qū)域的邊界條件、加載方式和載荷等。根據(jù)反演出的條件進(jìn)行計算，若計算結(jié)果與實(shí)際測量點(diǎn)相似度在90%以上，則反演條件可用，模型地應(yīng)力分布計算正確；若計算結(jié)果與實(shí)際測量點(diǎn)相似度比較小，則反演條件不可用，需重新反演研究區(qū)域的邊界條件、加載方式和載荷，再根據(jù)反演條件計算地應(yīng)力分布，直至計算結(jié)果符合要求為止。

儲能壓裂時，壓裂前注入適量的驅(qū)油壓裂液，壓裂時提高前置液比例，在此基礎(chǔ)上模擬壓裂后的燜井過程。燜井是驅(qū)油壓裂液和前置液進(jìn)行擴(kuò)散并與周圍巖石進(jìn)行流固耦合的過程，此時流體流動和固體變形會同時存在。剛完成重復(fù)壓裂時，裂縫附近是高應(yīng)力區(qū)；隨著燜井的進(jìn)行，各水平井周圍的地應(yīng)力在耦合過程中重新分布，裂縫附近的應(yīng)力逐漸降低，其他區(qū)域的應(yīng)力趨于均勻分布。模擬QP1 井重復(fù)壓裂后燜井前后的最大、最小主應(yīng)力分布，結(jié)果見圖2～圖5。由圖2～圖5 可以看出：燜井前最大主應(yīng)力分布在11.76～52.14 MPa，燜井后最大主應(yīng)力主要分布在29.19～48.04 MPa；燜井前最小主應(yīng)力分布在-13.25～41.29 MPa，燜井后最小主應(yīng)力分布在-14.13～37.63 MPa；燜井后地應(yīng)力比燜井前明顯增大，地應(yīng)力分布更均勻，即最大和最小主應(yīng)力差減小，更容易產(chǎn)生復(fù)雜裂縫，而不易產(chǎn)生單一裂縫。分析計算結(jié)果表明，燜井作為恢復(fù)地層能量的措施具有一定的有效性，對后續(xù)進(jìn)行油藏開采具有重要的促進(jìn)作用。

圖 2 燜井前最大主應(yīng)力分布Fig.2 Distribution of the maximum principal stress before well soaking

圖 3 燜井后最大主應(yīng)力分布Fig.3 Distribution of the maximum principle stress after well soaking

圖 4 燜井前最小主應(yīng)力分布Fig. 4 Distribution of the minimum principle stress before well soaking

圖 5 燜井后最小地應(yīng)力分布Fig. 5 Distribution of minimum in-situ stresses after well soaking

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

為了驗(yàn)證超低滲油藏水平井儲能壓裂重復(fù)改造的可行性，在HQ 油田Y2 超低滲區(qū)塊6 口井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。壓裂過程中井底工作壓力升到5.0 MPa以上，說明有新裂縫開啟。壓裂后平均單井日增油3.42 t，產(chǎn)能恢復(fù)率72.0%，壓裂有效率在83.0%以上，截至目前平均有效期為650 d，表明在補(bǔ)充地層能量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步溝通了天然裂縫，提高了單井產(chǎn)量。

水平井QP1 井初次壓裂排量為3.0 m3/min，前置液占注入地層總液量的15 %，該井利用準(zhǔn)自然能量開發(fā)，投產(chǎn)后油井產(chǎn)量下降快，產(chǎn)量遞減率大。針對該井初期產(chǎn)油量遞減率較大的問題，進(jìn)行了水平井儲能壓裂重復(fù)改造試驗(yàn)，以提高地層能量，恢復(fù)單井產(chǎn)能。依據(jù)該井生產(chǎn)過程中采出的液量，利用式（3）計算出壓裂前注入5 000 m3左右驅(qū)油壓裂液，可使地層壓力恢復(fù)至原地層壓力。該井重復(fù)壓裂設(shè)計采用“原縫復(fù)壓+加密布縫”的技術(shù)思路，復(fù)壓老裂縫5 段，在原射孔層段間優(yōu)選儲層物性較好的區(qū)域加密布縫2 段，共壓裂7 段，并將前置液比例提高至總注入地層液量的30%，排量提高至4.0 m3/min，壓裂后燜井3 d，液體在地層中擴(kuò)散72 h 后井底壓力下降6.46 MPa。壓裂后分析G 函數(shù)曲線，顯示有微裂縫開啟（見圖6）。該井日產(chǎn)油量較壓裂前提高了3.4 t，有效期670 d。與前期進(jìn)行壓裂但未補(bǔ)能的井相比，單井日增油0.9 t，有效期內(nèi)累計增油600 t 左右。

圖 6 QP1 井壓裂后G 函數(shù)分析曲線Fig.6 G-function analysis curve of Well QP1 after fracturing

6 口試驗(yàn)井監(jiān)測到的物性及生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)分析表明，儲能壓裂能夠大幅補(bǔ)充地層能量，改善近井地帶的儲層物性，孔隙度、滲透率及單井產(chǎn)量都有較大程度的提高（見表1，其中壓裂后的滲透率、孔隙度和采收率等參數(shù)通過產(chǎn)量擬合反算得出）。

表 1 儲能壓裂前后各參數(shù)的變化情況Table 1 Changes of parameters before and after energy storage fracturing

5 結(jié) 論

1）壓裂前向地層中注入適量驅(qū)油壓裂液，且提高前置液比例，可加速剩余油向水力裂縫流動，從而提高油井產(chǎn)量。

2）以巖土工程中的反演理論為基礎(chǔ)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，用有限元法模擬壓裂后燜井過程，證明液體擴(kuò)散后的孔隙壓力場影響范圍更廣，進(jìn)而影響壓裂后一段時間內(nèi)地層的地應(yīng)力場，最終達(dá)到增加地層能量的目的。

3）室內(nèi)模擬試驗(yàn)表明，在高孔隙壓力作用下，試件天然裂縫界面被充分浸泡軟化，天然裂縫面錯動痕跡明顯，憋壓過程中試件內(nèi)部產(chǎn)生了大量微破裂。

4）超低滲透油藏水平井儲能壓裂重復(fù)改造具有較好的儲層適應(yīng)性及增產(chǎn)潛力。“優(yōu)化注入?yún)?shù)+重復(fù)壓裂+燜井增壓”儲能壓裂技術(shù)進(jìn)行了6 口井的現(xiàn)場試驗(yàn)，壓裂后平均單井日增油3.42 t，表明該技術(shù)能提高低產(chǎn)水平井的產(chǎn)油量。

5）由于儲能壓裂所用驅(qū)油壓裂液的主要作用是補(bǔ)充能量，因此，筆者未進(jìn)行驅(qū)油壓裂液配方研究。下一步需要優(yōu)化驅(qū)油壓裂液配方，使其在補(bǔ)充能量的同時，更好地起到驅(qū)油的作用。