交會圖在控縫高壓裂影響因素分析中的應用

張 蕾，吳玉昆，孫曉蘭

（中國石化江漢油田分公司采油工藝研究院，湖北 武漢430035）

0 引言

在油田壓裂過程中，當產層很薄或產層與上下隔層間應力差較小時，裂縫往往在縫高方向上突破隔層延伸，造成裂縫高度過大而裂縫長度過小，難以達到設計要求。如若遇到產層上下有鹽層或水層時，極有可能壓竄，起不到增產作用。

1 江漢潛4 3油組地質特點及壓裂情況

江漢潛43油組縱向上分1、2、3小層，油藏埋深2 000 m～3 500 m，有效厚度3 m～8 m。儲層巖性主要為細砂巖、粉－細砂巖，儲層具低滲特點，取芯資料表明裂縫普遍存在。潛43油組普遍具有油層薄、上下隔層多為水層、鹽層的特點，儲層平均有效厚度2.8 m。其薄油層屬于低滲透油藏的第二、三類差儲藏，必須進行壓裂改造才能獲得產能。

統計近幾年壓裂情況（見表1），2000年－2011年潛43油組壓裂施工278口，占壓裂總井數38.94%。潛43油組措施層上下100 m內含水層或鹽層的油井共94口，占潛43油組壓裂井數的33.81%。該油組實施控縫高壓裂共92口，其中疑似井共29口（包括可能竄層井和已確定竄層井），有效井共63口（壓裂有效）（見表2）。隨著油藏開發對象的轉移和2003年GOHFER軟件的引入應用，排除部分不符合施工條件井之外，該油組實施控縫高壓裂井數逐年減少，但疑似井比例仍高達50%。壓裂措施后部分油井出現了水淹、出鹽、早期砂堵，給生產開發帶來諸多問題。因此，如何有效控制人工壓裂裂縫高度，找尋影響因素的內在規律尤為重要。

表1 2000年－2011年壓裂施工井數統計表

表2 2000年－2011年控縫高壓裂施工統計表

2 江漢潛4 3油組控縫高壓裂影響因素分析

國內外研究發現影響裂縫高度的因素很多，分為不可控因素和可控因素。不可控因素包括地應力差、巖石物性、油層厚度、斷層天然裂縫等地質因素，可控因素包括壓裂液性能、施工排量、壓裂液黏度、前置液量、支撐劑量等工程因素。地應力對裂縫高度影響最顯著，其次是施工排量。但從現場效果看，約32% 滿足以上條件井仍出現竄層現象，有必要在此基礎上引入交會圖圖版法進一步研究其中影響規律。

從2000年－2011年潛43油組控縫壓裂井中篩選出28口油井（疑似井9口，有效井19口），所選井均為單層壓裂，上部或下部有1個隔層，隔層厚度小于80 m。分別對地層巖性因素、壓裂工藝因素進行了交會圖圖版分析，以是否有效為標準繪制了33個圖版，發現“分界”圖版，得出了縫高影響規律。

2.1 地層巖性因素

由于壓裂目的層均為同一層位，不考慮地層巖石的非均質性、地層滲透率等地質特征因素，主要對以下地層巖性參數進行統計（見表3），其中隔層平均厚度、純泥巖有效厚度、儲隔層應力差差異較大。

表3 疑似井與有效井地層巖性參數統計表

2.1.2 地層應力

大量研究證明地層應力差是控制裂縫高度增長的主要因素，隨著應力差值的減小，抑制裂縫延伸的閉合壓力也減小，增大了作用于裂縫壁面的凈張開壓力，裂縫高度呈加速增長的趨勢。D.M.Talbot認為，1.4 MPa～4.8 MPa的地層應力障礙可有效的減緩或停止裂縫高度的生長。通過江漢油田壓裂實際效果和GOHFER軟件模擬得出：當地應力差 ≥5 MPa時能夠控制縫高。

2.1.2 純泥巖有效厚度

隔層中純泥巖有效厚度是較為重要的因素。單因素條件下，隨著純泥巖有效厚度的增加，裂縫高度減小，但在一定范圍內，只靠純泥巖有效厚度限制裂縫延伸是不可靠的。運用GOHFER軟件模擬出純泥巖有效厚度＞2 m且伽馬值GR＞140 API可控制縫高。

2.1.3 多因素交會分析

壓裂影響因素極為復雜，將多個因素綜合分析，才能得出真實的內在規律。因此對隔層平均厚度、純泥巖有效厚度、儲隔層應力差這三個因素進行兩兩交會分析，將各因素循環對比發現規律（見圖1 a，b，c）。

圖1 b、圖1 c顯示出隔層厚度對統計點影響產生了分區但仍有混合區，為了充分反映地層巖性對縫高的影響，進一步將儲層厚度、儲層隔層伽馬值GR與隔層厚度進行多因素交會，從13個多因素圖版中篩選得到疑似井與有效井良好的分區圖（見圖2）。

圖2 隔層厚度與（隔層厚度×隔層GR／油層厚度×油層GR）交會圖

圖2 中，將縱坐標（隔層厚度×隔層GR差）／（油層厚度 × 油層GR差）記為α，橫坐標為隔層厚度。α不僅反映了隔層與油層的厚度變化關系，而且反映了地層巖性變化關系，是綜合四個因素的影響因子。根據統計點集中范圍分別劃分三個區域，得出了各因素對壓裂的影響規律。從圖中表明當隔層厚度 ＜8 m、α＜7處于Ⅰ區，壓裂竄層；當8 m＜ 隔層厚度 ＜20 m、7＜α＜20處于Ⅱ區，壓裂可能竄層；當隔層厚度＞20m、α＞20處于Ⅲ區，壓裂有效。而A井位于Ⅲ區，仍出現竄層。結合單井地質情況與施工參數分析：該井于2011年4月實施控縫壓裂，井深1 298.5 m。上部41.6 m為水層，儲層厚度3 m，隔層的純泥巖有效厚度僅為4.3 m，儲隔層應力差僅4 MPa。該井在統計井中加砂量最大25 m3，加砂強度最大8.3 m3／m，壓裂工程因素很大程度上也影響了縫高的有效控制。

2.2 壓裂工程因素

影響裂縫縱向延伸的因素不僅僅是地質因素，為了全面反映縫高影響情況，工藝參數的影響規律也需進一步研究。由于所有井壓裂液均為常規胍膠壓裂液體系，其壓裂液粘度變化不大。不考慮壓裂液性能因素，在地質因素的基礎上，主要分析平均排量、加砂強度等影響因素，對疑似井和有效井進行統計（見表4）。

表4 疑似井與有效井壓裂工藝參數統計

2.2.1 平均排量

施工排量對裂縫的壓開程度、裂縫形態可產生很大影響。通過現場施工效果統計，隨著施工排量的增加，裂縫的高度隨之增加。用GOHFER軟件模擬單井縫高隨施工排量的變化趨勢（見圖3）。

圖3 排量對縫高的影響趨勢

2.2.2 加砂強度

加砂量在壓裂改造中，影響裂縫充填效果和裂縫最終形態，統計有效井和疑似井的平均加砂量相同。因此從相關的加砂強度參數分析，通過模擬不同加砂強度的裂縫形態（見圖4，5），結果顯示當加砂強度2.5 m3／m時，裂縫高度為9.1 m；當加砂強度3 m3／m時，裂縫高度為11.2 m。隨著加砂強度增大，縫高高度增加。

2.2.3 多因素交會分析

工程因素與地質因素相互影響，相互制約，有必要將地質因素引入其中進行多因素的交會分析。因此將地質、工程等12個單因素進行交會，繪制圖版，找出有規律性的圖版。

將儲層有效厚度與隔層厚度相除，比值記為β，表示儲隔層厚度變化關系；將加砂量與儲層有效厚度相除得出加砂強度，通過儲層有效厚度／隔層厚度與加砂強度交會圖（見圖6）可將有效井與疑似井較好地分區：Ⅰ 區為竄層區，Ⅱ 區為有效區。根據數據回歸得出：當加砂強度 ＜9 m3／m，β＜0.5時，縫高可得到有效控制；加砂強度 ＞9 m3／m，β＞0.5時，縫高不易控制，會發生竄層。

圖6 儲層有效厚度／隔層厚度與加砂強度交會圖

3 結論與認識

1）影響縫高控制的因素有很多，除地應力、儲層的楊氏模量、斷裂韌性等地質參數外，施工排量、壓裂液黏度、前置液量、支撐劑量等因素也可影響裂縫高度的增長。不能單純地從地質因素或工程參數某一個影響因素進行分析，應綜合多種因素分析研究。

2）統計分析江漢潛43油組控制縫高的儲層內在因素，利用壓裂是否有效的施工井地質信息與工藝參數進行了交會，得到了兩套多因素分區交會圖版（見圖2，6），找到了影響縫高控制因素的內在規律，較前期壓裂控縫高認識更符合現場實際，可為現場壓裂判斷是否有效提供參考依據。

3）應用交會圖圖版法可用于繪制不同類型油藏的壓裂工藝參數優化圖版系列，也可應用于其他不同工藝領域應用效果的研究分析，有較強的實用性和推廣前景。

4）鑒于統計的施工井數和所掌握的地質、測井相關資料有限，得出的圖版應根據信息的補充加以不斷修正完善。

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