鄂南淺層壓裂裂縫形態(tài)探討

李月麗，何 青，姚昌宇，張永春，王新君

（中國(guó)石化華北油田分公司工程技術(shù)研究院 ，河南鄭州 450006）

人工裂縫形態(tài)是油層壓裂設(shè)計(jì)首先要考慮的問(wèn)題，它是影響壓后生產(chǎn)效果最直接和最重要的因素之一。鄂爾多斯盆地富縣和彬長(zhǎng)探區(qū)中生界延長(zhǎng)組部分儲(chǔ)層埋藏淺，壓裂裂縫形態(tài)復(fù)雜，壓裂后，垂直縫、水平縫等均有可能形成，因此掌握儲(chǔ)層的人工裂縫形態(tài)對(duì)壓裂工藝的選擇和壓裂設(shè)計(jì)的優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義［1－2］。

鄂爾多斯盆地富縣和彬長(zhǎng)探區(qū)中生界延長(zhǎng)組儲(chǔ)層自上而下發(fā)育著長(zhǎng)2、長(zhǎng)3、長(zhǎng)6、長(zhǎng)7、長(zhǎng)8等多套儲(chǔ)層，埋深150～1500 m，平均孔隙度9.4%、平均滲透率0.56×10－3μm2，總體表現(xiàn)為低孔、特低滲的特點(diǎn)；儲(chǔ)層巖性以粉砂巖、細(xì)砂巖為主；孔喉類型屬微細(xì)孔喉型及細(xì)孔微喉型；儲(chǔ)層縱橫向非均質(zhì)性很強(qiáng)。

1 人工裂縫形態(tài)及對(duì)油層產(chǎn)量的影響

水力壓裂裂縫形態(tài)可分為水平縫和垂直縫，在天然裂縫不發(fā)育的地層，裂縫形態(tài)主要取決于其三向地應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)最小主應(yīng)力原理［1］，水力壓裂裂縫總是產(chǎn)生于強(qiáng)度最弱、阻力最小的方向，即巖石破裂面垂直于最小主應(yīng)力軸方向。當(dāng)垂向主應(yīng)力最小時(shí)，形成水平裂縫；當(dāng)垂向主應(yīng)力最大時(shí)，形成垂直裂縫。

對(duì)于顯裂縫地層很難出現(xiàn)人工裂縫，而微裂縫地層可能出現(xiàn)多種情況：可以垂直于最小主應(yīng)力方向，也可能基本上沿著微裂縫方向發(fā)展，把微裂縫串成顯裂縫。

文獻(xiàn)調(diào)研表明［3－4］裂縫形態(tài)對(duì)油層產(chǎn)量有較大的影響，即對(duì)于水平裂縫，油氣從地層到人工裂縫的滲流主要為垂向滲流，一般來(lái)說(shuō)垂直滲透率是水平滲透率的1／10，垂向滲透率偏低是造成相似的地層條件下產(chǎn)量偏低的一個(gè)主要原因。

前期利用油藏?cái)?shù)值建模方法研究了水平縫和垂直縫對(duì)壓后效果的影響（圖1），結(jié)果表明，壓后形成水平縫的井累計(jì)產(chǎn)油量小于形成垂直縫的井。因此，針對(duì)壓裂投產(chǎn)的井而言，形成垂直縫是最理想的裂縫形態(tài)。

圖1 裂縫形態(tài)與累計(jì)產(chǎn)油量的關(guān)系

2 人工裂縫形態(tài)研究［5－7］

2.1 人工裂縫形態(tài)影響因素分析

影響人工裂縫形態(tài)的因素很多，主要包括地應(yīng)力、構(gòu)造、天然裂縫、儲(chǔ)層非均質(zhì)性、巖石抗張強(qiáng)度等多方面。前期針對(duì)人工裂縫形態(tài)采用了多種方式、方法進(jìn)行了分析研究［2－4］。

2.1.1 地應(yīng)力

水力壓裂時(shí)形成的人工裂縫形態(tài)主要取決于巖石的三向應(yīng)力狀態(tài)，選取富縣探區(qū)400～800 m儲(chǔ)層巖樣進(jìn)行了室內(nèi)聲發(fā)射凱塞爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試（表1）和分析（圖2），從分析結(jié)果可以看出，儲(chǔ)層巖石三向地應(yīng)力均隨著埋藏深度的增加而增大，當(dāng)埋藏深度接近1000 m時(shí)，上覆地層應(yīng)力與最小水平地應(yīng)力相當(dāng)，這說(shuō)明當(dāng)儲(chǔ)層埋深小于1000 m時(shí)，垂向地應(yīng)力小于水平最小主應(yīng)力，會(huì)形成水平縫。

表1 聲發(fā)射凱塞爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖2 富縣探區(qū)地應(yīng)力與深度的關(guān)系

2.1.2 瞬時(shí)停泵壓力

瞬時(shí)停泵壓力消除了摩阻的影響，基本代表了裂縫的延伸壓力，是最小主應(yīng)力與巖石應(yīng)力強(qiáng)度因子的綜合反映。根據(jù)瞬時(shí)停泵壓力梯度和上覆巖層應(yīng)力梯度的對(duì)比結(jié)果，可以大致估算壓裂裂縫形態(tài)。

通過(guò)對(duì)富縣、彬長(zhǎng)探區(qū)中生界延長(zhǎng)組儲(chǔ)層110井次的瞬時(shí)停泵壓力統(tǒng)計(jì)（圖3），結(jié)果表明儲(chǔ)層埋藏深度越深，瞬時(shí)停泵壓力梯度越小，大體可以分為三個(gè)階段：

（1）0～500 m：停泵壓力梯度大于0.025 MPa／m；

（2）500～800 m：停泵壓力梯度在0.025 MPa／m上下變化；

（3）＞800 m：停泵壓力梯度基本小于0.025 MPa／m，且比較集中。

圖3 瞬時(shí)停泵壓力梯度與埋藏深度關(guān)系

根據(jù)巖石密度計(jì)算富縣和彬長(zhǎng)探區(qū)上覆巖層最大應(yīng)力梯度約為0.023～0.025 MPa／m，通過(guò)將此數(shù)據(jù)與井底瞬時(shí)停泵壓力梯度對(duì)比，綜合分析認(rèn)為該區(qū)儲(chǔ)層埋深大于800 m以垂直縫為主，小于500 m基本為水平縫，500～800 m之間各種形態(tài)裂縫均可能產(chǎn)生。

2.1.3 構(gòu)造

富縣探區(qū)受渭北隆起的擠壓，構(gòu)造應(yīng)力增加，使儲(chǔ)層三向地應(yīng)力明顯升高，巖石破裂壓力升高，使壓裂裂縫形態(tài)趨于復(fù)雜化，可能在縫口形成水平縫，隨著人工裂縫進(jìn)一步延伸，逐漸轉(zhuǎn)向高角度斜交縫或垂直縫。

2.1.4 儲(chǔ)層非均質(zhì)性

富縣探區(qū)中生界儲(chǔ)層有效厚度小，儲(chǔ)層縱向以砂泥巖互層為主要沉積特征，巖性變化大，砂巖層最小主應(yīng)力比相鄰泥巖夾層小1～3 MPa左右，巖石力學(xué)參數(shù)也有明顯的變化，這說(shuō)明在儲(chǔ)層三向地應(yīng)力差異較小時(shí)（＜5 MPa），壓裂裂縫形態(tài)向著有利于水平縫的方向發(fā)展。

2.1.5 巖石抗張強(qiáng)度

巖心觀察表明，富縣探區(qū)延長(zhǎng)組儲(chǔ)層層理構(gòu)造發(fā)育，受沉積成層及水平層理的影響，沉積巖石的垂向巖石抗張強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于橫向抗張強(qiáng)度，這有利于水平縫的形成。

2.2 人工裂縫形態(tài)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證鄂南區(qū)塊富縣彬長(zhǎng)探區(qū)的人工裂縫形態(tài)，前期選取了部分井進(jìn)行了井溫測(cè)試和地面微地震監(jiān)測(cè)。

2.2.1 井溫測(cè)井

2011年，對(duì)2口直井（長(zhǎng)2和長(zhǎng)6儲(chǔ)層）進(jìn)行了井溫測(cè)井（圖4和圖5），從井溫測(cè)井曲線可以看出B井長(zhǎng)6儲(chǔ)層壓后形成了垂直裂縫；對(duì)于A井長(zhǎng)2儲(chǔ)層壓后形成了水平裂縫。

2.2.2 地面微地震法

圖4 A井長(zhǎng)2油層井溫測(cè)井曲線

圖5 B井長(zhǎng)6油層井溫測(cè)井曲線

2011年，采用地面微地震法對(duì)三口井進(jìn)行了裂縫監(jiān)測(cè)（表2），監(jiān)測(cè)結(jié)果表明C井埋深148.5～150.0 m，壓后形成水平縫；D井埋深910～913 m，E井埋深956.5 m，壓后均形成垂直縫。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明前期對(duì)鄂南延長(zhǎng)組儲(chǔ)層裂縫形態(tài)的研究結(jié)果是正確的。

表2 地面微地震法裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論及建議

（1）通過(guò)對(duì)鄂南區(qū)塊富縣和彬長(zhǎng)探區(qū)人工裂縫形態(tài)研究，初步認(rèn)為當(dāng)儲(chǔ)層埋深大于800 m時(shí)以垂直縫為主，小于500 m時(shí)基本為水平縫，而500～800 m之間時(shí)各種形態(tài)裂縫均可能產(chǎn)生。但考慮構(gòu)造、儲(chǔ)層非均質(zhì)性和巖石抗張強(qiáng)度等影響，對(duì)于淺層，可能在縫口形成水平縫，隨著人工裂縫進(jìn)一步延伸，逐漸轉(zhuǎn)向高角度斜交縫或垂直縫。

（2）對(duì)于淺層儲(chǔ)層而言，水平縫的形成不可避免，為了盡量減小水平縫對(duì)壓裂效果的影響，建議從布井方式、完井方式、壓裂工藝和施工參數(shù)等方面總體考慮，整體部署，在最大程度上增加裂縫的復(fù)雜性或裂縫的體積以提高單井產(chǎn)量。

［1］李穎川.采油工程［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2002.

［2］唐濤.地應(yīng)力擾動(dòng)場(chǎng)研究及其對(duì)人工裂縫形態(tài)的影響初探［J］.油氣田地面工程，2009，28（3）：23－25.

［3］蔣廷學(xué)，王欣.由瞬時(shí)停泵壓力估算裂縫閉合壓力的現(xiàn)場(chǎng)方法研究［J］.大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā)，1999，18（3）：42－45.

［4］蔣廷學(xué)，汪永利.由地面壓裂施工壓力資料反求儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（14）：2424－2429.

［5］鞏磊，曾聯(lián)波，李娟，等.南襄盆地安棚淺、中層系特低滲儲(chǔ)層裂縫特征及其與深層系裂縫對(duì)比［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2012，33（5）：778－784.

［6］周密，梁景偉，郭顯賦，等.斷塊油藏水平井壓力動(dòng)態(tài)模型［J］.斷塊油氣田，2011，18（1）：74－77.

［7］程百利.腰英臺(tái)油田壓裂改造工藝技術(shù)研究［J］.斷塊油氣田，2011，18（1）：123－125.