復合壓裂增產機理及裂縫擴展規律分析

徐東升

（西安石油大學CNPC 高能氣體壓裂研究室，陜西西安 710065）

水力壓裂及高能氣體壓裂作為儲層壓裂改造的主要技術，在處理深層、膠結致密、破裂壓力異常高的低滲地層時，存在壓不開、泵壓過高或造縫太短的問題，難以形成有效的裂縫體系，使壓裂改造效果不夠理想。復合壓裂技術是將高能氣體壓裂和水力壓裂相結合的一種新型增產增注技術，集中實現了高能氣體壓裂及水利壓裂的優勢互補，可形成多裂縫、較大縫長的裂縫體系，能更加有效地對油田進行增產增注，具有廣闊的應用前景[1，2]。本文將對復合壓裂的增產機理及裂縫擴展規律進行研究。

1 復合壓裂技術增產機理

復合壓裂技術是將高能氣體壓裂及水力壓裂相結合，先對地層進行高能氣體壓裂，利用高能氣體壓裂壓力加載速率較高的特點在近井地帶產生多條不受地應力控制的徑向裂縫；然后通過水力壓裂將高能氣體壓裂裂縫進行延伸，得到足夠長的有支撐劑支撐的裂縫[3]。

其增產機理為：首先利用高能氣體壓裂在井筒周圍形成多條徑向裂縫，隨后進行水力壓裂，近井地帶的裂縫必然沿高能氣體壓裂所形成的多條徑向裂縫延伸。當延伸到徑向裂縫末端時，裂縫要繼續延伸受地應力及其分布控制，地應力值越大，起裂時刻滯后越嚴重，且裂縫擴展速度越慢，所以垂直于最小主應力方位的裂縫首先被延伸，且以最快的速度進行擴展。當壓裂液在裂縫中的延伸速度與濾失速度之和小于注液速度，尤其是遇到砂堵地區時，則會產生憋壓，壓力升高到一定程度時，第二條裂縫破裂。其后，隨著流動阻力的增加及憋壓等原因，壓力繼續升高，其他裂縫相繼開始延伸，形成多裂縫同時延伸體系，減小近井地帶流體流動阻力，提高裂縫導流能力，達到增產增注的效果。

2 復合壓裂必要性及優勢分析

高能氣體壓裂和水力壓裂的主要參數（見表1）[2]。

表1 兩種壓裂技術的主要參數

通過對兩種壓裂技術進行對比分析，可知：

（1）高能氣體壓裂所產生的裂縫條數較多，但縫長較短，一般為10 m 左右，而水力壓裂則恰恰相反。復合壓裂將兩種壓裂技術有效的加以結合，在儲層中形成多裂縫、大縫長的裂縫體系，可大幅提高儲層滲透率，改善裂縫導流能力。

（2）不同方位下井周地應力隨距離變化趨勢（見圖1），可以看出，井周附近存在應力集中現象，但隨距離增大很快消失，約在4 個井徑之外降為原地應力值。對于一些巖層堅硬、膠結致密的深層地層，由于井壁周圍的應力集中現象，水力壓裂可能存在壓不開或泵壓過高的情況。由表1 可知，高能氣體壓裂的峰值壓力遠高于水力壓裂。故可在水力壓裂之前先進行高能氣體壓裂，破除井壁應力集中現象，降低地層破裂壓力，然后實施水力壓裂延伸裂縫長度。

圖1 不同方位下井周地應力隨距離變化趨勢

圖1 中：r/rw為井周距離與井眼半徑之比；θ 為井周某點徑向與水平最大地應力的夾角。

（3）水力壓裂在滲透率很低的油氣藏只能形成垂直于最小主應力的兩翼對開的一條垂直裂縫，其對于老油田的重復壓裂也只能是原有裂縫的延伸，而不能產生新的裂縫，以致遠離主裂縫的油氣難以被采出，形成死油區。如果對目的層首先進行高能氣體壓裂，在近井區域產生多條徑向裂縫，則可以打破水力壓裂單一裂縫的弊端，然后利用水力壓裂使裂縫長度得以延伸，形成多方位、大縫長的裂縫體系，提高裂縫導流能力，避免死油區的發生。

3 復合壓裂裂縫擴展規律研究

3.1 裂縫形態

復合壓裂時，高能氣體壓裂首先在近井地帶產生多條徑向裂縫，隨后進行水力壓裂，多條徑向裂縫相繼吸液、延伸。隨著尺寸的增大，同一方位、相距較近的裂縫有可能相互連接，形成一條大裂縫；而不同方位、相距較遠的小裂縫，復合成為大裂縫可能性減小，有可能發展成另外的大裂縫，形成多條大裂縫同時延伸的情況。隨著壓裂施工過程的進行，一些裂縫由于縫口寬度、轉向、曲折度或加砂工藝等原因，可能造成砂堵，最終在地層中延伸的只有少數幾個大裂縫[4]。

3.2 射孔方位對復合壓裂裂縫延伸的影響

復合壓裂過程中，射孔方位角度越大，裂縫延伸長度越短。這主要是因為裂縫在延伸過程中受地應力閉合作用，能否起裂主要取決于縫內凈壓的大小。隨著孔眼方位角度的增大，地應力增大（見圖1），縫內凈壓力減小，裂縫起裂難度增加，起裂時間延遲，而止裂時間提前，總延伸時間縮短，擴展長度縮短。

3.3 裂縫轉向曲率半徑

3.3.1 注液排量對裂縫轉向曲率半徑的影響 水力壓裂液延伸到高能氣體壓裂所形成的徑向裂縫末端時，由于受地應力影響，將逐漸轉到最大地應力方向。轉彎半徑越小，轉向越陡，越易在轉角區發生砂堵。在施工設備、地層吸液性能允許的情況下，提高注液排量可以增大縫內壓力，從而增大裂縫轉向曲率半徑，使裂縫轉向變緩，防止在轉角區域發生砂堵。

3.3.2 水平地應力比值對裂縫轉向曲率半徑的影響水平地應力比值對裂縫轉向曲率半徑的影響，可利用二維裂縫平面應變模型來解釋[5]：

式中：R-裂縫轉向曲率半徑，m；KI-裂縫尖端應力強度因子，MPa·m0.5；σh-最小水平地應力，MPa；k-最大水平地應力與最小水平地應力的比值。

式（1）表明，水平地應力比值越大，復合壓裂裂縫沿最小水平地應力方向延伸越短，裂縫轉向半徑越小；水平地應力比值越小，裂縫沿最小地應力方向延伸越長，轉向半徑越大。

對于高滲透性、膠結疏松的地層，最大水平地應力和最小水平地應力差別很小，不必考慮裂縫彎曲、轉向問題，裂縫起裂位置及方向主要沿已有的射孔方向擴展。

4 結論

（1）復合壓裂實現了高能氣體壓裂和水力壓裂的優勢互補，可形成多裂縫、大縫長的裂縫體系，較單一壓裂技術增產效果更為顯著。

（2）復合壓裂技術可有效破除井周附近應力集中現象，適用于破裂壓力較高的地層。

（3）分析了復合壓裂裂縫擴展形態及射孔方位對裂縫擴展的影響，得出射孔方位角度越大，復合壓裂裂縫延伸長度越短。

（4）注液排量越大，裂縫轉向半徑越大；水平地應力比值越大，裂縫轉向半徑越小。

［1］ 楊其彬，馬利成，黃俠，等.復合壓裂技術［J］.斷塊油氣田，2004，11（1）：74-76.

［2］ 馬新仿.復合壓裂技術研究［J］.河南石油，2001，15（3）：39-41.

［3］ 陳磊，暢毅，高金洪.復合壓裂技術在長慶“三低”油田的應用［J］.油氣井測試，2008，17（5）：60-62.

［4］ 杜成良，姬長生，羅天雨，等.水力壓裂多裂縫產生機理及影響因素［J］.特種油氣藏，2006，13（5）：19-21.

［5］ 姜滸，陳勉，張廣清，等.定向射孔對水力裂縫起裂與延伸的影響［J］.巖石力學與工程學報，2009，28（7）：1321-1326.