低滲透油藏水力壓裂控制縫高技術研究

羅杰

摘要：在水力壓裂中，裂縫會沿著縫高方向延伸。當裂縫延伸超出產層進入上下隔層時，不僅造成壓裂液資源的浪費，而且難以達到設計要求。為了將裂縫高度控制在油氣層內，本論文研究了巖石物質特性、施工參數、地層應力差和裂縫上下末端阻抗值對縫高的影響.研究壓裂過程中控制裂縫在高度方向上延伸的諸因素，分析了單因素條件下的裂縫高度變化趨勢。其中，地應力是影響裂縫高度的首要因素。

關鍵詞：低滲透；水力壓裂；控制縫高；研究

引言：

目前主要的控制縫高技術有：人工隔層技術、變排量壓裂技術、注入非支撐劑控制縫高、調整壓裂液的密度控制縫高和冷卻地層控制縫高等。由于地應力差是控制裂縫增長的主要因素。隨著地應力差值的減小，裂縫高度呈加速變化的趨勢。這是因為地層應力差越小，控制裂縫延伸的閉合壓力也小，增大了作用于裂縫壁面凈張開壓力，必然導致裂縫高度的增大。然地層地應力差和巖石物質特性是地質結構本身所決定，為不可控因素；而壓裂液性能和施工參數為可控因素。所以控制裂縫高度技術還是會主要從壓裂液性能和施工參數兩個方面進行研究。

一、裂縫高度延伸的主要影響因素

裂縫高度的影響因素可分為可控因素和不可控因素?？煽匾蛩赜袎毫岩盒阅芎褪┕担豢煽匾蛩刂饕獮榈貙犹匦訹3]。

1.1 地層參數

研究影響壓裂裂縫高度的諸因素，發現控制裂縫高度延伸的地層參數有以下幾種：地層應力、巖石物性、油層厚度、斷層和天然裂縫等。

1.1.1 地層應力

地層應力差是控制裂縫高度增長的主要因素。D M Talbot 認為，1.4～4.8 MPa 的地層應力障礙可有效的減緩或停止裂縫高度的生長。隨著地層應力差值的減小，裂縫高度呈加速變化的趨勢。這是因為地層應力差越小，抑制裂縫延伸的閉合壓力也小，增大了作用于裂縫壁面的凈張開壓力，必然導致裂縫高度的增大。圖1為單因素條件下地層應力差值對裂縫高度的影響。

1.1.2 巖石物性

巖石物性包括地層巖石的剛性、韌性、塑性、遮擋層與油層界面的結合強度、巖石性質差異等。就巖石物性來講，對垂向裂縫的延伸影響較大的是巖石的塑性、韌性以及層間存在的滑移現象。

（1）地層巖石的非均質性。由于地層巖石的非均質性，產層與隔層的比表面能是不一樣的。由簡化的彈性方程可知，當時，裂縫將進入隔層；反之，裂縫向隔層的擴展受到阻擋。巖石力學性質的差異對抑制裂縫垂向延伸有一定作用。

（2）楊氏模量。楊氏模量以兩種方式影響裂縫高度的增長。第一，到達兩種不同物質接觸面附近的裂縫將由于接觸面的存在而使其增長速度減緩；第二，如果邊界層的模量比油層的模量大，那么楊氏模量能阻止裂縫增長。在高模量的邊界層中裂縫寬

度比較窄，因而流動阻力比較高，產生裂縫更困難。總體來說，隨著楊氏模量的增大，裂縫高度也增大，且裂縫高度的變化幅度也增大。但由于產層與上下隔層的樣式模量值相差并不大，楊氏模量對裂縫高度的影響并不明顯。

（3）泊松比。泊松比值越大，其對裂縫高度的影響越大。對某個遮擋層來說，當泊松比達到一定值后完全可以阻止裂縫的垂向延伸。但泊松比的值都是在一定范圍內，只靠泊松比限制裂縫延伸是不可靠的。

（4）地層滲透率。地層滲透率直接影響到壓裂液向地層的濾失，當地層滲透率增大時，壓裂液向地層濾失量增多，用于造縫的壓裂液的體積就減小，裂縫高度相應地降低。同時，壓裂液濾失過程中，在井壁和裂縫壁形成地濾餅阻礙壓裂液向地層濾失，裂縫高度有減緩降低的趨勢，如圖2所示。

圖2 地層滲透率對支撐裂縫高度的影響

二、確定適合XX油田的控制縫高技術

2.1 控制縫高技術研究

在水力壓裂過程中，當油氣層很薄或上下隔層為弱應力層時，裂縫會沿著垂直方向上延伸，這會使裂縫超出生產層而進入隔層。這不但會導致裂縫高度過大、減少裂縫長度和影響壓裂效果，而且當裂縫延伸進入鄰近含水層時，會引起含水暴增。為了有效地控制裂縫高度，近年來國內外對裂縫高度延伸機理進行了大量的研究，對影響裂縫高度的因素有了更廣泛、更深入地認識，發展了多種人工控制裂縫高度的技術。

2.1.1 人工隔層技術

人工隔層控縫高技術的基本原理是，通過上浮式或下沉式隔離劑在裂縫的頂部或底部形成人工遮擋層，將裂縫尖角鈍化，增加裂縫末梢的阻抗，以阻止裂縫中的流體壓力向上或下延伸，繼而控制裂縫在高度上進一步延伸。人工隔層的施工工藝是在注完前置制裂液造出一定規模的裂縫后，在注入混砂液之前用攜帶液攜帶隔離劑——心微粉和粉砂，進入裂縫?？招奈⒎墼诟×ψ饔孟卵杆僦糜谛律芽p的頂部，粉砂在重力作用下沉淀于裂縫的底部，從而在裂縫的頂部和底部分別形成一個低滲透或不滲透的人工隔層[6]。

2.1.2 變排量壓裂技術

在上下隔層地應力差值小的薄油層的壓裂改造中，為限制裂縫高度過度延伸，采用變排量壓裂技術，在控制裂縫向下延伸的同時，可增長支撐縫長，增加裂縫內支撐劑鋪置濃度，從而可有效地提高增產效果。

2.1.3 調整壓裂液的性能參數控制縫高技術

壓裂液的濾失性對縫高的影響顯著，如壓裂液濾失系數大，用于延伸裂縫的壓裂液就少，從而可降低縫高，但會增大施工成本和影響壓裂效果。降低壓裂液的稠度系數也可以控制縫高，稠度系數低的壓裂液流動性強，可降低壓裂液的流動壓力梯度。在其他參數不變的情況下，壓裂液的粘度越大，形成裂縫的高度越大。利用壓裂液密度控制裂縫高度，是通過控制壓裂液中垂向壓力分布來實現。若要控制裂縫向上延伸，應采用密度較高的壓裂液；若要控裂縫向下延伸，則應采用密度較低的壓裂液[8-9]。

2.1.4 冷卻地層控制縫高技術

此項技術是通過向溫度較高的地層注入冷水，使地層產生熱彈性應力，大幅度地降低地層應力，從而使縫高和縫長控制在產層范圍內，工藝如下：

（1）在低于地層破裂壓力的條件下，向地層注入冷水預冷地層；

（2）提高排量和壓力，使壓力僅大于被冷卻區水平應力，在冷卻區內壓開一條裂縫；

（3）控制排量和壓力，注入含高濃度降濾劑的冷水前置液延伸裂縫。推薦降濾失劑為植物膠或石英粉；

（4）注入低溫粘性攜砂液支撐裂縫，完成壓裂全過程。

冷水水力壓裂技術主要用于以下幾類油氣層：產層不存在清水傷害問題；膠結物性較差的地層；用常規水力壓裂技術難以控制裂縫延伸方向的油氣層。

三、結論

（1）在水力壓裂中，影響裂縫高度的因素中，地層應力和地層物性等地層特性為不可控因素由地質結構本身所決定，不易改變；壓裂液性能和施工參數為可控因素，能改變和優化，從而控制水力壓裂過程中裂縫縱向延伸。

（2）在影響裂縫高度的影響因素中，地應力是首要因素。地應力研究在水力壓裂中應該重視，對地應力參數的采集和處理工作，為壓裂的施工設計和選擇合理的控制縫高技術提供了必要的依據，這樣才能取得良好的增產增注效果。

參考文獻

[1]張琪.采油工程原理與設計[M].北京：中國石油大學出版社，2000

[2]王鴻勛等.水力壓裂原理[M].北京：石油工業出版社，1996