高應力差裂縫儲層縫網壓裂技術可行性研究及應用

張 勇, 王志晟, 甘宇明, 何金鵬, 雷豐宇, 郭子義

(1青海油田分公司鉆采工藝研究院 2青海油田分公司監督監理公司)

縫網壓裂技術的突破使煤層氣、頁巖油氣和致密油氣等低滲透儲層得到了有效開發[1-2]。縫網壓裂的影響因素較多，主要包含儲層應力差、巖石脆性、裂隙發育程度和角度等[3]。目前大量研究表明儲層應力差小，巖石脆性指數高，儲層裂隙發育等有利于縫網的形成[4]。近年來低滲透油藏逐漸成為青海油氣田增儲上產的重要組成部分，主要以南翼山、烏南、七個泉、扎哈泉、砂西等油藏為代表，其縫網壓裂相關物性參數見表1。常規壓裂改造程度低、措施后效果不明顯，開發效益差[5-6]。

表1 青海油田低滲油藏縫網壓裂相關參數

通過表1可以看出，以英西區塊為代表的青海油田具有典型的高應力差、裂縫發育特征。目前對于高應力差下天然裂縫發育的儲層是否能夠形成縫網研究較少。針對該問題，本文開展高應力差下縫網壓裂的可行性機理研究。

圖1 水力裂縫和天然裂縫相交示意圖

一、天然裂縫起裂模型研究

當水力裂縫延伸遇到天然裂縫時，裂縫的延伸方向與天然裂縫的壁面的受力狀態、縫內凈壓力、巖石內聚力等有關[7]。水力裂縫遇到天然裂縫時會出現兩種情況[8]：①穿過天然裂縫繼續延伸；②沿著天然裂縫繼續延伸。研究表明，天然裂縫開啟方式又可以分為張開起裂和剪切起裂兩種類型。剪切起裂是指應力狀態的改變，導致裂縫壁面產生剪切滑動的一種起裂模式[9],如圖1示意。

建立人工水力裂縫與天然裂縫相交時的示意圖，如圖1所示。地層的最大、最小水平主應力分別為σH和σh;水力裂縫與天然裂縫之間的夾角為逼近角度，記為θ；沿天然裂縫方向的正應力為σ和切應力為τ。根據彈塑性力學知識可以得出天然裂縫壁面處的應力分量如式(1)：

(1)

縫內的液體壓力為最小水平主應力與縫內凈壓力之和。另外當水力壓裂與天然裂縫相遇時刻，兩條裂縫之內的液體壓力近似相等。水力裂縫內的液體壓裂為σh+σt+Δp，則可以得到天然裂縫內的凈壓力表達式(2)：

Δσ=σh+σt+Δp-σn

(2)

式中：Δσ—天然裂縫內凈壓力；σt—巖石抗拉強度；Δp—水力裂縫內凈壓力。

天然裂縫剪切破壞判據：當作用在壁面上的剪應力高于裂縫壁面阻止剪切滑動應力時，裂縫發生剪切破壞。

|τ|>τ0+Kf·Δσ

(3)

式中：τ0—巖石的內聚力;Kf—縫面的摩擦因數。

將式(1)和式(2)代入到式(3)整理得到：

(4)

整理式(4)可以得到式(5)：

(5)

以青海油田躍東區塊儲層物性參數為例，計算天然裂縫發生剪切破壞的情形。其中剪切應力摩擦系數為0.7，儲層巖石的內聚力為7 MPa，巖石抗拉強度2 MPa，計算0～6 MPa縫內凈壓力情況下的逼近角廣度變化情況，計算結果如圖2。

天然裂縫與水力裂縫夾角的范圍稱為逼近角廣度。結果顯示,當天然裂縫發生剪切破壞時，不同縫內凈壓力的情況下，最優逼近角出現在某一合適的角度，逼近角度的過高或者過低均不利于天然裂縫發生剪切破壞。當縫內凈壓力由2 MPa提高至6 MPa時，天然裂縫逼近角廣度明顯提高。縫內凈壓力為2 MPa時，最優逼近角廣度范圍為17°～42°；縫內凈壓力為6 MPa時，最優逼近角廣度范圍為8°～52°。表明提高縫內凈壓力可以使更廣泛的天然裂縫開啟。

圖2 天然裂縫剪切破壞時逼近角廣度圖

圖3 天然裂縫剪切破壞時縫內凈壓力變化

圖3所示對于不同應力差條件下，隨著逼近角廣度的增加，天然裂縫開啟所需的凈壓力的變化趨勢相同。當逼近角在20°～30°之間時使天然裂縫發生開啟的凈壓力較低。結果表明，對于應力差分為4 MPa、8 MPa、12 MPa、16 MPa，天然裂縫發生剪切破壞的縫內凈壓力分別為7 MPa、5 MPa、3.8 MPa、2 MPa。即隨著最大、最小應力差增加，使天然裂縫發生剪切破壞所需要的縫內凈壓力降低。

二、工藝措施及效果措施

縫內凈壓力受主應力剖面、彈性模量、泊松比、斷裂韌性、黏度和施工排量等參數控制[10-11],根據翁定為、袁征等人研究，優選合適的低砂比段塞能夠起到封堵微裂縫，提升縫內凈壓力的作用[12-13]。前置液階段形成主縫后，進行低砂比段塞交替泵注封堵微裂縫。攜砂液階段對主裂縫進行加砂支撐，最終形成縫網[14-16]。

獅41H3井是英西油田的一口水平井，該區天然裂縫發育，巖礦分析脆性礦物約占74.9%，脆性指數為66%。該井最大、最小水平應力差范圍：9.3～16.1 MPa，平均為13.6 MPa。對5 009～5 073 m井段進行改造施工。本井采用大液量、高排量，多級脈沖暫堵壓裂工藝進行提高縫內凈壓力施工，盡可能的開啟天然裂縫。

圖4 獅41H3井壓裂施工曲線

圖5 獅41H3井壓降測試曲線G函數分析

本井施工期間低砂比階段液體為滑溜水，通過圖4可以看出，本井在施工排量為6 m3/min時，施工壓力約90 MPa平穩延伸。通過軟件計算本井的閉合壓力為107.2 MPa。由此可以計算出本井施工期間井底凈壓力約為9 MPa。本井平均應力差為13.6 MPa，借鑒圖3可以初步判斷本井施工凈壓力可使廣泛角度的天然裂縫發生剪切破壞。

另外，對本井壓降曲線進行G函數顯示本井閉合特征明顯，測定閉合壓力為107.17 MPa，閉合時間為11.8 min。與過原點的切線相比，地面壓力Gd/dG曲線具有明顯的上凸現象(見圖5)。這表明壓裂施工期間存在多裂縫開啟的現象。上述現象說明了高應力差裂縫儲層提高縫內凈壓力方式開啟天然裂縫的可行性。

三、結論

(1)本文給出了一種天然裂縫開啟的數學模型。模型計算結果顯示：提高施工凈壓力可以使更廣泛角度的天然裂縫發生開啟；另外，對于天然裂縫發育儲層，高應力差利于觸發天然裂縫發生剪切破壞。

(2)對獅41H3井進行壓裂改造并對本井測壓降數據進行G函數分析(圖5)，結果顯示該井具有明顯的工藝特征。驗證了高應力差裂隙儲層的縫網理論的合理性和提高凈壓力縫網工藝的可行性。

大量研究表明，主應力差的減小利于形成縫網。然而對于高應力差儲層是否能夠形成縫網，研究相對較少。通過上述研究顯示，對于應力差較大，天然裂縫發育儲層可以通過開啟天然裂縫的方式進行縫網改造。且采取提高凈壓力的工藝方式利于縫網的形成。該研究可為柴達木盆地的增產改造提供參考。