低應力差薄互層控縫高壓裂技術研究及應用

萬有余，張玉香，張力，劉永，謝貴琪

中國石油青海油田分公司 鉆采工藝研究院（甘肅 敦煌736202）

柴達木盆地地處青藏高原，平均海拔高度超過3 000 m，由于形成過程中構造活動劇烈，被多條大型斷裂帶分割。同時,儲層成巖演化程度低，盆地儲層巖性復雜，物性差。由于沉積更迭頻繁多為湖相低能沉積，儲層單層厚度小，1～6 m的薄層占70%以上，儲隔層應力差小，應力差在2～5 MPa 左右，縱向上跨度大，油、氣、水層間互，壓裂改造支撐效率低，裂縫縱向延伸高度大，極易溝通縱向上的水層，導致改造后出水，因此采用薄互層控縫高的壓裂工藝技術進行改造，不僅可以極大地提高儲層改造的針對性[1]，同時也能達到延緩含水的快速上升和提高單井產量的目的。

1 控制裂縫高度的因素分析

針對影響裂縫的高度的因素，通過建立數學模型進行研究和分析，作出了3項假設：①以壓裂井井筒為軸心，壓裂所形成的人工裂縫分布對稱；②壓裂層段儲層和蓋層皆是均質連續彈性體；③壓裂施工時，壓裂液在人工裂縫中沿縫高和縫長方向上進行二維流動[2-3]。

建立壓裂施工人工裂縫的延伸三維數學模型方程如下：

連續性方程：q(x,t)=f1[W (x,z,t),h(x,t)]

壓降方程：p(z)=f2[q (x,t),h(x,t),W(x,z,t)]

裂縫寬度方程：W(x,z,t)=f3[ p(z),h(x,t)]

裂縫高度方程：h(x,t)=f4[ p(z),h(x,t)]

式中：q 為日產液量，m3；W 為裂縫的寬度，mm；h 為裂縫的高度，m；p為壓力，MPa。

在壓裂施工時，上述4 個方程中隱匿了影響人工裂縫在縱向上的延伸高度因素，通過附加的邊界條件并聯立求解，就能求取裂縫高度參數。通過求解隔層的厚度、儲隔層應力差、施工排量、壓裂液黏度、壓裂液濾失、斷裂韌性、楊氏模量等影響人工裂縫的高度因素，其中影響人工裂縫在縱向上延伸的不可控因素為施工排量、儲隔層應力差、隔層的厚度、斷裂韌性、楊氏模量。可控因素為壓裂液性能和施工排量。通過對不可控因素的削弱是減小縫高失控的有效手段。

1.1 地應力差對人工裂縫高度延伸的影響

根據柴達木薄互層平均儲層厚度3 m 為例，從儲隔層地應力差與人工裂縫高度的關系可以看出，隨儲隔層地應力差的減小，人工裂縫高度快速增加，當儲隔層地應力差小于8 MPa時，人工裂縫容易失控，如圖1所示。

圖1 地應力差與縫高延伸的關系

1.2 隔層厚度對縫高延伸的影響

以儲層厚度3 m 為例，從隔層厚度對縫高的影響分析可以看出，人工裂縫高度隨隔層厚度的減少而增大，當隔層厚度大于6.0 m 時能夠有效遮擋人工裂縫在縱向上的延伸，但在油田大部分隔層厚度都小于6.0 m，因此無法有效阻止裂縫在縱向上的延伸，如圖2所示。

圖2 隔層厚度與縫高延伸的關系

1.3 施工排量對縫高延伸的影響

施工排量是影響縫高可控的關鍵因素之一，對縫高有較大影響，隨著施工排量的增大，縫高在縱向上的延伸也在增大，施工排量在2.5 m3∕min 以內，縫高能夠控制在18 m以內，如圖3所示。

圖3 施工排量對縫高延伸的影響

1.4 壓裂液黏度對縫高延伸的影響

壓裂液交聯后的黏度越大，對儲層巖石的造縫能力就越強，并且壓裂液黏度越大濾失相對就越小，使得人工裂縫的縱向上延伸高度高、寬度大。因此，壓裂施工中既要保證壓裂液能夠正常攜砂，也要盡可能降低壓裂液的黏度。降低壓裂液的黏度對人工裂縫的縱向延伸起一定的控制作用，如圖4所示。

圖4 壓裂液黏度對縫高延伸的影響

1.5 壓裂液濾失系數對縫高延伸的影響

壓裂液的濾失系數對人工裂縫在縱向上延伸高度有著明顯的影響，也是地層滲透能力的直觀反映。壓裂液的濾失系數越大，壓裂液的造縫效率就越低，相對人工裂縫在縱向上的延伸高度越小，但濾失系數大易造成砂堵，因此需找尋合適的濾失范圍，既能控制人工裂縫在縱向上的延伸高度，又不影響正常的壓裂施工，如圖5所示。

圖5 濾失系數對縫高延伸的影響

1.6 斷裂韌性對縫高延伸的影響

裂縫上下兩端處的應力強度因子達到巖層該處的斷裂韌性后，裂縫才在該處延伸。也就是說，如果隔層的斷裂韌性足夠大，將能夠形成一個有效的阻擋層，阻止裂縫在高度方向上的延伸，如圖6所示。

圖6 斷裂韌性對縫高延伸的影響

1.7 楊氏模量對縫高延伸的影響

隨著楊氏模量的增大，裂縫高度也增大，但裂縫的寬度相對變窄，如圖7 所示。當上下隔層的楊氏模量遠大于儲層楊氏模量時，裂縫的高度增長減緩，楊氏模量能阻止縫高增長，但儲隔層楊氏模量相差不大時，縫高在縱向上延伸不易控制[4]。

圖7 楊氏模量對縫高延伸的影響

通過采用綜合模糊分類法模擬計算以分析不同因素對裂縫高度的影響，探索控制裂縫高度的主要因素，正交試驗見表1。

數值模擬結果表明，各因素影響裂縫高度由強到弱的順序為：儲隔層應力差、壓裂液濾失系數、壓裂液稠度系數、施工排量、隔層厚度、彈性模量巖石和斷裂韌性。

2 低應力差薄互層控縫高壓裂技術

2.1 人工隔層技術

人工隔層技術是低應力差薄互層控制人工裂縫在縱向上延伸高度的常用技術[5]。其原理是在壓裂施工的前置液中加入上浮或下沉劑，增加隔層的應力，阻礙縱向上壓裂液的流動，提高隔層的遮擋強度，從而阻止裂縫向上、下過渡延伸。通過人工隔板有限元模擬計算，采用上浮或下沉劑能增加儲、隔層間應力差3～5 MPa。其原理如圖8所示。

表1 控縫高模擬計算的因素和水平

2.2 支撐劑段塞壓裂工藝

在薄互層壓裂施工中，由于受到儲層天然裂縫發育及射孔方式等影響，往往在壓裂近井地帶形成裂縫扭曲和多裂縫，該現象即降低了壓裂液的造縫效率，又降低了主裂縫的寬度，很容易引發早期砂堵。通過大量室內研究及現場實踐表明，若能克服近井地帶多裂縫及裂縫扭曲，就能大幅度提高薄互層壓裂施工的成功率，施工必須要控制好3 個關鍵因素：①前置液階段段塞砂比、平均砂比在10%左右，不能太低；②通常要采用兩級支撐劑段塞，起步砂比為7%，第二段砂比為10%，壓裂段塞砂濃度要從小到大，以減少施工造成砂堵風險；③用液強度至少2～3 m3∕m，液量達到一定的規模，打摩近井裂縫扭曲才能取得效果。

圖8 人工隔層技術原理與凈應力分布圖

2.3 低應力差薄互層控縫高壓裂工藝選擇

通過控制多種人工裂縫延伸因素的分析，以及模擬人工隔層應力有限元數值，形成了以“優化施工排量、優化射孔井段和人工隔層、降低壓裂液黏度”為主的低應力差薄互層控縫高壓裂技術，各工藝適應范圍、技術關鍵見表2。

3 現場應用情況

控縫高壓裂工藝技術廣泛應用于青海油田昆北、七個泉、尕斯、烏南、扎哈泉、紅柳泉、花土溝、小梁山、冷東、九龍山、平臺、牛東等勘探及開發區塊，在勘探方面為昆北、九龍山、小梁山、平臺、牛東等區塊的發現提供了技術支持，在開發方面已累計實施420 余井次，最小施工排量1.3 m3∕min，裂縫高度控制在6 m左右，措施后單井日增油2.6 t，累計增油24.9×104t。其中昆北油田切16 區塊是典型的控縫高壓裂示范區塊，該區塊共計措施27井次39層，其中壓裂投產23 井次，措施初期單井平均日產油4.4 t，措施平均單井平均日增油2.4 t，措施有效生產時間277 d，累積增油16 860.3 t。控縫高壓裂技術的措施平均日增油是常規壓裂技術的2 倍，效果明顯高于常規壓裂技術。

4 結論

1）青海油田薄層發育、油水層間互、儲隔層應力差小、控制裂縫縱向延伸、提高支撐劑有效支撐，避免壓竄水層是壓裂改造的首要選擇。

表2 控縫高壓裂工藝選擇原則及指標

2）敏感性分析表明，控制裂縫高度的主要因素是儲隔層地層應力差、壓裂液性能及施工排量。

3）以“優化施工排量、降低壓裂液黏度、優化射孔井段和人工隔層”為主的控縫高壓裂工藝技術能夠有效阻礙裂縫在縱向上的延伸，對薄互層具有較好的適應性。

4）控縫高壓裂技術已成為青海油田低滲透薄互層儲量有效動用關鍵技術之一。