致密儲層體積壓裂裂縫漏失及控制綜述

張衍君， 曾會， 陶秀娟， 張洋, 周德勝

(1.西安石油大學石油工程學院， 西安 710065； 2.中國石油大學(北京)非常規油氣科學技術研究院， 北京 102249； 3.陜西科技大學化學與化工學院， 西安 710021)

致密儲層的開發主要沿用“水平井+體積壓裂”的模式，即通過提高壓裂強度、突破最大和最小主應力差，促使裂縫轉向、溝通天然裂縫和開啟天然弱面等方式，最大限度地提高儲層的改造程度[1-2]。壓裂過程中，大量的壓裂液注入地層以形成復雜的裂縫網絡，大幅度地增強致密儲層中油氣的滲流能力，從而實現高效的開采。然而，復雜的地質條件以及壓裂過程中諸多不確定的因素導致壓裂形成的裂縫可控性較差，裂縫之間的連通性也各不相同。儲層條件下任何形式的裂縫都可能造成壓裂液的漏失，降低壓裂液的能效、加劇套管變形。為降低體積裂縫漏失帶來的負面影響開展此研究。

體積壓裂過程中所使用的壓裂液是一種較為復雜的體系，包含了大量的添加劑及不同類型的離子。對于高有機質含量的頁巖，超強的毛管力以及壓裂液中的離子與儲層產生的物理化學作用導致儲層吸水孔隙壓力增加，超過巖石的破裂強度后會產生拉伸裂縫[3]。體積壓裂關井一段時間后，在毛管力的作用下，頁巖中原有微裂縫吸水擴張，并不斷形成新的微裂縫，從而能夠吸收大量的壓裂液[4]。同時，體積壓裂過程中井距不斷縮小，導致兩井之間的干擾相互加劇，壓裂過程中子井向母井中漏失的現象頻發[5]。此外，地層中存在著一定的天然裂縫和斷層，上述各種類型的裂縫都可能導致體積壓裂過程中壓裂液的漏失。不難發現，目前為止，體積壓裂過程中漏失類型較復雜，且出現漏失后應對的控制措施多數依靠現場經驗，不具備針對性，嚴重影響壓裂液的能效和套管變形。

在總結體積裂縫漏失類型及其特點的基礎上，現系統調研各類型漏失的應對方法及優缺點，并指出了體積裂縫漏失控制的重點發展方向。以增強人們對壓裂液在體積裂縫中過度漏失原因和特點的認識，通過針對性的措施提高壓裂液能效利用、提前預測漏失加劇套管變形為油氣生產帶來的問題。最終，為致密油氣高效壓裂開發設計提供技術支持。本文研究中定義體積壓裂過程中形成的各類裂縫的集合稱為體積裂縫，與體積裂縫相關的漏失稱為體積裂縫漏失。

1 體積裂縫的分類及性質

體積壓裂是通過壓裂的方式對儲層實施改造，在形成一條或多條主裂縫的同時，通過分段多簇射孔，高排量、大液量、低黏液體以及轉向材料，實現對天然裂縫和層理的溝通，在主縫側向強制形成次生裂縫，并在次生裂縫上繼續分枝形成二級次生裂縫。讓主裂縫與多級次生裂縫交織形成裂縫網絡系統，將可以進行滲流的有效儲集體“打碎”，使裂縫壁面與儲層基質的接觸面積最大，使得油氣從任意方向的基質向裂縫的滲流距離最短，極大地提高儲層整體滲透率，實現對儲層在長、寬、高三維方向的全面改造的技術[6]。由于體積壓裂形成的裂縫網絡較復雜、監測困難，為研究體積裂縫的漏失有必要先對裂縫進行分類。

與常規壓裂所形成的雙翼對稱裂縫在裂縫形成過程中的力學性質、在裂縫的幾何性質、裂縫的導流能力等方面均有顯著差異。根據前期研究，將裂縫分為4類，分別是主裂縫、分支裂縫、微裂縫、以及天然大裂縫/斷層，如表1所示。主裂縫的裂縫較大，導流能力強；分支裂縫開度較小、裂縫數量多，通常與主裂縫連通性好。微裂縫的寬度最小、裂縫分布離散，但能夠增強基質的滲透能力，進入微裂縫的壓裂液難以返排。天然大裂縫通常隨機分布，裂縫開度較大，具有強連通特性。

表1 體積裂縫分類[7]Table 1 The classification of fracturing fractures[7]

2 體積裂縫漏失類型及特點

2.1 拉伸裂縫漏失

水-巖相互作用導致的壓裂漏失以壓裂過程中形成的微裂縫為主。有機質和黏土含量高的頁巖，壓裂液滲吸除依靠毛管力驅動外，還受黏土滲透壓控制，當壓裂液滲吸進入儲層時將形成滲透膜，基質吸水膨脹，孔隙壓力上升，儲層內部產生拉伸應力。當其超過抗拉強度時，產生拉伸裂縫，如圖1所示。拉伸裂縫的擴展需要側向位移，而軟弱的有機質為拉伸裂縫的擴展提供了條件。隨著壓裂液與巖石作用時間的增長，拉伸裂縫會逐漸演化、發展，積累形成宏觀裂縫，如圖2所示，加劇壓裂液的漏失[8-9]。

圖1 壓裂過程中形成的拉伸裂縫[3] Fig.1 Tensile cracks formed during fracturing[3]

圖2 水巖作用前后拉伸裂縫變化[10]Fig.2 The changes of fracture caused by water-rock interaction[10]

拉伸裂縫常形成于水巖相互作用的過程中，裂縫的開度一般較小，但是形成的裂縫網絡復雜，在富含有機質的頁巖中，大量拉伸裂縫的形成進一步加劇壓裂液的漏失。形成的拉伸裂縫過多會降低壓裂液的造縫效率，降低壓裂液的能效；適量的拉伸裂縫將增強改造區的滲透性，提高儲層中油氣流動能力。

2.2 井間串通裂縫漏失

小井距壓裂導致的裂縫串通形成的漏失以主裂縫或分支裂縫為主，存在天然大裂縫或斷層時也容易引起漏失。裂縫串通的客觀原因包括儲層非均質性、天然裂縫發育情況等，主觀原因包括壓裂規模、投產先后順序等。對于井距較小的井來說，當壓裂規模較大串通時壓裂液將直接進入鄰井壓裂裂縫內[11-12]。國外幾大主要致密油氣區塊的水平井井間距從400 m縮小到100～200 m，在Barnett、Eagle Ford、Marcellus 試驗了最小井間距為76 m的平臺水平井；國內如長寧、威遠、昭通等井區開發井距從最初的400～500 m逐步縮小至目前的300 m[13]。小井距開發使壓裂對兩井間儲集層基質形成的“縫控”面積變小，井間難動用區域面積減小，波及效率提高，但也造成了老井與新井之間出現井間壓串現象，人工裂縫與鄰井裂縫串通，壓裂液大量漏失[14-16]。井間裂縫的串通通常在小井距壓裂時存在，一般為人工壓裂的主裂縫、分支裂縫或天然大裂縫，裂縫開度較大。裂縫的漏失量大，不利于壓裂井中壓力的維持，大幅度削減壓裂液的能效。

2.3 天然裂縫帶/斷層漏失

天然裂縫/斷層漏失及其引起的儲層傷害問題嚴重制約著致密儲層鉆探及開發進程[17]。壓裂過程中裂縫發育程度高，水力裂縫突破、溝通天然裂縫并發生擴展，裂縫復雜性增強，壓裂液中的固液相沿著天然裂縫網絡侵入儲層深部造成漏失[18-19]。層理縫或天然裂縫滲透率是基質滲透率的成百上千倍，在相同溫度及壓差條件下，液體在天然裂縫發育區濾失[20]。天然裂縫/斷層漏失一般發生在大天然裂縫、斷層或破碎帶，漏失量大、漏失速度快[21]，由天然裂縫帶/斷層造成的漏失通常較難控制。壓裂過程中天然裂縫帶/斷層被激活，斷裂面與射孔溝通將導致壓裂液沿天然裂縫帶/斷層漏失，流壓作用到斷面上使其產生剪切作用，而后作用到套管上使套管變形。

3 體積裂縫漏失控制方法

3.1 漏失應對方法及優缺點

鉆井過程中的漏失問題，多采用封堵的方式處理，涉及封堵技術和封堵材料。針對壓裂過程中體積裂縫的漏失問題，照搬鉆井堵漏的模式不再廣泛適用，比如會受到壓裂規模和液體類型的限制。控制水-巖相互作用導致的拉伸裂縫漏失、小井距壓裂導致的裂縫串通漏失、天然裂縫/斷層導致的壓裂液漏失，需要進一步梳理其特點，在此基礎上提出相應的措施。

拉伸裂縫通常開度較小，但是分布更加廣泛，由此造成的漏失可采用物理封堵的方法。物理封堵方法是利用固體粒子在孔隙和裂隙處的橋塞、填充沉積來達到隔絕流體通路，阻止壓力傳遞的目的[22-23]。要求封堵顆粒具有以下條件：①顆粒必須能夠在微裂隙、孔隙內穩定架橋；②顆粒足夠小，能夠形成致密填充；③具有變軟變形的特性。常用物理封堵方法包括剛性顆粒封堵方法、彈性顆粒封堵方法、纖維封堵方法、剛性-彈性-纖維封堵方法等。水-巖相互作用導致的漏失較復雜，壓裂中添加粉砂及壓裂液體系的離子調節能夠緩解水巖相互作用導致的拉伸裂縫漏失。壓裂中添加砂能夠通過物理架橋作用直接封堵拉伸的微裂縫，且所用的材料成本低廉[24]，同時，粉砂在裂縫前端還具有選擇性封堵的作用，有利于提高壓裂作業的效率,通過調節壓裂液體系的離子濃度/類型能夠控制壓裂液和巖石相互作用的程度。在裂縫前端吸液、巖石黏土礦物的吸脹等方面起一定作用，進而控制拉伸裂縫的形成、降低拉伸裂縫導致的漏失，提高壓裂液的能效利用率。

小井距壓裂導致的漏失可采用暫堵轉向技術，壓裂暫堵轉向技術主要是通過在壓裂過程中向地層中注入具有一定抗壓強度的可溶性暫堵劑，利用其對老裂縫進行有效暫堵來提升縫內凈壓力，開啟老裂縫附近的次級裂縫和微裂縫，實現裂縫的轉向[25-27]。暫堵壓裂轉向技術根據施工目的可細分為近井筒暫堵轉向壓裂、水平井暫堵分段壓裂、 直井縱向暫堵分層壓裂和縫內暫堵轉向壓裂4種工藝技術，如圖3所示，其相同點都是通過泵入暫堵劑封堵先壓裂縫，提高井筒或縫內凈壓力，迫使液體轉向，在未改造層段開啟新裂縫或轉向激活天然裂縫，提高儲層整體改造體積。

圖3 壓裂暫堵轉向過程[28]Fig.3 The progress of fracturing divert[28]

壓裂結束后，暫堵劑完全降解，返排至地面，對儲層無傷害，裂縫恢復導流能力[28-29]。通過暫堵轉向技術可以控制優勢裂縫的過快增長，裂縫轉向也能夠擴大縫網橫向改造面積；同時，裂縫擴展的速度和規模可通過壓裂施工參數(排量、注入速率、加砂量等)控制，優選壓裂施工參數避免裂縫擴展過長。因此，壓裂參數優選協同自適應封堵材料共同應對壓裂串擾漏失。

天然裂縫/斷層導致的漏失可采用化學封堵方法，化學封堵方法是利用高聚物在界面上的靜力、界面分子間作用力、化學鍵力, 使聚合物在界面處形成黏結，并控制化學反應時間, 在漏層處形成所需的堵漏材料[30]。化學堵漏材料可分為凝膠、樹脂和膨脹聚合物三大類[31]。該方法的優點是：封堵性受壓裂液循環沖刷影響小；聚合物類分子易吸附在地層孔隙內表面并堆積起到封堵作用；可以隨壓堵漏；封堵地層后在需要的情況下可以解封地層，恢復地層滲透率等[32-33]。天然裂縫/斷層會導致壓裂液大量的漏失，且形成井間的連通，給油氣生產帶來負面的影響。化學封堵是解決天然裂縫/斷層導致壓裂液漏失的手段，同時，能夠提高壓裂液能效利用率，造縫過程中有利于在縫網內形成較高壓力進而生成更復雜的裂縫網絡。封堵后的天然裂縫/斷層也能降低套管變形的風險。

三種漏失類型及對應的解決方案如表2所示，水巖作用漏失采用粉砂等材料封堵，小井距壓裂漏失采用暫堵及壓裂參數優化，天然裂縫/斷層漏失采用化學材料等封堵、同時優選壓裂段。

表2 漏失類型及對應的解決方案歸納Table 2 Types of leakage and corresponding solutions

3.2 體積裂縫漏失控制技術

不斷改進的技術結合先進的封堵材料，才能實現對體積裂縫的有效封堵。蔣官澄等[34]根據儲層非均質性特點，提出廣譜“油膜”暫堵技術，在近井壁處快速建立屏蔽暫堵環，恢復油氣井產能，鉆井過程中采用油基泥漿具有良好的效果，大規模壓裂作業通常采用滑溜水壓裂液體系，該技術在壓裂過程中的推廣具有較大局限性。Fuh[35]提出通過漏失材料在裂縫尖端充填和封堵提高裂縫延伸壓力的技術。閆豐明等[36]提出針對縫洞型儲層的暫堵堵漏技術并根據該技術改進了鉆井液、完井液，改進后約在3 min內可形成99%以上暫堵率的致密封堵層，且60 min累積濾失量不超過0.5 mL，較改進前裂縫封堵能力提高2.3倍。聶勛勇[37]提出隔斷式凝膠段塞堵漏技術，應用于長慶油田和川東北地區等三十余口井/次漏失井的現場，試驗效果顯著。

蔣衛東等[38]研制一種型纖維材料應用于新型纖維暫堵酸壓技術，該技術已現場應用16口井，施工成功率達100%。張雄等[39]針對塔河油田埋藏深、溫度高、非均質強等特點，提出了“纖維+顆粒”復合暫堵分段技術，并通過室內實驗證明了該技術形成的封堵段能夠有效承壓9 MPa。McCartney等[40]統計了4個不同頁巖儲層中暫堵轉向壓裂技術的施工效果：Haynesville頁巖產量平均提高 60%，Bone Spring頁巖儲層單井增產50%，Woodford頁巖3口井產量得到明顯提高，Eagle Ford 12口井使用后產量明顯高于鄰井。Ahmed等[41-42]提出遠端暫堵轉向技術，它主要使用可溶性固體顆粒與支撐劑混合，有效封堵裂縫遠端，且在可溶性材料溶解后保持裂縫的導流能力。Xiong等[43]提出了一種基于暫堵轉向的高效增產技術，在不使用機械隔離工具的情況下實現多級增產以提高巖石改造體積。肖勇軍等[44]提出裂縫暫堵-控藏體積壓裂技術，一是暫時封堵且能完全降解，降解后巖心傷害低；二是暫堵材料能夠堵得住且承壓大于40 MPa。Yi 等[45]提出了利用轉向劑進行水平井重復壓裂的模型，定量研究了初次壓裂后全水平段利用暫堵劑進行重復壓裂施工時暫堵劑的分布，為重復壓裂技術設計提供參考。吳宏杰等[46]形成了適于頁巖氣重復壓裂的暫堵裂縫轉向技術并應用于焦頁A井4級重復壓裂施工中，較重復壓裂前提高了5倍。雷群等[47]提出超深層暫堵分層改造技術包括“線性膠+凍膠”復合壓裂、“暫堵球+纖維”組合、前置液黏性指進酸壓、多級注入酸壓(前置液+酸壓+前置液+酸壓等)等技術。

3.3 體積裂縫漏失封堵材料

封堵材料進入裂縫中進行封堵主要是通過材料失水沉積在裂縫內部，進而形成封堵層，如圖4所示[48]。整個過程要求裂縫產生后，工作液在很短的時間內迅速失水形成封堵層，隔離裂縫尖端，控制裂縫擴展。封堵的作用機理主要包含密封和支撐裂縫，故封堵材料應同時具有封堵性能和機械強度[49]。針對微裂縫的漏失， Verert[50]研制了一種用堿溶性微米級的超細纖維素取代超細CaCO3的封堵材料，其能對井壁快速封堵并減少鉆井液中的固液相侵入儲層。Shuttleworth等[51]研制出了一種由涂有表面活性劑和分散劑的玻璃絲纖維組成的新型改性纖維材料，能抗 232 ℃高溫，解決了布倫特油田的井漏問題。El-Sayed等[52]將不同粒徑的顆粒材料、合成聚合物及水混合注入井下產生膨脹作用，幾小時內就能封堵非常嚴重的大漏失，解決了埃及尼羅河三角洲地區井漏問題。鄭力會等[53]研發出絨囊防漏堵漏工作液，其能在未知井下漏失通道是否存在的情況下動態地封堵地層，與剛性封堵材料相比，絨囊工作液氣核可根據漏失通道調整形狀和大小；相對柔性封堵材料，絨囊在高黏水層和過渡層保護下結構穩定，高溫高壓下封堵能力提升。徐哲等[54]結合剛性封堵劑強度大和柔性封堵劑自適應能力強的優點，制備了一種外柔內剛型封堵劑，它能在井壁周圍填充沉積，形成封堵層降低液相濾失量。

圖4 封堵過程[48] Fig.4 The progress of plugging[48]

暫堵轉向材料方面，臧海宏[55]制備了一種水溶性壓裂酸化暫堵劑，抗壓能力達22 MPa。Lohne等[56]提出了呋喃樹脂內固化劑及自生泡沫暫堵劑，固砂強度相比之前技術提高40%以上，起到穩定暫堵和均勻推進作用。劉偉[57]研制出一種高強度水溶性壓裂暫堵劑，它主要依靠顆粒橋堵堆積在裂縫或孔喉處形成暫堵層，具有封堵強度大、適用縫寬范圍大、溶解完全、易返排、對地層傷害低的優點。李志宏等[58]提出體膨型承壓堵漏劑HSW-1，延緩漏失速度，但該材料遇水膨脹且固化時間短，需配合定點投送工具以實現定點投送與定點候凝。王洪恩[59]提出一種油水井重復壓裂用封堵轉向劑，它能增加地層液流的過濾面積，減少過濾堵塞。Yang[60]提出在暫堵劑濃度一定的情況下，纖維越多，堵塞開始越早，顆粒越多，堵塞加速越快。隨著裂縫寬度的增大，封堵率也相應降低，加入尺寸為裂縫寬度60%～80%、濃度為0.25%的大顆粒可大大提高封堵效果。陳佳輝等[61]合成一種白色固體共聚物，它進入儲層裂縫和孔隙中團聚結塊可形成橋堵，封堵率最高可達91.35%。

研究出新型材料解決裂縫漏失問題。葛際江等[62]制備了水溶性酚醛樹脂凍膠，它具有較好的穩定性，注入性良好，成膠液在70 ℃下的黏度低于500 mPa·s，封堵能力較好。吳天江等[63]制得高強度柔彈性顆粒狀的裂縫封堵劑，硬度較小，柔韌性好，地層水礦化度對封堵劑柔彈性的影響較小等優勢。梁甲波等[64]研制出一種改性纖維素水基凝膠用于封堵裂縫通道，它在裂縫中的突破壓力梯度超過20 MPa/m，封堵效果好。針對優化壓裂液體系降低漏失，Lei[65]提出向壓裂液體系中添加納米材料，通過納米材料與聚合物間交聯以及與表面活性劑間協同作用，與膠束形成可逆交聯結構等方式改善壓裂液體系的流變性和懸砂性，降低濾失、提高增產改造效率。

4 體積裂縫漏失的發展方向

致密儲層體積裂縫的漏失是以壓裂為核心的問題，涉及地質條件、壓裂施工以及控制問題，需要在地質工程一體化框架下展開，對提高壓裂液能效和預防套管變形具有重要意義。具體表現為以下三個方面的問題：①壓裂過程中的封堵不具備針對性，封堵材料和技術主要采用鉆井過程中鉆井液漏失封堵的處理材料及技術；②壓裂過程中的井間干擾現象頻發，小井距壓裂導致的壓裂裂縫串通漏失將給后期油氣生產帶來影響，未得到充分的重視；③暫堵技術作為實現裂縫轉向降低井間干擾的重要手段，實現層段暫堵、精確定位困難，同時對暫堵材料提出了新的要求。

首先，鉆井液體系與壓裂液體系有顯著差異，與巖石相互作用的強度不同，鉆井時在易漏失、井壁不穩定的環境下可以選擇油基、泡沫、復合泥漿等鉆井液體系，致密儲層體積壓裂受成本以及壓裂效果等要求常采用滑溜水體系，不可避免地會出現水-巖相互作用導致拉伸裂縫。鉆井過程中施加的壓力較穩定、周期較長，但是壓裂過程所需時間較短，為實現裂縫起裂及擴展，壓裂過程中的壓力波動較大，難以控制，壓裂液與儲層的接觸面積更大。因此，壓裂過程中形成的微裂縫更加復雜，縫寬涉及范圍更加廣泛。粉砂在壓裂過程中的加量增多，能夠進入部分微裂縫，當面對較小尺度的微裂縫時可能受粒徑限制難以完成封堵，需要研發微納米尺度的封堵體系解決拉伸裂縫漏失的問題。

其次，重視壓裂過程中井間干擾導致的漏失，目前壓裂過程中井間干擾的規律、機理等缺乏系統深入的研究，也沒有較好的控制措施，大量的壓裂串擾漏失將導致產量嚴重下降，因此需要控制壓裂串擾漏失的程度，盡可能降低對油氣生產帶來的負面影響，提高壓裂液的能效利用率。目前階段，大平臺體積壓裂越來越普遍，鄰井地層孔隙壓力下降會導致地應力下降，且最大和最小應力差降低，導致臨井裂縫的擴展受到吸引，加劇兩井之間裂縫連通，使得井間串通裂縫漏失嚴重。在地質工程一體化的背景下，加強井平臺壓裂井間裂縫串通漏失機理、規律以及控制方面的研究。

最后，重視暫堵技術在體積壓裂過程中的應用，采用暫堵技術及材料控制裂縫的過度擴展導致的井間干擾，尤其重視暫堵材料對暫堵性能的影響，提高堵漏成功率，并能滿足適應性好、經濟適用、針對性強等要求[66-67]。針對體積裂縫的漏失類型采取針對性的防漏措施、以壓裂參數優選協同自適應封堵材料的思路控制體積壓裂裂縫漏失，降低天然裂縫/斷層漏失引起套管變形的風險，為致密油氣的高效開發提供技術支持。

5 結論

厘清了致密儲層壓裂裂縫的類型，分析了體積裂縫漏失類型及針對性控制措施，歸納了最新封堵材料和技術，提出了發展前景，得出如下結論。

(1)根據裂縫的特征將其分為4類，分別是主裂縫、分支裂縫、微裂縫以及天然大裂縫/斷層。主裂縫較單一、開度大，是流體流動的主要通道，具有較強的導流能力。分支裂縫屬于拉-剪破壞，裂縫數量多、尺度和開度較小，是流體流通的次要通道，與主裂縫連通性好。微裂縫的裂縫開度小，斷裂類型屬于剪切破壞，裂縫分布離散、尺度小，能夠增強基質的滲透能力，連通性差，進入微裂縫的壓裂液難以返排。天然大裂縫分布隨機，具有強連通的特點。

(2)體積裂縫漏失可分為水巖相互作用導致的拉伸裂縫漏失、小井距體積壓裂造成的裂縫串通漏失、地層中存在的復雜天然裂縫/斷層導致的壓裂液漏失；壓裂中添加粉砂及壓裂液體系的離子調節能夠緩解水巖相互作用導致的拉伸裂縫漏失，壓裂暫堵能夠實現裂縫轉向降低體積壓裂造成的裂縫串通漏失頻率，優化壓裂選段或提前封堵復雜天然裂縫/斷層能夠降低壓裂液在天然裂縫/斷層中的漏失。

(3)體積裂縫的漏失及控制需要在地質工程一體化框架下展開，研發微納米尺度的封堵體系解決拉伸裂縫漏失的問題，重視壓裂過程中井間干擾導致的漏失，重視暫堵技術在體積壓裂過程中的應用。以壓裂參數優選協同自適應封堵材料的思路控制體積壓裂裂縫漏失，提高壓裂液能效和預防套管變形，為致密油氣的高效開發提供技術支持。