多級暫堵誘導(dǎo)分支縫開啟規(guī)律

孫正龍, 劉彥成, 尹虹橙, 楊璐, 張迎春, 高計縣, 何江

(1.中國石油新疆油田分公司, 克拉瑪依 834000; 2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司, 北京 100000; 3.中國石油招標(biāo)中心新疆分中心, 克拉瑪依 834000; 4.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 成都 610500)

水力壓裂是非常規(guī)油氣資源效益開發(fā)的關(guān)鍵手段之一,自然狀態(tài)下壓裂液傾向流入阻力較小的通道,造成儲層改造不均衡,降低了整體改造效果。針對天然裂縫發(fā)育的儲層,提高天然裂縫開啟率,形成交錯的網(wǎng)絡(luò)將儲層打碎是充分動用油氣資源的關(guān)鍵[1-2]。高水平應(yīng)力差、高逼近角以及高天然裂縫膠結(jié)強(qiáng)度時,水力裂縫擴(kuò)展過程中傾向于穿過天然裂縫,天然裂縫難以得到有效激活[3-4]。縫內(nèi)多級暫堵壓裂通過分批次注入暫堵劑,在水力裂縫內(nèi)不同位置形成架橋封堵,提高縫內(nèi)凈壓力,能夠有效激活天然裂縫,獲得縫網(wǎng)改造[5-7]。改造結(jié)束后,縫內(nèi)暫堵體在儲層溫度和流體的影響下降解,溶解物隨流體返排至地面,裂縫恢復(fù)導(dǎo)流能力[8]。明確縫內(nèi)多級暫堵下分支縫開啟規(guī)律對優(yōu)化縫內(nèi)多級暫堵方案具有重要的理論指導(dǎo)意義。

縫內(nèi)多級暫堵轉(zhuǎn)向壓裂包括縫內(nèi)暫堵和裂縫轉(zhuǎn)向兩個核心環(huán)節(jié)。針對縫內(nèi)暫堵,中外學(xué)者通過槽堵實(shí)驗[9]、可視化裂縫封堵實(shí)驗[10]、大物模封堵實(shí)驗[11]或3D打印重構(gòu)裂縫封堵實(shí)驗[12],系統(tǒng)研究了縫內(nèi)封堵規(guī)律,優(yōu)化了不同縫寬下最優(yōu)暫堵劑配方,指出通過控制架橋顆粒粒徑可以實(shí)現(xiàn)縫口、縫中和縫尖封堵。縫內(nèi)轉(zhuǎn)向激活天然裂縫,其關(guān)鍵是相交裂縫擴(kuò)展問題,Liu等[13]通過真三軸水力壓裂物模實(shí)驗研究了不同天然裂縫性質(zhì)和地應(yīng)力條件下相交裂縫擴(kuò)展規(guī)律,得到了不同應(yīng)力差下激活天然裂縫的臨界凈壓力條件。Zhang等[14]通過數(shù)值模擬方法研究了地質(zhì)和工程參數(shù)對天然裂縫激活的影響,發(fā)現(xiàn)天然裂縫存在3種模式:穿過天然裂縫、天然裂縫張性激活和天然裂縫剪切激活。

綜上,中外學(xué)者基于室內(nèi)物模和數(shù)值模擬方法,系統(tǒng)研究裂縫性儲層水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律,明確了水力裂縫與天然裂縫相互作用模式。然而,縫內(nèi)暫堵影響下凈壓力分布發(fā)生顯著變化,天然裂縫開啟規(guī)律更加復(fù)雜,尤其是縫內(nèi)多級暫堵下水力主裂縫和不同級次分支縫相互影響,從而改變了局部應(yīng)力場分布。目前尚未建立可以模擬縫內(nèi)暫堵效應(yīng)的模型。

現(xiàn)建立縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向數(shù)值模擬方法,能夠有效模擬縫內(nèi)暫堵對流體節(jié)流和縫內(nèi)增壓影響,實(shí)現(xiàn)縫內(nèi)暫堵后相交裂縫擴(kuò)展模擬。針對超低滲透儲層特征,基于有限元方法和斷裂力學(xué)內(nèi)聚區(qū)模型建立了二維流固全耦合縫內(nèi)多級暫堵轉(zhuǎn)向數(shù)值模型,研究逼近角(水力裂縫與天然裂縫夾角)和封堵級數(shù)對分支裂縫開啟的影響規(guī)律,明確縫內(nèi)多級暫堵下相交裂縫擴(kuò)展形態(tài)。研究結(jié)果對揭示縫內(nèi)多級暫堵轉(zhuǎn)向力學(xué)機(jī)理,優(yōu)化縫內(nèi)多級暫堵壓裂方案具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 數(shù)學(xué)模型及相交裂縫處理方法

水力裂縫擴(kuò)展是多個物理過程相互影響的問題,包括巖石多孔介質(zhì)內(nèi)滲流、裂縫內(nèi)流體切向流動及法向濾失、巖石骨架變形和裂縫尖端起裂及擴(kuò)展。縫內(nèi)暫堵本質(zhì)是暫堵劑在縫內(nèi)運(yùn)移中受裂縫寬度和壁面粗糙迂曲度的影響而架橋、壓實(shí)形成致密封堵體,能夠有效降低流體壓力向裂縫尖端傳遞,從而提高縫內(nèi)凈壓力,迫使流體轉(zhuǎn)向激活天然裂縫,本文研究采用等效節(jié)流的方法模擬暫堵體的封堵作用。縫內(nèi)流體流動方程、巖石固體變形方程和內(nèi)聚區(qū)模型參見文獻(xiàn)[15-16],本文研究重點(diǎn)闡述暫堵體模擬方法和相交裂縫自由分流處理方法。

1.1 暫堵體模擬方法

縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂涉及縫內(nèi)暫堵模擬和縫內(nèi)轉(zhuǎn)向模擬兩個核心問題。無縫內(nèi)暫堵時,縫內(nèi)流體流動符合立方定律(潤滑方程);當(dāng)存在縫內(nèi)暫堵時,流體經(jīng)過縫內(nèi)暫堵體時符合達(dá)西定律(達(dá)西方程)。因此,一種模擬縫內(nèi)暫堵效果有效的方法為令達(dá)西方程產(chǎn)生的壓力損失與潤滑方程產(chǎn)生的壓力損失相等,通過改變等效黏度,可不改變流體切向流動方程,實(shí)現(xiàn)縫內(nèi)暫堵模擬。

(1)

式(1)中:w為封堵體寬度,m;A為封堵體截面積,m2;μm為暫堵劑攜帶液黏度,Pa·s;μ*為壓力損失相等下縫內(nèi)流體等效黏度,Pa·s;km為封堵體滲透率,可通過室內(nèi)實(shí)驗測試獲取,mD。

式(1)進(jìn)一步變形可得到

(2)

如圖1所示,當(dāng)水力裂縫擴(kuò)展穿過天然裂縫后,遇到縫內(nèi)封堵體預(yù)置位置,此處流體黏度瞬間增大,壓力傳遞效率迅速降低,縫內(nèi)壓力增大,縫寬增大,當(dāng)縫內(nèi)壓力超過天然裂縫開啟壓力時,天然裂縫上、下分支依次被激活,完成縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向過程。因此,本文建立的縫內(nèi)暫堵模擬方法能夠較好地模擬縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂問題。

圖1 暫堵體模擬方法說明圖[8]Fig.1 Illustration diagram of tight plug simulation method[8]

1.2 相交裂縫共結(jié)點(diǎn)處理

針對縫內(nèi)轉(zhuǎn)向,其關(guān)鍵是準(zhǔn)確模擬縫內(nèi)暫堵凈壓力升高時水力裂縫內(nèi)流體分流至分支裂縫中,為實(shí)現(xiàn)流體在相交裂縫間自由分流,采用共結(jié)點(diǎn)方法計算各分支縫口流體流動壓降。如圖2所示,黏結(jié)單元COH1、COH2、COH3和COH4共用一個孔壓結(jié)點(diǎn),即N1、N2、N3和N4合并為一個孔壓結(jié)點(diǎn)。黏結(jié)單元每個結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)出包含三個結(jié)點(diǎn),即兩個位移結(jié)點(diǎn)和一個孔壓結(jié)點(diǎn)。位移結(jié)點(diǎn)含有位移自由度,能夠準(zhǔn)確計算縫寬;孔壓結(jié)點(diǎn)含有孔壓自由度,能夠準(zhǔn)確計算流體流速和流動壓降。

圖2 相交裂縫單元處理方法[8]Fig.2 Method of processing the intersection fracture elements[8]

2 模型建立與驗證

2.1 不同逼近角模型建立

為準(zhǔn)確模擬分支縫開啟規(guī)律,采用黏結(jié)單元預(yù)置裂縫擴(kuò)展路徑。如圖3所示,共建立了3個相交裂縫模型,模型邊長60 m,逼近角θ分別為90°、60°和30°。注入點(diǎn)表示流體持續(xù)注入,裂縫向前擴(kuò)展;封堵點(diǎn)表示形成封堵體,壓力傳遞效率急劇降低。裂縫停止當(dāng)前路徑擴(kuò)展。紅、黑、藍(lán)色實(shí)線分別代表人工主裂縫、一級分支縫和二級分支縫擴(kuò)展路徑。模擬中每個模型設(shè)計兩次暫堵,探究分支縫開啟規(guī)律。模型輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1 模型輸入?yún)?shù)Table 1 Input parameters of the model

圖3 不同逼近角下縫內(nèi)暫堵數(shù)值模型Fig.3 Numerical model of in-fracture temporary plugging with different approaching angle

2.2 模型驗證

為驗證模型可靠性,采用真三軸水力壓裂物模系統(tǒng)開展水力壓裂物模實(shí)驗,在巖樣內(nèi)預(yù)置一30°逼近角的天然裂縫。室內(nèi)實(shí)驗參數(shù)與數(shù)值模型輸入?yún)?shù)一致,如圖4所示,人工主裂縫擴(kuò)展遇到天然裂縫后,能夠?qū)⑵溆行Ъせ?室內(nèi)實(shí)驗與數(shù)值模擬結(jié)果一致,驗證了模型的可靠性。

圖4 數(shù)值模擬與室內(nèi)實(shí)驗結(jié)果對比Fig.4 Comparison between simulation results and experimental results

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 自然狀態(tài)下天然裂縫開啟規(guī)律

基于表1中輸入?yún)?shù)和圖3中數(shù)值模型,研究了自然狀態(tài)下水力主裂縫遇到不同逼近角下天然裂縫擴(kuò)展特征。由圖5可以看出,當(dāng)水平兩向主應(yīng)力差為5 MPa時,水力裂縫直接穿過了90°和60°逼近角下的天然裂縫,天然裂縫未被有效激活,改造體積受限;當(dāng)逼近角為30°時,水力主裂縫遇到天然裂縫后將其鈍角分支成功激活,鈍角分支擴(kuò)展中遇到二級分支縫后仍能將鈍角分支激活。基于前人研究結(jié)果,應(yīng)力差越大,人工主裂縫轉(zhuǎn)向激活天然裂縫難度越大。因此,當(dāng)水平應(yīng)力差≥5 MPa時,自然狀態(tài)下無法溝通激活高逼近角(≥60°)天然裂縫;當(dāng)應(yīng)力差≤5 MPa,自然狀態(tài)下能夠溝通激活低逼近角天然裂縫,且進(jìn)一步能夠激活次級天然裂縫,實(shí)現(xiàn)多級轉(zhuǎn)向。

圖5 自然狀態(tài)下天然裂縫開啟規(guī)律Fig.5 The activation pattern of natural fracture under natural conditions

3.2 一級暫堵下天然裂縫開啟規(guī)律

基于表1中輸入?yún)?shù)和圖3中數(shù)值模型,研究了一級暫堵下水力主裂縫遇到不同逼近角下天然裂縫的擴(kuò)展模式。如圖6所示,水力裂縫向前擴(kuò)展穿過天然裂縫后,在裂縫相交點(diǎn)處設(shè)置一級暫堵,縫內(nèi)流體壓力受暫堵體節(jié)流作用不能向前傳遞,暫堵體后側(cè)裂縫逐漸閉合,暫堵體前側(cè)裂縫內(nèi)壓力逐步升高,直至激活一級分支縫。當(dāng)逼近角為90°時,一級分支縫兩分支均被激活;當(dāng)逼近角為60°時,一級分支縫鈍角分支被激活;當(dāng)逼近角為30°時,自然狀態(tài)下開啟的鈍角分支被封堵,銳角分支被激活。

圖6 一級暫堵下天然裂縫開啟規(guī)律Fig.6 The activation pattern of natural fracture under the first stage plugging

3.3 二級暫堵下天然裂縫開啟規(guī)律

基于表1中輸入?yún)?shù)和圖3中數(shù)值模型,研究了二級暫堵下水力主裂縫遇到不同逼近角的天然裂縫擴(kuò)展特征。由圖7可以看出,一級裂縫經(jīng)過二級暫堵后二級裂縫得到有效激活:當(dāng)逼近角為90°時,二級暫堵后右側(cè)分支相交的二級分支縫處于激活狀態(tài);當(dāng)逼近角為60°時,二級暫堵后鈍角分支相交的二級分支縫處于激活狀態(tài);當(dāng)逼近角為30°時,二級暫堵后銳角分支相交二級分支縫處于激活狀態(tài)。因此,通過二級暫堵能夠有效激活二級分支縫,顯著提高儲層改造體積。

圖7 二級暫堵下天然裂縫開啟規(guī)律Fig.7 The activation pattern of natural fracture under the second stage plugging

3.4 縫內(nèi)暫堵下天然裂縫激活預(yù)測圖版

影響水力裂縫與天然裂縫相交擴(kuò)展形態(tài)的主控因素是逼近角、兩向應(yīng)力差和縫內(nèi)暫堵。基于表1中輸入?yún)?shù)和圖3中模型,開展系列數(shù)值模擬實(shí)驗,得到縫內(nèi)暫堵影響下天然裂縫激活預(yù)測圖版,指導(dǎo)現(xiàn)場縫內(nèi)暫堵壓裂方案設(shè)計。如圖8所示,數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果與前人實(shí)驗結(jié)果一致[17-19],縫內(nèi)暫堵顯著拓展了天然裂縫張性激活區(qū)域的范圍,提高了天然裂縫張性激活比例和壓裂改造體積。該圖版對縫內(nèi)暫堵選井選層及縫內(nèi)暫堵效果評價具有一定的指導(dǎo)意義。

圖8 縫內(nèi)暫堵影響下天然裂縫激活預(yù)測圖版[17-19]Fig.8 The activation prediction chart of the natural fracture under the influence of the in-fracture temporary plugging[17-19]

4 現(xiàn)場應(yīng)用

優(yōu)選新疆油田八區(qū)烏爾禾一口直井A井,開展縫內(nèi)多級暫堵前、后產(chǎn)能對比測試試驗。A井壓裂目的層垂深2 300 m,地層壓力約為20 MPa,儲層中部溫度約為53 ℃;天然裂縫較為發(fā)育,天然裂縫走向與水平最大主應(yīng)力夾角(逼近角)大于60°;楊氏模量約為26 GPa,水平最小主應(yīng)力約為42 MPa,水平最大主應(yīng)力約為54 MPa,水平兩向應(yīng)力差為12～15 MPa。由圖8可知,無暫堵情況下,水力裂縫將直接穿過天然裂縫,無法將其有效激活,未激活的天然裂縫對產(chǎn)能幾乎無貢獻(xiàn)。當(dāng)使用縫內(nèi)暫堵后,激活區(qū)域與穿過區(qū)域的分界線由藍(lán)色曲線變成紅色曲線,該儲層的天然裂縫將處于激活區(qū)域內(nèi)。此外,根據(jù)圖6模擬結(jié)果,當(dāng)使用縫內(nèi)暫堵后,60°逼近角下天然裂縫鈍角分支得到有效激活。根據(jù)圖7模擬結(jié)果,經(jīng)過二級縫內(nèi)暫堵,分支縫上仍能激活次級分支縫。因此,縫內(nèi)多級暫堵能夠顯著提高該井整體改造體積。

該井初次壓裂參數(shù):施工排量3.0～3.5 m3/min,壓裂液用量316 m3,總砂量28 m3,平均砂比22.7%。為對比縫內(nèi)多級暫堵壓裂效果,讓該井生產(chǎn)4個月后進(jìn)行縫內(nèi)兩級暫堵。暫堵劑總量為400 kg,兩級暫堵各200 kg,一級暫堵劑配方為1%顆粒(粒徑2 mm)+1%纖維,二級暫堵配方為1%顆粒(粒徑1 mm)+1%纖維。暫堵后壓裂規(guī)模與初次壓裂規(guī)模一致,對比暫堵前、后該井生產(chǎn)情況。如圖9所示,初次壓裂生產(chǎn)120 d期間日產(chǎn)油最高10 t /d,平均日產(chǎn)約4 t /d;縫內(nèi)多級暫堵后最高日產(chǎn)油量為21 t /d,平均日產(chǎn)油量12 t /d,增大了2倍,因此縫內(nèi)多級暫堵取得了較好的增產(chǎn)效果。

圖9 A井初次壓裂與縫內(nèi)多級暫堵壓裂產(chǎn)能對比Fig.9 Comparison of the Well A production between the first fracturing and the in-fracture multistage temporary plugging fracturing

5 結(jié)論

建立了縫內(nèi)暫堵模擬方法和多級縫內(nèi)暫堵數(shù)值模型,研究了暫堵對不同逼近角下天然裂縫激活的影響規(guī)律。

(1)利用等效黏度法能夠較好模擬縫內(nèi)暫堵節(jié)流效果,利用共用結(jié)點(diǎn)法能夠?qū)崿F(xiàn)流體在相交裂縫處自由分配,通過大物模實(shí)驗驗證了模擬方法和數(shù)值模型的可靠性。

(2)由于儲層水平兩向應(yīng)力差通常大于5 MPa,自然狀態(tài)下,天然裂縫難以有效激活,通過縫內(nèi)多級暫堵能夠逐級激活天然裂縫分支,提高儲層整體改造效果。

(3)當(dāng)水力主裂縫遇到天然裂縫后,天然裂縫鈍角分支易被激活,銳角分支激活難度較大,通過縫內(nèi)暫堵可以有效激活低逼近角天然裂縫的銳角分支。

(4)礦場試驗表明,初次壓裂后單井產(chǎn)能較低,通過縫內(nèi)多級暫堵,二次壓裂后單井平均日產(chǎn)油是初次壓裂的3倍。