川口油田人工裂縫形態(tài)特征及其主控因素研究

王旭莊，李 江，張 藺

（1.延長(zhǎng)油田股份有限公司 川口采油廠，陜西 延安 716000，2.西安奧陶科技有限公司，陜西 西安 710043）

川口油田人工裂縫形態(tài)特征及其主控因素研究

王旭莊1，李 江1，張 藺2

（1.延長(zhǎng)油田股份有限公司 川口采油廠，陜西 延安 716000，2.西安奧陶科技有限公司，陜西 西安 710043）

川口油田長(zhǎng)4＋5層埋深較淺，水淹方向多，正確認(rèn)識(shí)水力壓裂的裂縫形態(tài)對(duì)油田開(kāi)發(fā)調(diào)整具有重要意義。本文通過(guò)對(duì)巖石應(yīng)力、抗張強(qiáng)度、平面非均質(zhì)性、天然裂縫等多方面影響因素的綜合研究，認(rèn)為川口油田長(zhǎng)4＋5為形態(tài)復(fù)雜的垂直縫，并利用多種方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

川口油田；裂縫形態(tài)；主控因素

川口油田長(zhǎng)4＋5目的層埋深較淺，為 577.9~ 871.9 m，水淹方向多。水力壓裂產(chǎn)生的裂縫分垂直縫和水平縫。正確認(rèn)識(shí)裂縫形態(tài)對(duì)川口油田后期開(kāi)發(fā)調(diào)整具有重要的意義。一般認(rèn)為水壓力產(chǎn)生的裂縫小于500~600 m為水平縫，否則為垂直縫。這種觀點(diǎn)缺乏事實(shí)支持。美國(guó) Nolte Smith公司對(duì)埋深200 m的地層進(jìn)行水力壓裂后挖掘發(fā)現(xiàn)，裂縫為垂直縫［1］。相反，大慶油田對(duì)1000多米深地層壓裂后發(fā)現(xiàn)，裂縫為水平縫［2，3］。所以要了解裂縫為水平縫還是垂直縫，必須要研究其控制因素。本文通過(guò)對(duì)巖石應(yīng)力、抗張強(qiáng)度、平面非均質(zhì)性、天然裂縫等多方面影響因素的綜合研究，認(rèn)為川口油田長(zhǎng) 4＋5為形態(tài)復(fù)雜的垂直縫，并利用多種方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 人工裂縫形態(tài)特征及主要控制因素

人工裂縫控制因素很多，主要包括巖石應(yīng)力、巖石強(qiáng)度、天然裂縫、巖石非均質(zhì)性等多方面。

1.1 地應(yīng)力分析表明為垂直縫

深埋地層巖石受三方向的主地應(yīng)力，水平最大、最小主應(yīng)力和垂直應(yīng)力，水力壓裂縫總是沿垂直于最小主應(yīng)力的平面發(fā)生和發(fā)展。當(dāng)垂直應(yīng)力最小時(shí)，壓裂時(shí)產(chǎn)生水平縫，否則形成垂直縫。

①巖心應(yīng)力測(cè)試表明為垂直縫

表1 地應(yīng)力解釋結(jié)果表（聲發(fā)射凱塞爾效應(yīng)法）

選取川 30井700~720 m的巖心10個(gè)樣進(jìn)行了聲發(fā)射凱塞爾效應(yīng)分析，從分析結(jié)果（表 1）可以看出，川30井700~720 m位置處的最小主應(yīng)力為水平應(yīng)力，其值在12.4~13.4MPa之間，水平最大、最小主應(yīng)力之差比較小，平均為3 MPa；垂向應(yīng)力稍大于水平最大應(yīng)力，單從巖心分析結(jié)果來(lái)看，說(shuō)明人工裂縫應(yīng)該以垂直裂縫為主。而最大水平主應(yīng)力方位平均在89.8~94.7 MPa之間，說(shuō)明垂直裂縫應(yīng)以東西向?yàn)橹鳌?/p>

為了不失一般性，取其平均深度 710 m，則可得到中砂巖、細(xì)、粉的最大、最小、垂向主應(yīng)力梯度，具體數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 不同巖性的地應(yīng)力梯度表

上覆巖層應(yīng)力一般是垂直的而且較好地近似等于上覆巖石的重量，也可以參考鄰近油田的密度測(cè)井積分來(lái)驗(yàn)證：σv＝∫z0ρ（z）gdz。鄰近油田的垂向應(yīng)力梯度為0.023 MPa／m左右，這和川 30井的巖心測(cè)定結(jié)果基本吻合，證明了巖心測(cè)定結(jié)果的正確性。

②瞬時(shí)停泵壓力統(tǒng)計(jì)分析表明為垂直縫

瞬時(shí)停泵壓力ISIP消除了摩阻的影響，代表了裂縫的延伸壓力（圖 1），是最小主應(yīng)力與巖石應(yīng)力強(qiáng)度因子的綜合反映。

本文統(tǒng)計(jì)了劉渠區(qū)塊933井層的壓裂資料，瞬時(shí)停泵壓力在4.0~12.0 MPa之間。井口瞬時(shí)停泵壓力加上射孔位置液柱（垂深）的壓力即為井底停泵壓力。結(jié)合計(jì)算所得上覆壓力，最大、最小水平主應(yīng)力（表3）。從表3可以看到，人工裂縫的平均延伸壓力（井底停泵壓力）大于砂巖的最小主應(yīng)力，與最大水平主應(yīng)力比較接近，但小于垂向應(yīng)力，這說(shuō)明人工裂縫應(yīng)該主要是東西向的垂直縫，但也有可能形成南北或其他方向的垂直裂縫。

圖 1 典型壓裂施工曲線示意圖［5］

表3 根據(jù)應(yīng)力梯度計(jì)算應(yīng)力與停泵壓力統(tǒng)計(jì)比照表

1.2 儲(chǔ)層橫向非均質(zhì)對(duì)垂直縫形態(tài)復(fù)雜性的影響

對(duì)于分流河道透鏡狀砂體而言，砂體中心部分泥值含量低，邊部泥值含量高，尤其是透鏡狀砂體結(jié)合部位往往有泥值薄層存在。這不僅在一定程度上是滲流屏障，也形成了地應(yīng)力的局部高值，這會(huì)對(duì)人工裂縫的延伸造成一定的影響（圖2）。

圖2 河道透鏡狀砂體疊合剖面

川口油田沉積相以三角洲平原相、前緣相為主，以砂泥巖沉積為主，劉渠區(qū)塊砂體從剖面上看可對(duì)比性強(qiáng)，好像是層狀砂體，但實(shí)際上是多期河道遷移疊加的產(chǎn)物（圖3）。由于砂體邊部泥質(zhì)含量增高造成的地應(yīng)力差異、巖石力學(xué)參數(shù)差異、砂體截切邊界造成的復(fù)合層效應(yīng)、裂縫在延伸過(guò)程中摩阻造成的“強(qiáng)弩之末”效應(yīng)以及縫內(nèi)脫砂造成的輸砂通道狹窄化等因素也會(huì)造成裂縫在橫向上的延伸困難。

圖3 河流相砂體連通示意圖

長(zhǎng)慶油田在新、老井壓裂改造的實(shí)踐中證明，在裂縫側(cè)向受阻后，隨著縫內(nèi)壓力升高，有可能在縫內(nèi)產(chǎn)生新的裂縫或沿天然裂縫轉(zhuǎn)向，阻礙更小的方向延伸，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的［6－12］的堵老縫、造新縫的工藝就是基于這種事實(shí)基礎(chǔ)（圖4）。

圖4 裂縫轉(zhuǎn)向示意圖

1.3 巖石抗張強(qiáng)度（及天然裂縫）對(duì)垂直縫形態(tài)復(fù)雜性的影響

人工裂縫要延伸，還要克服巖石的端部效應(yīng)，端部效應(yīng)即裂縫前緣的應(yīng)力強(qiáng)度因子，端部效應(yīng)與巖石的抗張強(qiáng)度呈正比關(guān)系［13］。經(jīng)巖樣分析，川口油田砂巖的抗張強(qiáng)度在3MPa以內(nèi)，從作用效果上講，這個(gè)數(shù)值要附加在地應(yīng)力上，使得裂縫的延伸要更困難一些（圖5）。

圖5 端部效應(yīng)限制了裂縫的延伸

因?yàn)槎瞬啃?yīng)的存在，地層有無(wú)微裂縫對(duì)人工裂縫的延伸就就有很大的影響了，可分為以下 4種情況來(lái)說(shuō)明：

1）地層沒(méi)有天然裂縫或地層只有東西向的天然裂縫，則水力裂縫發(fā)展為平行于最大主應(yīng)力方向（東西方向）的垂直縫（圖6 a）；

2）地層不僅有東西向，也有南北向（或其它方向）天然裂縫，縫內(nèi)壓力沒(méi)有超過(guò)最大主應(yīng)力，但大于 σ?。う遥?－v）之和，取劉渠平均值σ?。?3.2 MPa，Δσ＝3 MPa，v＝0.24，即大于15.48 MPa，則裂縫朝東西向擴(kuò)展，但南北向及其它方向的微裂縫已全部開(kāi)啟，從劉渠壓裂井的平均瞬時(shí)停泵壓力上（表3）看，這個(gè)條件是基本是滿足的。說(shuō)明壓裂過(guò)程中，各個(gè)方向的微裂縫都不同程度地處于開(kāi)啟狀態(tài)（圖6 b）。

3）地層不僅有東西向，也有南北向（或其它方向）的天然裂縫，此時(shí)裂縫首先向東西向延伸，遇到應(yīng)力阻礙，縫內(nèi)壓力升高，當(dāng)大于最大水平主應(yīng)力后，就沿南北向（或其它方向）延伸（圖6 c）。

4）地層只有南北向（或其它方向）的天然裂縫、但沒(méi)有東西向的天然裂縫，此時(shí)水力裂縫如果要向東西方位延伸，不僅要克服平均13.2 MPa的地層最小主應(yīng)力，也要克服平均2.3 MPa的抗張強(qiáng)度以及“孔眼效應(yīng)”［5］的阻力，這樣就已經(jīng)大于巖石或地層的最大主應(yīng)力，裂縫會(huì)向南北向延伸（圖6 d）。

圖6 人工裂縫的幾種情況

其實(shí)人工裂縫的延伸過(guò)程就是壓裂液的流動(dòng)濾失過(guò)程，如同地面水流一樣，總向最容易行進(jìn)的方向行進(jìn)。高地應(yīng)力及高強(qiáng)度巖石就相當(dāng)于水道中較高的臺(tái)地部分，當(dāng)縫內(nèi)凈壓力高（相當(dāng)于水位高）時(shí)，南北向（或其它方向）的裂縫也被撐開(kāi)（相當(dāng)于較高臺(tái)地被漫流）。但主裂縫仍然為東西向，相對(duì)于東西向主裂縫而言，南北向（或其它方向）裂縫相對(duì)較窄（相當(dāng)于水深較淺），支撐劑可能較少或缺失，但如果向南北向改道后情況就會(huì)不同。

1.4 壓裂施工參數(shù)對(duì)垂直縫形態(tài)復(fù)雜性的影響

壓裂施工參數(shù)主要包括排量、砂量、砂比等參數(shù)，施工參數(shù)對(duì)裂縫形態(tài)也有重要的影響。排量越大，縫內(nèi)凈壓力越高，則越容易開(kāi)啟不同方向的微裂縫，將形成比較復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)。砂比越大，壓裂液摩阻增大，流動(dòng)性變差。且在壓裂液懸浮性不好的情況下，容易發(fā)生局部脫砂，堵塞裂縫發(fā)展的線路，引起縫內(nèi)壓力升高，誘導(dǎo)產(chǎn)生新的裂縫或使人工裂縫沿其它微裂縫方向發(fā)展。在砂比一定的情況下，砂量越大，則裂縫延伸越遠(yuǎn)，在裂縫側(cè)向延伸受阻的情況下，裂縫系統(tǒng)會(huì)變得更復(fù)雜。

通過(guò)油管施工壓力及壓降曲線的軟件擬合，發(fā)現(xiàn)壓裂時(shí)縫內(nèi)的凈壓力一般在2~3 MPa之間，為最大最小主應(yīng)力差為3 MPa左右，這樣的凈壓力有可能在有南北或其它方向天然裂縫的情況下產(chǎn)生更加復(fù)雜的人工裂縫。

圖7 川50－7井壓裂施工曲線

縫內(nèi)凈壓力升高會(huì)使人工裂縫的轉(zhuǎn)向或產(chǎn)生多裂縫，在壓裂施工曲線上可以表現(xiàn)出來(lái)。圖 7可以看出，雖然排量保持恒定，但工作壓力有很大的起伏特征，幅度可達(dá)6 MPa以上，反映了形成主導(dǎo)裂縫、轉(zhuǎn)向（形成多裂縫）、又形成主導(dǎo)裂縫的過(guò)程。

無(wú)論是多裂縫還是裂縫轉(zhuǎn)向，都會(huì)形成一個(gè)主導(dǎo)方向的裂縫。根據(jù)物質(zhì)平衡法則，在同樣的加砂規(guī)模下，會(huì)使主裂縫變短。

2 人工裂縫形態(tài)特征的驗(yàn)證

為了證實(shí)裂縫是垂直縫還是水平縫，川口油田曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)一些監(jiān)測(cè)，主要有地面微地震與大地電位法。

2.1 地面微地震監(jiān)測(cè)對(duì)裂縫形態(tài)特征的驗(yàn)證

微地震壓裂監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過(guò)在臨井中的檢波器來(lái)監(jiān)測(cè)相對(duì)應(yīng)的壓裂井在壓裂過(guò)程中誘發(fā)的微地震波來(lái)描述壓裂過(guò)程中裂縫生長(zhǎng)的幾何形狀和空間展布。巖石在破裂時(shí)延伸的過(guò)程中，壓裂液會(huì)擠進(jìn)與裂縫連接的微裂縫［5］，或者由于局部受力的不均衡，在裂縫附近的砂巖體會(huì)產(chǎn)生很多的微破裂，形成微地震波，被傳感器所接收（圖8）。

圖8 天然裂縫造成地震響應(yīng)

長(zhǎng)慶油田某井的對(duì) 1000多米深層垂直縫的監(jiān)測(cè)后，發(fā)現(xiàn)在壓裂時(shí)在各個(gè)方向都有地震波響應(yīng)（圖9），而這點(diǎn)會(huì)誤導(dǎo)解釋人員將垂直縫解釋為水平縫。

圖10是川口油田監(jiān)測(cè)過(guò)的兩口井，可以看出，裂縫長(zhǎng)軸方向以東西向?yàn)橹?，反映了本地區(qū)最小水平主應(yīng)力的方向特征。應(yīng)該是垂直縫。但是當(dāng)時(shí)解釋人員根據(jù)巖石破裂響應(yīng)面積將其解釋為水平縫，實(shí)際上是不合適的。

由于沉積相的緣故，砂體在東北－西南方向的砂體連通性好，又是主河道的緣故，巖石泥質(zhì)含量低，就地應(yīng)力小，而且滲透率高，壓裂液更易進(jìn)入，所以假如是水平縫，應(yīng)該和砂體走向平行才更合理。

圖9 長(zhǎng)慶某井裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果（垂直縫）

圖10 川口油田微地震裂縫動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖11 水平裂縫形態(tài)示意圖

此外，假如是水平縫，在壓裂的過(guò)程中，由于受近東西方向最大水平主應(yīng)力的控制，裂縫應(yīng)該為南北方向，形成類(lèi)似背斜的微穹隆構(gòu)造（圖11）。

表4是川口油田微地震裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以看出這幾口井在深度 500~700 m范圍內(nèi)都被解釋為水平縫，但是裂縫長(zhǎng)軸方位都是近東西向。所以，可以肯定地說(shuō)，這些井全部為垂直裂縫，說(shuō)明前期監(jiān)測(cè)結(jié)果是可信的，但解釋結(jié)論是錯(cuò)誤的。

表4 川口油田儲(chǔ)層裂縫監(jiān)測(cè)解釋表（原始解釋?zhuān)?/p>

2.2 大地電位法裂縫監(jiān)測(cè)對(duì)裂縫形態(tài)特征的驗(yàn)證

川口油田于2002年8月20日采用大港油田鉆采工藝研究院電位法技術(shù)對(duì)幾口井的壓裂裂縫方位測(cè)試方法分析。三口井全被診斷為垂直裂縫（表5、圖12），其中同1、南24井的加砂規(guī)模都不大，小于10 m3。由于砂量小，裂縫轉(zhuǎn)向機(jī)會(huì)少，但裂縫仍為南北向，說(shuō)明該井所在位置發(fā)育南北向的天然裂縫，天然裂縫控制了人工裂縫的發(fā)展方向。

表5 三口井大地電位法裂縫監(jiān)測(cè)解釋結(jié)果表（川口油田）

圖12 電位法壓裂裂縫方位測(cè)試圖（川口油田）

2.3 井間示蹤測(cè)試資料對(duì)裂縫形態(tài)特征的驗(yàn)證

川口油田已進(jìn)行井間示蹤測(cè)試13個(gè)井組，檢出井56口，根據(jù)檢出時(shí)間及井距計(jì)算出前沿水線推進(jìn)速度（圖13），可以看出，東西向水線推進(jìn)速度最快，大于2 m／h的最多，其它方向次之。

圖13 方位與前沿水線推進(jìn)速度的關(guān)系

3 結(jié) 論

本文通過(guò)巖石地應(yīng)力測(cè)試，水平最大、最小主應(yīng)力之差比較小，平均為3 MPa；垂向應(yīng)力稍大于水平最大應(yīng)力，單從巖心分析結(jié)果來(lái)看，說(shuō)明人工裂縫應(yīng)該以垂直裂縫為主。而最大水平主應(yīng)力方位在89.8~94.70之間，說(shuō)明垂直裂縫應(yīng)以東西向?yàn)橹鳌?/p>

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，劉渠區(qū)塊平均瞬時(shí)停泵壓力（人工裂縫的平均延伸壓力）大于砂巖的最小主應(yīng)力，與最大水平主應(yīng)力比較接近，但小于垂向應(yīng)力，這說(shuō)明人工裂縫應(yīng)該主要是東西向的是垂直縫，但也有可能形成南北或其他方向的垂直裂縫。

由于砂體的橫向變化截切造成的應(yīng)力橫向變化，巖石端部效應(yīng)、壓裂施工參數(shù)、微裂縫和沒(méi)有微裂縫等對(duì)裂縫的形態(tài)都有很大的影響作用。

總體上人工裂縫的性質(zhì)可分為以下幾種情況：1）天然裂縫不發(fā)育區(qū)：A、如果砂體連續(xù)性好，均質(zhì)性強(qiáng)，則以東西向?yàn)橹鳎籅、如果相變快、砂體連續(xù)性不好，則裂縫在砂體邊部可能會(huì)轉(zhuǎn)向或產(chǎn)生新裂縫，沿其它方向延伸；2）天然裂縫發(fā)育區(qū)：在壓裂時(shí)縫內(nèi)高凈壓力的情況下，天然裂縫誘導(dǎo)了人工裂縫，人工裂縫繼承、發(fā)展了人工裂縫，形成了復(fù)雜的人工裂縫系統(tǒng)，主裂縫以東西向?yàn)橹鳎渌较蚨加锌赡芊植?。微地震地面監(jiān)測(cè)、大地電位法監(jiān)測(cè)、井間示蹤劑等對(duì)裂縫形態(tài)特征進(jìn)行了驗(yàn)證，證實(shí)了認(rèn)識(shí)的準(zhǔn)確性。

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［責(zé)任編輯 李曉霞］

TE344

A

1004-602X（2011）01-0069-05

2011 -03 -11

王旭莊（1966—），男，陜西延長(zhǎng)人，延長(zhǎng)油田高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，碩士。