清水壓裂儲層篩選方法研究

李浩

（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

清水壓裂儲層篩選方法研究

李浩

（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

清水壓裂技術(shù)在低滲透油氣田勘探開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)效益顯著，但由于受到儲層地應(yīng)力、滲透率、巖石的粗糙度、強(qiáng)度等限制，并非所有低滲透地層都適合。目前，對于適合清水壓裂儲層的篩選，國內(nèi)外都是通過對實(shí)際壓裂施工數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)而得到，這種方法缺乏理論支撐和實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)，不具有普遍的指導(dǎo)意義。因此，文中利用McGuire-Sikora增產(chǎn)倍數(shù)圖版，分析了裂縫導(dǎo)流能力和縫長對增產(chǎn)效果的影響規(guī)律及清水壓裂適應(yīng)的儲層條件；并利用巖石力學(xué)參數(shù)、地層滲透率、裂縫壁面抗壓強(qiáng)度、閉合壓力等參數(shù)，建立了預(yù)測清水壓裂自支撐裂縫導(dǎo)流能力的計(jì)算方法；同時(shí)利用室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)，模擬裂縫剪切滑移，建立了清水壓裂裂縫導(dǎo)流能力室內(nèi)測試方法，為篩選適合清水壓裂的儲層提供了一種可行手段。

清水壓裂；McGuire-Sikora圖版；導(dǎo)流能力;儲層篩選

水力壓裂工藝作為油水井增產(chǎn)增注的主要措施，已廣泛應(yīng)用于低滲透油氣田的開發(fā)中，通過水力壓裂可有效改善井底附近的滲流條件，提高油井產(chǎn)能。由于我國絕大多數(shù)油田已進(jìn)入中高含水開發(fā)階段，穩(wěn)產(chǎn)和挖潛難度愈來愈大，因此，近年來非常規(guī)儲層的開發(fā)受到極大關(guān)注，而清水壓裂是動用這部分儲層的一種重要方法［1-4］；但使用清水壓裂受到儲層地應(yīng)力、滲透率、巖石力學(xué)性質(zhì)等限制，并不是所有低滲透地層都適合。目前，對于適合清水壓裂儲層的篩選還缺乏深入研究，導(dǎo)致許多壓裂施工失敗或見效甚微，成為清水壓裂推廣應(yīng)用的技術(shù)瓶頸［5-6］。針對上述問題，本文繪制了增產(chǎn)效果與裂縫導(dǎo)流能力及縫長的關(guān)系圖版，分析了適合清水壓裂的裂縫導(dǎo)流能力范圍，并建立了清水壓裂自支撐裂縫導(dǎo)流能力的理論計(jì)算模型和室內(nèi)評價(jià)方法，為清水壓裂儲層篩選提供了一種有效手段。

1 清水壓裂適應(yīng)儲層評價(jià)指標(biāo)

水力壓裂是油氣井增產(chǎn)、水井增注的一種有效措施，也是解除儲集層傷害、恢復(fù)油井產(chǎn)能的重要手段。評價(jià)壓裂效果的一個(gè)重要指標(biāo)是增產(chǎn)倍數(shù)比，該指標(biāo)是指相同生產(chǎn)條件下壓裂后和壓裂前的日產(chǎn)水平或采油指數(shù)之比，可采用典型曲線法、近似解析法或數(shù)值模擬法求解。本文主要對McGuire-Sikora增產(chǎn)倍數(shù)圖版進(jìn)行變換，建立了評價(jià)方法。McGuire-Sikora圖版的縱坐標(biāo)是無量綱增產(chǎn)倍數(shù)，橫坐標(biāo)是無因次導(dǎo)流能力。曲線的擬合方程為

式中：J0，Jf分別為壓裂前后采油指數(shù)，m3/（d·MPa-1）；re，rw分別為泄油半徑和完井半徑為泄油半徑和井徑的修正因子；M為過渡參數(shù)；Lfe為裂縫半長，m；Kf為裂縫滲透率，μm2；Wf為裂縫寬度，cm；KfWf為裂縫導(dǎo)流能力，μm2·cm；K為地層滲透率，μm2；F為泄油面積，m2。

設(shè)K=0.001 6 μm2，re=200 m，以KfWf為橫坐標(biāo)、（修正增長倍數(shù)）為縱坐標(biāo)繪制McGuire-Sikora圖版（見圖1）。圖版中的0.2，0.3，…，1.0，為裂縫半長和泄油半徑之比。

圖1 McGuire-Sikora矢量化圖版

圖版體現(xiàn)了壓裂后不同裂縫導(dǎo)流能力與縫長對增產(chǎn)效果的影響。根據(jù)圖版曲線的變化規(guī)律，從左至右將圖版依次劃為3個(gè)區(qū)間：第1區(qū)間，當(dāng)無因次縫長（Lf/ re）超過0.2時(shí)，增加裂縫長度Lf，只提供一個(gè)很小的追加量，對于提高產(chǎn)量沒有明顯效果。在此區(qū)間內(nèi)，不適合清水壓裂，可通過使用支撐劑提高壓裂后裂縫的導(dǎo)流能力，以達(dá)到增產(chǎn)目的。第2區(qū)間，有可能出現(xiàn)較高的增產(chǎn)，增加縫長和裂縫的導(dǎo)流能力都會使產(chǎn)量增加，此時(shí)使用清水壓裂需要攜帶一定量的支撐劑。第3區(qū)間，導(dǎo)流能力增加不會使增長倍數(shù)明顯變化，而縫長成為控制增產(chǎn)的主要變量，此時(shí)裂縫的縫長愈長，增產(chǎn)效果愈顯著，適合大規(guī)模清水不加砂壓裂。

通過上述分析可知，儲層是否適合清水壓裂，主要取決于自支撐裂縫能否為油氣輸運(yùn)提供足夠的導(dǎo)流能力，因此，建立清水壓裂裂縫導(dǎo)流能力的預(yù)測和室內(nèi)評價(jià)方法非常重要。

2 清水不加砂壓裂裂縫導(dǎo)流能力預(yù)測

清水壓裂過程中，裂縫壁面產(chǎn)生錯(cuò)動，在泄壓返排過程中，起伏粗糙的裂縫壁面不能完全嚙合，形成具有一定張開度的裂縫。清水壓裂自支撐裂縫壁面組合形態(tài)及法線方向受力變形如圖2所示。

圖2 自支撐裂縫壁面組合形態(tài)及法向變形

在閉合壓力作用下，裂縫壁面的凸起容易被壓碎和碾平，產(chǎn)生明顯的法向變形，但隨著閉合變形量的增大，壁面接觸面積逐漸增大，變形速率逐步減小，閉合壓力和法向變形呈明顯的非線性關(guān)系。Bandis等人通過試驗(yàn)研究，提出雙曲線型法向應(yīng)力σn與法向變形δn的關(guān)系式為

式中：σn為閉合壓力，MPa；δn，δnmax分別為法向變形（壁面閉合量）和壁面最大可能閉合量，μm；Kn0為結(jié)構(gòu)面的初始剛度，N/m。

基于Goodman的研究，裂縫壁面初始剛度為

式中：JCS為結(jié)構(gòu)面抗壓強(qiáng)度，MPa；JRC為結(jié)構(gòu)面的粗糙性系數(shù)；δn0為裂縫壁面初始張開度，μm。

裂縫壁面的最大可能閉合量δnmax與JCS，JRC，δn0的關(guān)系，采用經(jīng)驗(yàn)公式為

式中：A0，B0，C0，D為常數(shù)，取決于結(jié)構(gòu)面受載歷史，由多元回歸得出。

在壓裂過程中，對巖體進(jìn)行第1次循環(huán)荷載，上述參數(shù)可取值如下［7］：

裂縫面初始張開度是上下2個(gè)粗糙裂縫壁面在無閉合應(yīng)力作用下的壁面厚度之和，即

式中：aj為裂縫粗糙面厚度，μm。

aj與JCS，JRC和σc的關(guān)系式為

式中：σc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

Axel Makurat通過大量的實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為，裂縫粗糙壁面由于錯(cuò)動及部分凸起部分被壓碎，裂縫壁面厚度平均下降14%，修正式（5）得

裂縫力學(xué)殘余寬度為裂縫初始寬度和裂縫法向閉合量之差：

Witherspoon提出的“立方定律”認(rèn)為，實(shí)際的裂縫力學(xué)寬度與水力壓裂裂縫導(dǎo)流裂縫寬度不相等，二者的關(guān)系式為

式中：e是因裂縫不規(guī)則等效得來的水力導(dǎo)流裂縫寬度（裂縫平整光滑時(shí)，e=Wf），μm。

裂縫滲透率與導(dǎo)流裂縫寬度的平方成正比，其計(jì)算公式為

裂縫導(dǎo)流能力為

式中：C為裂縫導(dǎo)流能力，μm2·cm。

3 清水壓裂裂縫導(dǎo)流能力室內(nèi)測試

清水壓裂過程中，裂縫轉(zhuǎn)向、剪切滑移和裂縫壁面粗糙性，造成泄壓返排時(shí)裂縫面不能完全嚙合，形成殘余空隙空間［8-10］。筆者通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M了這一過程，并建立了清水壓裂裂縫導(dǎo)流能力室內(nèi)評價(jià)方法。

首先將φ50 mm×100 mm的圓柱形試件劈裂，獲得粗糙裂縫壁面，并將粗糙的裂縫壁面滑移，然后將錯(cuò)動巖心端面研磨平整，制備剪切滑移后自支撐非嚙合的裂縫壁面組合（見圖3）。

將試樣2個(gè)端面均勻涂抹AB膠，待凝24 h，放在導(dǎo)流儀里，模擬地下賦存的壓力環(huán)境，測試其導(dǎo)流能力。計(jì)算公式為

式中：μ為流體的黏度，Pa·s；q為流過巖心的流量，cm3/s；L為巖心長度，cm；B為巖石端面直徑，cm；Δp為巖心室兩端的壓差，MPa。

圖3 巖心非嚙合裂縫壁面組合

4 應(yīng)用實(shí)例

齊421井E層位最小水平地應(yīng)力為30 MPa，彈性模量為13.29 GPa，泊松比為0.23，地層滲透率為0.016 μm2，測試該層清水壓裂自支撐裂縫導(dǎo)流能力（見圖4）。

圖4 不同閉合壓力下自支撐裂縫導(dǎo)流能力

由圖4可知：隨著閉合壓力增加，自支撐裂縫導(dǎo)流能力值減小，并且存在一個(gè)臨界值；當(dāng)閉合壓力大于臨界值時(shí)，裂縫導(dǎo)流能力急劇下降，最后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值11.2 μm2·cm，位于McGuire-Sikora矢量化圖版第3區(qū)域，適合清水不加砂壓裂。

5 結(jié)論

1）建立了壓裂后產(chǎn)能評價(jià)方法，并繪制出McGuire-Sikora矢量化圖版。圖版體現(xiàn)了壓裂后裂縫不同導(dǎo)流能力和縫長對產(chǎn)能的影響。

2）McGuire-Sikora圖版分為3個(gè)區(qū)間，其中：第1，2區(qū)間通過增加裂縫的導(dǎo)流能力增產(chǎn)效果顯著，適合攜砂壓裂；第3區(qū)間通過增加縫長增產(chǎn)效果顯著，適合清水不加砂壓裂。

3）建立了清水壓裂自支撐裂縫導(dǎo)流能力理論計(jì)算方法和室內(nèi)測試方法，結(jié)合McGuire-Sikora矢量化圖版，為清水壓裂儲層篩選提供了可靠依據(jù)。

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（編輯 李宗華）

Research on screening rservoir method for riverfrac treatment

Li Hao
(College of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

Riverfrac treatment is widely applied in exploration and development of low permeability oil-gas filed,and great economic benefit has been gained.But owing to the restriction of reservoir stress,permeability,roughness and intensity of rock,all the low permeability reservoirs are not suitable for riverfrac treatment.Now,the reservoirs,being fit for riverfrac treatment,are selected by actual fracturing operation data,which is lack of support from the theory and lab tests and has not universal guide.Through the use of McGuire-Sikora chart,this paper analyzes the effect rule of fracture conductivity and fracture length on stimulation effect and the reservoir condition for riverfrac treatment.Considering the rock mechanics parameters,formation permeability,compression strength and closure stress,a mathematical model of forecasting the residual fracture width is established.According to lab core experiment, shear slip is simulated and a test model of fracture conductivity of riverfrac treatment in laboratory is also established.That provides a set of reliable methods for reservoir selection during riverfrac treatment.

waterfrac treatment;McGuire-Sikora chart;flow conductivity;screening rservoir

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“清水壓裂增產(chǎn)機(jī)理及適應(yīng)儲層條件研究”（E201015）

TE357.1+1

：A

1055-8907（2012）02-0253-04

2011-07-11；改回日期：2012-01-15。

李浩，男，1991年生，在讀本科生。E-mail：zhangligang529 @126.com。

李浩.清水壓裂儲層篩選方法研究［J］.斷塊油氣田，2012，19（2）：253-256. Li Hao.Research on screening rservoir method for riverfrac treatment［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（2）：253-256.