非常規(guī)儲層體積壓裂技術(shù)在致密砂巖儲層改造中的應用

穆海林 劉興浩 劉江浩 陳艷輝 劉建中 蘇丹丹

（中國石油天然氣集團渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司）

近幾年，隨著頁巖氣和致密油等非常規(guī)領(lǐng)域改造技術(shù)和理念的進步與革新，體積壓裂技術(shù)成為這類儲層的主流改造技術(shù)，是低滲、特低滲透儲層經(jīng)濟開發(fā)的關(guān)鍵。能不能把非常規(guī)儲層體積壓裂的技術(shù)借鑒到致密砂巖儲層改造之中，實現(xiàn)對該類儲層“廣義”的體積改造而獲得最佳的改造效果呢？本文在非常規(guī)儲層體積壓裂技術(shù)基礎上，通過巴90井儲層改造的施工情況進行實例分析，論證了非常規(guī)儲層體積壓裂技術(shù)在致密砂巖儲層改造應用的可行性。

1.體積壓裂技術(shù)的發(fā)展與概念

1.1 水平井體積壓裂的發(fā)展歷程

致密油氣在國外發(fā)展較早，其中美國最具有代表性。20世紀80年代初，美國致密氣勘探開發(fā)率先獲得重大突破，并進入快速發(fā)展階段，20世紀80年代中期開始研究水平井壓裂增產(chǎn)技術(shù)，最初是沿水平井段進行籠統(tǒng)壓裂。2002年以后，隨著致密氣、頁巖氣、致密油等非常規(guī)油氣資源的大規(guī)模開發(fā)和水平井的大規(guī)模應用，許多公司開始嘗試水平井分段壓裂技術(shù)。在隨后的幾年里，微地震實時監(jiān)測技術(shù)的提高和工廠化作業(yè)模式的日益成熟，壓裂段數(shù)越來越多，作業(yè)效率越來越高。2007年開始，水平井分段壓裂技術(shù)成為非常規(guī)油氣開發(fā)的主體技術(shù)，開始在北美大規(guī)模應用。

我國水平井體積壓裂技術(shù)起步較晚，2006年針對水平井分段改造進行攻關(guān)，目前形成了雙封單卡壓裂技術(shù)、封隔器滑套分段壓裂技術(shù)和水力噴砂分段壓裂技術(shù)的三大主體技術(shù)。2008年中國石油開始試驗應用縫網(wǎng)壓裂技術(shù)，2009年開始試驗應用體積壓裂技術(shù)，2010年初步建立了體積壓裂技術(shù)體系。

1.2 體積壓裂的概念

體積壓裂指通過分段多簇射孔，借助多段壓裂工具，利用轉(zhuǎn)向材料，優(yōu)選液體黏度和支撐劑粒徑，優(yōu)化施工排量和加砂方式等合理組合的工藝方法，在形成一條或多條主裂縫的基礎上，繼續(xù)在主裂縫的側(cè)向強制形成次生裂縫、并在次生裂縫基礎上形成二級次生裂縫。以此類推，達到主裂縫和多級次生裂縫交織，一定量次的裂縫與儲層天然裂縫相溝通而形成裂縫網(wǎng)絡，實現(xiàn)對儲層長、寬、高三維方向的全面改造（圖1）。體積壓裂技術(shù)是在縫網(wǎng)壓裂的基礎上發(fā)展起來的，它的核心理念是打碎儲層基質(zhì)，形成網(wǎng)絡裂縫，實現(xiàn)儲層流體從基質(zhì)到裂縫的最短距離滲流，大幅度降低儲層基質(zhì)中油氣流動的驅(qū)動壓差（圖2）。

圖1 水平井分段體積改造裂縫監(jiān)測圖

圖2 縫網(wǎng)壓裂裂縫形態(tài)示意圖

2 適合體積壓裂的儲層地質(zhì)條件

2.1 巖石脆性特征對形成網(wǎng)絡縫的影響

巖石的脆性特征通過脆性指數(shù)進行表征。在美國頁巖氣藏大量實踐的基礎上，總結(jié)得出的適應美國頁巖儲層的巖石脆性指數(shù)的兩種計算方法。

式中：

B—巖石脆性指數(shù)

Q—巖石石英含量

C—碳酸鹽礦物含量

L—黏土礦物含量

RICKMAN提出的巖石力學法：

式中：

Ε—楊氏模量

υ—泊松比

脆性儲層壓裂過程中可產(chǎn)生剪切破壞，在高排量施工時更易產(chǎn)生多級次生裂縫，儲層石英、碳酸巖等脆性礦物含量的高低決定儲層的脆性特征，是實現(xiàn)儲層體積壓裂的物質(zhì)基礎。儲層巖石脆性越高，壓裂時其破裂形態(tài)復雜，其形成的網(wǎng)狀裂縫形態(tài)越復雜。

2.2 儲層裂縫發(fā)育情況對形成網(wǎng)絡縫的影響

圖3 水力裂縫與天然裂縫相交示意圖

在含天然裂縫儲層進行壓裂改造時，水力裂縫與天然裂縫會產(chǎn)生交互拓展 （圖3）。當水力裂縫與天然裂縫平行時，天然裂縫在水力裂縫靠近過程中產(chǎn)生的應力作用下，很可能出現(xiàn)剪切滑移，尤其是水平層理發(fā)育儲層，剪切滑移是主要反映方式。剪切應力的急劇變化使得天然裂縫面很容易發(fā)生剪切破壞而形成次生裂縫。當水力裂縫與天然裂縫呈60°相交時，產(chǎn)生剪切滑移的可能性較小，而當水力裂縫與天然裂縫垂直相交的結(jié)果是水力裂縫直接穿過天然裂縫。同時，在含天然裂縫的儲層，σHmax-σHmin值較小，（σHmax－最大水平主應力，σHmin－最小水平主應力）。 壓裂施工中在裂縫延伸壓力作用下，更易發(fā)生轉(zhuǎn)向。

裂縫在含天然裂縫和水平層理發(fā)育的儲層延伸過程中產(chǎn)生剪切、滑移和轉(zhuǎn)向（圖4），能形成不完全閉合的網(wǎng)絡裂縫，所以儲層天然裂縫和水平層理發(fā)育是實現(xiàn)體積改造的前提。

圖4 裂縫剪切、滑移

2.3 水平應力差異對形成網(wǎng)絡縫的影響

水平應力差異通過水平應力差異系數(shù)進行表征，計算方法為：

（σHmax-σHmin）/σHmin

裂縫的延伸遵循能量最小原則，常規(guī)壓裂過程中，裂縫延伸方向受控的力學條件是:

σHmax+T＞P≥σHmin+T

P—裂縫延伸壓力

T—巖石抗張強度

當P＞σHmax+T時，裂縫可擺脫水平應力的束縛，改變延伸和擴展方向。當壓裂過程中，采用技術(shù)手段使裂縫延伸壓力的增加量△P＞σHmax-σHmin，就可以滿足裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向的力學條件。由此可知：當水平應力差異系數(shù)越小時，σHmax-σHmin越小，在壓裂施工中，裂縫越易發(fā)生轉(zhuǎn)向而形成網(wǎng)絡縫。

綜上所訴，網(wǎng)絡裂縫形成也需要儲層具備相應的地質(zhì)條件，它包括巖石脆性特征、裂縫發(fā)育情況、水平應力差異三個方面。在體積壓裂中，巖石脆性越大、微裂縫越發(fā)育、水平應力差異越小，體積壓裂越容易形成裂縫網(wǎng)絡。

3 體積壓裂的主要工藝技術(shù)措施

在儲層具備體積改造的地質(zhì)條件下，體積改造的技術(shù)關(guān)鍵是如何在致密儲層造縫和如何形成縫網(wǎng)。利用低黏度壓裂液通過高排量施工可對低孔低滲的致密儲層進行充分造縫并產(chǎn)生次生裂縫，而形成縫網(wǎng)的關(guān)鍵是如何使裂縫延伸產(chǎn)生轉(zhuǎn)向。根據(jù)裂縫延伸受控力學的力學條件公式，在壓裂施工中通過提高裂縫延伸壓力，使△P＞σHmax-σHmin是裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向的必要條件。

3.1 利用應力干擾提高裂縫延伸壓力

通過優(yōu)選裂縫發(fā)育、脆性特征強的井段進行分段分簇射孔，進行多點限流壓裂，降低井筒附近的壓力損失，同時利用段間、簇間壓裂時產(chǎn)生的縫間應力干擾，提高裂縫延伸壓力，促使裂縫轉(zhuǎn)向，充分造縫而產(chǎn)生復雜縫網(wǎng)，最大限度提高儲層的改造體積（圖5）。對于體積改造而言，通過分段分簇射孔，多點限流，充分利用應力干擾而迫使裂縫轉(zhuǎn)向、分叉產(chǎn)生次生裂縫是形成網(wǎng)絡裂縫的關(guān)鍵，而其它技術(shù)是裂縫產(chǎn)生轉(zhuǎn)向的輔助手段。

圖5 不同射孔方式壓裂效果示意圖

3.2 通過提高砂比或使用大粒徑支撐劑提高裂縫延伸壓力

壓裂施工過程中，通過提高砂比或使用大粒徑支撐劑，使支撐劑對已形成的水力裂縫進行封堵，從而提高裂縫的延伸壓力，通過應力場的變化形成新的裂縫而實現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向。通過某井高砂比壓裂施工曲線圖（圖6）得知，該井通過長時高砂比施工，后期在排量和砂比不變情況下，施工壓力由25 MPa上升至28 MPa，裂縫的延伸壓力上升3 MPa，后壓力下降至26 MPa，說明新的裂縫被壓開，成功實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

圖6 高砂比壓裂施工曲線

3.3 通過暫堵劑提高裂縫延伸壓力

壓裂施工過程中，實時向地層加入油溶性或水溶性暫堵劑，可配合支撐劑一同加入，對已形成的支撐裂縫進行封堵，形成高應力區(qū)，裂縫延伸壓力升高后壓開新的裂縫，實現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向。通過束探1H井體積壓裂第一段施工曲線（圖7）可看出，加酸停泵后，在前置液段塞中加入油溶性暫堵劑，排量穩(wěn)定不變前提下，施工壓力由43 MPa上升至52 MPa，暫堵劑封堵效果明顯。

圖7 暫堵劑應用壓裂施工曲線

3.4 利用人工遮擋提高裂縫延伸壓力

依據(jù)儲層改造的需要，需要控制裂縫的延伸方向。在壓裂施工過程中，實時向地層加入上浮劑或下沉劑，建立人工遮擋層，形成高應力區(qū)域，提高裂縫在該區(qū)域的延伸壓力，迫使裂縫延伸產(chǎn)生轉(zhuǎn)向。該工藝最典型的是二次加砂工藝，通過一次加砂停泵后形成的高應力支撐劑遮擋層，控制裂縫向上延伸，既可控制溝通下部儲（水）層，亦可提高儲層的縱向改造程度。該工藝實例分析可詳見本文巴90井實例分析。

4 非常規(guī)體積壓裂技術(shù)理念對致密砂巖儲層改造的啟示

4.1 致密砂巖儲層的特點

致密砂巖儲層巖性非均質(zhì)性強，巖石類型主要由（長石）巖屑砂巖、巖屑石英砂巖、長石石英砂巖、石英砂巖、中粒及細粒巖屑砂巖等巖石類型。因石英與長石與脆性指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，從巖石成分分析，致密砂巖儲層巖石脆性指數(shù)較高。致密砂巖儲層破壞性成巖作用（膠結(jié)、壓實和充填作用）導致原生孔隙大量減少以及次生孔隙欠發(fā)育，只有局部發(fā)育裂縫，儲層物性差，表現(xiàn)為低孔低滲和特低孔特低滲的物性特征。從致密砂巖儲層的特點分析，脆性特征強，存在裂縫發(fā)育的致密砂巖儲層是適合通過體積壓裂技術(shù)進行儲層改造的。

4.2 常規(guī)壓裂經(jīng)典理論

常規(guī)壓裂是以線彈性斷裂力學為基礎，假設壓裂人工裂縫為張開型，且沿井筒射孔層段形成雙翼對稱裂縫，以一條主裂縫實現(xiàn)對儲層滲流能力的改善，它最大的制約是垂直主裂縫方向儲層的滲流能力未得到改善，即主裂縫的垂向上仍然是基質(zhì)向裂縫的“長距離”滲流。

4.3 非常規(guī)體積壓裂理念對致密砂巖儲層改造的啟示

致密砂巖儲層具備巖性致密、非均質(zhì)性強、層內(nèi)應力差異大等特點，當對多層進行壓裂改造時，采用常規(guī)壓裂工藝進行籠統(tǒng)壓裂往往對“差層”改造不徹底，達不到最佳的改造效果。雖然致密砂巖儲層并不完全具備體積壓裂的地質(zhì)條件，且受鄰層、隔層的影響，施工規(guī)模往往受到制約，不能進行大排量的分段體積改造，但如果把體積壓裂的理念應用于該類儲層、特別是多層、復雜巖性儲層的壓裂改造中，在確保有效縫長的基礎上，采用體積壓裂的技術(shù)手段，壓后形成多條主裂縫，同時控制裂縫延伸方向，優(yōu)化壓裂后裂縫形態(tài)，實現(xiàn)多主縫和微裂縫的溝通，最大限度提高儲層縱向剖面的動用程度，實現(xiàn)“廣義”的體積改造，一定能夠提高壓裂改造的效果。

5 現(xiàn)場應用實例分析

巴90井是位于內(nèi)蒙古錫盟東烏珠穆沁旗珠恩嘎達布其鎮(zhèn)177°方位12.9 km的一口探井，構(gòu)造位置為巴音都蘭凹陷北洼槽巴77x井東構(gòu)造-巖性圈閉。儲層深度：2354.2～2367.0 m，厚度12.8 m/1層，砂礫巖儲層，有效孔隙度平均5.45%，滲透率平均1.56 mD。

5.1 儲層地質(zhì)特點

儲層解釋雖為單層，但層內(nèi)巖性復雜，非均質(zhì)性強，取心分析，2362 m下部巖性較純，為細砂巖，上部為砂礫巖和凝灰?guī)r，微裂縫發(fā)育。測井曲線分析結(jié)合物性分析報告表明儲層上部含泥質(zhì)較重，非常致密，儲層上下巖性、物性差異大。應力曲線分析（圖8），2362 m上部應力值高，下部應力值低，壓裂改造時，裂縫主要在下部延伸，儲層縱向改造難度很大。

圖8 巴90井應力曲線

5.2 壓裂改造的針對性工藝技術(shù)措施

借鑒非常規(guī)儲層體積壓裂的理念，對巴90井壓裂改造的具體措施如下：

（1）射孔優(yōu)化。由于儲層是單層，無法進行分段分簇射孔優(yōu)化，根據(jù)儲層的巖性和應力分析，優(yōu)化射孔井段2355.0～2364.0 m，避免壓裂裂縫在下部儲層的過度延伸。

（2）采用清潔酸+胍膠復合壓裂模式。儲層巖心酸蝕實驗證明儲層巖心溶蝕率較高，采用清潔酸+胍膠的復合壓裂方式進行改造，提高壓后效果，優(yōu)化酸液配方為10%HCL+2%HF+3%多氫酸+2%VES+2%緩蝕劑+1%鐵穩(wěn)劑。

（3）壓裂改造采用二次加砂模式。第二次加砂利用第一次加砂停泵裂縫閉合后支撐劑形成的高應力遮擋，逼迫裂縫產(chǎn)生轉(zhuǎn)向，向上延伸。

（4）壓裂液采用變濃度壓裂液。一次加砂采用常規(guī)壓裂液，優(yōu)化稠化劑濃度為0.45%，二次加砂采用低濃度壓裂液，優(yōu)化壓裂液濃度為0.35%。

（5）采用多級變排量施工。第一次加砂低排量起步，多級變排量施工，控制裂縫高度，造長縫重點改造下部儲層，確保壓后的效果，優(yōu)化施工排量3.0～4.5 m3/min。第二次加砂采用低黏度壓裂液進行高排量施工，突破上部應力遮擋，充分改造上部致密儲層，最大限度的提高儲層縱向剖面的動用程度，優(yōu)化施工排量為4.5～7.0 m3/min。

5.3 施工簡況

2013年4月20日對巴90井進行了復合壓裂施工，施工中注入互溶劑10 m3，清潔酸40 m3，隔離液25 m3，一次加砂破裂壓力29.04 MPa，施工加入20/40目陶粒23.46 m3，平均砂比24.02%，二次加砂破裂壓力36.21 MPa，施工加入20/40 目陶粒29.78 m3，平均砂比22.90%（圖9）。

5.4 壓后效果評價

（1）微地震裂縫監(jiān)測結(jié)果分析

圖9 巴井壓裂施工曲線圖

從巴90井微地震裂縫監(jiān)測圖（圖10）及解釋成果表可以看出（表1），該井壓裂后形成西北—東南向和東北—西南向兩條主裂縫，兩條主裂縫融匯成縫網(wǎng)，縫網(wǎng)長度360 m，縫網(wǎng)寬度330 m，儲層改造達到預期的效果。

圖10 巴90井微地震裂縫監(jiān)測圖

表1 巴90井微地震裂縫監(jiān)測成果表

（2）增產(chǎn)效果

巴90井壓前日產(chǎn)油0.69 m3，壓后日產(chǎn)油12.47 m3，乳化水1.48 m3，返排率24%，增產(chǎn)效果明顯。

6 結(jié)論與認識

（1）巖石的脆性特征、裂縫發(fā)育情況及水平應力差異是非常規(guī)儲層體積壓裂的三個地質(zhì)條件，巖石脆性越大、微裂縫越發(fā)育、水平應力差異越小，體積壓裂越容易形成裂縫網(wǎng)絡。

（2）分段分簇射孔、壓裂液黏度、施工排量、裂縫內(nèi)凈壓力是非常規(guī)儲層體積壓裂的主要工程因素，實施的關(guān)鍵如何通過以上工藝技術(shù)使裂縫產(chǎn)生剪切、滑移和轉(zhuǎn)向。

（3）致密砂巖儲層在應用非常規(guī)儲層體積改造技術(shù)時要充分考慮儲層的地質(zhì)條件。

（4）應用非常規(guī)儲層體積壓裂技術(shù)理念，致密砂巖儲層在進行壓裂改造時，應考慮如何在形成長縫的基礎上，進一步提高儲層的縱向剖面的動用程度，從而提高壓后效果。

（5）非常規(guī)儲層體積壓裂中分段、分簇射孔、使用低粘度壓裂液進行高排量施工、裂縫轉(zhuǎn)向等核心技術(shù)應用到脆性特征強、局部裂縫發(fā)育的致密砂巖儲層可以提高儲層改造的效果。

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