裂縫性儲層水平井裂縫起裂和延伸規(guī)律研究

張礦生，樊鳳玲（中石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西 西安 767100）

王波，吳亞紅（石油工程教育部重點實驗室（中國石油大學(xué)（北京））中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249）

水平井壓裂裂縫起裂壓力的大小、造縫點的位置和裂縫初始方位都取決于井筒的應(yīng)力狀態(tài)，因此研究裂縫的起裂和裂縫延伸規(guī)律就必須分析井筒周圍的應(yīng)力分布狀態(tài)，研究巖石力學(xué)參數(shù)及儲層地應(yīng)力特征對裂縫的起裂及延伸規(guī)律具有決定性的作用［1，2］。地應(yīng)力參數(shù)主要通過室內(nèi)三軸試驗、測井解釋和壓裂施工參數(shù)3種方式來獲得。這3種方式各有特點，室內(nèi)試驗和測井解釋都可以得到巖石力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力大?。?］，壓裂施工參數(shù)可以計算地應(yīng)力大小和裂縫延伸形態(tài)。室內(nèi)試驗結(jié)果精確，不足之處是試驗樣品有限，測試結(jié)果只能代表油藏中某一點的大小，無法估計其周圍的應(yīng)力情況，不能做出應(yīng)力剖面；測井解釋可以得到近井筒連續(xù)的地應(yīng)力變化情況，但解釋結(jié)果需要進(jìn)行校正；壓裂施工參數(shù)是獲知地應(yīng)力的最直接的方法。通過各自方法的綜合研究，可以明確裂縫起裂特征，得到人工裂縫延伸的規(guī)律，為壓裂設(shè)計優(yōu)化提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)。

1 巖石力學(xué)和地應(yīng)力試驗評價

通常情況下，3個方向的主應(yīng)力是不相等的。構(gòu)造應(yīng)力松弛地區(qū)或埋藏較深地區(qū)，最小應(yīng)力是水平的，水力壓裂縫是垂向縫且水平應(yīng)力小于上覆壓力。構(gòu)造應(yīng)力活躍地區(qū)、埋藏較淺地區(qū)或?qū)τ谀鏀鄬?，最小?yīng)力是垂向的，且等于上覆應(yīng)力，水力裂縫是水平縫。

黃陵地區(qū)三疊統(tǒng)延長組長6油層組裂縫性儲層巖石力學(xué)參數(shù)試驗單塊巖心數(shù)據(jù)表明，彈性模量（E）最小只有12.3661GPa，最大達(dá)到34.1471GPa；泊松比（υ）最小0.135，最大0.324；抗壓強度（σc）最小44.467MPa，最大達(dá)193.321MPa。巖石力學(xué)參數(shù)數(shù)值變化范圍大、分布不集中，反映了儲層巖性和應(yīng)力的復(fù)雜性。根據(jù)巖心測得的上覆地層壓力（σv）、最大水平主應(yīng)力（σh，max）和最小水平主應(yīng)力（σh，min）及σc等試驗數(shù)據(jù)的平均值分析（見圖1），可以看出，隨著井深的增加，垂向應(yīng)力比水平壓力增加的幅度要大。根據(jù)現(xiàn)場壓裂實例分析，在井深850m以下，以水平縫為主，850m以上以垂直縫為主。

圖1 地應(yīng)力與地層深度關(guān)系曲線圖

2 測井解釋巖石力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力剖面評價

測井資料中有自然伽馬、聲波時差、自然電位、電阻率、井徑等數(shù)據(jù)，解釋前需要先計算泥質(zhì)含量和孔隙度，然后使用測井軟件求取巖石力學(xué)參數(shù)。以水平井正平1井作為研究對象，根據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)求取水平井井段的巖石力學(xué)參數(shù)，得到地應(yīng)力剖面（圖2）。可以看出，σc、抗拉強度（St）比較大，巖石脆性強，解釋結(jié)果與室內(nèi)試驗的結(jié)果符合較好；St基本在5～15MPa之間，σh，min在17～22MPa之間，σh，max在19～25MPa之間；σv比較穩(wěn)定，始終大于σh，min；井段小于1440m時，σv與σh，max的應(yīng)力差呈起伏變化趨勢；井段大于1440m時，σv與σh，max的應(yīng)力差逐漸趨于穩(wěn)定；在部分薄層位置，出現(xiàn)σh，max大于垂向應(yīng)力的現(xiàn)象。

水平段地應(yīng)力剖面較平整，出現(xiàn)的地應(yīng)力突變段較薄，沿水平井段地應(yīng)力變化較小。儲層垂向上的地應(yīng)力比隔層地應(yīng)力小5MPa左右，厚度小的話就很難起到隔層作用。沿井筒向下地應(yīng)力起伏變化較大，儲層段水平地應(yīng)力隨井深的增加而增大。人工裂縫在水平井段指端起裂較為復(fù)雜，跟端裂縫起裂易形成斜交縫、扭曲縫或水平縫。

圖2 正平1井1126～1900m段地應(yīng)力剖面

3 地層破裂壓力的分析

研究區(qū)壓裂井的施工參數(shù)計算分析見表1。研究區(qū)無斷層，σh，max方向在NE55～80°左右，與研究區(qū)的水平井段走向近垂直，有利于形成以井筒為圓心的徑向縫。σh，max與σh，min之差變化較大，在0.46～5.2MPa之間，儲層埋藏越深，二者相差越大。地層破裂壓力梯度（Gf）均大于0.026MPa／m，Gf與儲層構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)，在構(gòu)造頂部因受張力區(qū)域內(nèi)張力作用，Gf偏低；在構(gòu)造的兩翼，由于受擠壓的作用，Gf偏高；構(gòu)造平坦地帶，Gf介于兩者之間；分布在不同構(gòu)造位置的井點，Gf有明顯的差別。

表1 壓裂施工曲線計算地應(yīng)力成果表

4 裂縫起裂機理

根據(jù)巖石張性破裂準(zhǔn)則，建立井壁圍巖起裂、天然裂縫剪切起裂判斷模型和天然裂縫張性起裂判斷模型。由于研究區(qū)天然裂縫與主應(yīng)力方向夾角在0～25°之間，高角度天然裂縫的傾角大于70°。計算時取裂縫與主應(yīng)力方向夾角為15°，傾角為85°。結(jié)合壓裂施工，計算得到各井的起裂壓力如表2所示。

表2 不同起裂方式下的破裂壓力結(jié)果

由表2可知，pf1、pf2是不受裂縫角度影響的；pf3受裂縫傾角影響較大，當(dāng)傾角為85°時，基本接近最小值，但pf3依然比井底pf大很多；其他條件不變時，裂縫傾角越小，pf4越大；而主應(yīng)力方向與裂縫的夾角對pf4影響較?。籶f4已經(jīng)接近最大值，仍比井底pf小很多。

研究區(qū)雖然天然裂縫發(fā)育，但受完井射孔、泥漿侵入等因素影響，鉆遇較大裂縫的概率較小，起裂方式還是以基巖起裂為主，且人工裂縫基本都是垂直縫?，F(xiàn)有壓裂施工資料中，水平井壓裂施工主要使用的水力噴砂射孔和水力噴射壓裂，從射孔的分布看，垂直于水平井筒，以井筒為圓心的徑向起裂方式為主。

5 裂縫延伸規(guī)律

凈壓力分析技術(shù)是分析裂縫延伸規(guī)律最經(jīng)濟、最便捷的方法［5，6］，其理論方法的精髓就是對雙對數(shù)曲線的解讀。對黃陵地區(qū)壓裂施工井進(jìn)行凈壓力雙對數(shù)曲線處理分析，以正平1井和正平2井為例來進(jìn)行裂縫延伸規(guī)律的研究。

5.1 正平1井

正平1井第1段壓裂是在水平井段噴砂射孔后開展水力噴射壓裂工作。從地層破裂開始，計算其凈壓力（pnet）與時間（t）的雙對數(shù)曲線?？紤]到正平1井水平井段與σh，max垂直，以及噴砂射孔條件，開始階段是點源階段，符合徑向模型，形成了垂直縫；在加砂前后均可看到裂縫延伸過程中溝通了天然裂縫；加砂后，lgpnet上升緩慢，裂縫延伸正常（圖3）。

圖3 正平1井第1段壓裂pnet－t雙對數(shù)曲線

正平1井第2段壓裂是在水平井段噴砂射孔后開展壓裂工作。從地層破裂開始，計算其pnet與t的雙對數(shù)曲線。從圖4中可以看到，起始段斜率約為1／4，符合PKN模型，形成垂直縫；加砂前，lgpnet受縫高方向快速延伸和延伸受阻影響，出現(xiàn)壓力下落較快和壓力小幅上升交替的情形；加砂后，lgpnet上升緩慢，裂縫延伸正常；隨后壓力異常降落，判斷縫高方向出現(xiàn)延伸穿入遮擋層所致；在施工的最后階段斜率略大于1，這是由于支撐劑輕微堵塞造成的。

5.2 正平2井

圖4 正平1井第2段壓裂pnet－t雙對數(shù)曲線

正平2井第1段壓裂采用的是水力噴砂射孔和水力噴射壓裂技術(shù)。在井深1928m和1943m兩處噴砂射孔，射孔完成后同時壓裂。水力噴砂射孔的油壓主要用于保持噴射速度，對pnet有影響的是套壓和噴嘴內(nèi)外壓差，噴嘴內(nèi)外壓差越大，對噴孔內(nèi)的增壓越大［7］。在該次壓裂過程中，噴嘴內(nèi)外壓差大約在18～22MPa之間。從水平井段射孔的條件及l(fā)gpnet曲線的斜率大約為－1／5，判斷是點源起裂的徑向模型；加砂后有一段出現(xiàn)支撐劑堵塞，壓力上升；隨后出現(xiàn)lgpnet的下降上升，表明該處縫高方向出現(xiàn)延伸，再繼續(xù)施工堵塞得到緩解，最終達(dá)到施工設(shè)計砂量（圖5）。

圖5 正平2井第1段pnet－t雙對數(shù)曲線

5.3 延伸規(guī)律

黃陵地區(qū)長6油層組裂縫性儲層壓裂所形成的裂縫延伸規(guī)律主要有以下特征：

1）長6油層組埋深較淺，壓裂時起裂主要以基巖破裂形成垂直縫為主。

2）對于直井壓裂，起裂后第1個階段以KGD模型線源擴展為主；對于水平井，起裂后第1個階段主要是以徑向點源擴展為主。

3）儲層隔層應(yīng)力差較小，易發(fā)生縫高延伸進(jìn)入隔層的情況，且易溝通底水，需采取控制裂縫高度技術(shù)，以防止壓裂后含水率上升快而影響產(chǎn)量。

4）研究區(qū)天然裂縫發(fā)育，人工裂縫與天然裂縫走向基本一致，人工裂縫遇到天然裂縫會穿入天然裂縫，并從另一端繼續(xù)延伸。人工裂縫貫通的天然裂縫數(shù)量較少，高角度的天然裂縫加劇了底水的錐進(jìn)，需采用控制裂縫高度的技術(shù)來進(jìn)行壓裂改造。

6 認(rèn)識與結(jié)論

1）綜合運用室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬計算相結(jié)合的方法，可以全面地研究、確定水平井人工裂縫起裂機理和裂縫延伸規(guī)律。

2）低滲透裂縫性油藏水平井起裂方式以基巖起裂為主，垂直于水平井筒，以井筒為圓心的徑向起裂方式為主，能夠大幅度提高壓后產(chǎn)能。

3）低滲透油藏淺層地應(yīng)力分布比較復(fù)雜，易出現(xiàn)水平井、垂直縫和復(fù)雜的扭曲縫。不同的儲層物性和構(gòu)造特征會造成破裂壓力梯度的偏高，給擴大施工規(guī)模帶來難度，做好壓前的地應(yīng)力研究非常必要。

4）對于裂縫性儲層，水平井形成的人工裂縫溝通到天然裂縫，尤其是高角度的天然裂縫會加劇底水的錐進(jìn)，需采用控制裂縫高度的技術(shù)來進(jìn)行壓裂改造，以防止壓裂后大量出水而降低壓裂產(chǎn)量和有效期。

［1］周健，陳勉，金衍，等 .裂縫性儲層水力裂縫擴展機理試驗研究 ［J］.石油學(xué)報，2007，28（5）：109～113.

［2］李瑋，閆鐵，畢雪亮 .基于分形方法的水力壓裂裂縫起裂擴展機理 ［J］.石油學(xué)報，2008，29（5）：87～91.

［3］董建華，劉鵬，王薇 .地應(yīng)力剖面在水力壓裂施工中的應(yīng)用 ［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報，2005，29（2）：40～42.

［4］金衍，陳勉 .天然裂縫地層斜井水力裂縫起裂壓力模型研究 ［J］.石油學(xué)報，2006，27（5）：113～114.

［5］Pirayesh E，Soliman M Y，Rafiee M.Make decision on the fly：A new method to interpret pressure－time data during fracturing－application to frac pack ［J］.SPE166132，2013.

［6］Gottschling J C.Marcellus net fracturing pressure analysis ［J］.SPE139110，2010.

［7］曲海，李根生，黃中偉，等 .水力噴射壓裂孔內(nèi)壓力分布研究 ［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，33（4）：85～88.