壓裂曲線特征分析及應用

劉 斌

（中國石化江漢油田分公司石油工程技術研究院采氣工藝研究所，湖北 武漢430035）

壓裂施工曲線圖通常由三條曲線組成，以時間為橫坐標，泵注壓力、施工排量、砂濃度曲線為縱坐標曲線。三條曲線的核心是壓力曲線，它是施工過程中地下情況的直接反映。結合可控制的排量和砂比曲線，根據(jù)壓裂施工曲線中曲線特征就可以對施工情況、地層情況和裂縫特征做出判斷，為下步措施提供指導依據(jù)，保證施工安全順利進行。

1 壓裂曲線特征

1.1 曲線關鍵點－破裂壓力和停泵壓力

1）破裂壓力。破裂壓力是地層破裂，裂縫開啟的壓力。通過破裂壓力可以大致判斷地層的塑脆性，然后評估地層的可壓性。在壓裂施工曲線中，脆性地層有明顯破裂顯示，判斷地層破裂相對容易。對于塑性地層或者裂縫發(fā)育地層，判斷地層破裂相對較為困難?？傮w來說，地層是否壓開在曲線上有以下表征：①明顯破裂顯示：a.排量上升，泵壓迅速下降；b.排量上升，泵壓不變；c.排量不變，泵壓上升到一定值后迅速下降。②無明顯破裂顯示：泵壓隨排量的增加而增加。無明顯破裂顯示可能與地層的原生裂縫有關，從理論上講，一次破裂產生一條裂縫，多次破裂可能顯示多條裂縫。無明顯破裂顯示，并不是地層沒有形成裂縫，只能說明：a.地層產生裂縫時所引起的泵壓或排量的變化在地面反映不明顯；b.地層位于斷層附近；c.地層微裂縫發(fā)育或屬于重復壓裂層。

2）停泵壓力。停泵壓力能反映地層應力的大小。通過停泵壓力能估算最小地應力的上限值，而地層最小地應力則直接影響裂縫形態(tài)。因此，可以根據(jù)最小地應力對裂縫形態(tài)進行初步的判斷（垂直、水平）。當某區(qū)塊存在斷層屬于正斷層、逆斷層或者平移斷層中一種時，且最大水平主應力、最小水平主應力和地層上覆垂向應力大小存在較大差別時，在該區(qū)域施工產生裂縫的形態(tài)相對較為穩(wěn)定。通過壓裂施工曲線，可以對裂縫的形態(tài)（垂直縫或水平縫）進行判斷。根據(jù)水力壓裂機理，裂縫總是在垂直于最小主應力的平面內延伸。當?shù)叵氯S應力狀態(tài)為σH＞σh＞σv時，裂縫為水平縫；當水平方向任一應力最小時，裂縫為垂直縫。

其判斷方法為：σmin上限＝Pc＋ρgH

式中：σmin上限－最小主應力上限值，MPa；Pc－停泵壓力，MPa；ρ－頂替液密度，g／cm3；H－地層壓裂層段中部垂深，m。

當σmin上限與σv（上覆應力，梯度近似取22.6KPa／m）比值小于1時，裂縫為垂直縫；當σmin上限與σv比值大于1時，裂縫為水平縫。

1.2 曲線核心－壓力趨勢線

壓力趨勢線是人為將加砂過程中段塞階段壓裂峰值（高點或者低點）連接起來的直線。由于lgP－lgt雙對數(shù)曲線圖（圖1）能反映裂縫在擴展過程中的狀態(tài)，一般用于壓裂施工分析。

1）Ⅰ型曲線。曲線斜率較小，即上升速度非常緩慢，說明裂縫受地層滲透性差、層薄的影響，在高度方向延伸受阻，沿水平方向延伸緩慢；

2）Ⅱ型曲線。壓力隨時間波動較小，較為平穩(wěn)，可能是壓開的新裂縫或天然微裂縫的張開增加了濾失量，使得泵入的液體被濾失，達到了平衡狀態(tài)，縫長得不到延伸；

3）Ⅲ型曲線。曲線斜率接近1，壓力的增量正比于泵入液體體積的增量，說明支撐劑在縫內存在嚴重的堵塞；

4）Ⅳ型曲線。說明裂縫穿過低應力層，在垂向上延伸，或者溝通了天然裂縫；

5）Ⅴ型曲線。與Ⅱ型曲線較為相似，但壓力曲線上下波動一般由地層物性影響，說明地層物性嚴重非均質性。

圖1 lgP－lgt雙對數(shù)曲線圖

雖然lgP－lgt雙對數(shù)曲線圖能直接反映裂縫擴展形態(tài)，但現(xiàn)場施工需要實施判斷和調整下部施工，lgP－lgt雙對數(shù)曲線需要處理，較為繁瑣，所以只能作為施工后續(xù)分析。由于P－t曲線（圖2）與lgP－lgt雙對數(shù)曲線存在一定相關度，因此選用壓力趨勢線能較好地判斷裂縫延伸擴展情況。

圖2 壓裂施工曲線壓力趨勢線示意圖

1.3 曲線靈魂－壓力曲線實時斜率

壓力曲線實時斜率K是實時△P／△t的比值（圖3），間接反映液體（或者攜砂液）在裂縫中運移的阻力，結合壓力高點狀況，可為下部加砂提供指導。

圖3 壓裂施工曲線壓力曲線實時斜率示意圖

斜率K值越大，曲線越陡，且壓力高點不回落，表明攜砂液在裂縫中運移受阻。為了安全施工，下部可考慮降低砂比或者降低段塞攜砂液量。斜率K值越小，曲線變化較為平緩，待壓力高點回落后，可以繼續(xù)提高砂比進行施工。

2 實例分析

2.1 施工簡況

X井第八段壓裂3 551.5～3 593.0m（圖4）：注入酸液20m3、減阻水1 856.3m3、膠液275.00m3，總液量為2 151.3m3；加100目粉陶13.98m3、40／70 目砂43.1 5m3、30／50目砂7.93m3，加砂總量65.06m3，平均砂比7.85% ；施工泵壓78.2～79.4MPa，排量10.0～14.0m3／min，停泵壓力31.60MPa。

圖4 X井第八段壓裂施工曲線

2.2 曲線分析

X井第八段軌跡穿行于第5小層下部（圖5），巖性為高碳高硅頁巖。注酸排量1m3／min，壓力80MPa，無明顯破裂壓力，說明濾失較大，微裂縫較為發(fā)育。從整體上看，100目粉陶的封堵打磨效果較為明顯，整個壓力趨勢線平緩向下，屬于Ⅳ型曲線；裂縫延伸擴展較好，局部出現(xiàn)壓力“尖峰”，屬于Ⅲ型曲線。曲線斜率K值較大，說明攜砂液在裂縫運移過程中存在受阻，液體濾失過大，形成局部砂堵，隨著液體進入，憋壓沖開堵塞的支撐劑。為了降低下步施工風險，現(xiàn)場采取多打頂替液，待壓力回落后，降低攜砂液砂比進行施工，順利結束本段施工。

圖5 X井第八段井眼軌跡穿行示意圖

假設地層壓裂層段垂深2 400m，上覆應力梯度22.6KPa／m，壓裂液密度1.05g／cm3，估算最小地應力的上限值σmin上限。由σmin上限＝Pc＋ρgh計算可得：σv＝54.2MPa，σmin上限＝56.3MPa，σmin上限／σv＝1.04＞1，理論上形成水平縫可能性較大，但由于σmin上限和σv較為接近，水平縫和垂直縫可能同時產生，形成較為復雜的裂縫。

3 結論

1）通過破裂壓力表征可以大致判斷地層的塑脆性，評估地層的可壓性。

2）利用停泵壓力能估算最小地應力的上限值，從而預測裂縫形態(tài)（水平縫和垂直縫）。

3）根據(jù)理論分析的曲線類型來判斷裂縫的延伸情況、壓力趨勢線能較好地指導現(xiàn)場施工。

4）根據(jù)壓力曲線實時斜率適時調整下部施工措施，以保證順利施工。

5）利用壓裂曲線特征分析指導X井第八段壓裂施工，適用有效。

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