復(fù)合壓裂增產(chǎn)機理及裂縫擴展規(guī)律分析

徐東升

（西安石油大學(xué)CNPC 高能氣體壓裂研究室，陜西西安 710065）

水力壓裂及高能氣體壓裂作為儲層壓裂改造的主要技術(shù)，在處理深層、膠結(jié)致密、破裂壓力異常高的低滲地層時，存在壓不開、泵壓過高或造縫太短的問題，難以形成有效的裂縫體系，使壓裂改造效果不夠理想。復(fù)合壓裂技術(shù)是將高能氣體壓裂和水力壓裂相結(jié)合的一種新型增產(chǎn)增注技術(shù)，集中實現(xiàn)了高能氣體壓裂及水利壓裂的優(yōu)勢互補，可形成多裂縫、較大縫長的裂縫體系，能更加有效地對油田進行增產(chǎn)增注，具有廣闊的應(yīng)用前景[1，2]。本文將對復(fù)合壓裂的增產(chǎn)機理及裂縫擴展規(guī)律進行研究。

1 復(fù)合壓裂技術(shù)增產(chǎn)機理

復(fù)合壓裂技術(shù)是將高能氣體壓裂及水力壓裂相結(jié)合，先對地層進行高能氣體壓裂，利用高能氣體壓裂壓力加載速率較高的特點在近井地帶產(chǎn)生多條不受地應(yīng)力控制的徑向裂縫；然后通過水力壓裂將高能氣體壓裂裂縫進行延伸，得到足夠長的有支撐劑支撐的裂縫[3]。

其增產(chǎn)機理為：首先利用高能氣體壓裂在井筒周圍形成多條徑向裂縫，隨后進行水力壓裂，近井地帶的裂縫必然沿高能氣體壓裂所形成的多條徑向裂縫延伸。當(dāng)延伸到徑向裂縫末端時，裂縫要繼續(xù)延伸受地應(yīng)力及其分布控制，地應(yīng)力值越大，起裂時刻滯后越嚴(yán)重，且裂縫擴展速度越慢，所以垂直于最小主應(yīng)力方位的裂縫首先被延伸，且以最快的速度進行擴展。當(dāng)壓裂液在裂縫中的延伸速度與濾失速度之和小于注液速度，尤其是遇到砂堵地區(qū)時，則會產(chǎn)生憋壓，壓力升高到一定程度時，第二條裂縫破裂。其后，隨著流動阻力的增加及憋壓等原因，壓力繼續(xù)升高，其他裂縫相繼開始延伸，形成多裂縫同時延伸體系，減小近井地帶流體流動阻力，提高裂縫導(dǎo)流能力，達(dá)到增產(chǎn)增注的效果。

2 復(fù)合壓裂必要性及優(yōu)勢分析

高能氣體壓裂和水力壓裂的主要參數(shù)（見表1）[2]。

表1 兩種壓裂技術(shù)的主要參數(shù)

通過對兩種壓裂技術(shù)進行對比分析，可知：

（1）高能氣體壓裂所產(chǎn)生的裂縫條數(shù)較多，但縫長較短，一般為10 m 左右，而水力壓裂則恰恰相反。復(fù)合壓裂將兩種壓裂技術(shù)有效的加以結(jié)合，在儲層中形成多裂縫、大縫長的裂縫體系，可大幅提高儲層滲透率，改善裂縫導(dǎo)流能力。

（2）不同方位下井周地應(yīng)力隨距離變化趨勢（見圖1），可以看出，井周附近存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但隨距離增大很快消失，約在4 個井徑之外降為原地應(yīng)力值。對于一些巖層堅硬、膠結(jié)致密的深層地層，由于井壁周圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象，水力壓裂可能存在壓不開或泵壓過高的情況。由表1 可知，高能氣體壓裂的峰值壓力遠(yuǎn)高于水力壓裂。故可在水力壓裂之前先進行高能氣體壓裂，破除井壁應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低地層破裂壓力，然后實施水力壓裂延伸裂縫長度。

圖1 不同方位下井周地應(yīng)力隨距離變化趨勢

圖1 中：r/rw為井周距離與井眼半徑之比；θ 為井周某點徑向與水平最大地應(yīng)力的夾角。

（3）水力壓裂在滲透率很低的油氣藏只能形成垂直于最小主應(yīng)力的兩翼對開的一條垂直裂縫，其對于老油田的重復(fù)壓裂也只能是原有裂縫的延伸，而不能產(chǎn)生新的裂縫，以致遠(yuǎn)離主裂縫的油氣難以被采出，形成死油區(qū)。如果對目的層首先進行高能氣體壓裂，在近井區(qū)域產(chǎn)生多條徑向裂縫，則可以打破水力壓裂單一裂縫的弊端，然后利用水力壓裂使裂縫長度得以延伸，形成多方位、大縫長的裂縫體系，提高裂縫導(dǎo)流能力，避免死油區(qū)的發(fā)生。

3 復(fù)合壓裂裂縫擴展規(guī)律研究

3.1 裂縫形態(tài)

復(fù)合壓裂時，高能氣體壓裂首先在近井地帶產(chǎn)生多條徑向裂縫，隨后進行水力壓裂，多條徑向裂縫相繼吸液、延伸。隨著尺寸的增大，同一方位、相距較近的裂縫有可能相互連接，形成一條大裂縫；而不同方位、相距較遠(yuǎn)的小裂縫，復(fù)合成為大裂縫可能性減小，有可能發(fā)展成另外的大裂縫，形成多條大裂縫同時延伸的情況。隨著壓裂施工過程的進行，一些裂縫由于縫口寬度、轉(zhuǎn)向、曲折度或加砂工藝等原因，可能造成砂堵，最終在地層中延伸的只有少數(shù)幾個大裂縫[4]。

3.2 射孔方位對復(fù)合壓裂裂縫延伸的影響

復(fù)合壓裂過程中，射孔方位角度越大，裂縫延伸長度越短。這主要是因為裂縫在延伸過程中受地應(yīng)力閉合作用，能否起裂主要取決于縫內(nèi)凈壓的大小。隨著孔眼方位角度的增大，地應(yīng)力增大（見圖1），縫內(nèi)凈壓力減小，裂縫起裂難度增加，起裂時間延遲，而止裂時間提前，總延伸時間縮短，擴展長度縮短。

3.3 裂縫轉(zhuǎn)向曲率半徑

3.3.1 注液排量對裂縫轉(zhuǎn)向曲率半徑的影響 水力壓裂液延伸到高能氣體壓裂所形成的徑向裂縫末端時，由于受地應(yīng)力影響，將逐漸轉(zhuǎn)到最大地應(yīng)力方向。轉(zhuǎn)彎半徑越小，轉(zhuǎn)向越陡，越易在轉(zhuǎn)角區(qū)發(fā)生砂堵。在施工設(shè)備、地層吸液性能允許的情況下，提高注液排量可以增大縫內(nèi)壓力，從而增大裂縫轉(zhuǎn)向曲率半徑，使裂縫轉(zhuǎn)向變緩，防止在轉(zhuǎn)角區(qū)域發(fā)生砂堵。

3.3.2 水平地應(yīng)力比值對裂縫轉(zhuǎn)向曲率半徑的影響水平地應(yīng)力比值對裂縫轉(zhuǎn)向曲率半徑的影響，可利用二維裂縫平面應(yīng)變模型來解釋[5]：

式中：R-裂縫轉(zhuǎn)向曲率半徑，m；KI-裂縫尖端應(yīng)力強度因子，MPa·m0.5；σh-最小水平地應(yīng)力，MPa；k-最大水平地應(yīng)力與最小水平地應(yīng)力的比值。

式（1）表明，水平地應(yīng)力比值越大，復(fù)合壓裂裂縫沿最小水平地應(yīng)力方向延伸越短，裂縫轉(zhuǎn)向半徑越小；水平地應(yīng)力比值越小，裂縫沿最小地應(yīng)力方向延伸越長，轉(zhuǎn)向半徑越大。

對于高滲透性、膠結(jié)疏松的地層，最大水平地應(yīng)力和最小水平地應(yīng)力差別很小，不必考慮裂縫彎曲、轉(zhuǎn)向問題，裂縫起裂位置及方向主要沿已有的射孔方向擴展。

4 結(jié)論

（1）復(fù)合壓裂實現(xiàn)了高能氣體壓裂和水力壓裂的優(yōu)勢互補，可形成多裂縫、大縫長的裂縫體系，較單一壓裂技術(shù)增產(chǎn)效果更為顯著。

（2）復(fù)合壓裂技術(shù)可有效破除井周附近應(yīng)力集中現(xiàn)象，適用于破裂壓力較高的地層。

（3）分析了復(fù)合壓裂裂縫擴展形態(tài)及射孔方位對裂縫擴展的影響，得出射孔方位角度越大，復(fù)合壓裂裂縫延伸長度越短。

（4）注液排量越大，裂縫轉(zhuǎn)向半徑越大；水平地應(yīng)力比值越大，裂縫轉(zhuǎn)向半徑越小。

［1］ 楊其彬，馬利成，黃俠，等.復(fù)合壓裂技術(shù)［J］.斷塊油氣田，2004，11（1）：74-76.

［2］ 馬新仿.復(fù)合壓裂技術(shù)研究［J］.河南石油，2001，15（3）：39-41.

［3］ 陳磊，暢毅，高金洪.復(fù)合壓裂技術(shù)在長慶“三低”油田的應(yīng)用［J］.油氣井測試，2008，17（5）：60-62.

［4］ 杜成良，姬長生，羅天雨，等.水力壓裂多裂縫產(chǎn)生機理及影響因素［J］.特種油氣藏，2006，13（5）：19-21.

［5］ 姜滸，陳勉，張廣清，等.定向射孔對水力裂縫起裂與延伸的影響［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（7）：1321-1326.