致密儲層水平井體積壓裂段間距優(yōu)化方法

劉立峰　冉啟全　王　欣　李　冉

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京　100083；2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京　100083）

致密儲層水平井體積壓裂段間距優(yōu)化方法

劉立峰1冉啟全1王欣2李冉1

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

目前致密儲層的主要開發(fā)方式為水平井+體積壓裂改造，但對于天然裂縫不發(fā)育的儲層，通常難以形成復雜的裂縫網絡系統，不能夠達到預期的改造目標。針對這種情況，在研究壓裂過程中誘導應力場變化的基礎上，建立了誘導應力和原地應力相疊加的數學模型，結合縫間應力干擾分析結果，形成了體積壓裂段間距優(yōu)化方法。研究結果表明，利用水力裂縫之間的應力干擾中和原始地應力有利于形成復雜裂縫，并且在同樣的原始地應力條件下，隨著裂縫高度和裂縫內凈壓力的增加，形成復雜縫網的段間距會增加?，F場實例計算驗證了通過應力干擾確定水平井壓裂段間距優(yōu)化方法的可行性，該優(yōu)化方法對致密儲層水平井分段體積壓裂設計有一定的借鑒意義。

致密儲層；水平井；水力壓裂；誘導應力；段間距

致密油氣資源是世界非常規(guī)油氣資源的重要組成部分，致密油氣儲層具有典型的低孔低滲的特點，一般覆壓滲透率要小于0.1 mD，需要進行儲層改造才能夠實現有效的開發(fā)［1-3］。目前致密油氣的主要開發(fā)技術是鉆水平井并進行分段體積壓裂改造［4-5］。以往對于水平井分段壓裂段間距的確定方法大多是從單條裂縫的泄油半徑出發(fā)的［6-9］，并沒有針對致密儲層的段間距設計方法。但是對致密油來說，依靠基質滲流的動用能力有限，體積改造的關鍵是在儲層中形成復雜的網狀裂縫系統，以增加水力裂縫和基質的溝通體積［10-14］。而在儲層中能否形成復雜的裂縫主要取決于儲層中的裂縫發(fā)育情況、地應力分布情況和壓裂施工的情況。在天然裂縫發(fā)育的儲層中水力壓裂較容易形成復雜裂縫網絡，但是在天然裂縫不發(fā)育的儲層中想要實現真正意義上的體積改造就比較困難了。筆者研究的主要目的就是在壓裂施工條件一定的情況下，如何合理的安排壓裂段之間的距離以改變地應力的分布，從而實現在天然裂縫不發(fā)育的儲層中形成復雜的裂縫系統。

1　分段壓裂水平井段間距確定方法

在地層中的一條裂縫周圍，由于裂縫的存在，地應力發(fā)生了改變，在原始的地應力基礎上還產生了附加的裂縫引起的誘導應力，這兩個應力的共同作用影響了下一條裂縫的啟裂與延伸。均質地層中一條裂縫示意圖如圖1所示。

圖1　均質地層中一條裂縫示意圖

在沿著x軸的方向上，xoz平面上裂縫產生的誘導應力為［15］

通過平面應變條件

可以得到y方向的應力

式中，L為誘導應力點在x軸方向距離原點的距離，m；pn為壓裂時作用在裂縫壁面上的凈壓力，MPa；h為裂縫的高度，m； σxx和σzz分別為沿著x方向和z方向的裂縫誘導應力，MPa；υ為泊松比。

分段壓裂水平井示意圖見圖2。裂縫垂直于最小主應力的方向x方向破裂，水平井沿著x軸的方向延伸。由于裂縫的延伸總是垂直于最小主應力方向，那么在地應力均勻分布地層中產生的裂縫方向也是均勻分布，裂縫的形態(tài)也是最復雜的［16-17］。因此為了形成更大的縫網體積，就要使得第2條壓裂段位置處的地應力場盡可能均勻分布，也就是水平主應力差最小，此時

σyy+σH=σxx+σh（5）

圖2　分段壓裂水平井示意圖

由于水平井長度有限，可以假設這段地層中原始應力的分布是一樣的，兩條裂縫的間距為L1，那么第2個壓裂段位置處的水平應力差為

使第2個壓裂段的水平應力差取得最小值的L1就是第2個壓裂段的最優(yōu)位置。同理可以求得其他壓裂段的最優(yōu)位置。

2　分段壓裂水平井段間距的影響因素分析

2.1應力干擾的影響

由于原始地應力的分布是一定的，通過改變壓裂段之間的距離只能控制誘導應力的大小和分布，因此可以通過誘導應力差的變化分析來確定下個壓裂段的最優(yōu)位置。誘導應力差的大小為

為了消除壓裂施工中凈壓力與裂縫高度不同的影響，可以繪制（σxx-σyy）/pn和L/h的關系曲線，假設儲層的泊松比為0.28，曲線如圖3所示。

圖3　x方向上裂縫誘導應力變化曲線

可以看出在裂縫內凈壓力和裂縫高度不變的情況下，第1條裂縫周圍的誘導應力差隨著距離第1條裂縫的長度先增加后減少，而且在距離裂縫兩倍縫高距離的位置，誘導應力的影響就可以忽略不計了，因此在進行段間距設計的時候可以忽略臨近裂縫以外的裂縫產生的誘導應力的影響。通過計算可以得到誘導應力差極值點的位置：

2.2裂縫高度的影響

裂縫的高度分別取值40 m，50 m，60 m和70 m分別繪制（σxx-σyy）/pn和L的關系曲線，結果如圖4所示。

圖4　x方向上不同高度裂縫的誘導應力變化曲線

從圖4可以看出，隨著裂縫高度的增加，誘導應力差極值點的位置沒有變化，但是誘導應力的差值變小了，而且在一段距離以后由于裂縫高度引起的誘導應力差的差異會減小。這就說明高的裂縫更容易在裂縫附近中和原始地應力的差異，因此在上下應力遮擋較弱的儲層中應該適當增加壓裂段的間距。

2.3裂縫凈壓力的影響

將作用在裂縫壁面上的凈壓力分別取值15 MPa，18 MPa，21 MPa和24 MPa，分別繪制σxx-σyy和L/h的關系曲線，結果如圖5所示。

圖5　x方向上不同凈壓力裂縫的誘導應力變化曲線

從圖5可以看出，隨著裂縫內凈壓力的增加，裂縫產生的最大誘導應力差的位置會有所前移，而且數值也會提高，但是在距離裂縫較遠的位置，高凈壓力裂縫產生的誘導應力差會降低得較快。這也可以說明較高的壓裂施工排量在裂縫附近影響地應力的能力更強，因此在大排量施工的條件下，壓裂段的間距也應該適當增加。

3　實例驗證

以新疆某油田的J1井和J2井為例進行水平井分段壓裂段間距的優(yōu)化設計。該井儲層屬于致密云質粉砂巖，儲層應力差和壓裂施工參數如表1所示。對比設計得到的裂縫間距和壓裂施工的裂縫間距可以發(fā)現，J2井施工與設計基本一致，J1井的施工縫間距和設計縫間距差距較大。水平井在壓裂過程中進行了井下微地震監(jiān)測來檢驗壓裂效果，如圖6和圖7所示。圖中相同的顏色為一個壓裂段的微地震事件分布，可以看出J2井的每個壓裂段都具有一定范圍的微地震響應，判斷壓裂形成了一定規(guī)模的復雜裂縫，壓裂基本實現了體積改造的目標。J1井的微地震事件分布較為集中，壓裂形成了單一的主裂縫，沒能夠實現體積改造的目標。

表1　縫間距優(yōu)化參數

4　結論

（1）通過合理安排水平井分段壓裂的段間距可以改變水平井周圍的應力場大小，實現致密儲層縫網壓裂，能夠有效解決天然裂縫不發(fā)育的地層中形成復雜裂縫系統困難的問題。

（2）通過公式計算可以得到裂縫周圍誘導應力的分布情況，裂縫產生的水平誘導應力差在沿著水平井的方向上先增加達到最大值，之后減小，并且在距離裂縫兩個縫高長度的地方誘導應力會變得非常小，可以忽略不計。

（3）壓裂段附近誘導應力的大小受到上一個壓裂縫高度和縫內凈壓力大小的影響，裂縫高度越高，裂縫內凈壓力越大，產生的誘導應力越大。通過合理安排壓裂施工，控制裂縫內的凈壓力和裂縫的高度，可以有效地在儲層中形成復雜的裂縫系統，提高單井產量。

圖6　J1井的微地震檢測結果

圖7　J2井的微地震檢測結果

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（修改稿收到日期2015-04-21）

〔編輯朱偉〕

Method of optimizing the spacing between volumetric fracturing stages in horizontal wells in tight reservoir

LIU Lifeng1, RAN Qiquan1, WANG Xin2, LI Ran1
（1. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, CNPC, Beijing 100083, China; 2. Petroleum Exploration and Production Research Institute, SINOPEC, Beijing 100083, China）

At present, the main development method for tight reservoirs is horizontal well with volumetric fracturing. But for reservoirs lack of natural fractures, it is usually difficult to form complex fracture network system, and the desired stimulation objectives can not be achieved. To solve this problem, based on the research of the induced stress field variation during fracturing, a mathematic model was built by the superposition of the induced stresses and in situ stresses. And the method of optimizing the spacing between volumetric fracturing stages was created based on analysis of the inter-fracture stress interference. The research results show that complex fractures can be created by neutralizing the original geostress by the inter-fracture stress interference. In addition, under the same original geostress conditions, with the increase of fracture height and net pressure inside the fractures, the interval space which creates complex fracture network also increases. Field practical calculations verified the feasibility of the optimization method for fracturing stage spacing in horizontal wells, which is of some reference significance to the design of staged volumetric fracturing in horizontal wells in tight reservoirs.

tight reservoir; horizontal well; hydraulic fracturing; induced stress; stage spacing

TE357.1

A

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0084 – 04

10.13639/j.odpt.2015.03.019

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）“致密砂巖油氣藏數值模擬技術與軟件”（編號：2013AA064902）。

劉立峰，1986年生。在讀博士研究生，主要從事致密油氣開發(fā)方面研究工作。電話：13488810018。E-mail：hasyllf@163. com。

引用格式：劉立峰，冉啟全，王欣，等.致密儲層水平井體積壓裂段間距優(yōu)化方法［J］.石油鉆采工藝，2015，37（3）：84-87.