鄂爾多斯盆地致密油層混合壓裂簇間干擾研究

彭 嬌周德勝張 博

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.中國(guó)石化華北油氣分公司采油氣工程服務(wù)中心，陜西咸陽 712000）

引用格式：彭嬌，周德勝，張博. 鄂爾多斯盆地致密油層混合壓裂簇間干擾研究［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（5）：78-81，88.

鄂爾多斯盆地致密油層混合壓裂簇間干擾研究

彭 嬌1周德勝1張 博2

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.中國(guó)石化華北油氣分公司采油氣工程服務(wù)中心，陜西咸陽 712000）

引用格式：彭嬌，周德勝，張博. 鄂爾多斯盆地致密油層混合壓裂簇間干擾研究［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（5）：78-81，88.

摘要：針對(duì)鄂爾多斯盆地致密油層施工排量和簇間應(yīng)力干擾作用對(duì)形成復(fù)雜縫網(wǎng)的影響開展了相關(guān)研究。采用離散縫網(wǎng)模型及有限元軟件進(jìn)行模擬分析，選擇產(chǎn)層相同、壓裂增產(chǎn)方案相近的2口試驗(yàn)水平井，進(jìn)行壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比、產(chǎn)量對(duì)比及微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比。研究表明，施工排量過小，壓裂效果以常規(guī)雙翼縫為主，大排量是保證復(fù)雜縫網(wǎng)形成的條件；儲(chǔ)層存在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜縫網(wǎng)的臨界排量，大于該臨界排量時(shí)，主裂縫變短，次生縫網(wǎng)增加，帶寬變大；多簇壓裂時(shí)，主裂縫不同步開裂易引起主裂縫不同步延伸，率先延伸的主裂縫會(huì)抑制周圍主裂縫的延伸甚至開裂，后延伸的主裂縫周圍易產(chǎn)生剪切誘導(dǎo)的次生裂縫，利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)。因此，選取大于臨界排量的施工排量有利于增加儲(chǔ)層改造體積，而多簇壓裂時(shí)開裂延伸的主裂縫數(shù)量有可能小于設(shè)計(jì)簇?cái)?shù)。

關(guān)鍵詞：致密油層；混合壓裂；臨界排量；復(fù)雜縫網(wǎng)；應(yīng)力干擾

近年來隨著非常規(guī)油氣開采的迅速發(fā)展，致密油熱潮以美國(guó)為代表在全世界迅猛掀起［1］。2013年美國(guó)致密油產(chǎn)量已達(dá)41.5×104t/d，使美國(guó)原油產(chǎn)量占據(jù)全球總產(chǎn)量的10%，一定程度上改變了世界能源供需格局［2］。中國(guó)致密油總地質(zhì)資源量巨大，達(dá)到7~9 億噸，鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組已率先建成第一個(gè)工業(yè)化生產(chǎn)的致密油區(qū)［3］，成功攻關(guān)了滲透率在0.3~1 mD的超低滲透油藏的規(guī)模開發(fā)，并不斷開展?jié)B透率小于0.3 mD致密油藏的混合壓裂試驗(yàn)研究［4］，但中國(guó)致密油勘探開發(fā)和相關(guān)研究還處于起步階段［5-7］，理論研究與施工設(shè)計(jì)還存在模糊領(lǐng)域。在研究鄂爾多斯盆地致密油層混合壓裂特征的基礎(chǔ)上，采用離散縫網(wǎng)模型［8］以及有限元法模擬研究了施工排量和簇間應(yīng)力干擾作用對(duì)形成復(fù)雜縫網(wǎng)的影響，提出一定地層條件以及壓裂施工參數(shù)下的儲(chǔ)層存在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜縫網(wǎng)的臨界排量，對(duì)分段多簇壓裂施工排量以及簇間距的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1　鄂爾多斯盆地致密油層混合壓裂特征

體積壓裂是非常規(guī)油氣開發(fā)中提出的壓裂理念，發(fā)展到今天主要以混合壓裂技術(shù)最具優(yōu)勢(shì)。目前針對(duì)鄂爾多斯盆地天然裂縫發(fā)育、巖石脆性指數(shù)高的長(zhǎng)6、長(zhǎng)7段致密油儲(chǔ)層主要采用的就是混合壓裂技術(shù)。該技術(shù)是通過分段多簇射孔，以高排量、大液量、低砂比的形式將滑溜水、線性膠以及凍膠交替注入，對(duì)儲(chǔ)層實(shí)施三維改造，主要特征有：易喚醒天然裂縫剪切、膨脹、滑移，溝通形成復(fù)雜縫網(wǎng)，并且當(dāng)天然裂縫或地層薄弱點(diǎn)周邊巖石上壓力超過臨界壓力后，剪切力使天然裂縫粗糙面或巖石薄弱點(diǎn)產(chǎn)生剪切滑移，從而形成具有一定導(dǎo)流能力的次生縫網(wǎng)［9］；滑溜水大量注入地層后不斷濾失到復(fù)雜縫網(wǎng)中難以返排，滯留到地層的液體充填了部分天然裂縫的空隙，可以補(bǔ)充儲(chǔ)層能量，提高儲(chǔ)層壓力；較大顆粒支撐劑難以進(jìn)入縫網(wǎng)拐角以及正交裂縫中，在壓裂接近結(jié)束時(shí)不斷泵入攜帶高濃度支撐劑的線性膠、凍膠保持主裂縫寬度，可形成高導(dǎo)流能力通道，避免主裂縫在高地層壓力下重新閉合［10-13］；壓裂液大排量泵入各簇裂縫時(shí)會(huì)對(duì)周圍裂縫以及地層產(chǎn)生應(yīng)力擾動(dòng)，影響主裂縫周圍天然裂縫和次生裂縫的開啟、擴(kuò)展以及周圍各簇主裂縫的開裂、延伸［14］。

成功實(shí)現(xiàn)體積壓裂不僅與地層條件關(guān)系密切，合理的施工參數(shù)設(shè)計(jì)也尤為重要。對(duì)于特定的地層與壓裂液，排量是決定縫內(nèi)壓力的主要因素，也是引起簇間應(yīng)力干擾的主要施工因素，可直接影響天然裂縫開啟以及裂縫的復(fù)雜程度，并且與產(chǎn)量線性相關(guān)［15-16］，因此施工排量對(duì)于縫網(wǎng)的形成至關(guān)重要。

2　排量對(duì)形成復(fù)雜縫網(wǎng)的影響

離散縫網(wǎng)模型是以網(wǎng)格系統(tǒng)模擬裂縫在3個(gè)主平面上的擬三維離散化擴(kuò)展和支撐劑在縫網(wǎng)中的鋪砂分布，通過連續(xù)性原理及網(wǎng)格計(jì)算方法獲得壓裂改造后縫網(wǎng)幾何形態(tài)參數(shù)，如縫長(zhǎng)、帶寬以及儲(chǔ)層改造體積等［8］。例如鄂爾多斯盆地陜北區(qū)塊長(zhǎng)7段某水平開發(fā)井A：地層滲透率約為0.18 mD，孔隙度為10%，巖石密度為2.5 g/cm3，巖石彈性模量為18 881 MPa，泊松比為0.25，水平最大地應(yīng)力為48 MPa，水平最小地應(yīng)力為41 MPa，垂向地應(yīng)力梯度為0.023 MPa/m。A井完鉆井深3 306 m，設(shè)計(jì)壓裂11段，水力噴砂射孔，每段2簇壓裂，簇間距均為15 m，第2段壓裂泵入859 m3混合壓裂液及70.4 m3的40~70目陶粒。

該區(qū)塊天然裂縫間距平均為7 m。根據(jù)“剪切膨脹”造縫機(jī)理，支撐劑主要充填主裂縫。以A井第2段2簇壓裂為例，假定每個(gè)射孔處僅產(chǎn)生1簇縫網(wǎng)，并且第1簇先起裂，利用離散縫網(wǎng)模型模擬不同排量下該段壓裂改造后縫網(wǎng)形態(tài)，可得到不同排量下A井第2段壓裂后兩簇縫網(wǎng)的主裂縫和次生裂縫縫長(zhǎng)、帶寬、儲(chǔ)層改造體積、兩簇縫網(wǎng)是否橫向溝通相交等情況，具體參數(shù)見表1。

表1　A井第2段不同排量壓裂縫網(wǎng)幾何形態(tài)參數(shù)

從表1可知，排量較小時(shí)，縫內(nèi)凈壓力不足以開啟天然裂縫，壓裂效果以常規(guī)雙翼縫為主，僅有少量人工次生裂縫衍生，帶寬很窄，復(fù)雜縫網(wǎng)難以實(shí)現(xiàn)。隨著排量增加，縫內(nèi)凈壓力不斷增大，主裂縫、次生裂縫長(zhǎng)度以及儲(chǔ)層改造體積不斷增加，但縫網(wǎng)帶寬增加甚微，接近天然裂縫發(fā)育平均間距（7 m）。當(dāng)排量增加到縫內(nèi)凈壓力大于天然裂縫開啟所需凈壓力時(shí)（即臨界排量），人工裂縫周圍的天然裂縫被誘導(dǎo)開啟，激發(fā)產(chǎn)生大量次生裂縫，易溝通形成復(fù)雜縫網(wǎng)。由于壓裂規(guī)模一定，排量越大，溝通天然裂縫越多，縫網(wǎng)越復(fù)雜，形成更多次生裂縫所需壓裂液越多，所以主裂縫長(zhǎng)度變短，縫寬變窄。因此較大的排量和總液量是保證復(fù)雜縫網(wǎng)形成的基礎(chǔ)，在一定的地層條件以及施工工藝條件下，儲(chǔ)層存在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜縫網(wǎng)的臨界排量，而且排量越大越利于復(fù)雜縫網(wǎng)形成，儲(chǔ)層改造體積越大。

排量的增大會(huì)促使兩簇縫網(wǎng)不斷延伸、擴(kuò)展，由于相鄰縫網(wǎng)間應(yīng)力作用干擾，第1簇主裂縫率先延伸會(huì)引起周圍地層應(yīng)力場(chǎng)分布的改變，抑制第2簇主裂縫的延伸，從而使得兩簇主裂縫長(zhǎng)度不一，而被抑制的第2簇主裂縫縫內(nèi)凈壓力持續(xù)憋高，不斷誘導(dǎo)周圍的天然裂縫開啟，產(chǎn)生更多的次生裂縫，使得帶寬增加，儲(chǔ)層改造體積更大。表1中排量為8 m3/min、10 m3/min時(shí)，第2簇縫網(wǎng)明顯比第1簇縫網(wǎng)的主裂縫長(zhǎng)度短、帶寬大、儲(chǔ)層改造體積大，因此簇間應(yīng)力干擾對(duì)于縫網(wǎng)形態(tài)具有顯著的影響作用。

3　簇間應(yīng)力干擾對(duì)形成復(fù)雜縫網(wǎng)的影響

3.1 單一主裂縫附加應(yīng)力作用

水力壓裂時(shí)，裂縫延伸會(huì)對(duì)裂縫臨近地層產(chǎn)生應(yīng)力干擾［17］。由于精確描述地層非均質(zhì)性較為復(fù)雜，并且目前收集到的地層數(shù)據(jù)不足以建成相應(yīng)的非均質(zhì)模型，因此需要簡(jiǎn)化模型。假設(shè)該井區(qū)地層均質(zhì)、各向同性，地層參數(shù)取平均值，地層無限大，忽略天然裂縫分布，以A井中第2段第1簇為例，利用有限元軟件模擬不同縫內(nèi)凈壓力下該條主裂縫無限延伸時(shí)對(duì)距離裂縫面不同位置處地層產(chǎn)生的應(yīng)力干擾，所得結(jié)果如圖1所示。

圖1中在一定凈壓力作用下主裂縫延伸會(huì)以附加壓應(yīng)力形式對(duì)周圍地層產(chǎn)生相應(yīng)的干擾作用，并且附加壓應(yīng)力與凈壓力大小、距離裂縫面遠(yuǎn)近顯著相關(guān)。一定凈壓力下，距主裂縫面越近，附加壓應(yīng)力越明顯，但隨著距離的增加附加壓應(yīng)力作用迅速下降，當(dāng)距離大于50 m時(shí)對(duì)地層幾乎無應(yīng)力影響；距主裂縫面一定距離下，附加壓應(yīng)力隨著縫內(nèi)凈壓力的增加而增大，并且離主裂縫面越近，附加壓應(yīng)力增加越顯著，當(dāng)距離小于10 m時(shí)附加壓應(yīng)力將產(chǎn)生一個(gè)陡升。因此裂縫延伸會(huì)增加臨近裂縫面所受閉合應(yīng)力作用，從而增大周圍裂縫開裂和延伸所需的凈壓力，一定程度上抑制了周圍主裂縫的延伸；多簇壓裂時(shí)各簇主裂縫產(chǎn)生的附加應(yīng)力干擾會(huì)同時(shí)疊加在周圍裂縫以及地層中，形成簇間應(yīng)力干擾。

圖1　 不同凈壓力下附加壓應(yīng)力隨距離的變化曲線

3.2 多簇壓裂時(shí)簇間應(yīng)力干擾作用

以A井第2段2簇壓裂為例，假定儲(chǔ)層巖石均質(zhì)、各向同性，地層參數(shù)取平均值，忽略天然裂縫分布，2簇主裂縫開裂時(shí)縫內(nèi)凈壓力均為8.5 MPa［1］，延伸時(shí)縫內(nèi)凈壓力均為3.5 MPa（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)混合壓裂實(shí)際測(cè)試資料平均后得到），利用有限元軟件模擬得到2簇主裂縫不同步開裂時(shí)裂縫周圍正應(yīng)力場(chǎng)分布（圖2）以及不同步延伸時(shí)裂縫周圍正應(yīng)力場(chǎng)和剪應(yīng)力場(chǎng)分布（圖3~圖4）。圖2~圖4中左側(cè)裂縫為第1簇主裂縫，右側(cè)裂縫為第2簇主裂縫。正應(yīng)力場(chǎng)中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)；剪應(yīng)力場(chǎng)中應(yīng)力正負(fù)只與方向有關(guān)［17］。圖2中左側(cè)先開裂的主裂縫尖端壓應(yīng)力減小區(qū)比右側(cè)后開裂主裂縫尖端壓應(yīng)力減小區(qū)大，因此左側(cè)先開裂的主裂縫尖端更容易向前延伸，從而主裂縫的不同步開裂容易引起主裂縫的不同步延伸。圖3中左側(cè)主裂縫先延伸，右側(cè)主裂縫后延伸，隨著兩條裂縫的延伸，簇間正應(yīng)力干擾區(qū)明顯，左側(cè)先延伸的裂縫對(duì)右側(cè)裂縫應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生干擾作用，抑制右側(cè)裂縫延伸。圖4中左側(cè)主裂縫先延伸，右側(cè)主裂縫后延伸，隨著兩條裂縫的延伸，兩條裂縫尖端都出現(xiàn)一定大小的剪應(yīng)力集中區(qū)，可剪切溝通主裂縫周圍的天然裂縫；而后延伸的右側(cè)主裂縫其剪應(yīng)力集中區(qū)比自身尖端壓應(yīng)力減小區(qū)（圖3）明顯大，因此一定凈壓力作用下，后延伸裂縫在受到臨近裂縫抑制作用時(shí)更傾向于剪切溝通天然裂縫，產(chǎn)生大量次生縫網(wǎng)，利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)。

當(dāng)主裂縫的簇間距較小時(shí)，這種應(yīng)力干擾作用更明顯，裂縫間抑制作用更大，甚至1簇主裂縫的延伸會(huì)導(dǎo)致周圍幾簇主裂縫無法開裂。因此多簇壓裂中簇間應(yīng)力干擾作用有助于剪切誘導(dǎo)次生裂縫，形成儲(chǔ)層改造體積較大的復(fù)雜縫網(wǎng)，但簇間距的確定非常重要，需要避免只出現(xiàn)單條裂縫的現(xiàn)象。

圖4　 主裂縫不同步擴(kuò)展時(shí)周圍剪應(yīng)力場(chǎng)

4　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例

現(xiàn)場(chǎng)開展了混合壓裂試驗(yàn)8口水平井，選取產(chǎn)層相同、壓裂增產(chǎn)設(shè)計(jì)方案相近的水平井對(duì)比產(chǎn)量和微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果，見表2、表3。A井施工排量為10 m3/min，B井施工排量為8 m3/min，A井試油產(chǎn)量明顯增高，日產(chǎn)油量相對(duì)B井高出5.2 m3/d。井下微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明A井相比B井縫網(wǎng)長(zhǎng)度變短，帶寬增加，次生縫網(wǎng)增加，儲(chǔ)層改造體積明顯增加。

表2　水平井產(chǎn)量對(duì)比

表3　水平井第2段微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是評(píng)價(jià)混合壓裂效果的主要手段，但該技術(shù)應(yīng)用時(shí)監(jiān)測(cè)儀器不能對(duì)應(yīng)、辨別多簇壓裂時(shí)每條主裂縫各自開裂以及延伸時(shí)的事件點(diǎn)，并且監(jiān)測(cè)井相對(duì)于試驗(yàn)井位置的遠(yuǎn)近、方位對(duì)于收集到事件點(diǎn)的多少、密集程度、分布有一定的影響，因此尚且無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到或者根據(jù)微地震圖像解釋多條主裂縫各自延伸擴(kuò)展的狀態(tài)和誘導(dǎo)周圍次生裂縫形成的過程，亦不能展示施工排量的變化以及簇間應(yīng)力干擾作用的強(qiáng)弱對(duì)于每條主裂縫縫網(wǎng)形態(tài)的影響。壓裂監(jiān)測(cè)技術(shù)等測(cè)試手段的不斷完善，將會(huì)對(duì)形成復(fù)雜縫網(wǎng)的研究提供更多驗(yàn)證性的幫助。

5　結(jié)論

（1）在一定的地層條件以及壓裂施工參數(shù)下致密油儲(chǔ)層存在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜縫網(wǎng)的臨界排量。排量較小時(shí)壓裂效果以常規(guī)雙翼縫為主，排量越大越利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)，較大的排量和總液量是保證復(fù)雜縫網(wǎng)形成的基礎(chǔ)。

（2）多簇壓裂時(shí)相鄰主裂縫間存在應(yīng)力干擾作用，裂縫的延伸會(huì)增加周圍主裂縫在開裂、延伸時(shí)的閉合應(yīng)力，一定程度上抑制周圍主裂縫的開裂、延伸，而被抑制延伸的主裂縫周圍易產(chǎn)生剪切誘導(dǎo)的次生裂縫，有利于增加儲(chǔ)層改造體積。簇間距越小，應(yīng)力干擾作用越強(qiáng)，多簇壓裂過程中易出現(xiàn)單條裂縫開裂的現(xiàn)象，不利于增加儲(chǔ)層改造體積。

（3）通過對(duì)混合壓裂試驗(yàn)水平井微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，獲得了施工排量對(duì)縫網(wǎng)長(zhǎng)度、帶寬、縫高、儲(chǔ)層改造體積的影響，但微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)尚且無法監(jiān)測(cè)到或者根據(jù)微地震圖像解釋多簇主裂縫各自延伸擴(kuò)展的狀態(tài)和誘導(dǎo)周圍次生裂縫形成的過程。

（4）簇間應(yīng)力干擾模擬研究采用的是簡(jiǎn)化模型，假定地層均質(zhì)，地層參數(shù)采用了平均值，地層非均質(zhì)性條件對(duì)于形成復(fù)雜縫網(wǎng)的影響是未來研究工作中的重要方向。

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圖2　 主裂縫不同步開裂時(shí)周圍正應(yīng)力場(chǎng)

圖3　 主裂縫不同步擴(kuò)展時(shí)周圍正應(yīng)力場(chǎng)

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（修改稿收到日期 2015-08-16）

〔編輯 李春燕〕

Inter-cluster interference in hybrid fracturing of tight oil reservoirs in Ordos Basin

PENG Jiao1, ZHOU Desheng1, ZHANG Bo2
（1. Petroleum Engineering College of Xi’an Petroleum University, Xi’an 710065, China;
2. Oil & Gas Production Engineering Service Center, Huabei Oil & Gas Branch Company, SINOPEC, Xianyang 712000, China）

Abstract:Relevant research has been conducted to the effect of fracturing displacement in tight oil reservoirs in Ordos Basin and the inter-cluster stress interference on creation of complex fracture network. The discrete fracture network model and finite element software were used, and two wells were selected for comparison on fracturing design parameters, production and the results of microseismic monitoring. The research findings show that, large displacement and large liquid volume are the basis to guarantee creation of complex fracture network. There exists a critical pumping rate to create complex fracture network under certain formation conditions and fracturing parameters. In case of multi-cluster fracturing, the non-synchronous cracking of major fractures will lead to non-synchronous extension of major fractures. The firstly extended major fractures may suppress the extension or even initiation of the surrounding major fractures, but around the lately extended major fractures may occur shear-induced secondary fractures, which is favorable for creation of complex fracture network. Therefore, in hybrid fracturing design, a fracturing displacement which is larger than the critical pumping rate helps increase the area of stimulated reservoir and increase the oil well production, while the number of major fractures initiated and extended during multi-cluster fracturing may be less than the designed cluster quantity.

Key words:tight oil formation; mixed fracturing; critical flow rate; complex fracture network; stress interference

作者簡(jiǎn)介：彭嬌，1992年生。西安石油大學(xué)非常規(guī)油氣開采方向在讀碩士研究生。E-mail：pjpetrochina@126.com。

基金項(xiàng)目：陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目“陸相頁巖氣儲(chǔ)層壓裂改造工藝技術(shù)攻關(guān)”（編號(hào)：2012KTZB03-03-03-02）。

doi:10.13639/j.odpt.2015.05.019

文章編號(hào)：1000 – 7393（2015）05 – 0078 – 04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TE357.1