臨興致密砂巖氣藏直井縫網(wǎng)壓裂可行性定量分析

張紅杰(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011)

王鵬(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

張林強(qiáng)，趙俊(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011)

非常規(guī)油氣藏，尤其是頁(yè)巖氣的大規(guī)模成功開(kāi)發(fā)，為致密砂巖氣藏的開(kāi)發(fā)提供了重要的參考。美國(guó)頁(yè)巖油氣的高效開(kāi)發(fā)，主要取決于水平井分段壓裂和縫網(wǎng)體積改造技術(shù)，使得單井油氣產(chǎn)量大幅度增加[1～3]。通過(guò)借鑒國(guó)外技術(shù)，國(guó)內(nèi)涪陵頁(yè)巖氣也得到快速開(kāi)發(fā)，已經(jīng)達(dá)到年產(chǎn)能100億方的生產(chǎn)規(guī)模[4,5]。由于頁(yè)巖氣采取縫網(wǎng)壓裂技術(shù)，生產(chǎn)效果較為顯著，因此，在致密砂巖儲(chǔ)層中也嘗試?yán)迷摷夹g(shù)進(jìn)行增產(chǎn)。針對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層，國(guó)內(nèi)各大油田正在積極進(jìn)行縫網(wǎng)體積壓裂的探索，如蘇里格氣藏和長(zhǎng)慶油田的鎮(zhèn)北區(qū)塊等都進(jìn)行了前期的理論研究，多方面論證縫網(wǎng)壓裂的可行性和適應(yīng)性[6,7]。另外，大慶油田早在2012年就對(duì)葡333、州6、樹(shù)2等長(zhǎng)垣外圍的8個(gè)低效開(kāi)發(fā)區(qū)塊開(kāi)展了直井縫網(wǎng)壓裂試驗(yàn)。壓后產(chǎn)量分析認(rèn)為，縫網(wǎng)壓裂初期單井日增油是常規(guī)壓裂的5.3倍；縫網(wǎng)壓裂后采油速度明顯提高，初期采油速度在2%以上，為常規(guī)注水開(kāi)發(fā)采油速度的4倍[8]。這些油田在致密砂巖儲(chǔ)層體積壓裂方面所取得的成績(jī)，為致密砂巖氣藏的開(kāi)發(fā)壓裂工作指明了方向，也提供了重要的參考。

鄂爾多斯盆地是華北地區(qū)次級(jí)構(gòu)造部分，該部分可分為6個(gè)次一級(jí)構(gòu)造部分：西緣沖斷帶、天環(huán)坳陷、伊盟隆起、陜北斜坡、渭北隆起、晉西撓褶帶(見(jiàn)圖1)。臨興區(qū)塊位于晉西撓褶帶中北部，位于鄂爾多斯盆地東北部，山西與陜西的相鄰處，以西是鄂爾多斯盆地，以東是呂梁山。臨興致密砂巖氣區(qū)塊地層整體向西傾斜。地層從東往西逐漸變新，其主要的地層分布有中奧陶統(tǒng)馬家溝組、上石炭統(tǒng)本溪組、下二疊統(tǒng)太原組、山西組、上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組、新生界第四系等，其中的本溪組、太原組以及山西組為氣層。

臨興致密砂巖氣藏儲(chǔ)層巖石性質(zhì)比較復(fù)雜、物性比較差，具有低孔、低滲、低壓、低豐度的特征。經(jīng)過(guò)水力壓裂投產(chǎn)后，不同井的產(chǎn)量差異比較大，且大多數(shù)井的氣量低于預(yù)期，因此，目前所采用的壓裂技術(shù)并不能對(duì)該區(qū)塊進(jìn)行高效且經(jīng)濟(jì)性的開(kāi)發(fā)，迫切需要新的增產(chǎn)改造技術(shù)。國(guó)內(nèi)外砂巖儲(chǔ)層壓裂的成功經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)為臨興致密砂巖氣藏的下步開(kāi)發(fā)提供新的思路，因此，筆者對(duì)該區(qū)塊內(nèi)的直井縫網(wǎng)壓裂技術(shù)進(jìn)行探索和積極實(shí)踐。

1 縫網(wǎng)形成的理論

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的頁(yè)巖氣縫網(wǎng)壓裂的設(shè)計(jì)要求和成功經(jīng)驗(yàn)，縫網(wǎng)形成主要是由儲(chǔ)層自身特征和壓裂施工控制2個(gè)方面決定的。儲(chǔ)層自身特征包括天然裂縫發(fā)育程度和分布、水平地應(yīng)力差、巖石礦物組分等。壓裂施工控制主要包括排量、加砂濃度、轉(zhuǎn)向控制等方面。

1.1 脆性指數(shù)

脆性特征可以用脆性指數(shù)來(lái)表示，脆性指數(shù)越高，頁(yè)巖可壓性越好。只有當(dāng)頁(yè)巖儲(chǔ)層的脆性指數(shù)大于40或以上時(shí)，才有可能形成復(fù)雜裂縫，同時(shí)，脆性指數(shù)越高越容易形成縫網(wǎng)?？梢岳玫V物組分來(lái)計(jì)算脆性指數(shù)[10]：

(1)

式中，BI為脆性指數(shù)；Cquartz為頁(yè)巖中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Cclay為頁(yè)巖中黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Ccarbonate為頁(yè)巖中碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.2 應(yīng)力差異系數(shù)

水平應(yīng)力差異系數(shù)是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓性的主要指標(biāo)。水平應(yīng)力差異系數(shù)越大，越難以產(chǎn)生復(fù)雜裂縫，在產(chǎn)生主裂縫的同時(shí)往往還會(huì)產(chǎn)生有很多分枝的裂縫；水平應(yīng)力差異系數(shù)越小，水力裂縫易于溝通隨機(jī)的天然裂縫，溝通裂縫為不規(guī)則的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。水平應(yīng)力差系數(shù)的大小，直接影響壓裂裂縫的幾何形態(tài)。

水平應(yīng)力差對(duì)裂縫形態(tài)的影響可以用水平應(yīng)力差異系數(shù)來(lái)表示[11]：

(2)

式中，Kh為水平應(yīng)力差異系數(shù)；σH為最大水平主應(yīng)力，MPa；σh為最小水平主應(yīng)力，MPa。

根據(jù)美國(guó)頁(yè)巖氣壓裂的施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)應(yīng)力差異系數(shù)小于0.3時(shí)，較容易形成裂縫網(wǎng)格，并且當(dāng)應(yīng)力差異系數(shù)越小的時(shí)候，越易于裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成。

1.3 應(yīng)力干擾

在壓裂施工過(guò)程中，由于地層裂縫的張開(kāi)，裂縫周圍的地應(yīng)力會(huì)隨之發(fā)生改變。通過(guò)人為對(duì)施工過(guò)程中的凈壓力的控制，可以改變局部地應(yīng)力，使裂縫轉(zhuǎn)向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)壓裂。裂縫在垂直于最小水平主應(yīng)力的方向上張開(kāi)，所產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力分布如圖2所示。

根據(jù)Sneddon和Elliot等所提出的理論，無(wú)限長(zhǎng)裂縫在均質(zhì)彈性體中所產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算[12，13]如下：

(3)

(4)

(5)

Δσx=υ(Δσy+Δσz)

(6)

2 可行性定量分析

圖2 裂縫在ZY平面內(nèi)產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力

根據(jù)縫網(wǎng)形成的理論條件，對(duì)照臨興致密砂巖氣區(qū)塊的地質(zhì)儲(chǔ)層特征和地應(yīng)力條件，分析直井縫網(wǎng)壓裂的可行性。

2.1 天然裂縫

致密砂巖儲(chǔ)層中的微裂縫可分為2大類：一類是受外力作用形成的破裂裂縫，沿著地應(yīng)力方向分布(圖3(a))，一般小于50μm；另一類是受溶蝕作用形成的溶蝕裂縫，其大小以及形狀等各不相同。在溶蝕邊緣有呈齒狀或有櫛狀排列的微粒，且常被后期充填(圖3(b))，較構(gòu)造裂縫小。因此，臨興區(qū)塊儲(chǔ)層中的天然裂縫總體不太發(fā)育，太原組儲(chǔ)層微裂縫基本不發(fā)育，山西組和本溪組儲(chǔ)層微裂縫面孔率分別為0.06%和0.05%，占總孔隙的0.84%和0.65%，但其能連通微小孔隙，在很大程度上可以改善儲(chǔ)層的物性和滲流能力[14]。盡管儲(chǔ)層自身沒(méi)有比較發(fā)育的天然裂縫，但仍具有一定的裂縫張開(kāi)或溝通條件，在壓裂施工過(guò)程通過(guò)增大裂縫內(nèi)凈壓力來(lái)盡可能地溝通微裂縫，使得微裂縫與主裂縫大范圍地溝通，進(jìn)而可以形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，獲得較大的儲(chǔ)層改造體積。

圖3 儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育情況

2.2 地應(yīng)力差異

根據(jù)臨興致密砂巖氣區(qū)塊地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)表1)，計(jì)算得到水平主應(yīng)力差的范圍為7.3～11.7MPa，水平應(yīng)力差異系數(shù)在0.16～0.20之間。在頁(yè)巖氣藏中，應(yīng)力差異系數(shù)普遍在0.3左右，因此，臨興致密砂巖氣藏相對(duì)于頁(yè)巖氣藏來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)層在壓裂時(shí)更容易產(chǎn)生多裂縫，進(jìn)而更易形成裂縫網(wǎng)絡(luò)或產(chǎn)生復(fù)雜裂縫形態(tài)。

表1 臨興致密砂巖氣區(qū)塊水平應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

2.3 巖石礦物組分

利用X衍射全巖測(cè)試方法得到臨興致密砂巖氣區(qū)塊巖石礦物成分，結(jié)果如表2所示。根據(jù)脆性指數(shù)計(jì)算公式，得到山西組、太原組和本溪組的脆性指數(shù)分別為73.8、77.3和84.4。美國(guó)Barnett頁(yè)巖的脆性指數(shù)為77.3～87.1，并且經(jīng)過(guò)壓裂實(shí)踐證明，該區(qū)塊比較容易產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)[15]。通過(guò)將臨興致密砂巖氣區(qū)塊3個(gè)層位的脆性指數(shù)與美國(guó)Barnett頁(yè)巖對(duì)比后，可看到，臨興致密砂巖氣區(qū)塊的脆性指數(shù)較高，比較適合縫網(wǎng)壓裂改造。

表2 臨興致密砂巖氣區(qū)塊巖石礦物成分X衍射全巖定量測(cè)試結(jié)果

2.4 縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向

在壓裂施工過(guò)程中，通過(guò)向壓裂液內(nèi)添加縫內(nèi)暫堵劑，以控制壓裂裂縫內(nèi)的凈壓力，可以實(shí)現(xiàn)裂縫周圍局部地應(yīng)力的改變，進(jìn)而達(dá)到裂縫轉(zhuǎn)向的目的?？p內(nèi)暫堵技術(shù)在重復(fù)壓裂中應(yīng)用較多，但隨著致密砂巖儲(chǔ)層實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)體積改造的需要，這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)在致密砂巖中得到廣泛推廣和應(yīng)用，也將成為砂巖儲(chǔ)層縫網(wǎng)壓裂的關(guān)鍵技術(shù)。利用應(yīng)力干擾公式，可以計(jì)算不同凈壓力所造成的應(yīng)力改變值，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同凈壓力下的誘導(dǎo)應(yīng)力差

由圖4可看到，當(dāng)裂縫內(nèi)的凈壓力為15MPa時(shí)，就能在裂縫壁面垂直距離為40m的范圍內(nèi)產(chǎn)生10MPa以上的誘導(dǎo)應(yīng)力差。臨興致密砂巖氣區(qū)塊3個(gè)層位的水平應(yīng)力差在7.3～11.7MPa，因此，可以實(shí)現(xiàn)裂縫周圍局部地應(yīng)力的翻轉(zhuǎn)，達(dá)到縫網(wǎng)壓裂的施工目的。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1)根據(jù)美國(guó)頁(yè)巖氣縫網(wǎng)壓裂施工的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)改造所應(yīng)具備的儲(chǔ)層物理特征和力學(xué)條件，為臨興致密砂巖氣區(qū)塊的直井縫網(wǎng)壓裂提供參考。

2)通過(guò)對(duì)臨興致密砂巖氣區(qū)塊的天然裂縫發(fā)育情況、巖石礦物組成和地應(yīng)力差異等儲(chǔ)層物理特征分析，認(rèn)為該區(qū)塊具備縫網(wǎng)形成的客觀條件和先決基礎(chǔ)。

3)臨興致密砂巖氣區(qū)塊的水平主應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，只要對(duì)裂縫內(nèi)的凈壓力大小進(jìn)行控制，就可以實(shí)現(xiàn)直井的縫網(wǎng)壓裂改造。

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