低滲透油藏注水誘導(dǎo)裂縫特征及形成機(jī)理
——以鄂爾多斯盆地安塞油田長(zhǎng)6油藏為例

趙向原，曾聯(lián)波，靳寶光，王 策，李恕軍

[1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249； 2. 中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；3.中國(guó)石油 長(zhǎng)城鉆探工程有限公司，北京 100101； 4. 中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田分公司，陜西 西安 710018]

我國(guó)低滲透油氣資源十分豐富，在松遼盆地、渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地和準(zhǔn)噶爾盆地等多個(gè)地區(qū)均有分布，其中鄂爾多斯盆地低滲透資源量比例最大，達(dá)到90%[1-6]。低滲透油藏已經(jīng)成為我國(guó)目前勘探工作的主要對(duì)象和儲(chǔ)量增長(zhǎng)主體，是油氣發(fā)展的主流[7]。低滲透油藏通常具有孔隙度和滲透率低、孔喉細(xì)小、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在啟動(dòng)壓力梯度及天然能量不足等特點(diǎn)，為了克服啟動(dòng)壓力梯度，及時(shí)補(bǔ)充地層能量，一般采用注水方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)[8]。由于低滲透油藏儲(chǔ)層物性差，地層吸水能力不強(qiáng)，注水較為困難，通過(guò)提高注水壓力、增加注水量可提高低滲透油藏水驅(qū)能力，擴(kuò)大注水波及面積，改善注水開(kāi)發(fā)效果[3]。但通過(guò)長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)以后，低滲透油藏普遍表現(xiàn)出了油井方向性高含水或暴性水淹，而其他方向油井注水不見(jiàn)效的現(xiàn)象[9-12]。研究表明，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是在注水井和水淹油井之間形成了裂縫性水流通道，它的形成進(jìn)一步加劇了低滲透油藏注采矛盾，嚴(yán)重影響了注水開(kāi)發(fā)效果[13-16]。本文將這類裂縫性通道稱為注水誘導(dǎo)裂縫，指低滲透油藏在長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中，當(dāng)注水壓力超過(guò)各類裂縫開(kāi)啟壓力或地層破裂壓力而形成的以水井為中心的高滲透性開(kāi)啟大裂縫或快速水流通道。本文以鄂爾多斯盆地安塞油田長(zhǎng)6(延長(zhǎng)組6油層組)低滲透油藏為例，在分析油藏注水開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)特征基礎(chǔ)上，研究注水誘導(dǎo)裂縫的基本特征并闡明其形成機(jī)理，該成果可為低滲透油藏注水開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1 地質(zhì)特征

鄂爾多斯盆地為一個(gè)疊合克拉通坳陷盆地[17]，由伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶帶、伊陜斜坡、天環(huán)坳陷和西緣沖斷帶等6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元構(gòu)成[18]。安塞油田位于伊陜斜坡中東部，該區(qū)構(gòu)造平緩，無(wú)斷層發(fā)育，由于差異壓實(shí)作用，僅在局部地區(qū)發(fā)育規(guī)模較小的鼻狀構(gòu)造[19]。該地區(qū)三疊系延長(zhǎng)組為一套典型的坳陷盆地河流-三角洲-湖泊相沉積體系[20]，主要由灰綠色層塊狀細(xì)砂巖、粉砂巖和深灰色及灰黑色泥巖組成的旋回沉積，地層厚度1 000～1 500 m[21]。該套延長(zhǎng)組自上至下分為長(zhǎng)1—長(zhǎng)10十個(gè)油層組，其中長(zhǎng)6為主力油層之一。由于受沉積和成巖等作用影響，長(zhǎng)6儲(chǔ)層致密，平均有效孔隙度為11%～15%，滲透率為1×10-3～3×10-3μm2，地層壓力系數(shù)為0.8，為典型的低孔、特低滲、低壓油藏。

研究表明，受燕山期和喜馬拉雅兩期古構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響[22]，安塞油田長(zhǎng)6儲(chǔ)層主要發(fā)育NEE-SWW向、近E-W向、近S-N向和NW-SE向4組天然裂縫，發(fā)育程度依次減弱，非均質(zhì)性較強(qiáng)；絕大多數(shù)為高角度構(gòu)造裂縫，其中傾角大于60°的裂縫占80%以上(圖1a)。

圖1 安塞油田長(zhǎng)6儲(chǔ)層巖心及延河露頭裂縫特征Fig.1 Fracture characteristics in cores of Chang 6 reservoir in Ansai oilfield and Yanhe outcropa.M1井，埋深1 275.0 m，細(xì)砂巖內(nèi)發(fā)育一條近直立的高角度構(gòu)造裂縫，縫面平直光滑，分布規(guī)則；b.延河剖面，觀察延長(zhǎng)組地層發(fā)育一組高角度 構(gòu)造裂縫，裂縫在單巖層內(nèi)發(fā)育，具有明顯的等間距特征；c.延河露頭，觀察平面上構(gòu)造裂縫組系特征明顯，呈雁列式排列

巖心和相似露頭顯示，絕大多數(shù)裂縫縱向高度小于2.5 m，主要在單巖層內(nèi)發(fā)育(圖1b)；露頭觀察平面上單條裂縫延伸長(zhǎng)度一般不超過(guò)20 m，若干單條裂縫平面上呈雁列式排列構(gòu)成一條延伸較遠(yuǎn)的裂縫帶，相鄰兩單條裂縫之間并不相互連通，而是存有較小的間距(圖1c)。巖心觀察統(tǒng)計(jì)表明，有近10%的天然裂縫被方解石局部充填，其他裂縫無(wú)充填，反映了該地區(qū)絕大多數(shù)天然裂縫為有效裂縫。根據(jù)水力壓裂和成像測(cè)井識(shí)別的誘導(dǎo)縫分析，該地區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)水平最大主應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)方向?yàn)?7°左右。

2 開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)特征

隨著安塞油田某區(qū)低滲透油藏注水開(kāi)發(fā)不斷深入，尤其是當(dāng)油田進(jìn)入中高含水階段以后，注采矛盾十分嚴(yán)重。多數(shù)井組在NEE-SWW方向上的油井高含水甚至水淹，而水淹井與注水井連線兩側(cè)的油井注水受效較差；但當(dāng)水淹井實(shí)施轉(zhuǎn)注，將注水方式改為排狀注水后，兩側(cè)油井受效明顯(圖2)。方向性水淹井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線表現(xiàn)出初期階段產(chǎn)油量較高且含水率較低，當(dāng)注水開(kāi)發(fā)一段時(shí)間以后，含水率在短時(shí)間內(nèi)呈階梯狀突然上升至很高比例，與之相對(duì)應(yīng)的是產(chǎn)油量突然下降，說(shuō)明油水井一旦溝通，大部分注入水通過(guò)油井直接采出，注水驅(qū)油效果甚微(圖3)。

從相應(yīng)的注水井不同時(shí)間吸水剖面來(lái)看，隨著注水的持續(xù)，逐漸表現(xiàn)出吸水段越來(lái)越不均衡，吸水層厚度不斷減小，吸水比不斷增大，在某些部位逐漸表現(xiàn)出尖峰狀(或指狀)吸水特征，表明地層中突然產(chǎn)生新吸水空間，使油層吸水能力增加(圖4)。同時(shí)，注水井注水指示曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)之前隨著注水壓力不斷增大，注水量逐漸增大，吸水指數(shù)為某一定值；當(dāng)注水壓力超過(guò)拐點(diǎn)壓力，即使注水壓力增加不大，但注水量卻急劇增大，吸水指數(shù)較拐點(diǎn)以前明顯增加(圖5)。此外，水淹油井對(duì)應(yīng)的注水井試井壓力雙對(duì)數(shù)曲線上可以看出，早期壓力變化曲線和壓力導(dǎo)數(shù)曲線開(kāi)口較早，呈斜率為“1”的直線，隨后壓力變化曲線和壓力導(dǎo)數(shù)曲線呈接近“1/2”斜率線平行上升，儲(chǔ)層表現(xiàn)出裂縫性滲流特征(圖6)。試井解釋儲(chǔ)層有效滲透率要比巖心基質(zhì)試驗(yàn)滲透率高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。水淹井組示蹤劑監(jiān)測(cè)顯示，在油水井連線的某一優(yōu)勢(shì)方向上示蹤劑見(jiàn)效最多，該方向上油水井距離均相對(duì)較遠(yuǎn)且見(jiàn)效時(shí)間最短，即推進(jìn)速度最快，其他方向上雖有油井監(jiān)測(cè)到示蹤劑，但見(jiàn)效時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，推進(jìn)速度較慢，反映出隨著長(zhǎng)時(shí)間注水開(kāi)發(fā)，儲(chǔ)層滲流表現(xiàn)出極強(qiáng)的平面非均質(zhì)性特征(圖7)。

圖2 安塞油田B區(qū)不同時(shí)間平面含水率分布Fig.2 Plane view water content distribution map at different time in Block B of Ansai oilfielda.1990年開(kāi)發(fā)情況;b.1991年開(kāi)發(fā)情況;c.1994年開(kāi)發(fā)情況;d.1996年開(kāi)發(fā)情況;e.2003年開(kāi)發(fā)情況;f.2012年開(kāi)發(fā)情況

圖3 安塞油田Y1井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線Fig.3 Production curves of Well Y1,Ansai oilfield

圖4 安塞油田Q1井不同時(shí)間實(shí)測(cè)吸水剖面Fig.4 Actual measurements of injected water at different time in Well Q1 in Ansai oilfield

圖5 安塞油田不同注水井注水指示曲線Fig.5 Water injection index curve of different water injection wells,Ansai oilfield

圖6 安塞油田A1井壓力雙對(duì)數(shù)擬合曲線Fig.6 Double logarithmic fitting curve of Well A1,Ansai oilfield

3 注水誘導(dǎo)裂縫基本特征

圖7 安塞油田示蹤劑監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.7 Tracer monitoring of Ansai oilfield

上述低滲透油藏注水開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)特征表明，低滲透油藏在長(zhǎng)期的注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中，逐漸形成了注水誘導(dǎo)裂縫，且隨著注水開(kāi)發(fā)時(shí)間的持續(xù)，注水誘導(dǎo)裂縫的規(guī)模不斷擴(kuò)大，嚴(yán)重影響開(kāi)發(fā)效果。結(jié)合以上認(rèn)識(shí)并綜合生產(chǎn)測(cè)井、試井、示蹤劑監(jiān)測(cè)及生產(chǎn)動(dòng)態(tài)等資料，對(duì)安塞油田A區(qū)20多個(gè)井組進(jìn)行分析，初步識(shí)別出11條注水誘導(dǎo)裂縫(圖8)，平面上G0，F(xiàn)1和F2井組形成的注水誘導(dǎo)裂縫已經(jīng)連通，規(guī)模最大；D1，C1，H1，P1，K1和R1井組注水誘導(dǎo)裂縫規(guī)模次之，超出了井組范圍；B1，R3和M1井組形成的注水誘導(dǎo)裂縫規(guī)模相對(duì)較小，沒(méi)有超出井組范圍。

通過(guò)對(duì)安塞油田長(zhǎng)6及其他低滲透裂縫性油藏[23-25]研究表明，這類油藏在長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)以后，尤其是進(jìn)入中高含水階段，均表現(xiàn)出了上文中所闡述的相類似的開(kāi)發(fā)特征，可見(jiàn)注水誘導(dǎo)裂縫的形成是低滲透油藏長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中所表現(xiàn)出的普遍特征，它是低滲透油藏注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中所表現(xiàn)出的新的開(kāi)發(fā)地質(zhì)屬性和最主要的非均質(zhì)性?？偨Y(jié)注水誘導(dǎo)裂縫特征主要包括如下4個(gè)方面。

圖8 安塞油田A區(qū)長(zhǎng)6油藏注水誘導(dǎo)裂縫分布Fig.8 Distribution of waterflood induced fractures in Chang 6 reservoir,Block A of Ansai oilfield

1) 注水誘導(dǎo)裂縫為張性裂縫，裂縫規(guī)模大，延伸長(zhǎng)，在縱向上不受單層控制，在平面上可延伸幾個(gè)甚至多個(gè)井距，遠(yuǎn)大于單條天然裂縫的規(guī)模。由于低滲透儲(chǔ)層基質(zhì)滲透性較差，滲流阻力大，注水井注水以后地層吸水能力差，井底易造成憋壓且壓力不易擴(kuò)散，致使注水壓力不斷升高。同時(shí)，由于低滲透儲(chǔ)層中發(fā)育天然裂縫或人工裂縫，可使地層破裂壓力下降大約45%～57%，不斷升高的注水壓力極易超過(guò)裂縫開(kāi)啟壓力或地層破裂壓力，造成地層中天然裂縫或人工裂縫張開(kāi)，甚至不斷擴(kuò)展，使注入水沿著裂縫快速流動(dòng)，形成注水誘導(dǎo)裂縫，因此注水誘導(dǎo)裂縫的力學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)為張性裂縫。此外，露頭觀察顯示地層中絕大多數(shù)構(gòu)造裂縫為雁列式排列的剪切縫，平面上單條裂縫延伸長(zhǎng)度有限且各單縫之間并不相互連通。隨著注水的長(zhǎng)期持續(xù)，平面上天然裂縫將不斷發(fā)生擴(kuò)展延伸，最終形成連通油水井甚至溝通多個(gè)井組的注水誘導(dǎo)裂縫，其規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地層中單條天然裂縫的長(zhǎng)度。

2) 注水誘導(dǎo)裂縫延伸方位一般與主滲流裂縫方向或者現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)最大水平主應(yīng)力方向一致。地層中天然裂縫具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，由于受裂縫性質(zhì)、產(chǎn)狀、圍壓、孔隙流體壓力及現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)等因素的影響，不同產(chǎn)狀裂縫的開(kāi)啟壓力不同，因而在注水過(guò)程中，這些裂縫存在一定的開(kāi)啟序列。如對(duì)于高角度縫而言，一般情況下，走向與現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)最大水平主應(yīng)力(σH)方向夾角最小或近一致的那組裂縫會(huì)優(yōu)先被開(kāi)啟，而走向與σH方位夾角較大或近垂直的裂縫會(huì)被最后開(kāi)啟，甚至不會(huì)被開(kāi)啟。若地層中不發(fā)育天然裂縫時(shí)，根據(jù)彈性力學(xué)理論和巖石破裂準(zhǔn)則，同人工壓裂縫相類似，注水誘導(dǎo)裂縫總是沿著垂直于最小水平主應(yīng)力的方向起裂和擴(kuò)展。因此，不論是天然裂縫開(kāi)啟還是地層中產(chǎn)生新的破裂，其展布方向總是與現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)最大水平主應(yīng)力(σH)方向近一致。

3) 沿注水誘導(dǎo)裂縫方向的滲透率高，注入水沿裂縫快速流動(dòng)，極易造成裂縫方向上的油井快速高含水甚至水淹，而裂縫兩側(cè)注入水波及范圍小，驅(qū)油效率變差。低滲透油藏基質(zhì)滲透率低，注水誘導(dǎo)裂縫形成以后，其滲透率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基質(zhì)滲透率，一般可以達(dá)到幾千甚至幾萬(wàn)個(gè)毫達(dá)西，注入水主要沿著裂縫帶快速突進(jìn)，造成裂縫帶上的油井高含水或暴性水淹。此外，裂縫帶上壓力傳遞快，主側(cè)向壓差大，見(jiàn)效井與未見(jiàn)效井地層壓力相差可達(dá)3～11 MPa，壓力分布極不均衡，此時(shí)注入水向裂縫帶兩側(cè)驅(qū)油效果變差，側(cè)向油井見(jiàn)效緩慢甚至長(zhǎng)期不見(jiàn)效，裂縫中的水系統(tǒng)將基質(zhì)中大部分的油圈閉起來(lái)，加劇注水開(kāi)發(fā)平面矛盾。這種現(xiàn)象在低滲透油藏中非常普遍，是裂縫性油藏注水開(kāi)發(fā)的普遍特征。

4) 注水誘導(dǎo)裂縫的形成是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程。隨著低滲透油藏注水開(kāi)發(fā)的持續(xù)和注水壓力的不斷提高，注水誘導(dǎo)裂縫的規(guī)模將不斷擴(kuò)大，對(duì)注水開(kāi)發(fā)的影響也就越大。根據(jù)注水動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征可知，注水誘導(dǎo)裂縫并非瞬間形成，它是在低滲透油藏長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中逐漸形成的。注水導(dǎo)致注水井井底附近壓力增大是造成注水誘導(dǎo)裂縫形成的直接原因，地層中壓力的變化使井底裂縫被激活或使巖層發(fā)生破裂，這種變化會(huì)隨著注水的持續(xù)不斷發(fā)生，最終形成規(guī)模較大的裂縫性水流通道，這個(gè)過(guò)程可能持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年之久。

4 注水誘導(dǎo)裂縫形成機(jī)理

低滲透油藏中普遍發(fā)育非均質(zhì)性較強(qiáng)的天然裂縫，部分轉(zhuǎn)注井在轉(zhuǎn)注前大多數(shù)均進(jìn)行了壓裂改造或其他生產(chǎn)措施，井周圍又存在不同類型的人工裂縫。在長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中，當(dāng)注水壓力超過(guò)井底不同類型裂縫的開(kāi)啟壓力或地層破裂壓力時(shí)，在原始狀態(tài)下閉合的天然裂縫或人工裂縫就會(huì)被激活、開(kāi)啟，或者使巖層發(fā)生新的破裂，這幾類裂縫的規(guī)模均會(huì)隨著注水的持續(xù)而不斷擴(kuò)大，進(jìn)而就會(huì)形成以注水井為中心分布的注水誘導(dǎo)裂縫。根據(jù)低滲透油藏儲(chǔ)層地質(zhì)特征、儲(chǔ)層中裂縫的類型和分布特征、注水開(kāi)發(fā)特征等綜合分析可知，注水誘導(dǎo)裂縫主要有以下3種形成機(jī)理。

1) 由于注水壓力超過(guò)天然裂縫的開(kāi)啟壓力，使天然裂縫張開(kāi)、擴(kuò)展和延伸，最終形成規(guī)模較大的注水誘導(dǎo)裂縫。這類形成機(jī)理主要適用于注水井周圍地層中天然裂縫較為發(fā)育的情況。

形成注水誘導(dǎo)裂縫的條件為：

pws>pi

(1)

(2)

式中：pws為注水壓力，MPa；pi為裂縫開(kāi)啟壓力，MPa；ν為巖石泊松比，無(wú)量綱；p0為上覆巖層壓力，MPa；pp為地層孔隙壓力，MPa；σH，σh分別為現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)的最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力，MPa；θ為裂縫傾角，(°)；β為現(xiàn)今地應(yīng)力方向與裂縫走向的夾角，(°)。

安塞地區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層主要發(fā)育NEE-SWW向和近E-W向兩組裂縫，近S-N向和NW-SE向裂縫發(fā)育程度較弱。在現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)NEE-SWW向最大主應(yīng)力的作用下，上述不同組裂縫存在一定的開(kāi)啟序列，計(jì)算表明，近平行于該主應(yīng)力方向的NEE-SWW向裂縫和走向與主應(yīng)力方向加夾角較小的近E-W向裂縫開(kāi)啟壓力最小，近S-N向和NW-SE向裂縫開(kāi)壓力最大(表1)。因此持續(xù)注水導(dǎo)致壓力升高會(huì)使得NEE-SWW向裂縫將會(huì)被優(yōu)先開(kāi)啟，當(dāng)注水壓力進(jìn)一步擴(kuò)大造成裂縫延伸時(shí)，該組雁列式裂縫將依次會(huì)被激活并相互連通，形成規(guī)模較大注水誘導(dǎo)裂縫。

2) 由于注水壓力超過(guò)地層破裂壓力，在地層中不斷產(chǎn)生新的破裂，進(jìn)而形成注水誘導(dǎo)裂縫。這類形成機(jī)理主要適用于注水井周圍地層中天然裂縫和人工裂縫均不發(fā)育的情況，或天然裂縫發(fā)育但其產(chǎn)狀與現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)匹配關(guān)系導(dǎo)致天然裂縫開(kāi)啟壓力大于地層破裂壓力的情形。

表1 安塞油田A區(qū)長(zhǎng)6油層不同產(chǎn)狀裂縫開(kāi)啟壓力計(jì)算Table 1 Opening pressure calculation of fractures with different geometry occurrences in Chang 6 reservoir,Block A of Ansai oilfield

形成注水誘導(dǎo)裂縫的條件為：

pws>pf

(3)

pf=3σ3-σ1+σt-pp

(4)

式中，pf為地層破裂壓力[23]，MPa；σ1,σ3分別為現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，MPa；σt為巖石抗張強(qiáng)度。

若儲(chǔ)層中各類裂縫均不發(fā)育，注入水僅靠基質(zhì)儲(chǔ)層吸收，而低滲透儲(chǔ)層吸水能力較弱，注水將使得井底壓力不斷升高，當(dāng)升高至巖層破裂壓力時(shí)，將會(huì)在地層中產(chǎn)生破裂，而持續(xù)注水將會(huì)使得這種破裂持續(xù)發(fā)生，最終在地層中形成規(guī)模較大、延伸較遠(yuǎn)的注水誘導(dǎo)裂縫。

此外，若當(dāng)?shù)貙又邪l(fā)育走向與現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力方向夾角較大(或其他產(chǎn)狀)的天然裂縫時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)裂縫開(kāi)啟壓力大于地層破裂壓力的情形，此時(shí)注水導(dǎo)致井底壓力在沒(méi)有達(dá)到裂縫開(kāi)啟壓力之前就已經(jīng)達(dá)到了地層破裂壓力，地層中依舊會(huì)產(chǎn)生新的破裂，進(jìn)而形成注水誘導(dǎo)裂縫。長(zhǎng)6儲(chǔ)層中主要發(fā)育高角度構(gòu)造裂縫，斜交縫和低角度縫數(shù)量較少，為了討論地層破裂壓力大于裂縫開(kāi)啟壓力的情況，假設(shè)在H0深度處同時(shí)存在各類產(chǎn)狀的天然裂縫(其中裂縫傾角θ和走向ω的范圍分別為30°<θ<90°，0°<ω<90°，此時(shí)，裂縫走向與現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)最大水平主應(yīng)力方向的夾角β分布范圍為0°<β<90°)。通過(guò)繪制H0深度處不同產(chǎn)狀裂縫開(kāi)啟壓力[pi=f(θ，β)]同地層破裂壓力(pf)關(guān)系圖可知(圖9)，存在以下兩種情況：

圖9 安塞油田A1井H0深度處不同產(chǎn)狀裂縫開(kāi)啟壓力與地層破裂壓力[24]Fig.9 Opening pressure of fractures with different geometry occurrences and formation fracture pressure at the depth of H0,Well A1 in Ansai oilfield[24]

① 當(dāng)0°≤β≤5°時(shí)，θ∈[30°，90°]，或80°≤θ≤90°時(shí)，β∈[0°，90°]，f(θ，β)

② 當(dāng)5°<β≤90°且30°≤θ≤80°時(shí)，裂縫開(kāi)啟壓力與地層破裂壓力之間不存在統(tǒng)一的大小關(guān)系，需要根據(jù)具體裂縫的發(fā)育情況分別計(jì)算后進(jìn)行比較，若裂縫開(kāi)啟壓力小于地層破裂壓力，注水誘導(dǎo)裂縫的形成符合機(jī)理一；若裂縫開(kāi)啟壓力大于地層破裂壓力，注水誘導(dǎo)裂縫的形成機(jī)理符合機(jī)理二。安塞油田長(zhǎng)6油藏主要發(fā)育高角度構(gòu)造裂縫，且走向?yàn)镹EE-SWW向、近E-W向的裂縫占80%以上，這些裂縫的走向與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向夾角較小，使得裂縫開(kāi)啟壓力均比地層破裂壓力要小。

3) 當(dāng)注水井周圍存在因壓裂、鉆井、射孔及其他人為等因素導(dǎo)致的不同類型的人工裂縫時(shí)，注入水直接沿著導(dǎo)流能力較高的人工縫突進(jìn)形成裂縫性水竄通道，或由于注水壓力高，甚至使得注水井周圍的人工裂縫發(fā)生延伸擴(kuò)展，形成注水誘導(dǎo)裂縫。這類形成機(jī)理主要適用于已壓裂油井實(shí)施轉(zhuǎn)注或其他人為因素導(dǎo)致的在井周圍已經(jīng)產(chǎn)生了與現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)最大水平主應(yīng)力方向一致的人工裂縫的情況。

形成注水誘導(dǎo)裂縫的條件為：

pws>pc

(5)

或pws>pe

(6)

(7)

(8)

式中：pc為人工裂縫閉合壓力，MPa；pe為裂縫延伸壓力[25]，MPa；E為彈性模量，MPa；G為縫面能，J/cm2；Lf為裂縫半長(zhǎng)，cm。

安塞長(zhǎng)6油藏開(kāi)發(fā)初多采用250～300 m反九點(diǎn)面積井網(wǎng)，通過(guò)壓裂改造和注水補(bǔ)充能量的方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，油井方向性高含水或水淹明顯。針對(duì)主側(cè)向油井開(kāi)發(fā)矛盾，注水方式調(diào)整為轉(zhuǎn)注主向水淹井，形成排狀注水，以提高側(cè)向波及體積和側(cè)向井見(jiàn)效程度。在這種情況下，由于轉(zhuǎn)注前油井均實(shí)施了壓裂改造及射孔等生產(chǎn)措施，井周圍存在與現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)最大水平主應(yīng)力方向一致的人工裂縫，轉(zhuǎn)注后人工裂縫將對(duì)注入水的流動(dòng)產(chǎn)生重要影響。由于人工裂縫的規(guī)模一般遠(yuǎn)大于儲(chǔ)層中單條天然裂縫的規(guī)模，相應(yīng)的人工裂縫的導(dǎo)流能力也要大于天然裂縫和儲(chǔ)層基質(zhì)，注水過(guò)程中，注入水首先將沿著人工裂縫竄進(jìn)。隨著注水的持續(xù)和注水強(qiáng)度的增大，沿裂縫帶含水飽和度將快速增大，當(dāng)?shù)貙訅毫Σ粩嘣龃笾寥斯ち芽p的開(kāi)啟壓力時(shí)，人工裂縫開(kāi)啟且規(guī)模有可能增大，直接造成注入水沿裂縫竄流，甚至與主向上的注水井相互溝通，最終形成規(guī)模更大的注水誘導(dǎo)裂縫。

如研究區(qū)S1井，1996年7月份進(jìn)行射孔、壓裂試油，壓裂層段深度為1 246.0～1 255.0 m，產(chǎn)生一條NEE-SWW向人工裂縫，隨后該井一直作為生產(chǎn)井投產(chǎn)；至2010年10月該井轉(zhuǎn)注，注水量保持在13 m3/d，注水過(guò)程中注水壓力不斷上升，從起初的4.5 MPa經(jīng)過(guò)3個(gè)多月就上升到6.5 MPa，轉(zhuǎn)注半年后測(cè)得吸水剖面顯示在人工裂縫處已經(jīng)表現(xiàn)出指狀吸水特征。通過(guò)計(jì)算該井人工裂縫的開(kāi)啟壓力為18.55 MPa，折算到井口處為6.05 MPa，注水3個(gè)月后實(shí)際注水壓力(折算到地下)已經(jīng)超過(guò)了人工裂縫的開(kāi)啟壓力，此時(shí)注入水已經(jīng)使得人工裂縫開(kāi)啟，并沿人工裂縫流動(dòng)，產(chǎn)生了注水誘導(dǎo)裂縫。

需要說(shuō)明的是，由于儲(chǔ)層中裂縫分布具有較強(qiáng)非均質(zhì)性，因此在某一條注水誘導(dǎo)裂縫的生長(zhǎng)過(guò)程中可能并不一定始終遵循某一種形成機(jī)理。如當(dāng)井筒附近不發(fā)育裂縫時(shí)，注水誘導(dǎo)裂縫的形成之初可能符合機(jī)理二；但隨著注水的持續(xù)，當(dāng)注水誘導(dǎo)裂縫不斷擴(kuò)大，甚至延伸至裂縫發(fā)育區(qū)時(shí)，其形成機(jī)理可能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)理一。總之，注水誘導(dǎo)裂縫的形成是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，其發(fā)育特征同時(shí)受控于工程和地質(zhì)兩大因素。

鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組低滲透油藏普遍發(fā)育高角度構(gòu)造剪切裂縫，在長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中，當(dāng)注水壓力超過(guò)裂縫開(kāi)啟壓力，使雁列式構(gòu)造裂縫張開(kāi)、延伸擴(kuò)展并相互連通，是該地區(qū)注水誘導(dǎo)裂縫主要的成因機(jī)理。根據(jù)這一認(rèn)識(shí)，利用ECLIPSE數(shù)值模擬器對(duì)這一機(jī)理下的注水誘導(dǎo)裂縫的形成過(guò)程進(jìn)行了模擬(圖10)，模擬過(guò)程中所建立的理論模型及采用的相關(guān)參數(shù)均依據(jù)安塞油田A區(qū)長(zhǎng)6油藏實(shí)際儲(chǔ)層地質(zhì)特征及注水開(kāi)發(fā)階段的井網(wǎng)條件來(lái)進(jìn)行確定，網(wǎng)格大小為4m×4m×2.1m，其中裂縫采用局部網(wǎng)格加密處理。結(jié)果顯示，隨著注水開(kāi)發(fā)的不斷持續(xù)，天然裂縫內(nèi)的壓力不斷升高，裂縫發(fā)生擴(kuò)展，使得雁列式裂縫依次相互連通，逐漸形成了一條規(guī)模較大的裂縫性水流通道。在此過(guò)程中，注水井井底壓力相應(yīng)的呈現(xiàn)出了連續(xù)的不規(guī)則的周期性變化，其中每一個(gè)周期代表一條雁列式天然裂縫張開(kāi)和擴(kuò)展過(guò)程(圖11)。

圖12反映了裂縫擴(kuò)展過(guò)程中的一個(gè)周期內(nèi)裂縫內(nèi)的壓力變化情況，AB段代表注入水進(jìn)入裂縫之前的初始地層壓力；隨著注入水的注入，天然裂縫內(nèi)壓力逐漸升高(BC段)，當(dāng)注水壓力超過(guò)裂縫開(kāi)啟壓力達(dá)到裂縫延伸壓力pe(C點(diǎn))時(shí)裂縫張開(kāi)并延伸擴(kuò)展與另一條相鄰的裂縫相互連通，其壓力快速下降(CD段)；隨后注水壓力迅速恢復(fù)至一定水平(DE段)，完成了裂縫的一次延伸擴(kuò)展。在此之后，隨著注水的持續(xù)，其裂縫壓力變化又進(jìn)入了另一個(gè)裂縫延伸擴(kuò)展的周期變化的初始階段(EF段)。

圖10 注水誘導(dǎo)裂縫形成過(guò)程Fig.10 Formation process of waterflood induced fractures

圖11 注水誘導(dǎo)裂縫形成過(guò)程中注水井井底壓力變化情況Fig.11 Changes of bottom hole pressure of water injection well during the formation of waterflood induced fractures

圖12 注水引起的裂縫開(kāi)啟并延伸擴(kuò)展一個(gè)周期縫內(nèi)壓力變化Fig.12 Pressure change within a cycle of fracture opening and extension induced by water injection

5 結(jié)論

1) 注水誘導(dǎo)裂縫是指低(特低)滲透油藏在長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中，當(dāng)注水壓力超過(guò)各類裂縫開(kāi)啟壓力或地層破裂壓力而形成的以水井為中心的高滲透性開(kāi)啟大裂縫或快速水流通道。注水誘導(dǎo)裂縫是低滲透油藏長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)中表現(xiàn)出的新的開(kāi)發(fā)地質(zhì)屬性和最主要的非均質(zhì)性，對(duì)于長(zhǎng)期水驅(qū)的低滲透油藏來(lái)說(shuō)具有普遍性和必然性。

2) 分析注水誘導(dǎo)裂縫的基本特征可知，它在力學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)為張性裂縫，規(guī)模大、延伸長(zhǎng)，在縱向上不受單層控制，在平面上可延伸幾個(gè)甚至多個(gè)井距，遠(yuǎn)大于單條天然裂縫規(guī)模，其延伸方位一般與主滲流裂縫方向或現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向一致；沿注水誘導(dǎo)裂縫滲透率高，注水極易造成裂縫方向上的油井快速高含水或水淹，而裂縫兩側(cè)注水波及范圍小，驅(qū)油效率差；注水誘導(dǎo)裂縫的形成是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，隨著低滲透油藏注水開(kāi)發(fā)的持續(xù)，注水誘導(dǎo)裂縫規(guī)模將不斷擴(kuò)大，對(duì)注水開(kāi)發(fā)的影響也越大。

3) 由于低滲透油藏中存在天然裂縫及不同類型的人工裂縫，使得注水誘導(dǎo)裂縫的形成可能具有不同機(jī)理。當(dāng)注水壓力過(guò)高，超過(guò)天然裂縫開(kāi)啟壓力使天然裂縫張開(kāi)、擴(kuò)展和延伸，或超過(guò)地層破裂壓力使得地層中不斷產(chǎn)生新的破裂，或使注水井周圍因壓裂、鉆井、射孔及其他等人為因素導(dǎo)致的不同類型的人工裂縫張開(kāi)和擴(kuò)展等是注水誘導(dǎo)裂縫形成的3類機(jī)理。鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組低滲透油藏普遍發(fā)育高角度構(gòu)造剪切裂縫，長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中，當(dāng)注水壓力超過(guò)天然裂縫開(kāi)啟壓力，使雁列式構(gòu)造裂縫張開(kāi)、延伸擴(kuò)展并相互連通，是該區(qū)注水誘導(dǎo)裂縫的主要形成機(jī)理。