體積改造技術(shù)理論研究進展與發(fā)展方向

胥云 ，雷群 ，陳銘，吳奇, ，楊能宇，翁定為 ，李德旗，蔣豪

（1. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2. 中國石油油氣藏改造重點實驗室，河北廊坊 065007；3. 中國石油大學(xué)（北京），北京 102249；4. 中國石油勘探與生產(chǎn)分公司，北京 100007；5. 中國石油浙江油田公司，杭州 310023）

0 引言

水平井體積改造已成為非常規(guī)油氣實現(xiàn)有效開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)[1-3]，深入理解體積改造技術(shù)理論對壓裂優(yōu)化設(shè)計與現(xiàn)場應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。為此，筆者結(jié)合體積改造技術(shù)的理論研究與現(xiàn)場實踐最新進展，進一步闡釋體積改造技術(shù)理論內(nèi)涵，總結(jié)分析體積改造理論體系研究成果與關(guān)鍵技術(shù)，展望未來發(fā)展方向，旨在推動該技術(shù)在更加廣泛的領(lǐng)域上應(yīng)用。

1 體積改造技術(shù)發(fā)展概述

1.1 技術(shù)的緣起與核心理論

Maxwell[4]在 2002年通過微地震監(jiān)測發(fā)現(xiàn)水平井分段壓裂中，裂縫平面和縱向上呈復(fù)雜網(wǎng)狀擴展形態(tài)，而不是傳統(tǒng)壓裂理論表述的雙翼對稱裂縫，這個發(fā)現(xiàn)成為體積改造技術(shù)啟蒙的節(jié)點。Mayerhofer[5]在 2006年首次提出“油藏改造體積（SRV）”的概念，2010年針對 SRV進行深入分析但并不包括技術(shù)層面的闡釋[6]。2008年筆者研究團隊在業(yè)內(nèi)提出“縫網(wǎng)”壓裂技術(shù)構(gòu)想，通過1年研究與實踐，于2009年發(fā)表文章[7]闡述了該技術(shù)與試驗應(yīng)用效果；2009年1月在中國石油正式提出“體積改造”技術(shù)理念，經(jīng)過 1年多研究總結(jié)于2011年發(fā)表第1篇文章[1]，明確提出體積改造技術(shù)是儲集層改造的重大變革，2013年[2-3]初步建立了體積改造技術(shù)理論和設(shè)計方法。

總體上講，體積改造技術(shù)是現(xiàn)代理論下的壓裂技術(shù)總論，“縫網(wǎng)”是體積改造追求的裂縫形態(tài)，“縫網(wǎng)壓裂”技術(shù)是體積改造技術(shù)的一種表達形式。筆者研究團隊構(gòu)建的體積改造技術(shù)，是在非常規(guī)油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域以不同視角對經(jīng)典達西定律的詮釋，其核心理論是：①1個方法：“打碎”儲集層，形成網(wǎng)絡(luò)裂縫，人造滲透率；②3個內(nèi)涵：裂縫壁面與儲集層基質(zhì)的接觸面積最大，儲集層流體從基質(zhì)流至裂縫的距離最短，基質(zhì)中流體向裂縫滲流所需壓差最小；③3個作用：提高單井產(chǎn)量，提高采收率，儲量動用最大化。國內(nèi)外學(xué)者的研究表明[8-10]，非常規(guī)油氣的基質(zhì)滲流無論考慮非達西流動、啟動壓力流動還是多尺度流動等，非達西流動特征的表述模型仍是達西定律的表達形式，只是用不同參數(shù)進行修正，其滲流特征仍受滲流面積、流動距離、驅(qū)動壓差控制。這些研究從理論上證實了用“最大、最短、最小”詮釋體積改造技術(shù)核心理論內(nèi)涵的合理性。因此，可以說達西定律是構(gòu)建體積改造技術(shù)的理論基礎(chǔ)，“最大、最短、最小”是達西定律在儲集層改造領(lǐng)域的全新表現(xiàn)。體積改造技術(shù)不僅可以在非常規(guī)儲集層廣泛應(yīng)用，在低飽和度油藏、稠油油藏，甚至常規(guī)油氣藏的開發(fā)中均可應(yīng)用。體積改造技術(shù)對于深層非常規(guī)儲集層同樣適用，其主要的技術(shù)瓶頸是深井作業(yè)技術(shù)能力與作業(yè)水平，井口與設(shè)備的耐高壓能力以及更大的投入，如何降本增效是深層頁巖氣有效開發(fā)的重要研究方向。

自體積改造技術(shù)提出以來，不僅在中國石油領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，國外學(xué)者[11]也認為通過多簇大規(guī)模壓裂來“打碎”井筒附近區(qū)域巖石是壓裂技術(shù)未來發(fā)展方向。Pearson等[12]對比分析了巴肯盆地采用不同工具及工藝技術(shù)方法取得的效果，實踐證明橋塞分段、分簇射孔、滑溜水、大規(guī)模、大排量的體積改造技術(shù)效果最佳。Romanson等[13]通過巴肯盆地體積改造后形成復(fù)雜裂縫的微地震圖（見圖1），驗證了體積改造技術(shù)的普適性。

圖1 巴肯盆地水平井體積改造微地震監(jiān)測結(jié)果

1.2 體積改造新進展的理論實質(zhì)

近年來體積改造技術(shù)新進展在于業(yè)內(nèi)研究者對非常規(guī)儲集層體積改造技術(shù)的深入理解與發(fā)展，主要體現(xiàn)在井距與簇間距不斷縮小，對多層或厚層油氣藏采用立體式體積改造，以及超長水平井大幅降低成本并提高最終可采儲量（EUR）。

微地震監(jiān)測和試井分析表明[14-15]水力裂縫實際縫長遠小于微地震事件分布范圍，在較大井距條件下（如400 m），人工裂縫長度不足以實現(xiàn)對井間儲集層的全覆蓋，儲量動用率受限，改造效率未能實現(xiàn)最大化。為此，北美采用了縮小井距[16-18]的技術(shù)對策，將井距從2009年的400 m縮小到200 m以內(nèi)，最小井距已達76 m[19]?？s小井距可減小壓裂設(shè)計縫長，有助于現(xiàn)場施工，加強支撐劑對遠井裂縫的支撐，使裂縫對兩井間的儲量實現(xiàn)“全”控制并且大幅減少遠井未改造油藏體積。此外，縮小井距的同時，通常需縮小簇間距，這兩者密切相關(guān)。目前北美非常規(guī)儲集層水平井分段改造的簇間距從20～30 m[20]縮小到5～10 m[21]。在小簇間距條件下，簇間形成網(wǎng)絡(luò)裂縫已不是必要條件，兩條裂縫切割的基質(zhì)中油氣與裂縫間滲流距離僅為數(shù)米；對于微、納達西級滲透率儲集層，基質(zhì)中的流體流動至裂縫所需的驅(qū)動壓差已極大減小，基質(zhì)中的油氣動用基本無阻礙。“全”可采是該技術(shù)內(nèi)核與終極目標。

提高層狀或厚層非常規(guī)儲集層的縱向剖面有效動用程度一直是儲集層改造領(lǐng)域的重要研究課題，直井封隔器滑套分層壓裂、連續(xù)油管水力噴砂分層壓裂、多分支水平井壓裂都是有效的技術(shù)方法。隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，鉆井速度大幅度提高，如在Eagle Ford區(qū)塊，典型井井深4 853 m，水平段長度2 198 m，從一開到鉆完僅用 6.02 d。鉆井成本從早期占完井成本的60%～80%下降到21%～34%。鉆井提速促使立體式體積改造技術(shù)出現(xiàn)（見圖 2）[22]，即針對每一個目標層單獨鉆一口水平井，不再采用多分支水平井。多層水平井與多分支井相比，作業(yè)簡單、效率高、風險小、綜合成本低。該技術(shù)將體積改造“打碎”儲集層的理念從平面發(fā)展到縱向進行應(yīng)用，參照平臺模式下的水平井開發(fā)，縱向上多層疊置布井，交錯布縫，利用裂縫高度擴展在縱向上產(chǎn)生的有效應(yīng)力干擾形成網(wǎng)絡(luò)裂縫，大幅提高縱向剖面的儲量動用率。Farhan等[22]發(fā)現(xiàn)在Wolfcamp區(qū)塊采用3層疊置的多層水平井進行開發(fā)時，有產(chǎn)量的井中 78%屬于多層模式完井。Eagle Ford、Niobrara等區(qū)塊現(xiàn)場實踐表明，原先測井解釋為無動用經(jīng)濟價值的差儲集層，采用該技術(shù)進行改造后與好儲集層的開發(fā)效果相近[23]。

圖2 立體式開發(fā)獨立水平井布井示意圖

北美從 2013年開始探索應(yīng)用超長水平井壓裂技術(shù)，至2016年水平段由1 900 m發(fā)展到5 700 m，如Eclipse公司在Utica 區(qū)塊的Purple Hayes 1H井成功實施超長水平井壓裂[24]。該井井深 8 244 m，水平段長5 652 m，垂深2 307 m，鉆井17.5 d，23.5 d完成壓裂，分壓124段，每段45.72 m，每天5.3段，每段5簇。該井壓裂后天然氣產(chǎn)量為14.16×104m3/d，凝析油190.8 m3/d，根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)預(yù)測3年EUR可達2.76×108m3。超長水平井能夠減少每米鉆完井成本并提高井的經(jīng)濟指標，使壓裂和鉆井成本降低 20%～30%，相比短水平段井利潤提高 35%～70%。超長水平井增加切割基質(zhì)的壓裂裂縫條數(shù)以及裂縫與基質(zhì)的接觸面積，能夠最大化水平段的儲量動用能力，延緩產(chǎn)量遞減速度，大幅提高EUR，實現(xiàn)降本增效。

“密切割、立體式、超長水平井”是北美對體積改造技術(shù)理解與應(yīng)用的新突破，其核心是進一步縮短基質(zhì)中的流體向裂縫滲流的距離，大幅降低驅(qū)動壓差，增大基質(zhì)與裂縫的接觸面積。立體式體積改造從平面發(fā)展到立體，突破了體積改造在平面上“打碎”儲集層的思路。吐哈油田根據(jù)體積改造技術(shù)理論在其他類型的油藏進行試驗應(yīng)用均見到效果，也是對其核心理論“最大、最短、最小”的實踐與印證。

2 體積改造實現(xiàn)方法

2.1 水平井分簇限流技術(shù)

分簇射孔是體積改造技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，每一個壓裂段采用多簇射孔（3簇或更多）時，在恒定排量下確保每簇開啟的關(guān)鍵是限制壓裂段內(nèi)的射孔數(shù)，如果總孔數(shù)能夠確保每簇開啟有足夠的節(jié)流阻力，就可實現(xiàn)射孔簇的全部開啟[3]，而不必采用段內(nèi)暫堵技術(shù)打開未能開啟的簇。由于儲集層非均質(zhì)性和射孔孔眼相位等因素的影響，對于如何實現(xiàn)各簇均衡改造問題，需要從多裂縫擴展方面（見圖3）進行研究分析。

圖3 多簇裂縫擴展示意圖

裂縫擴展時，注入液體的能量轉(zhuǎn)化為巖石應(yīng)變能和斷裂能、克服遠場應(yīng)力和應(yīng)力干擾的能量、射孔摩阻和縫內(nèi)流體流動消耗的能量[25]?？紤]一段壓裂N簇裂縫的情況，每條裂縫的能量平衡方程為：

假設(shè)i裂縫受到j(luò)裂縫產(chǎn)生的應(yīng)力干擾大小為σI,i,j，同時考慮到礦場壓裂裂縫為黏性主導(dǎo)裂縫[26]，可忽略，因此（1）式可簡化為：

對于多簇水力裂縫擴展，根據(jù)（2）式可知，存在應(yīng)力干擾主導(dǎo)和射孔摩阻主導(dǎo)的情況。當應(yīng)力干擾作用遠大于射孔摩阻時，應(yīng)力干擾主導(dǎo)能量消耗，（2）式轉(zhuǎn)化為：

受縫間應(yīng)力干擾作用影響，簇內(nèi)裂縫需要克服更多來自其他裂縫的應(yīng)力做功。由于水力裂縫會按照能量消耗最少的方式擴展，因此內(nèi)側(cè)裂縫進液量減少，注入流量會更多地分配到外側(cè)裂縫。該情況下各簇裂縫進液量不均衡，相對外側(cè)裂縫，內(nèi)側(cè)裂縫擴展不充分。

當射孔摩阻遠大于應(yīng)力干擾作用時，射孔摩阻主導(dǎo)能量消耗，則（2）式轉(zhuǎn)化為：

根據(jù)（4）式可以看出，各簇裂縫的能量耗散不再存在差別，注入液量可以均勻地分配到各簇裂縫，從而實現(xiàn)各簇裂縫均衡擴展。

以上分析表明，水平井體積改造采用分簇限流技術(shù)可以實現(xiàn)各簇均衡改造，Lecampion和 Wu等[27-28]通過多簇裂縫擴展數(shù)值模擬研究也證實了該結(jié)論。Somanchi等[29]提出的極限限流壓裂技術(shù)即通過更大程度地分簇限流達到多簇同時開啟和均勻擴展的目的。該技術(shù)在Montany區(qū)塊試驗，每段3簇壓裂，每簇射孔數(shù)2～3個，施工排量5 m3/min，射孔節(jié)流阻力8.3 MPa。通過光纖診斷顯示，相對于常規(guī)限流壓裂，極限限流壓裂每簇進砂量更加均衡，射孔簇效率提高33%。Weddle等[30]報道了Bakken區(qū)塊極限限流壓裂效果，水平段長度4 313 m，分壓40～50段，每段12～15簇，180°相位角等孔徑射孔，每簇2孔，砂量0.98～1.51 t/m，排量12.7 m3/min，射孔節(jié)流阻力10～14 MPa。壓后伽馬測井表明極限限流射孔簇效率為80%～90%，而常規(guī)限流的簇效率僅為 30%～80%。但是該技術(shù)的排量較低，主要是因為極限限流技術(shù)的孔數(shù)太少，會導(dǎo)致節(jié)流阻力過高，大幅增加井口使用壓力，限制了排量的提升。而較低的排量往往會使得縫內(nèi)凈壓力較低，對形成復(fù)雜裂縫以及增大SRV不利。

通常施工過程中射孔孔眼受攜砂液沖蝕會導(dǎo)致孔徑增大、射孔摩阻減小，因此，優(yōu)化設(shè)計中要根據(jù)計算的節(jié)流阻力適度減少孔數(shù)來確保每簇有效開啟，同時在施工中快速提升排量，迅速建立井底壓力來確保每簇開啟有足夠的節(jié)流阻力，保證各簇裂縫均勻進液，實現(xiàn)多簇裂縫的有效擴展。

2.2 近井和遠井裂縫復(fù)雜性控制技術(shù)

體積改造的主要目的是增加遠井裂縫復(fù)雜性[31]。近井裂縫起裂形態(tài)應(yīng)盡量簡單以避免迂曲，或產(chǎn)生多裂縫使裂縫寬度不夠?qū)е驴籽厶幓蚪畮岸?。因此，通過定向射孔、等孔徑射孔等技術(shù)使射孔相位盡量與最大主應(yīng)力方向一致，能夠有效避免近井裂縫發(fā)生迂曲[32-33]。水平井分段壓裂時，同一射孔簇的射孔間距一般應(yīng)小于 4倍井筒直徑[34]，以保證不同孔眼處的裂縫為單一裂縫。

Beugelsdijk等[35]研究了天然裂縫地層壓裂的近井起裂形態(tài)，指出Qμ乘積是影響天然裂縫擴展以及裂縫擴展形態(tài)的關(guān)鍵。Qμ乘積為 8.3×10-8N·m，液體沿天然裂縫流動，無主裂縫；Qμ乘積為8.3×10-6N·m，形成主縫，天然裂縫不開啟。研究同時表明，排量速度變化率對裂縫起裂影響明顯，緩慢提高排量，壓力曲線無破壓顯示，注入液體沿天然裂縫濾失，近井形成多裂縫開啟（見圖4a）；快速提高排量，壓力曲線出現(xiàn)明顯破壓，天然裂縫不開啟，形成單一水力裂縫（見圖4b）。付海峰等[36]的物理模擬實驗驗證了Qμ乘積的作用；Lecampion等[37]也發(fā)現(xiàn)，針對近井發(fā)育天然裂縫的儲集層，快速提高排量建立井底壓力可避免多裂縫起裂，減小近井裂縫復(fù)雜度。

圖4 不同Qμ乘積條件下裂縫擴展形態(tài)剖面圖

Beugelsdijk等[35]研究了主裂縫轉(zhuǎn)向與天然裂縫開啟難易程度問題，認為人工裂縫轉(zhuǎn)向能力應(yīng)通過無因次凈壓力（凈壓力與水平應(yīng)力差比值）確定，無因次凈壓力越大，壓裂裂縫越容易偏離主裂縫方向，形成復(fù)雜裂縫。同時引入無因次水平應(yīng)力差異系數(shù)表征天然裂縫開啟能力：

相同應(yīng)力差條件下，最小水平主應(yīng)力越大，kh越小，天然裂縫開度越小，流體濾失進入天然裂縫難度越大，因此無因次水平應(yīng)力差異系數(shù)反映流體進入天然裂縫的能力，與水力壓裂裂縫轉(zhuǎn)向能力無關(guān)。

遠井裂縫擴展形態(tài)主要受遠場應(yīng)力、縫間應(yīng)力干擾和天然裂縫影響[38]。現(xiàn)場施工中可通過分簇射孔，利用簇間應(yīng)力干擾的疊加與縫內(nèi)轉(zhuǎn)向技術(shù)[7]提高遠井裂縫復(fù)雜性；還可縮小簇間距使多簇壓裂裂縫相互背離偏轉(zhuǎn)，增大裂縫復(fù)雜度，擴大橫向改造范圍[39]。天然裂縫發(fā)育且近井帶易砂堵儲集層，可考慮采用“凍膠破巖+滑溜水攜砂”的組合技術(shù)來降低砂堵風險，提高遠井帶裂縫復(fù)雜度。

2.3 小粒徑支撐劑與滑溜水攜砂技術(shù)

從支撐劑運移角度分析，支撐劑粒徑越小，沉降速度越慢；在縫內(nèi)的運移距離越遠，越能提高支撐劑的鋪置效果。支撐劑在縫內(nèi)沉降的公式為：

根據(jù)（6）式可知，支撐劑粒徑減小為常規(guī)粒徑的1/2，沉降速度則減小為常規(guī)粒徑支撐劑沉降速度的1/4。目前水平井體積改造由3簇向10簇以上發(fā)展[30]，每簇裂縫的分流量大幅下降，由于不能無限提高排量來增大縫寬，且不發(fā)生砂堵的極限動態(tài)縫寬是支撐劑粒徑的2～3倍[40]，因此選擇小粒徑支撐劑降低砂堵風險，提高支撐劑在裂縫內(nèi)的運移距離。

由于滑溜水體積壓裂易形成復(fù)雜裂縫，小粒徑支撐劑不僅在主裂縫內(nèi)沉降鋪置，更易進入分支縫與微細裂縫中，且以轉(zhuǎn)角支撐、單顆粒支撐的形態(tài)出現(xiàn)。這種鋪置形態(tài)符合早期“單層鋪置導(dǎo)流能力最好”的研究共識[41]，是復(fù)雜縫網(wǎng)有較好導(dǎo)流能力的重要原因。Ely等[42]總結(jié)對比了Eagle Ford和Bakken區(qū)塊的產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)小粒徑石英砂比大粒徑石英砂應(yīng)用效果好。目前北美在德克薩斯Grassland區(qū)塊等[43-44]開展了加入更小粒徑支撐劑的現(xiàn)場試驗，11口水平井，采用分段多簇壓裂，每段3簇，平均排量8.6 m3/min，0.150 mm（100目）和0.425/0.212 mm（40/70目）支撐劑的加砂濃度為300 kg/m3，0.045 mm（325目）的微粒徑粉砂的加砂濃度為12 kg/m3，此組合方式生產(chǎn)210 d單井累計產(chǎn)氣量提高20%～30%。Dahl等[43]通過實驗和數(shù)值模擬指出，注入小粒徑支撐劑能提高頁巖微裂縫滲透率而增加產(chǎn)量。

體積改造技術(shù)應(yīng)用中，普遍利用滑溜水的低黏度特點來擴大波及體積，以大液量實現(xiàn)能量補充，以大排量實現(xiàn)攜砂并促使支撐劑向裂縫遠端運移。在使用滑溜水施工時，后續(xù)支撐劑在裂縫中的運移與鋪置如圖 5所示，支撐劑隨著液體運移不斷發(fā)生連續(xù)沉降，逐漸從裂縫底部沿高度方向鋪置，形成對動態(tài)裂縫的支撐。施工結(jié)束后不追求快速返排或直接悶井，較低的液體返排率使縫內(nèi)壓裂液支撐裂縫不閉合，繼續(xù)沉降的支撐劑在已堆積鋪置的裂縫寬度條件下僅增加砂堤高度，使得大排量產(chǎn)生的動態(tài)縫寬基本為支撐縫寬，這是滑溜水壓裂可以不追求高砂濃度的機理。若選擇小粒徑支撐劑或小粒徑低密度支撐劑，就能夠使支撐劑在裂縫中運移更遠，對提高改造效果更有利。

圖5 滑溜水段塞壓裂攜砂沉降鋪置模式

3 體積改造設(shè)計模型

3.1 傳統(tǒng)壓裂模型

水力壓裂設(shè)計依賴其理論模型與計算方法。早期經(jīng)典模型為 PKN、GDK模型等[45]，后來由 Settari和Palmer等[46-47]發(fā)展為擬三維模型。該模型考慮了層間應(yīng)力差，但縫高方程沒有考慮垂向流動和層間力學(xué)性質(zhì)差異，薄互層、射孔段為高地應(yīng)力層時縫高預(yù)測誤差較大。Lee和Carter等[48-49]建立了全三維模型，該模型未引入縫高方程，通過縫內(nèi)流體二維流動方程與三維線彈性力學(xué)模型耦合求解縫寬和縫內(nèi)流體壓力，通過離散網(wǎng)格單元的應(yīng)力強度因子來判斷裂縫邊界，進而確定裂縫長度和高度。

3.2 非常規(guī)壓裂模型

近年來，體積改造技術(shù)的應(yīng)用推動了非常規(guī)壓裂模型的發(fā)展。盡管非常規(guī)壓裂模型仍以線彈性斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)，但解決的問題更加復(fù)雜，如：多簇裂縫擴展、剪切裂縫與層理弱面擴展、人工裂縫與天然裂縫的相互作用等。非常規(guī)壓裂模型主要解決兩大關(guān)鍵問題：①地層天然裂縫描述，包括天然裂縫幾何特征、巖石物理和力學(xué)參數(shù)等；②復(fù)雜裂縫擴展模擬，包括人工裂縫遇到天然裂縫后的擴展形態(tài)，張性裂縫和剪切滑移裂縫的擴展。目前復(fù)雜裂縫擴展模擬解法主要有4種：有限元、擴展有限元、邊界元和離散元。

Hossain等[50]最早提出了基于分形理論反演天然裂縫網(wǎng)絡(luò)的方法。模型考慮了剪切裂縫擴展，可用于滑溜水在天然裂縫發(fā)育地層的壓裂設(shè)計分析，并通過微地震監(jiān)測結(jié)果驗證了模型準確性。

Robert等[51]提出基于離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型（DFN）和產(chǎn)能數(shù)據(jù)反演地層天然裂縫網(wǎng)絡(luò)的方法，該模型主要用于壓后裂縫形態(tài)解釋，不適合壓裂前的設(shè)計分析。

Olson[52]建立了多簇壓裂和天然裂縫地層壓裂的邊界元模型，模型考慮了天然裂縫的剪切和張性破裂，可實現(xiàn)應(yīng)力干擾作用下復(fù)雜裂縫擴展模擬，后來 Wu等[53]將該模型拓展，可以同時考慮射孔和井筒摩阻。Dahi-Taleghani等[54]基于擴展有限元方法研究了水力裂縫與單條天然裂縫的相互作用，建立了采用能量釋放率評價天然裂縫和巖石基質(zhì)擴展難易程度的方法；研究了壓裂裂縫在不同長度或角度天然裂縫均勻分布的地層中的擴展形態(tài)[55]。該模型可實現(xiàn)對天然裂縫發(fā)育儲集層的壓裂模擬。

Meyer等[56]采用正交裂縫模型描述天然裂縫網(wǎng)絡(luò)，模型限定了壓裂裂縫形態(tài)只能為正交裂縫橢球體，與實際存在偏差。同年，Maxwell等[57]提出根據(jù)微地震校正裂縫擴展模型，反演地層天然裂縫形態(tài)的方法。該方法將水平井壓裂中監(jiān)測獲得的微地震事件與地質(zhì)建模、三維地震資料相結(jié)合，開創(chuàng)了地質(zhì)工程一體化研究的先河。

Kresse等[58]提出了非常規(guī)裂縫模型（UFM）。該模型在擬三維模型基礎(chǔ)上，根據(jù)Gu等[59]建立的水力裂縫尖端應(yīng)力場判斷水力裂縫與天然裂縫相交形態(tài)。后來模型引入考慮注入排量和黏度的半解析相交準則[60]。目前 UFM 模型考慮了多簇裂縫擴展的應(yīng)力干擾和支撐劑在縫內(nèi)的傳輸，并與微地震監(jiān)測結(jié)合來校正裂縫擴展結(jié)果，能實現(xiàn)多層油氣藏的分段多簇壓裂裂縫擴展數(shù)值模擬[61]。

Xu等[62-63]提出水平井分段多簇壓裂擴展模型。模型考慮縫間應(yīng)力干擾和變摩阻影響，實現(xiàn)多層油氣藏三維裂縫擴展的流固耦合模擬。但未考慮天然裂縫，無法模擬天然裂縫地層的裂縫擴展。

Nassir等[64]提出了天然裂縫性油氣藏水力壓裂的流固耦合模型。該模型采用彈塑性本構(gòu)方程描述天然裂縫的剪切和張性變形特征，基于三維空間的張性破裂和摩爾庫侖剪切破壞準則預(yù)測改造體積。模型考慮了地層非均質(zhì)性和天然裂縫彈塑性變形，可用于天然裂縫發(fā)育地層的裂縫擴展數(shù)值模擬。

Profit等[65]研發(fā)了致密氣儲集層分段多簇壓裂模擬器。該模擬器通過自適應(yīng)網(wǎng)格模擬技術(shù)實現(xiàn)了地質(zhì)力學(xué)與流體流動的全耦合，考慮了裂縫張性、剪切或混合破壞模式，能夠?qū)崿F(xiàn)地層流體的多相流動模擬。

Alfataierge[66]提出分析水力裂縫有效性的 4D/9C（四維/九分量）微地震解釋方法，在2018年提出4D延時多分量地震技術(shù)、微地震解釋與3D水力裂縫模擬技術(shù)相結(jié)合的地質(zhì)工程一體化仿真方法，該方法將3D地質(zhì)力學(xué)模型與3D裂縫擴展模擬器結(jié)合，并通過地震技術(shù)、微地震解釋校正裂縫擴展模擬結(jié)果[67]。針對科羅拉多Wattenberg氣田Niborara地層的研究發(fā)現(xiàn)，裂縫有效長度為60～180 m，與微地震事件點位置有一定差距。因此，作者認為 Niborara地層初次改造程度不足，縫間距、井間距等需通過地質(zhì)工程一體化模型進一步進行優(yōu)化。

此外，國內(nèi)學(xué)者也進行了裂縫擴展模型等方面的研究。陳勉[68]推導(dǎo)了三維空間中水力裂縫激活和轉(zhuǎn)向控制方程，并建立了二維天然裂縫擴展模型。曾慶磊等[69]建立了多簇擴展流固耦合有限元算法，模型考慮了射孔摩阻和井筒摩阻。王理想等[70]提出二維水力裂縫擴展的有限元和離散元混合方法，并模擬了天然裂縫發(fā)育地層的水平井多簇壓裂裂縫擴展形態(tài)。Guo等[71]引入孔彈性黏結(jié)單元，建立了二維流固耦合有限元裂縫擴展模型，研究了天然裂縫對水力裂縫擴展形態(tài)的作用規(guī)律。Zou等[72]開發(fā)了考慮地層天然裂縫隨機分布的有限元/離散元模型，并研究了層理發(fā)育頁巖地層的裂縫擴展形態(tài)。胥云等[39]建立了多簇裂縫擴展的邊界元模型，重點研究了多簇裂縫擴展的偏轉(zhuǎn)規(guī)律，陳銘等[73-74]進一步研究了控制裂縫偏轉(zhuǎn)因素和平臺布井模式下的多裂縫布縫方式。趙金洲等[75]提出了擬三維多簇水力裂縫擴展邊界元模型和基于PKN模型的射孔優(yōu)化方法。吳奇等[76]闡述了地質(zhì)工程一體化技術(shù)在頁巖氣開發(fā)中的應(yīng)用，展示了該技術(shù)的良好應(yīng)用前景。但目前國內(nèi)以二維裂縫擴展模擬為主，缺少實際應(yīng)用的三維模型，地質(zhì)工程一體化研究基于國外軟件進行。筆者的研究團隊正在借助國家攻關(guān)項目開展相關(guān)研究，有望加強國內(nèi)非常規(guī)儲集層地質(zhì)工程一體化的體積改造優(yōu)化設(shè)計平臺建設(shè)，推動中國非常規(guī)儲集層改造技術(shù)的進步。

綜合國內(nèi)外研究進展，體積改造設(shè)計模型既要能實現(xiàn)對天然裂縫地層的準確描述，表征人工裂縫與天然裂縫的關(guān)系，保證主縫、分支縫、網(wǎng)絡(luò)縫之間的匹配，又要高效準確計算復(fù)雜裂縫張性-剪切擴展。綜合地震建模、微地震監(jiān)測、水力裂縫模擬的地質(zhì)力學(xué)一體化是未來模型研究的重要發(fā)展方向；而分形損傷力學(xué)則是研究裂縫起裂、構(gòu)建新型壓裂力學(xué)理論的基礎(chǔ)。

4 體積改造技術(shù)新進展與關(guān)鍵問題

4.1 大幅提高儲量動用率的體積改造方法

4.1.1 密切割模式與壓裂規(guī)模優(yōu)化

早期研究[77]認為，在水平井分段壓裂中使用分簇射孔模式，通常最佳簇間距為20～30 m，若采用3簇射孔則每個壓裂段的長度一般在 60～90 m。而Mayerhofer等[5]認為當儲集層滲透率低至0.000 1×10-3μm2時，如果裂縫間距為8 m，仍可大幅度增加產(chǎn)量，提高采收率。Zhu等[21]研究表明，縮小簇間距能夠大幅提高儲集層的最終采收率。經(jīng)過多年現(xiàn)場實踐，采用縮小簇間距的密切割壓裂技術(shù)，能夠大幅縮短基質(zhì)中流體向裂縫滲流的距離，對塑性較強、應(yīng)力差較大、難以形成復(fù)雜縫網(wǎng)的儲集層實現(xiàn)體積改造。目前北美已將簇間距從20 m逐漸縮小到4.6 m[78]，且廣泛應(yīng)用于各非常規(guī)儲集層的水平井分段壓裂中，不局限于難以形成縫網(wǎng)的儲集層。

密切割與井間距的合理匹配是平臺井組體積改造的關(guān)鍵。如2017年P(guān)ioneer公司[78]水平井壓裂簇間距和段長與以往相比均縮??；對于相同長度水平井，若井間距不變，密切割會導(dǎo)致單井注液量和加砂量不斷增大（見圖 6）。盡管單井注液量和加砂規(guī)模增大，但支撐劑與注入液量之比變化不大，為 95.4～110.9 kg/m3。以每段 2簇壓裂為例，注液量為 2 000 m3，則每條裂縫注入液量為 1 000 m3；若增加簇數(shù)為 4簇，則每條裂縫的液量為 500 m3，導(dǎo)致裂縫長度不夠，使兩口井之間產(chǎn)生大量未波及區(qū)，儲量動用效果降低，違背了密切割實現(xiàn)儲量全動用的初衷。因此密切割模式需要縮短井間距、部署加密井或者增大液量規(guī)模。

圖6 Pioneer公司水平井體積改造施工參數(shù)

同樣，增加簇數(shù)將導(dǎo)致單段支撐劑量的增加，假設(shè)一個壓裂段長度60 m，3簇壓裂，簇間距20 m，注入支撐劑120 t，每條裂縫40 t支撐劑；采用密切割每段增加為6簇壓裂，簇間距10 m，根據(jù)算術(shù)對比，這一段壓裂需240 t支撐劑，由此看來這是目前國外每段壓裂支撐劑量大幅增加的主要原因。但當簇間距從20 m縮小到10 m，每條裂縫所控制基質(zhì)中的油氣減少一半，所需裂縫導(dǎo)流能力應(yīng)有所變化，至于每簇支撐劑用量40 t還是50 t需通過模擬研究與現(xiàn)場實踐來優(yōu)化確定。盡管北美用石英砂替代陶粒實現(xiàn)大幅降本，但過度增加砂量同樣會增加材料費和運輸費，甚至增大對設(shè)備的損耗。筆者認為學(xué)習(xí)北美不能簡單用倍數(shù)關(guān)系計算每米增加了多少砂量，而是要考慮簇數(shù)增加、井距縮小等各種因素進行優(yōu)化，具體問題具體分析，用每簇加砂量來表述壓裂規(guī)模比每米加砂量更科學(xué)。

密切割可概括為：①井距不變，簇數(shù)增加，所需裂縫長度不變：液量增加，砂量增加；②井距縮小，簇數(shù)不變，所需裂縫長度變短：液量減少，砂量減少；③井距縮小，簇數(shù)增加，所需裂縫長度變短：液量減少（或不變），砂量增大。井距和簇數(shù)的變化是確定液量與砂量增減的基本要素，準確理解北美“少液多砂”的實質(zhì)是應(yīng)用密切割技術(shù)的關(guān)鍵。

4.1.2 縫高控制與立體式體積改造

現(xiàn)場實踐與研究表明，水力裂縫與層理面的相交形態(tài)（見圖7）包括：穿過、終止、滑移、溝通高角度裂縫等?；剖菍永砜刂屏芽p高度擴展的主要機理。壓裂液沿層理面濾失則縫內(nèi)壓力降低，層理滑移使液體流動摩阻增大，均會導(dǎo)致人工裂縫無法穿過層理，使裂縫在高度上的擴展受限。同樣在滑溜水壓裂時，支撐劑沿裂縫高度方向不斷沉降，并在裂縫底部快速堆積鋪置，阻擋裂縫向下擴展。修乃嶺等[14]利用測斜儀對頁巖氣水平井進行的監(jiān)測表明，垂直裂縫占總裂縫體積最高達 90%，但不少井段的垂直裂縫體積占比僅為 50%～60%，人工裂縫系統(tǒng)由垂直縫與水平縫交織構(gòu)成，說明壓裂裂縫具有在水平層理中延伸擴展的特征。中國石油頁巖氣現(xiàn)場數(shù)據(jù)（見表1）表明，水平井段的軌跡在優(yōu)質(zhì)儲集層中的位置與改造效果密切相關(guān)，裂縫在高度方向上的擴展有限，打破了傳統(tǒng)壓裂理論認為縫高不受限的觀點，促使人們研究思考水平層理、弱面對裂縫擴展的影響[79-80]。尋求新方法提高縱向剖面有效動用率已成為當下與未來的重要研究課題。

圖7 水力裂縫與層理面的相交形態(tài)

表1 四川盆地長寧區(qū)塊頁巖氣水平井巷道位置與壓后效果

北美鉆井提速引起成本大幅下降，不少公司開始探索試驗立體式體積改造開發(fā)模式，尋求突破井眼軌跡與縫高限制的方法，提高縱向剖面改造效果。Carrizo公司在Niobrara地層實施立體式體積改造[23]，水平段長度1 426 m，水平段間距90～100 m，3層47口井，圖8為A、B、C 3層水平井疊置布井側(cè)視圖（即每口水平井水平段趾端位置）。A層與C層的井在垂向上處于同一個立面，B層錯位布井，采用立體交錯拉鏈式壓裂技術(shù)。壓裂順序從左到右為：C1—C2—B1—A1—C3—B2—A2—A3—……。該方法能夠使先壓裂井在底部產(chǎn)生一個外加應(yīng)力場，結(jié)合不同層位錯位壓裂產(chǎn)生的附加應(yīng)力能夠增加臨近層系改造的裂縫復(fù)雜性，提高縱向各小層的改造效果。

圖8 Niobrara地層水平井壓裂段示意圖

Energen公司[81]在 Delaware和 Midland盆地的Wolfcamp地層同樣采用交錯疊置水平井的立體式體積改造技術(shù)，2017年第 2季度在 Delaware盆地的Wolfcamp地層的縱向兩小層分別布井8和 10口，每段長度45 m，簇間距9 m，水平段長為2 281～3 210 m，支撐劑用量2.5～3.0 t/m，注入液量6.4～7.1 m3/m。18口井壓后30 d內(nèi)最高產(chǎn)量達300 t/d。

盡管目前國內(nèi)鉆井鉆速較低，成本高，立體式體積改造還難以實施，但該技術(shù)是四川、長慶、新疆多層系致密儲集層開發(fā)的有效手段，是未來發(fā)展方向。特別在礦權(quán)區(qū)限制以及新的優(yōu)質(zhì)儲量尚未發(fā)現(xiàn)的背景下，該技術(shù)是在已有探明儲量區(qū)塊內(nèi)實現(xiàn)儲量挖潛、提高動用率的最佳選擇。新疆油田在瑪湖致密油開展了建產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)示范區(qū)先導(dǎo)性試驗，設(shè)計為 2層立體式開發(fā)井網(wǎng)模式，這將為中國進一步探索推廣應(yīng)用該技術(shù)提供有益經(jīng)驗。

4.2 優(yōu)化設(shè)計中的關(guān)鍵因素

4.2.1 剪切裂縫可大幅提高裂縫導(dǎo)流能力

國內(nèi)外大量學(xué)者研究了剪切裂縫與導(dǎo)流能力的關(guān)系。Ramurthy等[82]的研究表明，每米裂縫條數(shù)與滲透率的增加倍數(shù)呈對數(shù)關(guān)系，高硬度巖石會維持較高的自支撐裂縫導(dǎo)流能力；在形成自支撐裂縫的基礎(chǔ)上，水力壓裂應(yīng)追求裂縫高復(fù)雜度而不是主縫高導(dǎo)流能力。Sharma等[83]通過對濾失特征、井間壓力和產(chǎn)能等分析認為，非常規(guī)儲集層壓裂會形成大量剪切自支撐裂縫。剪切裂縫使納達西儲集層具有足夠?qū)Я髂芰?，有助于提高產(chǎn)量。Weng等[84]通過數(shù)值模擬研究了水力裂縫誘導(dǎo)形成剪切裂縫的滲透率，發(fā)現(xiàn)剪切作用可顯著提高天然裂縫導(dǎo)流能力，剪切裂縫導(dǎo)流能力可達600×10-3μm2·cm。Wu 等[85]對 Eagle Ford 巖樣進行了剪切裂縫導(dǎo)流實驗，閉合應(yīng)力為28 MPa時剪切裂縫導(dǎo)流能力為 3×10-3μm2·cm。Wang 等[86]通過裂縫診斷測試得到自支撐裂縫導(dǎo)流能力在 15 MPa閉合應(yīng)力下為（10～70）×10-3μm2·cm。同時，Sierra 等[87]研究表明，增大滲流面積的作業(yè)方式是基質(zhì)滲透率小于500×10-9μm2的頁巖氣儲集層提高產(chǎn)能的關(guān)鍵。

近年來，中國石油勘探開發(fā)研究院的導(dǎo)流能力實驗表明（見圖 9）：同等條件下，張性裂縫導(dǎo)流能力最低且受閉合應(yīng)力影響最為明顯，剪切裂縫由于裂縫粗糙面的支撐作用具有較高導(dǎo)流能力；在20 MPa閉合應(yīng)力下，剪切裂縫的導(dǎo)流能力比張性裂縫高出約兩個數(shù)量級。若以滲透率表征，在閉合應(yīng)力為50 MPa時，無支撐劑剪切裂縫滲透率為25.18×10-3μm2，該滲透率與頁巖納達西級滲透率相比大幅提高，因此無支撐劑裂縫仍是有效裂縫。同樣，在加入支撐劑的裂縫導(dǎo)流能力實驗中，我們得到類似結(jié)論，加入相同濃度支撐劑，剪切裂縫導(dǎo)流能力最佳。

圖9 不同裂縫導(dǎo)流能力與閉合應(yīng)力關(guān)系

如果儲集層3應(yīng)力條件滿足剪切裂縫形成條件（σH>σv>σh），或通過大排量滑溜水壓裂促使裂縫產(chǎn)生剪切滑移，同時考慮低返排率下壓裂液對裂縫的支撐作用，在優(yōu)化設(shè)計時適度降低支撐劑量，可以實現(xiàn)降本增效。

4.2.2 體積改造不需追求主縫高導(dǎo)流能力

非常規(guī)儲集層有效開發(fā)的難題是基質(zhì)滲透率極低，儲集層改造的主要目的是降低基質(zhì)滲流阻力。Cipolla等[88]研究表明，儲集層滲透率低于0.01×10-3μm2時，次生裂縫網(wǎng)絡(luò)對產(chǎn)量貢獻率約為40%；儲集層滲透率低于0.000 1×10-3μm2時，次生裂縫網(wǎng)絡(luò)對產(chǎn)量貢獻率約為80%，可見微納達西級滲透率儲集層的產(chǎn)能受裂縫形態(tài)控制，而不是受主縫導(dǎo)流能力控制。通常研究認為致密儲集層的臨界無因次導(dǎo)流能力一般為10～50[89]，頁巖氣在30左右[90]，Gu等[90]指出壓裂裂縫存在分支縫時，頁巖或致密氣儲集層無因次導(dǎo)流能力降低15～25，進一步說明復(fù)雜縫網(wǎng)形態(tài)可減小對導(dǎo)流能力的需求。

經(jīng)典研究表明[91]，當水力壓裂井無因次導(dǎo)流能力高于臨界無因次導(dǎo)流能力時，繼續(xù)增大無因次導(dǎo)流能力不會提高產(chǎn)能。無因次導(dǎo)流能力為：

根據(jù)支撐裂縫滲透率計算公式，可知：

聯(lián)立（7）式和（8）式得到裂縫寬度與無因次導(dǎo)流能力關(guān)系為：

假設(shè)半縫長為200 m，支撐裂縫孔隙度為5%，支撐裂縫迂曲度為2，計算達到不同臨界無因次導(dǎo)流能力所需的裂縫寬度（見圖10）。研究表明，對于基質(zhì)滲透率為（100～1 000）×10-9μm2的儲集層，無因次導(dǎo)流能力達到30僅需0.13 mm縫寬，達到50僅需0.16 mm縫寬。由此可見，體積改造不需太高加砂量就能滿足非常規(guī)儲集層有效開發(fā)需要。

圖10 不同無因次導(dǎo)流能力和基質(zhì)滲透率所需的裂縫寬度

針對目前國內(nèi)出現(xiàn)的“少液多砂”概念，本文重點闡述優(yōu)化設(shè)計中兩個關(guān)鍵因素，為了強調(diào)非常規(guī)儲集層體積改造的最終目的是獲得最大 SRV，通過形成復(fù)雜縫網(wǎng)或密切割大幅降低基質(zhì)中流體的滲流距離，實現(xiàn)對儲量的最大程度控制和“全”可采。研究表明剪切裂縫、復(fù)雜裂縫在適度加砂條件下均能獲得開發(fā)所需導(dǎo)流能力，而追求主縫高導(dǎo)流能力的“多砂”模式（如傳統(tǒng)凍膠壓裂的“少液多砂”模式）不符合體積改造基本內(nèi)涵。

4.3 子井與母井最佳井距優(yōu)化

北美非常規(guī)油氣開發(fā)由于受租賃區(qū)塊面積限制，采用加密井方式來保持或提高區(qū)塊產(chǎn)量，目前 Eagle Ford、Bakken、Haynesville等多個盆地加密井已超過新區(qū)塊布井井數(shù)[92]。根據(jù)平臺鄰近井的投產(chǎn)時間先后關(guān)系，北美定義子井為投產(chǎn)時間晚于鄰井1年的新井，母井為投產(chǎn)時間不少于 1年的老井[92]。通常子井以兩種形式出現(xiàn)：一是加密井，原平臺井距偏大時中間打加密井，這種模式會使加密井的兩側(cè)形成壓力降落區(qū)；二是新平臺布井，后續(xù)平臺緊鄰母井平臺，新布平臺的外側(cè)井對母井平臺的相鄰?fù)鈧?cè)井而言成為子井，壓力降落是單側(cè)模式，對子井壓裂會出現(xiàn)裂縫的非對稱擴展，甚至被母井“牽引”，導(dǎo)致另外一側(cè)改造不充分[93]。

Gakhar等[94]研究表明Eagle ford子井與母井井距為243 m時才能保持其累計產(chǎn)量與母井相同（見圖11）。該結(jié)果由水平段長度與支撐劑量進行歸一化而得，并未結(jié)合完井方式、壓裂段數(shù)、液體類型與規(guī)模、排量、井眼軌跡上傾或下傾等分析。Gakhar認為子井壓裂效果不佳是子井壓裂規(guī)模以及裂縫長度不足所致。

圖11 子母井井距與產(chǎn)量效果對比

若兩井分段壓裂為交錯布縫，穿透比0.85，裂縫長度207 m；對稱布縫的穿透比0.45，裂縫長度109 m，此時子母井產(chǎn)量相當說明母井壓裂縫長未達到通常微地震解釋的幾百米，兩井間的儲量動用不充分，該井距（243 m）僅反應(yīng)母井壓裂狀態(tài)及壓降波及范圍，并不一定是最優(yōu)井距。若井距為122 m，子井產(chǎn)量僅為母井的70%，假設(shè)裂縫沿井筒兩側(cè)對稱擴展，母井人工裂縫對子井側(cè)翼的儲量動用率僅為 30%，這說明在如此短的裂縫（裂縫半長61 m）控制下的基質(zhì)滲流依然不充分，仍有大量儲量未動用。因此，優(yōu)化井距應(yīng)以縮小井距為主導(dǎo)，再通過評估母井壓裂規(guī)模及累計產(chǎn)量造成的壓降波及范圍，母井與子井在壓裂模式、規(guī)模等方面的差別等來對比子母井開發(fā)效果，進而確定最優(yōu)井距。

筆者認為，縮小井距是體積改造大幅提高儲量動用率的必然選擇，也是非常規(guī)儲集層實現(xiàn)高效開發(fā)的技術(shù)方向。鑒于目前國內(nèi)頁巖氣平臺開發(fā)、致密油氣開發(fā)井網(wǎng)的井距普遍偏大，為避免部署加密井，可暫且忽略北美井距優(yōu)化研究中的不足，借鑒其經(jīng)驗推動發(fā)展縮小井距的理念，配合密切割，用一次開發(fā)實現(xiàn)對儲量的全動用，大幅降低開發(fā)成本。

4.4 水平井重復(fù)壓裂的3個“重構(gòu)”

通常，母井生產(chǎn)一段時間后，會在裂縫波及范圍內(nèi)逐漸形成壓降區(qū)，能量虧空會使地應(yīng)力場發(fā)生改變，甚至發(fā)生應(yīng)力反轉(zhuǎn)，使得母井重復(fù)壓裂的人工裂縫向壓降區(qū)靠近并發(fā)生偏轉(zhuǎn)[95-96]。子井壓裂同樣會受反轉(zhuǎn)應(yīng)力的“牽引”，向母井已壓裂改造區(qū)靠近甚至發(fā)生裂縫“碰撞”（見圖12a），導(dǎo)致改造效果不理想。為避免子井壓裂裂縫靠近流體虧空區(qū)域（母井已改造區(qū)域），北美提出了母井保護性壓裂措施[97]。在子井壓裂前，首先對母井進行重復(fù)壓裂且不立即返排（見圖12b），對初次裂縫蓄能增壓，增大流體虧空區(qū)域地應(yīng)力，實現(xiàn)對應(yīng)力場的重構(gòu)，避免子井裂縫向已改造區(qū)域偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)新平臺井組及加密井的有效增產(chǎn)[84]。

圖12 平臺井組子井裂縫擴展形態(tài)

由于流動遵循最小阻力原理，當壓降區(qū)使應(yīng)力發(fā)生反轉(zhuǎn)時，也會改變流體主流方向，使得兩井間基質(zhì)中的油氣向低應(yīng)力區(qū)流動。特別是主流通道形成之后，滲流場的改變尤為明顯。如長慶王窯油田注水開發(fā)20年，側(cè)向50 m打檢測井，取心分析為原始含油飽和度，分析未水淹儲集層占比達 48%。因此，通過老井重復(fù)壓裂對未動用儲量進行挖潛，要確保子井壓裂注入液體能夠在子井水平段兩側(cè)均勻擴展，重構(gòu)滲流場尤為重要。壓裂母井時采用大排量、大液量的蓄能重復(fù)壓裂，以及多輪次注水吞吐補充地層能量，或同時采用縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)；壓裂子井時采用注水和體積改造等都是再次改變主滲流方向并提高未波及區(qū)改造效果的技術(shù)方法。吐哈三塘湖馬 56-101H井區(qū)采用井群模式，發(fā)揮井群協(xié)同效應(yīng)，使老區(qū)井群壓裂井高產(chǎn)、相鄰井受效，開發(fā)效果顯著。壓后產(chǎn)油63 t/d，比鄰井提高3.5倍，井組內(nèi)4口老井受效，日產(chǎn)量增加1倍（由13.8 t上升到25.8 t）。因此，根據(jù)母井累計產(chǎn)量，計算儲量虧空體積和壓降波及范圍，確定蓄能液體規(guī)模，并采用相應(yīng)技術(shù)對策重構(gòu)應(yīng)力場與滲流場，可以降低母井對子井裂縫的“牽引”作用，保護母井并提高子井改造效果。

如何實現(xiàn)有效分段是目前水平井重復(fù)壓裂的最大問題。雙封單卡工具、連續(xù)油管定點壓裂由于難以提高排量限制了作業(yè)范圍，很難達到體積改造需要的效果，而投球或暫堵劑重復(fù)壓裂不能達到有效封堵，難以實現(xiàn)對改造對象的重構(gòu)，總體上屬于籠統(tǒng)壓裂范疇。目前能夠?qū)崿F(xiàn)對井筒再造的主要方法是膨脹管技術(shù)[98]，通過膨脹管對水平段進行全封隔，然后重新分段射孔，具有一定先進性。但該技術(shù)仍然存在新縫向老縫擴展的問題。為此，筆者提出改造對象再造構(gòu)想：一是通過蓄能方式改變滲流場與應(yīng)力場，使得新縫擴展方向不受老縫影響；二是先向地層內(nèi)注入可降解的高強度暫堵劑，整體封堵老縫，實現(xiàn)井筒再改造，當重新開啟的擴展裂縫遇到老縫時，由于老縫被高強度高塑性材料封堵，裂縫則尋找新的開啟與延伸的路徑，從而實現(xiàn)對裂縫未波及區(qū)域的改造。此外，國內(nèi)高含水油田可借鑒類似技術(shù)思路實施重復(fù)壓裂。

以體積改造為手段的重復(fù)壓裂就是通過重構(gòu)滲流場、應(yīng)力場、改造對象來實現(xiàn)對老井儲量挖潛，對平臺井組壓裂增效。

5 結(jié)語

從體積改造技術(shù)的正式提出至今已歷經(jīng)近10年發(fā)展與實踐，本文結(jié)合最新理論研究進展和技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，以及筆者多年的研究與現(xiàn)場實踐心得，進一步闡釋了水平井體積改造核心理論的實質(zhì)，深刻理解“最大、最短、最小”的增產(chǎn)機理是體積改造技術(shù)的關(guān)鍵，更是該技術(shù)能夠在更廣泛領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。而密切割和立體式體積改造則是對體積改造技術(shù)應(yīng)用思路的拓展與升華。未來通過密切割、縮小井距等技術(shù)方法建立“縫控”可采儲量開發(fā)模式，突破傳統(tǒng)井控儲量計算與開發(fā)的固有思路，指導(dǎo)體積重復(fù)壓裂技術(shù)的有效應(yīng)用，實現(xiàn)對未動用儲量的挖潛，將是體積改造技術(shù)未來發(fā)展與應(yīng)用的重要方向，更是中國石油實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)保障。

符號注釋：

C——修正系數(shù)，取值范圍為 0.56～0.89；Di——i裂縫對應(yīng)的射孔直徑，mm；dp——支撐劑顆粒直徑，m；FCD——無因次導(dǎo)流能力；g——重力加速度，m/s2；Kf，Km——裂縫和基質(zhì)滲透率，mm2；kh——無因次水平應(yīng)力差異系數(shù)；Lf——裂縫半長，m；N——裂縫數(shù)量；ni——i裂縫的射孔數(shù)；pw,i——i裂縫的井底壓力，Pa；Q0——施工排量，m3/min；Qi——i裂縫的注入排量，m3/min；U˙——單位注入時間的巖石應(yīng)變能，J/min；v——支撐劑沉降速度，m/s；——單位時間的巖石斷裂能，J/min；——單位時間的縫內(nèi)流動摩阻消耗的能量，J/min；——單位時間克服其他裂縫產(chǎn)生的附加應(yīng)力的能量，J/min；——單位時間的射孔摩阻消耗的能量，J/min；——單位時間克服遠場應(yīng)力的能量，J/min；wf——裂縫寬度，mm；x，y——直角坐標系，m；μ——流體黏度，Pa·s；ρ——液體或攜砂液密度，kg/m3；ρf——流體密度，kg/m3；ρp——支撐劑密度，kg/m3；σH、σh——最大、最小水平主應(yīng)力，Pa；σv——上覆巖石壓力，Pa；σI,i,j——i裂縫受到j(luò)裂縫產(chǎn)生的應(yīng)力干擾，Pa；τ——支撐劑充填裂縫迂曲度，無因次；φf——裂縫孔隙度，%。