低滲透油藏水力壓裂控制縫高技術(shù)研究

羅杰

摘要：在水力壓裂中，裂縫會沿著縫高方向延伸。當(dāng)裂縫延伸超出產(chǎn)層進入上下隔層時，不僅造成壓裂液資源的浪費，而且難以達到設(shè)計要求。為了將裂縫高度控制在油氣層內(nèi)，本論文研究了巖石物質(zhì)特性、施工參數(shù)、地層應(yīng)力差和裂縫上下末端阻抗值對縫高的影響.研究壓裂過程中控制裂縫在高度方向上延伸的諸因素，分析了單因素條件下的裂縫高度變化趨勢。其中，地應(yīng)力是影響裂縫高度的首要因素。

關(guān)鍵詞：低滲透；水力壓裂；控制縫高；研究

引言：

目前主要的控制縫高技術(shù)有：人工隔層技術(shù)、變排量壓裂技術(shù)、注入非支撐劑控制縫高、調(diào)整壓裂液的密度控制縫高和冷卻地層控制縫高等。由于地應(yīng)力差是控制裂縫增長的主要因素。隨著地應(yīng)力差值的減小，裂縫高度呈加速變化的趨勢。這是因為地層應(yīng)力差越小，控制裂縫延伸的閉合壓力也小，增大了作用于裂縫壁面凈張開壓力，必然導(dǎo)致裂縫高度的增大。然地層地應(yīng)力差和巖石物質(zhì)特性是地質(zhì)結(jié)構(gòu)本身所決定，為不可控因素；而壓裂液性能和施工參數(shù)為可控因素。所以控制裂縫高度技術(shù)還是會主要從壓裂液性能和施工參數(shù)兩個方面進行研究。

一、裂縫高度延伸的主要影響因素

裂縫高度的影響因素可分為可控因素和不可控因素。可控因素有壓裂液性能和施工參數(shù)，不可控因素主要為地層特性[3]。

1.1 地層參數(shù)

研究影響壓裂裂縫高度的諸因素，發(fā)現(xiàn)控制裂縫高度延伸的地層參數(shù)有以下幾種：地層應(yīng)力、巖石物性、油層厚度、斷層和天然裂縫等。

1.1.1 地層應(yīng)力

地層應(yīng)力差是控制裂縫高度增長的主要因素。D M Talbot 認為，1.4～4.8 MPa 的地層應(yīng)力障礙可有效的減緩或停止裂縫高度的生長。隨著地層應(yīng)力差值的減小，裂縫高度呈加速變化的趨勢。這是因為地層應(yīng)力差越小，抑制裂縫延伸的閉合壓力也小，增大了作用于裂縫壁面的凈張開壓力，必然導(dǎo)致裂縫高度的增大。圖1為單因素條件下地層應(yīng)力差值對裂縫高度的影響。

1.1.2 巖石物性

巖石物性包括地層巖石的剛性、韌性、塑性、遮擋層與油層界面的結(jié)合強度、巖石性質(zhì)差異等。就巖石物性來講，對垂向裂縫的延伸影響較大的是巖石的塑性、韌性以及層間存在的滑移現(xiàn)象。

（1）地層巖石的非均質(zhì)性。由于地層巖石的非均質(zhì)性，產(chǎn)層與隔層的比表面能是不一樣的。由簡化的彈性方程可知，當(dāng)時，裂縫將進入隔層；反之，裂縫向隔層的擴展受到阻擋。巖石力學(xué)性質(zhì)的差異對抑制裂縫垂向延伸有一定作用。

（2）楊氏模量。楊氏模量以兩種方式影響裂縫高度的增長。第一，到達兩種不同物質(zhì)接觸面附近的裂縫將由于接觸面的存在而使其增長速度減緩；第二，如果邊界層的模量比油層的模量大，那么楊氏模量能阻止裂縫增長。在高模量的邊界層中裂縫寬

度比較窄，因而流動阻力比較高，產(chǎn)生裂縫更困難。總體來說，隨著楊氏模量的增大，裂縫高度也增大，且裂縫高度的變化幅度也增大。但由于產(chǎn)層與上下隔層的樣式模量值相差并不大，楊氏模量對裂縫高度的影響并不明顯。

（3）泊松比。泊松比值越大，其對裂縫高度的影響越大。對某個遮擋層來說，當(dāng)泊松比達到一定值后完全可以阻止裂縫的垂向延伸。但泊松比的值都是在一定范圍內(nèi)，只靠泊松比限制裂縫延伸是不可靠的。

（4）地層滲透率。地層滲透率直接影響到壓裂液向地層的濾失，當(dāng)?shù)貙訚B透率增大時，壓裂液向地層濾失量增多，用于造縫的壓裂液的體積就減小，裂縫高度相應(yīng)地降低。同時，壓裂液濾失過程中，在井壁和裂縫壁形成地濾餅阻礙壓裂液向地層濾失，裂縫高度有減緩降低的趨勢，如圖2所示。

圖2 地層滲透率對支撐裂縫高度的影響

二、確定適合XX油田的控制縫高技術(shù)

2.1 控制縫高技術(shù)研究

在水力壓裂過程中，當(dāng)油氣層很薄或上下隔層為弱應(yīng)力層時，裂縫會沿著垂直方向上延伸，這會使裂縫超出生產(chǎn)層而進入隔層。這不但會導(dǎo)致裂縫高度過大、減少裂縫長度和影響壓裂效果，而且當(dāng)裂縫延伸進入鄰近含水層時，會引起含水暴增。為了有效地控制裂縫高度，近年來國內(nèi)外對裂縫高度延伸機理進行了大量的研究，對影響裂縫高度的因素有了更廣泛、更深入地認識，發(fā)展了多種人工控制裂縫高度的技術(shù)。

2.1.1 人工隔層技術(shù)

人工隔層控縫高技術(shù)的基本原理是，通過上浮式或下沉式隔離劑在裂縫的頂部或底部形成人工遮擋層，將裂縫尖角鈍化，增加裂縫末梢的阻抗，以阻止裂縫中的流體壓力向上或下延伸，繼而控制裂縫在高度上進一步延伸。人工隔層的施工工藝是在注完前置制裂液造出一定規(guī)模的裂縫后，在注入混砂液之前用攜帶液攜帶隔離劑——心微粉和粉砂，進入裂縫?？招奈⒎墼诟×ψ饔孟卵杆僦糜谛律芽p的頂部，粉砂在重力作用下沉淀于裂縫的底部，從而在裂縫的頂部和底部分別形成一個低滲透或不滲透的人工隔層[6]。

2.1.2 變排量壓裂技術(shù)

在上下隔層地應(yīng)力差值小的薄油層的壓裂改造中，為限制裂縫高度過度延伸，采用變排量壓裂技術(shù)，在控制裂縫向下延伸的同時，可增長支撐縫長，增加裂縫內(nèi)支撐劑鋪置濃度，從而可有效地提高增產(chǎn)效果。

2.1.3 調(diào)整壓裂液的性能參數(shù)控制縫高技術(shù)

壓裂液的濾失性對縫高的影響顯著，如壓裂液濾失系數(shù)大，用于延伸裂縫的壓裂液就少，從而可降低縫高，但會增大施工成本和影響壓裂效果。降低壓裂液的稠度系數(shù)也可以控制縫高，稠度系數(shù)低的壓裂液流動性強，可降低壓裂液的流動壓力梯度。在其他參數(shù)不變的情況下，壓裂液的粘度越大，形成裂縫的高度越大。利用壓裂液密度控制裂縫高度，是通過控制壓裂液中垂向壓力分布來實現(xiàn)。若要控制裂縫向上延伸，應(yīng)采用密度較高的壓裂液；若要控裂縫向下延伸，則應(yīng)采用密度較低的壓裂液[8-9]。

2.1.4 冷卻地層控制縫高技術(shù)

此項技術(shù)是通過向溫度較高的地層注入冷水，使地層產(chǎn)生熱彈性應(yīng)力，大幅度地降低地層應(yīng)力，從而使縫高和縫長控制在產(chǎn)層范圍內(nèi)，工藝如下：

（1）在低于地層破裂壓力的條件下，向地層注入冷水預(yù)冷地層；

（2）提高排量和壓力，使壓力僅大于被冷卻區(qū)水平應(yīng)力，在冷卻區(qū)內(nèi)壓開一條裂縫；

（3）控制排量和壓力，注入含高濃度降濾劑的冷水前置液延伸裂縫。推薦降濾失劑為植物膠或石英粉；

（4）注入低溫粘性攜砂液支撐裂縫，完成壓裂全過程。

冷水水力壓裂技術(shù)主要用于以下幾類油氣層：產(chǎn)層不存在清水傷害問題；膠結(jié)物性較差的地層；用常規(guī)水力壓裂技術(shù)難以控制裂縫延伸方向的油氣層。

三、結(jié)論

（1）在水力壓裂中，影響裂縫高度的因素中，地層應(yīng)力和地層物性等地層特性為不可控因素由地質(zhì)結(jié)構(gòu)本身所決定，不易改變；壓裂液性能和施工參數(shù)為可控因素，能改變和優(yōu)化，從而控制水力壓裂過程中裂縫縱向延伸。

（2）在影響裂縫高度的影響因素中，地應(yīng)力是首要因素。地應(yīng)力研究在水力壓裂中應(yīng)該重視，對地應(yīng)力參數(shù)的采集和處理工作，為壓裂的施工設(shè)計和選擇合理的控制縫高技術(shù)提供了必要的依據(jù)，這樣才能取得良好的增產(chǎn)增注效果。

參考文獻

[1]張琪.采油工程原理與設(shè)計[M].北京：中國石油大學(xué)出版社，2000

[2]王鴻勛等.水力壓裂原理[M].北京：石油工業(yè)出版社，1996