基于誘導(dǎo)應(yīng)力的頁(yè)巖氣“井工廠”壓后效果評(píng)價(jià)

肖 暉， 劉 洪， 廖如剛， 古佳月， 李小斌， 胡昌權(quán)， 胡峰超

(1重慶科技學(xué)院 2中石化重慶涪陵頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限公司 3中國(guó)石油西南油氣田分公司重慶氣礦 4中國(guó)石油青海油田分公司安全監(jiān)督中心)

由于低孔、低滲特征，頁(yè)巖氣藏必須通過(guò)大規(guī)模水力壓裂方能獲得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[1]。與常規(guī)油氣藏壓裂不同，通過(guò)水平井和大規(guī)模體積壓裂在頁(yè)巖儲(chǔ)層中形成的水力裂縫不再是簡(jiǎn)單的對(duì)稱雙翼裂縫，而是形成了極為復(fù)雜的空間裂縫網(wǎng)絡(luò)[2]。由于壓裂裂縫的復(fù)雜性，使得頁(yè)巖氣壓裂效果評(píng)價(jià)難度極大。目前，國(guó)內(nèi)外主要從壓裂施工曲線[3]、裂縫監(jiān)測(cè)[4-5]、壓后返排試氣情況[5]和壓后產(chǎn)量分析[6-7]等方面開(kāi)展頁(yè)巖氣壓裂效果評(píng)價(jià)。其中，裂縫監(jiān)測(cè)特別是微地震監(jiān)測(cè)尤其得到廣泛應(yīng)用，通過(guò)微地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以獲得水力裂縫縫長(zhǎng)、縫高和方位的空間展布參數(shù)[8-12]。即便如此，依舊難以全面評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣壓裂效果，利用單一評(píng)價(jià)手段更是難以有效評(píng)價(jià)。本文結(jié)合微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果和地應(yīng)力場(chǎng)模擬，提出一種新的頁(yè)巖氣壓后效果評(píng)價(jià)技術(shù)，以涪陵頁(yè)巖氣平臺(tái)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行了分析。

一、“井工廠”壓裂應(yīng)力場(chǎng)模型1.模型假設(shè)

對(duì)頁(yè)巖氣壓裂后應(yīng)力場(chǎng)模擬模型做假設(shè)如下：①巖石為均質(zhì)各向同性；②頁(yè)巖巖石僅發(fā)生張性破裂；③破壞準(zhǔn)則為摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則；④壓裂段均射開(kāi)，忽略造縫過(guò)程，縫長(zhǎng)與縫高之比無(wú)窮大，縫高恒定；⑤水力裂縫均垂向延伸；⑥裂縫壁面無(wú)濾失。

2.“井工廠”壓裂后的縫長(zhǎng)和位置

本文以JY48號(hào)頁(yè)巖氣平臺(tái)3口井壓裂實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行建模，開(kāi)展壓后效果分析。該平臺(tái)在壓裂過(guò)程中采用了微地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可獲得3口井裂縫位置和裂縫長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。3口井裂縫監(jiān)測(cè)情況見(jiàn)表1(此處僅列出單段平均數(shù)據(jù))。

3.有限元模型

為確保收斂并加快運(yùn)算速度，假設(shè)每一段僅形成一條裂縫。注入排量12 m3/min，施工凈壓力4 MPa；彈性模量47 GPa，泊松比0.25，巖石密度2 600 kg/m3，地層壓力38 MPa，最大(σH)、最小(σh)水平主應(yīng)力49 MPa和45 MPa。

二、壓后應(yīng)力場(chǎng)分析

1.壓后主應(yīng)力分析

誘導(dǎo)應(yīng)力模擬結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2，從中發(fā)現(xiàn)壓裂后的誘導(dǎo)應(yīng)力發(fā)生了較大幅度變化。壓裂后裂尖附近均出現(xiàn)應(yīng)力集中，壓后在最大、最小水平主應(yīng)力方向上的誘導(dǎo)應(yīng)力值見(jiàn)表2，從中可見(jiàn)“井工廠”壓裂后出現(xiàn)較大的誘導(dǎo)應(yīng)力。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于水平段上裂縫長(zhǎng)度多變導(dǎo)致裂縫附近的誘導(dǎo)應(yīng)力差異較大、誘導(dǎo)應(yīng)力云圖復(fù)雜。

圖1 最小水平主應(yīng)力方向的誘導(dǎo)應(yīng)力云圖

圖2 最大水平主應(yīng)力方向的誘導(dǎo)應(yīng)力云圖表2 壓后最大、最小主應(yīng)力方向上的誘導(dǎo)應(yīng)力值

方向最大拉應(yīng)力/MPa最大壓應(yīng)力/MPa裂縫中部壓應(yīng)力/MPaσH1682σh12.98.42

圖3和圖4分別為水力壓裂前后最小、最大水平主應(yīng)力矢量圖。從中發(fā)現(xiàn)，水力壓裂后最小、最大水平主應(yīng)力均發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，裂縫越長(zhǎng)偏轉(zhuǎn)角度越大(縫長(zhǎng)最長(zhǎng)的JY48-1HF井第21條縫尖應(yīng)力最大)。

圖3 壓裂前后σh矢量圖

圖4 壓裂前后σH矢量圖

2.縫長(zhǎng)對(duì)誘導(dǎo)應(yīng)力影響

上述模擬發(fā)現(xiàn)，縫長(zhǎng)的不均勻分布對(duì)誘導(dǎo)應(yīng)力有較大影響，為此特分析縫長(zhǎng)對(duì)誘導(dǎo)應(yīng)力的影響。此處以縫長(zhǎng)變化相對(duì)較大的JY48-2HF井12段～17段為例進(jìn)行說(shuō)明。如圖5所示為局部裂縫放大后的誘導(dǎo)應(yīng)力云圖和最小水平主應(yīng)力矢量圖。第12段和第13段裂縫較長(zhǎng)，緊接著的第14段突然變短使得其裂尖受誘導(dǎo)壓應(yīng)力，進(jìn)一步限制了第14段縫長(zhǎng)延伸和裂縫復(fù)雜性。在第15段縫長(zhǎng)突然增加之后，接下來(lái)壓裂的第16段裂縫長(zhǎng)度由于設(shè)計(jì)和地質(zhì)因素突然變短，使得第16段出現(xiàn)了與第14段相同的情況。第12、13、15、17段縫長(zhǎng)差異不大、應(yīng)力偏轉(zhuǎn)相對(duì)較大，有助于縫網(wǎng)形成。分析表明，如果前一段壓裂裂縫明顯較長(zhǎng)，則下一段裂縫由于設(shè)計(jì)或者地質(zhì)或者施工等因素影響下較短時(shí)，短裂縫裂尖誘導(dǎo)壓應(yīng)力較大，并降低該裂縫區(qū)域內(nèi)最小主應(yīng)力的偏轉(zhuǎn)程度，不僅會(huì)進(jìn)一步抑制該短縫的縫長(zhǎng)延伸，也會(huì)降低該裂縫的復(fù)雜程度。因此，同一水平井中降低各壓裂段的縫長(zhǎng)差異，有助于提高所有壓裂段縫長(zhǎng)延伸和形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，這為壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

圖5 JY48-2HF井第11～17段誘導(dǎo)應(yīng)力云圖及最小水平主應(yīng)力矢量圖

3.段間距對(duì)誘導(dǎo)應(yīng)力的影響

選擇段間距分別為60 m、83 m和78 m的典型值來(lái)分析段間距對(duì)裂縫中心誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)的影響，分析路徑見(jiàn)圖6(以便于提取對(duì)應(yīng)路徑上的誘導(dǎo)應(yīng)力值進(jìn)行定量對(duì)比分析)。不同路徑下的誘導(dǎo)應(yīng)力值幾乎維持2 MPa不變。因此，段間距對(duì)壓后誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)基本沒(méi)有影響。

三、壓后效果綜合對(duì)比分析

為驗(yàn)證本文提出方法的可靠性，將壓后誘導(dǎo)應(yīng)力分析結(jié)果與微地震監(jiān)測(cè)和產(chǎn)剖測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。圖7為JY48-2HF井各壓裂段壓后誘導(dǎo)應(yīng)力、微地震監(jiān)測(cè)(油藏增產(chǎn)體積SRV)和產(chǎn)剖測(cè)試(分段產(chǎn)量)結(jié)果對(duì)比圖。

圖6 JY48-2HF井分析路徑示意圖

圖7 JY48-2HF井各壓裂段壓后誘導(dǎo)應(yīng)力、微地震監(jiān)測(cè)和產(chǎn)剖測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

從圖7可以看出：①縫長(zhǎng)差異較大的14、16壓裂段裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力值為負(fù)值(壓應(yīng)力)，使得SRV相對(duì)較低、測(cè)試產(chǎn)量較差；②第3～6壓裂段，縫長(zhǎng)差異較小，裂尖出現(xiàn)較大的誘導(dǎo)拉應(yīng)力，使得儲(chǔ)層得到充分改造、SRV較大，最終產(chǎn)量相對(duì)較高；③壓后誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算得到的裂縫尖端誘導(dǎo)應(yīng)力值為負(fù)(壓應(yīng)力)的壓裂段SRV和壓后產(chǎn)量均較低。因此，本文提出的壓后誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)分析結(jié)果與微地震監(jiān)測(cè)和產(chǎn)剖測(cè)試結(jié)果具有較好的一致性，有利于頁(yè)巖氣“井工廠”壓后效果分析評(píng)價(jià)，是頁(yè)巖氣壓后評(píng)價(jià)方法的重要補(bǔ)充。

四、結(jié)論

裂縫條數(shù)增加、裂縫長(zhǎng)度不均勻?qū)⒋蠓淖冏畲?、最小水平主?yīng)力方向上的誘導(dǎo)應(yīng)力大小。鄰近裂縫過(guò)長(zhǎng)將導(dǎo)致短裂縫尖端產(chǎn)生誘導(dǎo)壓應(yīng)力，不利于裂縫擴(kuò)展從而限制了縫長(zhǎng)，即長(zhǎng)裂縫將抑制中間短裂縫的擴(kuò)展。“井工廠”壓裂時(shí)，各條裂縫縫長(zhǎng)差異不大時(shí)有利于裂縫擴(kuò)展，也有利于裂縫附近應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)而增加裂縫復(fù)雜程度。段間距對(duì)裂縫中心產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)大小沒(méi)有影響。裂縫尖端誘導(dǎo)應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)裂縫延伸受限，SRV相對(duì)較小、壓后產(chǎn)量較低。壓后誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)分析結(jié)果與微地震監(jiān)測(cè)和產(chǎn)剖測(cè)試結(jié)果具有較好的一致性。