杭錦旗區(qū)塊壓裂縫高影響因素及延伸規(guī)律分析

朱新春

中石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院

0 引言

杭錦旗區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地構(gòu)造北部，屬于致密低滲致密砂巖氣藏，主要目的層為上古生界石盒子組，縱向發(fā)育盒1、盒2、盒3等3套氣層，主要通過壓裂進(jìn)行投產(chǎn)。在實(shí)際開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，部分井盒1層底部含有水層或發(fā)育氣水同層，要求控制裂縫高度，避免溝通水層，造成氣井大量產(chǎn)水。本文通過對(duì)壓裂裂縫高度延伸規(guī)律開展研究，分析影響縫高的主要因素［1］，并建立控縫高技術(shù)圖版，從而針對(duì)性地開展壓裂技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)。

1 巖石力學(xué)及地應(yīng)力特征

要準(zhǔn)確分析壓裂縫高延伸規(guī)律，需要獲得儲(chǔ)層及隔夾層巖石力學(xué)及地應(yīng)力參數(shù)，一般采用兩種方法［2-4］，一是實(shí)測(cè)法，包括礦場(chǎng)實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，另一類方法是計(jì)算法，包括地應(yīng)力場(chǎng)有限元數(shù)值模擬、地應(yīng)力測(cè)井解釋和鉆進(jìn)參數(shù)反演等。其中，地應(yīng)力測(cè)井解釋成本低，有相對(duì)較好的精度，能夠得到連續(xù)的地應(yīng)力剖面，因而得到較廣泛的應(yīng)用。

1.1 橫波時(shí)差計(jì)算公式

利用測(cè)井曲線計(jì)算巖石力學(xué)及地應(yīng)力參數(shù)必須獲得準(zhǔn)確的橫波時(shí)差數(shù)據(jù)，前人往往通過偶極聲波測(cè)井獲得單井縱橫波時(shí)差數(shù)據(jù)。由于偶極聲波測(cè)井費(fèi)用相對(duì)較高，不可能對(duì)每一口井都開展測(cè)試，而同一個(gè)區(qū)塊，縱橫波時(shí)差關(guān)系相對(duì)較為固定，可以對(duì)偶極聲波測(cè)井得到的縱橫波時(shí)差數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而得到橫波時(shí)差計(jì)算公式，進(jìn)而推廣應(yīng)用到常規(guī)井中，得到所有井的橫波時(shí)差數(shù)據(jù)。

前期共對(duì)杭錦旗區(qū)塊4口井進(jìn)行了偶極聲波測(cè)井，為此選取錦86井、錦98井、錦119井等3口井的偶極聲波測(cè)井資料，利用常規(guī)線性擬合、自然伽馬曲線加權(quán)線性擬合(圖1)2種方法對(duì)縱橫波時(shí)差數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(表1)，發(fā)現(xiàn)自然伽馬曲線加權(quán)線性擬合方法精度相對(duì)高，達(dá)到0.97，可以作為杭錦旗區(qū)塊盒1層橫波時(shí)差計(jì)算公式。

圖1縱橫波時(shí)差關(guān)系圖(自然伽馬曲線加權(quán)線性擬合)Fig.1 Relationship of P-wave and S-wave time difference(GR curve weighted linear fitting)

同時(shí)利用JPH-12井偶極聲波測(cè)井資料，對(duì)橫波時(shí)差計(jì)算公式進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)通過公式計(jì)算的橫波時(shí)差與實(shí)際橫波時(shí)差較為接近(圖2)，誤差較小，公式適用性相對(duì)較強(qiáng)。注：Δts為橫波時(shí)差，μs/m；Δtp為縱波時(shí)差，μs/m；GR為伽馬測(cè)井值，API。

表1杭錦旗區(qū)塊橫波時(shí)差計(jì)算公式對(duì)比Table 1 Comparison between S-wave time difference calculating formulas used in the Hangjinqi Block

圖2 JPH-12井盒1層橫波時(shí)差計(jì)算與實(shí)際值對(duì)比圖Fig.2 Comparison between the calculated S-wave time difference and the actual value of He 1 Layer in Well JPH-12

1.2 巖石力學(xué)及地應(yīng)力計(jì)算

通過橫波時(shí)差計(jì)算公式，可以得到常規(guī)井的橫波時(shí)差數(shù)據(jù)，進(jìn)而利用理論公式，結(jié)合密度測(cè)井曲線，可以得到巖石動(dòng)態(tài)楊氏模量、動(dòng)態(tài)泊松比、水平最小主應(yīng)力等巖石力學(xué)及地應(yīng)力參數(shù)。

動(dòng)態(tài)泊松比

水平最小主應(yīng)力

式中，E為動(dòng)態(tài)楊氏模量，GPa；μ為動(dòng)態(tài)泊松比，無因次；σy為水平最小主應(yīng)力，MPa；pp為地層壓力，MPa；h為深度，m；ρ為上覆巖石密度，g/cm3。

由此利用理論公式計(jì)算了17口井22層的巖石力學(xué)及地應(yīng)力剖面，并根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)校正。通過統(tǒng)計(jì)，隔層平均楊氏模量為21.8 GPa，泊松比為0.28，儲(chǔ)層平均楊氏模量為28.3 GPa，泊松比為0.25。儲(chǔ)隔層水平最小主應(yīng)力差主要分布在2~10 MPa 之間，平均為6.4 MPa(圖3)。

圖3儲(chǔ)隔層水平最小主應(yīng)力差分布直方圖Fig.3 Distribution histogram of reservoir/barrier minimum horizontal major stress difference

2 縫高影響因素分析

影響壓裂縫高的因素有很多［5］，主要分為兩類：地質(zhì)因素，包括儲(chǔ)隔層水平最小主應(yīng)力差［6］、砂體厚度、隔層厚度、楊氏模量、泊松比、滲透率、斷裂韌性［7］等；工程因素，包括施工排量［8］、壓裂液量、壓裂液黏度、濾失系數(shù)等。根據(jù)前人研究成果，儲(chǔ)隔層閉合應(yīng)力差越大，縫高越小，施工排量越高，壓裂液黏度越大，壓裂縫高越大，楊氏模量、泊松比等對(duì)縫高影響有限。前人對(duì)各單因素對(duì)縫高的影響開展了相關(guān)研究，但對(duì)縫高影響權(quán)重研究較少，為此，本文利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)各因素影響權(quán)重進(jìn)行了分析。

2.1 模型建立

通過對(duì)杭錦旗區(qū)塊盒1層儲(chǔ)隔層縱向發(fā)育情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，盒1層單套氣層厚度為10~30 m，隔層厚度為2~10 m，儲(chǔ)隔層水平最小主應(yīng)力差主要分布在2~10 MPa 之間，為此建立盒1層理想儲(chǔ)隔層縱向展布模型。

模型假設(shè)：(1)縱向上發(fā)育3套均質(zhì)砂巖層，中間為目的層，3套砂巖層物性一致，閉合應(yīng)力梯度一致；(2)目的層頂、底均發(fā)育隔層，隔層厚度相等，物性一致；(3)目的層頂、底部砂巖層厚度近似無限。

（6）管理功能薄弱。多數(shù)平臺(tái)把重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的虛擬仿真技術(shù)上，而對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的管理功能研發(fā)投入精力較少，導(dǎo)致管理功能較弱。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、預(yù)約、操作、記錄、書寫報(bào)告、提交成果，教師的實(shí)時(shí)審批、監(jiān)管、指導(dǎo)、批閱等各環(huán)節(jié)都應(yīng)在仿真平臺(tái)中實(shí)時(shí)進(jìn)行，平臺(tái)不僅要有仿真試驗(yàn)功能，更應(yīng)具有實(shí)驗(yàn)全過程實(shí)時(shí)管理功能，這樣才能更好的提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

在此基礎(chǔ)上，可以利用Mfrac壓裂模擬軟件建立擬三維裂縫擴(kuò)展模型，對(duì)裂縫高度延伸規(guī)律進(jìn)行模擬分析，模型所用到的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

2.2 縫高影響因素分析

為了準(zhǔn)確了解不同因素對(duì)縫高影響程度的主次關(guān)系，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法［9-10］科學(xué)地安排多因素試驗(yàn)方案，定量確定各影響因素對(duì)裂縫縫高的影響主次順序以及顯著程度。

表 2壓裂裂縫延伸模型參數(shù)Table 2 Parameters of hydraulic fracture propagation model

根據(jù)前人研究，影響裂縫縫高的因素有很多，其中影響較大的包括儲(chǔ)層厚度、隔層厚度、儲(chǔ)隔層水平最小主應(yīng)力差、排量、液量、壓裂液黏度等6個(gè)因素，將其確定為正交試驗(yàn)的分析因素，每個(gè)因素再選取5個(gè)水平，則正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)表如表3所示。

表3正交實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 3 Factor level design parameters of orthogonal experiment

根據(jù)影響累計(jì)產(chǎn)氣量因素水平取值表，選取L25(56)正交表進(jìn)行裂縫延伸模擬試驗(yàn)，模擬不同參數(shù)組合下的裂縫高度，考察各個(gè)因素對(duì)裂縫高度的影響。根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，極差反映了因子的水平變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，而極差的大小則反映了因子的重要程度。為此，計(jì)算了各因素組合下裂縫高度極差值。由計(jì)算結(jié)果可知(表4)，各因素對(duì)裂縫高度影響程度排序?yàn)椋簝?chǔ)隔層水平最小主應(yīng)力差＞壓裂液黏度＞隔層厚度＞入地液量＞施工排量＞砂體厚度。

表4正交實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果Table 4 Analysis results of orthogonal experiment

3 縫高延伸規(guī)律

針對(duì)杭錦旗區(qū)塊底部含水氣藏，壓裂設(shè)計(jì)需要控制裂縫高度，尤其是下縫高，避免縫高穿透隔層，進(jìn)入底部水層，為此需要對(duì)下縫高延伸情況進(jìn)行深入分析，以便對(duì)縫高控制情況進(jìn)行判斷。

通過對(duì)井溫測(cè)井結(jié)果進(jìn)行分析，由儲(chǔ)隔層水平最小主應(yīng)力差、隔層厚度及縫高延伸情況(圖4)可以看出，當(dāng)應(yīng)力差小于4 MPa，隔層厚度小于4 m，縫高容易穿透隔層，壓穿井比例達(dá)100%；當(dāng)隔層厚度大于8 m，應(yīng)力差大于8 MPa 時(shí)，縫高穿透隔層難度大，監(jiān)測(cè)井均未壓穿隔層。

圖4儲(chǔ)隔層水平最小主應(yīng)力差、下隔層厚度及穿層情況統(tǒng)計(jì)分析圖Fig.4 Statistical analysis diagram of reservoir/barrier minimum horizontal major stress difference,lower barrier thickness and layer penetration situation

當(dāng)隔層厚度介于4~8 m，儲(chǔ)隔層水平最小應(yīng)力差介于4~8 MPa 時(shí)，可以通過壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化控制裂縫高度。首先利用井溫測(cè)井監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)裂縫擴(kuò)展模型進(jìn)行了校正，誤差小于5%，滿足精度要求。在此基礎(chǔ)上模擬了不同施工排量、入地液量條件下的縫高延伸情況，得到相應(yīng)的控縫高壓裂參數(shù)臨界值，由此編制出系列控縫高壓裂技術(shù)圖版，如圖5所示為儲(chǔ)層厚度為15 m，儲(chǔ)隔層水平最小應(yīng)力差為6 MPa 下的控縫高壓裂技術(shù)圖版(圖5)。根據(jù)圖版，可以得到不同儲(chǔ)隔層條件下，控縫高壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)選擇范圍。例如，當(dāng)隔層厚度為6 m，施工排量為2 m3/min 時(shí)，入地液量要控制在130 m3以內(nèi)。

圖5控縫高壓裂技術(shù)圖版Fig.5 Chart of fracture height control based fracturing technology

同時(shí)，利用J58-1井偶極聲波測(cè)井方法求得的實(shí)際縫高數(shù)據(jù)(表5)對(duì)縫高延伸規(guī)律進(jìn)行了驗(yàn)證。J58-1井共對(duì)盒2層、盒1層、山2層進(jìn)行了縫高監(jiān)測(cè)。根據(jù)3層儲(chǔ)隔層發(fā)育情況及施工參數(shù)，對(duì)縫高延伸情況進(jìn)行分析預(yù)測(cè)：山2層入地液量小于臨界液量，縫高不會(huì)穿透隔層，而盒2層及盒1層入地液量均大于臨界液量，縫高會(huì)穿透隔層。3層實(shí)際縫高監(jiān)測(cè)結(jié)果均與預(yù)測(cè)結(jié)果一致，證實(shí)穿層壓裂技術(shù)圖版的可靠性。

表5 J58-1井儲(chǔ)隔層發(fā)育情況及實(shí)際裂縫高度統(tǒng)計(jì)Table 5 Reservoir and barrier development situations and actual fracture height in Well J58-1

4 控縫高壓裂設(shè)計(jì)方案

4.1 控縫高壓裂方案設(shè)計(jì)

通過影響裂縫高度延伸因素分析發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)因素中對(duì)裂縫高度影響最大的是儲(chǔ)隔層應(yīng)力差，前人主要采用人工隔層［11-13］的方法人為增大隔層應(yīng)力進(jìn)而增大儲(chǔ)隔層應(yīng)力差，達(dá)到控制縫高的目的。而工程因素中對(duì)裂縫高度影響最大的是壓裂液黏度，其次是液量及排量，杭錦旗區(qū)塊則主要通過對(duì)工程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，形成了針對(duì)性的控縫高壓裂工藝。

模擬研究發(fā)現(xiàn)，縫高快速增長發(fā)生在前置液階段，而在攜砂液階段縫高增長緩慢，為此在前置液造縫階段采用低黏液體［14］，能夠有效控制縫高增長，但此時(shí)壓裂液黏度低濾失較大，縫寬較窄，為此，需要進(jìn)行大排量施工，降低濾失，增大縫寬，由于黏度相對(duì)排量對(duì)縫高影響程度大，此時(shí)增大排量并不會(huì)使縫高過度增長。在攜砂液階段，為保證順利加砂，需要采用高黏液體，同時(shí)為了避免縫高增長，相應(yīng)需要降低排量。

針對(duì)目的層底部發(fā)育水層，兩層間隔層厚度小于8 m 的開發(fā)井，要求控制裂縫高度。通過模擬(表6)，在保持加砂規(guī)模及入地液量不變的前提下，采用控縫高壓裂方案后(圖6)，裂縫高度相比常規(guī)施工參數(shù)條件下降低明顯，整個(gè)施工階段，縫高沒有明顯增長，基本被控制在砂體內(nèi)，未突破隔層，實(shí)現(xiàn)了控縫高的目的。

表6控縫高壓裂方案與常規(guī)壓裂方案設(shè)計(jì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 6 Statistical design parameters of fracture height control scheme and conventional fracturing scheme

圖6控縫高壓裂方案與常規(guī)壓裂方案縫高延伸對(duì)比Fig.6 Comparison of fracture height propagation between the fracture height control and the conventional fracturing

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

JPH-316井是位于杭錦旗區(qū)塊J58井區(qū)西部的一口開發(fā)水平井，目的層段為盒12層，砂體厚度15 m，測(cè)井解釋為氣層，底部盒11層測(cè)井解釋為水層，含水飽和度高達(dá)90%，盒12層與底部盒11層之間有4.5 m 泥巖隔層，儲(chǔ)隔層應(yīng)力差為6 MPa，開發(fā)要求控制壓裂裂縫高度。為此該井采用了控縫高壓裂工藝，前置液階段采用低黏原膠液，進(jìn)行造縫，排量4 m3/min，而在攜砂液階段則采用高黏交聯(lián)液進(jìn)行加砂，同時(shí)適當(dāng)降低排量至3 m3/min，根據(jù)壓裂施工曲線進(jìn)行擬合縫高為20 m，未穿透隔層。該井壓后獲得無阻流量18.7×104m3/d，試氣階段日產(chǎn)液僅為5.8 m3/d，達(dá)到了控制裂縫高度，避免溝通底部水層的目的。

J66-2井是杭錦旗區(qū)塊J66井區(qū)的一口開發(fā)直井，目的層為盒2層，砂體厚度15 m，底部盒1層測(cè)井解釋為水層，兩層間隔7 m 泥巖隔層，同樣采用控縫高壓裂技術(shù)方案，前置液采用原膠液，排量3.5 m3/min，攜砂液采用交聯(lián)液，排量2.5 m3/min，根據(jù)壓裂施工曲線進(jìn)行擬合縫高僅為18 m，有效控制了裂縫高度向下延伸。該井壓后日產(chǎn)氣2 900 m3/d，不產(chǎn)水，取得良好改造效果。

5 結(jié)論

(1)杭錦旗區(qū)塊下石盒子組隔層平均楊氏模量為21.8 GPa，泊松比為0.28，儲(chǔ)層平均楊氏模量為28.3 GPa，泊松比為0.25。儲(chǔ)隔層最小主應(yīng)力差主要分布在2~10 MPa 之間，平均為6.4 MPa。

(2)影響裂縫高度的主要因素包括地質(zhì)因素及工程因素，各因素對(duì)裂縫高度影響程度排序?yàn)椋簝?chǔ)隔層應(yīng)力差＞壓裂液黏度＞隔層厚度＞入地液量＞施工排量＞砂體厚度。

(3)當(dāng)儲(chǔ)隔層水平最小應(yīng)力差小于4 MPa,隔層厚度小于4 m 時(shí)，縫高容易穿透隔層；當(dāng)隔層厚度介于4~8 m 之間時(shí)，可以根據(jù)控縫高壓裂技術(shù)圖版進(jìn)行判斷；當(dāng)應(yīng)力差大于8 MPa，隔層厚度大于8 m，下縫高不容易穿透隔層。

(4)針對(duì)杭錦旗區(qū)塊含底水氣藏，形成了控縫高壓裂工藝，通過在前置液階段采用低黏液體大排量施工，攜砂液階段采用高黏液體適當(dāng)降低施工排量，能夠有效降低裂縫高度，避免穿透隔層進(jìn)而溝通底部水層。