含礫砂巖儲(chǔ)層重復(fù)壓裂新方法及機(jī)理分析

羅 垚， 聶元訓(xùn)， 王 波， 呂 蓓

(1.新疆油田公司工程技術(shù)研究院， 克拉瑪依 834000； 2.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院， 北京 102249)

隨著國家能源戰(zhàn)略需求的增加和勘探技術(shù)的提高，新探明石油儲(chǔ)量逐漸增加，儲(chǔ)層類型呈現(xiàn)多樣化趨勢[1]，尤其是新疆油田10億噸級(jí)砂礫巖油藏的發(fā)現(xiàn)[2]使得砂礫巖、礫巖油藏成為國家油田開發(fā)的又一重點(diǎn)。對(duì)于低滲、超低滲油藏，具有油井生產(chǎn)初期產(chǎn)油量較高、開發(fā)一段時(shí)間后油井產(chǎn)量逐漸下降的開發(fā)特點(diǎn)，為保證油氣增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，提高油氣采收率，重復(fù)壓裂技術(shù)被廣泛采用[3]。

在砂礫巖儲(chǔ)層進(jìn)行重復(fù)壓裂設(shè)計(jì)時(shí)，常采用的重復(fù)壓裂方法與其他種類油藏的壓裂方法相似[4-5]，不能體現(xiàn)出礫石對(duì)水力壓裂的影響。水力壓裂含礫砂巖儲(chǔ)層時(shí)，水力裂縫會(huì)產(chǎn)生穿礫、繞礫兩種裂縫擴(kuò)展形式[6]，進(jìn)而導(dǎo)致含礫砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂時(shí)易產(chǎn)生扭曲裂縫，裂縫擴(kuò)展形態(tài)難以控制，大規(guī)模改造難度大。采用不同的重復(fù)壓裂方式進(jìn)行壓裂，其裂縫擴(kuò)展形式[7]、作用機(jī)理[8]存在較大差異。常規(guī)重復(fù)壓裂的作用機(jī)理主要包括以下5個(gè)方面：重新張開原有裂縫、有限延伸原有裂縫、沖洗裂縫面、再填充支撐劑、壓開新裂縫[9]。其中，達(dá)到最大改造效果的方式主要有2種：張開原有裂縫、壓開新裂縫[10]。為獲得最大重復(fù)壓裂產(chǎn)能，重復(fù)壓裂需要產(chǎn)生新的水力裂縫，并且新產(chǎn)生的水力裂縫要盡可能遠(yuǎn)地穿透未泄油區(qū)域[11-12]。無外部干預(yù)條件下，地應(yīng)力場控制水力裂縫的延伸方向[13-14]；為削弱應(yīng)力場的控制，人為加入裂縫暫堵劑[15]、水溶性轉(zhuǎn)向劑使得裂縫轉(zhuǎn)向[16]。

壓裂液的選擇對(duì)壓裂過程尤為重要，常用的壓裂液包括滑溜水壓裂液、加入一定胍膠的水基壓裂液[17-18]，儲(chǔ)層類型的差異使得多樣性的壓裂液有了應(yīng)用空間[19]。近幾十年，液氮壓裂、超臨界二氧化碳(scCO2)壓裂逐漸應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，充入原裂縫的液化氮?dú)鈁20-22]、超臨界二氧化碳[23]在地層內(nèi)吸熱迅速汽化，體積急速膨脹，進(jìn)而降低巖石的表面能、更易使得巖石表面產(chǎn)生多裂縫，同時(shí)為儲(chǔ)層補(bǔ)充能量，為在儲(chǔ)層中形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)及穩(wěn)產(chǎn)提供條件。

新疆油田八區(qū)530井區(qū)八道灣組儲(chǔ)層類型多樣、含礫砂巖儲(chǔ)層類型為主，應(yīng)用常規(guī)的重復(fù)壓裂工藝較難達(dá)到預(yù)期成果，針對(duì)油田儲(chǔ)層特點(diǎn)，提出變排量、分階段多壓裂液組合的重復(fù)壓裂方法，通過室內(nèi)真三軸壓裂模擬實(shí)驗(yàn)證明了該方法的有效性，總結(jié)了壓裂機(jī)理，最后針對(duì)含礫砂巖儲(chǔ)層提出了相應(yīng)的壓裂建議。以期對(duì)含礫砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行重復(fù)壓裂產(chǎn)生復(fù)雜裂縫具有一定的借鑒意義。

1 重復(fù)壓裂變排量、分階段多壓裂液組合的壓裂方法

1.1 不同儲(chǔ)層類型的重復(fù)壓裂方式選擇

新疆油田八區(qū)530井區(qū)八道灣組儲(chǔ)層類型主要包括疏松砂巖、致密砂巖及含礫砂巖儲(chǔ)層，如圖1所示。不同類型儲(chǔ)層初次壓裂后儲(chǔ)層的動(dòng)用情況存在差異：①疏松砂巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)層滲透率較高，初次開采程度較高，一般不采用重復(fù)壓裂，若采用重復(fù)壓裂，應(yīng)形成新裂縫擴(kuò)展出老裂縫影響區(qū)域，并在遠(yuǎn)端形成網(wǎng)狀縫；②含礫砂巖儲(chǔ)層，一般儲(chǔ)層滲透率低，初次泄油面積小，常采用體積改造擴(kuò)大重復(fù)壓裂規(guī)模；③致密砂巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)層滲透率相對(duì)較低，初次采油影響區(qū)域較小，重復(fù)壓裂時(shí)應(yīng)突破老裂縫影響區(qū)域，形成新縫網(wǎng)。

圖1 新疆油田八區(qū)530井區(qū)八道灣組典型儲(chǔ)層巖心Fig.1 Typical core of Badaowan formation in Block 8 of Xinjiang Oilfield

現(xiàn)場重復(fù)壓裂時(shí)，常采用單一排量、單一類型的壓裂液進(jìn)行施工，但生產(chǎn)實(shí)際顯示采用該重復(fù)壓裂方式壓裂后的油井生產(chǎn)一段時(shí)間產(chǎn)量即大幅度降低，說明重復(fù)壓裂形成裂縫的復(fù)雜程度較低。為顯著提高油井重復(fù)壓裂后油井產(chǎn)量，使重復(fù)壓裂后的新裂縫在遠(yuǎn)端形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，提出一種“變排量、分階段多性質(zhì)壓裂液結(jié)合”的重復(fù)壓裂方法。

1.2 重復(fù)壓裂新方法簡述

對(duì)于老井重復(fù)改造，為獲得較高產(chǎn)量，重復(fù)壓裂效果應(yīng)滿足：①形成的新裂縫應(yīng)盡可能垂直延伸出老裂縫觸及區(qū)域；②在遠(yuǎn)端盡可能形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，使得裂縫觸及儲(chǔ)層區(qū)域廣。

圖2為“變排量、分階段多壓裂液組合”重復(fù)壓裂方法的示意圖，該方法的目的是在新裂縫遠(yuǎn)端形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)?！白兣帕俊笔侵冈诓煌A段采用不同排量將壓裂液注入井筒，分階段多壓裂液組合方式進(jìn)行重復(fù)壓裂作業(yè)?？煞譃橐韵?個(gè)階段。

(1)首先采用暫堵工藝對(duì)老裂縫進(jìn)行暫堵，并可在垂直原裂縫方向上進(jìn)行射孔(如圖2)。

(2)采用大排量，將高黏度含胍膠壓裂液作為壓裂介質(zhì)注入井筒，形成裂縫a，使得新裂縫突破老裂縫影響區(qū)域，并擴(kuò)展至較遠(yuǎn)區(qū)域。

(3)采用小排量，將超臨界二氧化碳/液氮作為壓裂介質(zhì)注入井筒，在遠(yuǎn)端形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)b。

1.3 變排量、分階段多壓裂液組合壓裂方式機(jī)理分析

變排量、分階段多壓裂液組合壓裂方式的作用機(jī)理主要包括兩部分：①采用暫堵、射孔等方式使得新裂縫垂直老裂縫擴(kuò)展出老裂縫影響區(qū)域；②scCO2、液氮在儲(chǔ)層內(nèi)以吸附降低儲(chǔ)層巖石表面能[24]、相變產(chǎn)生動(dòng)態(tài)載荷[25]以削弱巖石顆粒間膠結(jié)強(qiáng)度。

圖2 變排量、分階段多壓裂液組合的重復(fù)壓裂方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of refracturing method for variable injection rate and staged multi-fracturing fluid combination

初始階段采用暫堵方式封堵老裂縫，在老井筒位置垂直老裂縫射孔，為新裂縫擴(kuò)展提供初始起裂方向，并大排量將高黏度壓裂液注入井筒，使壓裂液產(chǎn)生動(dòng)態(tài)載荷作用于儲(chǔ)層巖石，因高黏壓裂液滲透性較差，壓縮性較小，能最大程度將所有能量用于造縫。動(dòng)態(tài)載荷強(qiáng)度高于一般載荷強(qiáng)度，容易達(dá)到使新裂縫垂直突破老裂縫影響區(qū)域的目的。

中后期采用小排量將scCO2/液氮等壓裂液注入儲(chǔ)層，因scCO2表面張力為0，極易進(jìn)入巖石孔隙，且在儲(chǔ)層條件下易發(fā)生相變[25]，使CO2由超臨界態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)或氣態(tài)，瞬間增加壓裂介質(zhì)體積；若采用液氮作為壓裂介質(zhì)，巨大的溫差能使得儲(chǔ)層產(chǎn)生微裂縫[20]，為形成復(fù)雜裂縫提供基礎(chǔ)，同時(shí)液氮發(fā)生相變使得氮?dú)庥梢簯B(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，體積增大為裂縫擴(kuò)展提供條件。此階段采用小排量注入，能增加高壓氣體在儲(chǔ)層中的滲透時(shí)間，達(dá)到補(bǔ)充地層能量的目的。

2 試件預(yù)制與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 試件預(yù)制方法

在實(shí)驗(yàn)室條件下開展真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)以模擬重復(fù)壓裂過程，驗(yàn)證“變排量、分階段多壓裂液組合”壓裂方法的有效性。以水泥(PC32.5R復(fù)合硅酸鹽水泥)、石英砂(40～70目)和礫石為原料，采用水泥∶砂∶礫石=4∶8∶1的配比混合澆筑得到相應(yīng)儲(chǔ)層類型的人工試件，試件尺寸為30 cm×30 cm×60 cm，如圖3所示。澆筑完成后每天噴水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)21 d后再進(jìn)行相應(yīng)壓裂實(shí)驗(yàn)。對(duì)預(yù)制的試件鉆取標(biāo)準(zhǔn)巖心并進(jìn)行力學(xué)參數(shù)測試，測試結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)室預(yù)制試件與真實(shí)巖心的單軸抗壓、抗拉強(qiáng)度相近。

圖3 含礫砂巖水力壓裂試件預(yù)制示意圖及實(shí)物圖Fig.3 Schematic and prefabricated diagram of conglomerate hydraulic fracturing specimen

圖4 RTM-1壓裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.4 Schematic diagram of hydraulic fracturing system

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

為驗(yàn)證“變排量、分階段多壓裂液組合”壓裂方式的可行性，壓裂液的注入方式分為兩種：①單一排量將相應(yīng)的壓裂液注入井筒；②變排量、分階段多壓裂液組合將相應(yīng)的壓裂液注入。采用中國石油大學(xué)(北京)自主研發(fā)的RTM-1大尺寸巖石三軸力學(xué)性質(zhì)測試裝置進(jìn)行室內(nèi)水力壓裂實(shí)驗(yàn)，測試裝置如圖4所示，由大尺寸巖石三軸力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)架、雙腔恒速恒壓計(jì)量泵、氣動(dòng)控制系統(tǒng)、液壓站及其他輔助裝置組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將試件放置于測試裝置的試驗(yàn)架上，然后加載三向圍壓，當(dāng)圍壓達(dá)到預(yù)設(shè)圍壓時(shí)，采用相應(yīng)速率向井筒內(nèi)注入相應(yīng)的壓裂液。實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

表1 壓裂實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters for hydraulic fracturing

3 結(jié)果與討論

3.1 組合壓裂方式能在重復(fù)壓裂裂縫遠(yuǎn)端產(chǎn)生復(fù)雜裂縫

壓裂形成的裂縫面如圖5所示，壓裂介質(zhì)分別為胍膠、滑溜水、胍膠-滑溜水、胍膠-scCO2，以胍膠為壓裂液、單一排量條件下壓裂形成的裂縫為1條平直縫；以滑溜水為壓裂液、單一排量條件下形成的裂縫為1條偏轉(zhuǎn)裂縫；以胍膠-滑溜水作為壓裂液、采用分階段組合壓裂形成了多個(gè)裂縫面，且局部區(qū)域有多條水力裂縫；以胍膠-scCO2作為壓裂液、采用分階段組合壓裂出3個(gè)較大規(guī)模的分支裂縫面，局部形成了復(fù)雜裂縫(圖6)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)胍膠-scCO2組合方式形成分支裂縫面規(guī)模最大、裂縫網(wǎng)絡(luò)最復(fù)雜，且變排量壓裂方式產(chǎn)生的裂縫條數(shù)至少是定排量壓裂方式產(chǎn)生裂縫條數(shù)的3倍。

圖6為胍膠-scCO2壓裂形成的裂縫面，3個(gè)大規(guī)模分支裂縫面分布在試件大部分區(qū)域，用高黏壓裂液形成主裂縫面2；遇到礫石后，水力裂縫發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成裂縫面1和裂縫面3。壓裂過程中，易在低抗拉強(qiáng)度處斷裂形成裂縫面，由于scCO2極強(qiáng)滲透作用使得裂縫附近孔隙增加、有效應(yīng)力降低，更易在外部載荷作用下形成微裂縫，最終形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。微裂縫面形成區(qū)域均有礫石分布，部分裂縫遇礫石發(fā)生繞礫擴(kuò)展。

壓裂介質(zhì)采用胍膠-滑溜水、胍膠-scCO2均形成了復(fù)雜裂縫，但滑溜水形成裂縫的溝通區(qū)域有限，僅在主裂縫附近形成了多個(gè)平行裂縫面。scCO2的表面張力為0，極易發(fā)生滲透，使得scCO2比滑溜水影響區(qū)域廣，所以形成大規(guī)模水力裂縫面的可能性大。

3.2 壓裂液性能影響裂縫復(fù)雜程度

對(duì)于致密砂巖、頁巖、砂礫巖及含礫砂巖儲(chǔ)層，常用的壓裂液為胍膠壓裂液和滑溜水壓裂液，眾多學(xué)者研究表明壓裂液黏度影響水力裂縫的復(fù)雜程度，且胍膠壓裂形成裂縫的復(fù)雜程度低于滑溜水形成的裂縫的復(fù)雜程度[26-28]。由于高黏度胍膠壓裂液具有滲透性低、可壓縮性低的特點(diǎn)，胍膠壓裂液可用于造主縫以突破老裂縫影響區(qū)域，且能形成較為平直的水力裂縫。當(dāng)突破老裂縫影響區(qū)域后，在遠(yuǎn)端能形成復(fù)雜裂縫則可最大程度提高油氣導(dǎo)流通道數(shù)量。由壓裂結(jié)果可知：分階段多壓裂液組合壓裂方法產(chǎn)生水力裂縫的條數(shù)是單一類型壓裂液壓裂產(chǎn)生裂縫條數(shù)的3倍，scCO2作為壓裂介質(zhì)壓裂形成的裂縫復(fù)雜程度最高，與scCO2的作用機(jī)理密切相關(guān)。

圖5 不同壓裂介質(zhì)壓裂后形成的裂縫面Fig.5 Hydraulic fractures with different fracturing fluid

圖6 胍膠-scCO2壓裂后試件局部裂縫面Fig.6 Local fractures with fracturing fluid(Guar gum-scCO2)

scCO2能形成復(fù)雜裂縫的原因包括相變形成沖擊載荷、物理吸附降低巖石的表面能、極強(qiáng)的滲透性導(dǎo)致孔壓局部增加快。當(dāng)溫度高于31.26 ℃、壓力高于7.3 MPa時(shí)，CO2將由氣態(tài)或液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界態(tài)，其密度近于液體，黏度比水低[29]，近于氣體，擴(kuò)散系數(shù)為液體的100倍[30]，是一種優(yōu)良的產(chǎn)生復(fù)雜裂縫的壓裂介質(zhì)。儲(chǔ)層深度一般大于1 000 m，此時(shí)地層溫度、地層壓力條件高于CO2的臨界條件，此條件下CO2處于超臨界狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到破裂壓力時(shí)，溫度、壓力瞬間降低，使得CO2由超臨界狀態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)或液態(tài)[25]，CO2體積膨脹明顯，縫內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的體積膨脹屬于動(dòng)態(tài)載荷，是形成復(fù)雜裂縫體系的原因之一。scCO2的吸附作用能降低巖石的表面能，使得巖石的抗拉、抗壓能力明顯降低近30%[31]，進(jìn)而顯著降低壓裂的破裂壓力。scCO2的表面張力為0，極易滲透進(jìn)入巖石孔隙，縫內(nèi)高壓作用下，scCO2在裂縫附近快速擴(kuò)散。儲(chǔ)層中，水力裂縫的擴(kuò)展方式為間歇式擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到破裂壓力時(shí)，裂縫前端縫內(nèi)壓力突降，導(dǎo)致縫內(nèi)壓力低于滲透到巖石孔隙中scCO2的壓力，在拉伸作用下載裂縫壁面形成微裂縫，增大人工裂縫滲透率，能較大程度地改造儲(chǔ)藏。

3.3 含礫砂巖儲(chǔ)層重復(fù)壓裂建議

儲(chǔ)藏動(dòng)用程度與裂縫復(fù)雜程度正相關(guān)，對(duì)于含礫砂巖儲(chǔ)層，為產(chǎn)生復(fù)雜裂縫體系，可采用“變排量、分階段多壓裂液組合”的重復(fù)壓裂方式。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，可主要采用以下方式進(jìn)行施工：①壓裂初期目的為造新縫，在暫堵、射孔條件下使用高黏、高排量壓裂液產(chǎn)生垂直于老縫的新縫；②第二階段采用scCO2作為壓裂介質(zhì)注入儲(chǔ)層形成復(fù)雜裂縫體系。

4 結(jié)論

提出了一種針對(duì)含礫砂巖儲(chǔ)層重復(fù)壓裂改造的“變排量、分階段多壓裂液組合”壓裂方法，分析了該壓裂方法的作用機(jī)理，并通過真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。該重復(fù)壓裂方法在壓裂初期采用高排量、高黏度壓裂液突破老裂縫影響區(qū)域，后采用低排量、scCO2作為壓裂介質(zhì)在遠(yuǎn)端形成復(fù)雜縫網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)表明含礫砂巖儲(chǔ)層采用該壓裂方法可促進(jìn)壓裂裂縫在礫石處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而形成多條分支裂縫，并能形成多條微裂縫，增加裂縫與儲(chǔ)層的接觸面積。變排量、分階段多壓裂液組合的重復(fù)壓裂方法可為含礫砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行重復(fù)壓裂生產(chǎn)提供一定的借鑒意義。