三塘湖盆地致密油水平井增能壓裂力學(xué)機(jī)理

郭建設(shè)，周福建，胡曉玲，劉雄飛，王博

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油吐哈油田分公司，新疆 哈密 838202；3.中國石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)研究院，北京 102249；4.中國石油西部鉆探工程有限公司地質(zhì)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

三塘湖盆地位于新疆維吾爾自治區(qū)的東北部，盆地內(nèi)致密油區(qū)塊主要集中在馬朗凹陷，已發(fā)現(xiàn)二疊系條湖組、蘆草溝組2套致密油層。二疊系條湖組埋深為2 000～2 900 m，油層為條湖組二段底部沉凝灰?guī)r，油層巖性單一，油層厚度為2～20 m，平均12.5 m；儲(chǔ)層平均孔隙度為 16.5%，平均滲透率為 0.2×10-3μm2；天然裂縫發(fā)育密度為33條/m，方解石充填、半充填；油藏壓力系數(shù)為1.12～1.16。二疊系蘆草溝組油層為混積巖，物性更差[1]。以水平井壓裂為主體開發(fā)技術(shù)，在馬中致密油馬56區(qū)塊建成了國家級(jí)致密油水平井開發(fā)示范基地。致密油區(qū)塊投入開發(fā)后，80%的水平井初期產(chǎn)油量大于10 t/d。但馬中致密油田水平井的產(chǎn)能表現(xiàn)出明顯的“L”形衰減，在初次壓裂完井后,暴露出產(chǎn)量下降快、累計(jì)產(chǎn)油量低的嚴(yán)重問題。為充分挖掘單井控制儲(chǔ)量，重復(fù)壓裂的方案優(yōu)化必須確定地層需要何種程度的補(bǔ)能增能及其影響重復(fù)壓裂效果的關(guān)鍵機(jī)理[2]。

目前，已有部分國內(nèi)外學(xué)者做了增能壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化方面的相關(guān)研究工作。王翠翠[3]認(rèn)為二氧化碳與原油之間的相互作用是影響蓄能壓裂效果的關(guān)鍵因素之一，確定最優(yōu)關(guān)井時(shí)間為壓后井底壓力大于最小混相壓力的時(shí)間。何海波[4]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬及參數(shù)優(yōu)化等手段，形成了一套前期注水補(bǔ)充地層能量，后期實(shí)施大排量壓裂的縫網(wǎng)增能重復(fù)壓裂技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)證實(shí)增油效果明顯。張紅妮等[5]對(duì)吉林油田外圍老區(qū)特定井網(wǎng)和儲(chǔ)層條件下蓄能整體壓裂的裂縫參數(shù)、施工排量、用液量等進(jìn)行優(yōu)化，排量優(yōu)化結(jié)果為4～10 m3/min。鄒萬禮[6]發(fā)現(xiàn)累計(jì)產(chǎn)油量不隨排量和注入量的增加而線性增加，而是有所減緩，當(dāng)排量增至6 m3/min后，開發(fā)效果變差。

Strother等[7]指出，水平井重復(fù)壓裂的關(guān)鍵是盡可能獲取更多可信的油藏參數(shù)來優(yōu)化選井選層。他們提出了一種新的套管測(cè)井方法來獲得上述參數(shù)，可極大地節(jié)省重復(fù)壓裂成本，提高施工成功率。Kumar等[8]研究了致密油藏加密水平井重復(fù)壓裂及“裂縫碰撞（Frachits）”的地質(zhì)力學(xué)機(jī)理，結(jié)果表明：生產(chǎn)誘導(dǎo)的孔隙壓力變化對(duì)后續(xù)加密井的壓裂施工及裂縫碰撞具有顯著影響，在加密井正式壓裂前，補(bǔ)充其地層孔隙壓力即給地層“增能”，可有效緩解“裂縫碰撞”問題。

以上學(xué)者對(duì)水平井重復(fù)壓裂改造中的增能力學(xué)機(jī)理還研究較少。本文通過有限元數(shù)值模擬和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)研究了水平井增能壓裂改造中的人工縫網(wǎng)形成機(jī)理，該結(jié)果對(duì)吐哈盆地三塘湖油田重復(fù)壓裂設(shè)計(jì)以及理解相關(guān)地質(zhì)力學(xué)機(jī)理具有重要意義。

1 增能對(duì)水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響

1.1 有限元模型簡介

為了模擬補(bǔ)充地層能量對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展的影響，利用商業(yè)軟件ABAQUS有限元仿真平臺(tái)[9]，建立了水力壓裂有限元數(shù)值模型。有限元數(shù)值模擬分為3種：1）增加孔隙壓力對(duì)單縫擴(kuò)展影響的模擬。2）增加孔隙壓力對(duì)激活天然裂縫影響的模擬，其中，天然裂縫與水力裂縫之間的夾角為60°。這是為了與馬中致密油區(qū)塊地應(yīng)力方位與天然裂縫方位分析結(jié)果相一致。3）增加孔隙壓力對(duì)水平段暫堵效果的影響。根據(jù)馬中致密油藏特征確定主要輸入?yún)?shù)（見表1）。

表1 輸入?yún)?shù)

基于CZM黏結(jié)單元裂縫模型，采用二維平面應(yīng)變模型模擬水力壓裂裂縫擴(kuò)展；巖石實(shí)體采用CPE4P四邊形孔隙壓力單元，然后向水力裂縫可能的擴(kuò)展路徑嵌入COH2D4P單元（黏結(jié)單元）。以上2種模型的網(wǎng)格劃分如圖1所示，在靠近水力裂縫附近網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以保證計(jì)算結(jié)果的精確性和收斂性。水力裂縫的起裂采用最大主應(yīng)力準(zhǔn)則，裂縫擴(kuò)展采用BK混合斷裂準(zhǔn)則，Cohesive單元的損傷演化采用線性Traction-Separation 定律[10]。

圖1 增能壓裂的有限元模型

1.2 增加孔隙壓力對(duì)單縫擴(kuò)展影響的模擬

基于有限元數(shù)值模擬，比較了不對(duì)地層增能和增加孔隙壓力5 MPa這2種情況的裂縫擴(kuò)展結(jié)果，如圖2所示。從圖中可看出，地層能量增加5 MPa后，在注液時(shí)間相同的條件下，增能壓裂形成的裂縫長度較長，縫寬相對(duì)較窄；而不對(duì)地層增能，相同時(shí)間形成的人工裂縫長度較短，縫寬較大。這說明對(duì)地層補(bǔ)充能量，水力壓裂形成更長的人工裂縫，進(jìn)行重復(fù)壓裂改造時(shí)，可增加與未動(dòng)用油氣藏的接觸面積，有利于提高重復(fù)壓裂的效果。

圖2 增加孔隙壓力對(duì)單縫擴(kuò)展影響的數(shù)值模擬

將上述數(shù)值模擬結(jié)果按相似比例折算至現(xiàn)場(chǎng)，繪制了不同孔隙壓力比與裂縫長度比之間的關(guān)系曲線?？紫秹毫Ρ葹楫?dāng)前孔隙壓力與原始地層壓力的比值；裂縫長度比為當(dāng)前地層壓力下的縫長與原始地層壓力下縫長比值。由圖3可以看出：隨著孔隙壓力比值的增加，裂縫長度比也逐漸增加；當(dāng)孔隙壓力比值變?yōu)?.3左右時(shí)，裂縫長度比增加幅度逐漸變緩。這說明增加孔隙壓力有利于長縫的形成，最經(jīng)濟(jì)增能孔隙壓力為原始地層壓力的1.3倍左右。

圖3 關(guān)鍵指標(biāo)變化倍數(shù)與孔隙壓力比關(guān)系曲線

1.3 增加孔隙壓力對(duì)激活天然裂縫影響的模擬

天然裂縫發(fā)育程度是裂縫性地層單井產(chǎn)量的主控因素之一，水力壓裂改造必須考慮如何充分利用天然裂縫系統(tǒng)，以期在壓裂改造時(shí)形成更為復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)，從而有利于提高產(chǎn)量和采收率[11]。統(tǒng)計(jì)規(guī)律表明：壓裂效果的主控因素為地應(yīng)力狀態(tài)、天然裂縫發(fā)育規(guī)律、天然裂縫走向與主應(yīng)力方位等。因此，本文數(shù)值模擬了增能對(duì)激活天然裂縫的影響，建模時(shí)需要合并天然裂縫，與水力裂縫相交點(diǎn)處壓力連續(xù)，否則計(jì)算難以進(jìn)行。數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，在注入時(shí)間為30 s時(shí)，若對(duì)地層不增能直接壓裂，水力裂縫難以開啟分支天然裂縫；而若地層壓力提高5 MPa，在注入時(shí)間相同條件下，水力裂縫可以激活天然裂縫。圖中水力裂縫沿著天然裂縫方向擴(kuò)展，天然裂縫根部由于受到局部地應(yīng)力的擠壓作用，難以擴(kuò)展。以上對(duì)比說明，增能有利于提前激活地層中的天然裂縫系統(tǒng)，從而在重復(fù)壓裂時(shí)，使用較小的液量就能形成更為復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

圖4 增加孔隙壓力對(duì)激活天然裂縫影響的數(shù)值模擬

由圖4可以看出：孔隙壓力增加5 MPa時(shí)，壓力將提前突降，說明溝通了天然裂縫；而維持現(xiàn)有孔隙壓力，即不進(jìn)行增能時(shí)，壓力突降時(shí)間要延遲，重復(fù)壓裂時(shí)需要補(bǔ)充更多的液體才能激活天然裂縫系統(tǒng)；此外，增能時(shí)激活天然裂縫的破裂壓力數(shù)值較小。以上說明了重復(fù)壓裂改造前進(jìn)行增能措施，更有利于激活天然裂縫系統(tǒng)。

類似于1.2節(jié)，繪制了孔隙壓力比值與裂縫面積比關(guān)系曲線，裂縫面積比為當(dāng)前孔隙壓力下的人工縫網(wǎng)面積與原始地層壓力下的人工縫網(wǎng)面積之比。如圖3中裂縫面積比曲線所示，隨著孔隙壓力比值的增加，人工裂縫面積比也逐漸增加，當(dāng)孔隙壓力比值變?yōu)?.3左右時(shí)，人工裂縫面積比增加幅度逐漸變緩。這說明增加孔隙壓力有利于復(fù)雜裂縫形成，最經(jīng)濟(jì)孔隙壓力比為原始地層壓力的1.3倍左右。

1.4 增加孔隙壓力對(duì)水平段暫堵效果影響的模擬

水平井壓裂改造多采用長井段分段并進(jìn)行多簇射孔的工藝，各簇貢獻(xiàn)程度差異大，水平井各個(gè)分段難以全部得到充分改造，甚至存在無產(chǎn)能貢獻(xiàn)的射孔簇或井段。排除地質(zhì)本身的影響，各簇或各段改造效果差異的主要原因在于各簇裂縫起裂延伸的程度不一[12]。重復(fù)壓裂改造時(shí)，一般通過暫堵轉(zhuǎn)向工藝來增加井段內(nèi)各簇的起裂數(shù)量，并促使各條裂縫相對(duì)均勻的延伸，從而提高改造層段的動(dòng)用效率[13]。在馬中致密油區(qū)塊，暫堵轉(zhuǎn)向工藝是重復(fù)壓裂改造的一項(xiàng)基本工藝，因此，本文進(jìn)行了增加孔隙壓力對(duì)水平段暫堵轉(zhuǎn)向效果的裂縫數(shù)值模擬研究。

如圖5所示（負(fù)值表示壓應(yīng)力），如果對(duì)地層不補(bǔ)充能量，裂縫間由于“應(yīng)力陰影”效應(yīng)，主裂縫會(huì)影響鄰近裂縫的起裂延伸效果，各條裂縫擴(kuò)展長度不一，主裂縫（中間裂縫）較長，鄰近裂縫受其影響，起裂與延伸效果變差，而主裂縫也會(huì)受兩側(cè)裂縫應(yīng)力干擾，中間裂縫寬度較小，壓裂施工時(shí)易出現(xiàn)較高的壓力，甚至砂堵現(xiàn)象。若對(duì)地層補(bǔ)充5 MPa或8 MPa的地層能量，可明顯看出，3條裂縫更易于同時(shí)起裂，并且有類似程度的延伸擴(kuò)展，中間裂縫受應(yīng)力干擾程度明顯減弱。這說明補(bǔ)充地層能量可以減緩“應(yīng)力陰影”效應(yīng)，使得裂縫擴(kuò)展長度基本相同，防止壓裂施工中砂堵現(xiàn)象產(chǎn)生。

圖5 增加孔隙壓力對(duì)水平段暫堵轉(zhuǎn)向裂縫延伸效果的數(shù)值模擬結(jié)果

同樣類似于1.2節(jié)，繪制了孔隙壓力比值與暫堵轉(zhuǎn)向延伸效果間的關(guān)系曲線，暫堵轉(zhuǎn)向效率等效為每條裂縫擴(kuò)展長度的均一程度。由圖3中暫堵效率比曲線可以看出，隨著孔隙壓力比值的增加，人工裂縫暫堵轉(zhuǎn)向效率也逐漸增加，當(dāng)孔隙壓力比值變?yōu)?.3左右時(shí)，人工裂縫暫堵轉(zhuǎn)向效率增加幅度逐漸變緩。這說明增加孔隙壓力有利于轉(zhuǎn)向裂縫的均勻延伸，最經(jīng)濟(jì)孔隙壓力為原始地層壓力的1.3倍左右。

2 孔隙壓力提升巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證上述數(shù)值模擬結(jié)果，開展了孔隙壓力提升對(duì)激活天然裂縫擴(kuò)展影響的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)采用高溫高壓三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，最大軸向載荷可達(dá)2 000 kN，并采用與本區(qū)塊巖石力學(xué)性質(zhì)相似的巖樣。 巖樣彈性模量 25～30 GPa，泊松比 0.21～0.23，峰值強(qiáng)度 33～52 MPa，孔隙度 14%～22%，滲透率 0.1×10-3～0.5×10-3μm2，平均含油飽和度70.2%。實(shí)驗(yàn)方案分為不施加孔隙壓力和施加5 MPa孔隙壓力2種情況，圍壓為40 MPa加載時(shí)，采用應(yīng)變控制模式，應(yīng)變速率為2×10-5s-1，直至巖石發(fā)生破壞為止，同時(shí)監(jiān)測(cè)巖石加載破壞過程中的聲發(fā)射特征。為了保證巖心內(nèi)含天然裂縫系統(tǒng)，對(duì)巖心進(jìn)行加熱處理以引入一定數(shù)量的熱裂縫，相當(dāng)于向巖心內(nèi)預(yù)制了一些天然裂縫或弱面。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6a表明，不加孔隙壓力時(shí)，在高圍壓條件下，將形成一條傾斜的剪切破壞裂縫；施加孔隙壓力5 MPa時(shí)，巖石將形成復(fù)雜的裂縫體系，與預(yù)制的天然裂縫貫通并會(huì)聚。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前面的數(shù)值模擬結(jié)果較為一致，說明了上述結(jié)果可靠。圖6b表明，施加5 MPa孔隙壓力后，巖石峰后破壞載荷呈現(xiàn)多次波動(dòng)震蕩特征，而不加孔隙壓力時(shí)，峰后壓力波動(dòng)曲線特征不明顯。圖6c表明：不加壓時(shí)，聲發(fā)射率在破壞后突增；而加壓后，聲發(fā)射率曲線呈現(xiàn)多次起伏，波動(dòng)特征較為明顯，對(duì)應(yīng)峰后的多次破裂情況，說明巖石內(nèi)形成的主裂縫與預(yù)制天然裂縫交會(huì)，產(chǎn)生了較多的聲發(fā)射事件。以上說明，聲發(fā)射特征與應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征一致。

3 巖石力學(xué)分析與討論

以上從數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究2個(gè)方面對(duì)增能壓裂機(jī)理進(jìn)行了分析，下面從巖石力學(xué)角度分析其內(nèi)在本質(zhì)。同時(shí)，由于增能壓裂的影響因素較多，增能的時(shí)間也較長，因此，本文又從水-巖相互作用角度開展了進(jìn)一步的分析與討論。

3.1 摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則

根據(jù)有效應(yīng)力公式σ′=σ-pp可知，巖石受到的總應(yīng)力σ可分解為有效應(yīng)力σ′和地層孔隙壓力pp。其中：有效應(yīng)力可認(rèn)為是巖石骨架中傳遞的力載荷，它會(huì)引起巖石的變形；總應(yīng)力還有一部分是由于孔隙流體壓力引起的。

圖6 加與不加孔隙壓力巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由于孔隙壓力在各個(gè)方向相同，它僅影響弱面上的正應(yīng)力大小。剪切應(yīng)力τ是由應(yīng)力各向異性引起的，因此將不受流體壓力的影響。從巖石力學(xué)屈服準(zhǔn)則角度看，增能相當(dāng)于補(bǔ)充了地層能量，地層孔隙壓力將提升，在總應(yīng)力不變情況下，巖石骨架受到的有效應(yīng)力將減小。此時(shí)，根據(jù)莫爾準(zhǔn)則，莫爾圓向著原點(diǎn)方向移動(dòng)，更容易接近摩爾庫倫破壞線，因此，從摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則角度看，增能更易使得巖石內(nèi)的弱面發(fā)生破壞，從而有利于激活天然裂縫系統(tǒng)。

依靠暫堵主進(jìn)液通道提升井眼內(nèi)凈壓力，相當(dāng)于局部快速增能促進(jìn)弱面破壞，促使裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向作用。注液增能相當(dāng)于提升整個(gè)地層孔隙壓力，更容易使天然裂縫發(fā)生破壞，從而有利于激活大量的天然裂縫系統(tǒng)。因此，增能與暫堵轉(zhuǎn)向相結(jié)合，用于重復(fù)壓裂改造中，整體壓力和局部壓力提升二者間協(xié)同作用，暫堵轉(zhuǎn)向在井眼內(nèi)形成局部應(yīng)力大幅提升，有利于開啟次一級(jí)的裂縫，而儲(chǔ)層內(nèi)整體壓力的提升可使暫堵轉(zhuǎn)向形成的裂縫更好地延伸。

3.2 水-巖相互作用

從水-巖相互作用角度分析，增能時(shí)間較長，液量也較多，巖石斷裂韌性、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)數(shù)值將減小。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究表明，將巖石放入水中浸泡一段時(shí)間后，力學(xué)參數(shù)可下降25%左右[14]。這將有利于打開天然裂縫系統(tǒng)，從而有效緩解因局部地應(yīng)力較強(qiáng)使得部分天然裂縫難以開啟的現(xiàn)象[15]。

4 增能重復(fù)壓裂工藝適應(yīng)性及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

三塘湖盆地水平井重復(fù)改造需要解決以下問題：1）提高壓裂改造裂縫的波及范圍，形成更長的水力壓裂裂縫；2）提高裂縫的復(fù)雜程度，爭取更大的油藏暴露面積；3）重復(fù)壓裂時(shí)爭取水平段各射孔簇的開縫效率與均勻的延伸，提高各段射孔簇的貢獻(xiàn)率。致密油水平井初次壓裂采用橋塞分段+多簇射孔的體積改造工藝，重復(fù)壓裂時(shí)井眼工況難以采用常規(guī)分段技術(shù)進(jìn)行重復(fù)改造，結(jié)合理論研究，確立了水平井增能+暫堵轉(zhuǎn)向的重復(fù)壓裂工藝。

在三塘湖致密油水平井已規(guī)模進(jìn)行注水增能+暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂改造，壓前增能通過大量快速注水使壓力系數(shù)增至1.2～1.3，多數(shù)井重復(fù)改造后產(chǎn)量超過初次壓裂產(chǎn)量，壓后最高產(chǎn)油量為初次壓裂產(chǎn)量的9倍，工藝的增產(chǎn)效果突出。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，增能暫堵重復(fù)壓裂是橋塞分段初次壓裂后產(chǎn)油量的1.8倍。從累計(jì)增產(chǎn)情況看（見表2），增能暫堵重復(fù)壓裂較常規(guī)重復(fù)壓裂工藝具有明顯增產(chǎn)效果。

表2 馬56區(qū)塊致密油水平井不同重復(fù)壓裂方式效果對(duì)比

5 結(jié)論

1）增能的本質(zhì)是提升整體地層孔隙壓力，在較大波及范圍內(nèi)，天然裂縫易于發(fā)生剪切滑移；而暫堵轉(zhuǎn)向能快速提升局部范圍的壓力，促使裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向起裂。因此，增能與暫堵轉(zhuǎn)向相結(jié)合用于水平井重復(fù)壓裂改造中，整體地層壓力和局部凈壓力提升二者間協(xié)同作用，促使暫堵轉(zhuǎn)向成功并有利于轉(zhuǎn)向裂縫的延伸。

2）水平井增能重復(fù)壓裂時(shí)，孔隙壓力增加倍數(shù)存在某一經(jīng)濟(jì)最優(yōu)值；如果超過此值，縫長穿透比、人工縫網(wǎng)面積比和暫堵轉(zhuǎn)向效率增加趨勢(shì)逐漸變緩。現(xiàn)場(chǎng)重復(fù)壓裂改造時(shí)，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，確定此最優(yōu)值。

3）增能后巖石破裂過程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征、聲發(fā)射特征明顯不同于不增能情況，它們呈現(xiàn)多次起伏波動(dòng)和多次破裂特征，說明增能有利于主裂縫與天然裂縫交會(huì)，產(chǎn)生了較多的聲發(fā)射事件。

4）從巖石力學(xué)角度看，增能相當(dāng)于補(bǔ)充了地層能量，地層孔隙壓力將提升，在總應(yīng)力不變情況下，巖石骨架受到的有效應(yīng)力將減小。此時(shí)，摩爾圓向著原點(diǎn)方向移動(dòng)，更容易接近摩爾庫倫破壞線，因此，增能更易使得巖石內(nèi)的弱面發(fā)生破壞，從而有利于激活天然裂縫系統(tǒng)或使裂縫更易于延伸。

5）從水-巖相互作用角度分析，增能時(shí)間較長，液量也較多，巖石斷裂韌性、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)數(shù)值將減小，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究表明，將巖石放入水中浸泡一段時(shí)間后，力學(xué)參數(shù)可下降25%左右。水-巖相互作用將有利于打開天然裂縫系統(tǒng)，從而有效緩解因局部地應(yīng)力較強(qiáng)使得部分天然裂縫難以開啟的現(xiàn)象。