泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖復(fù)雜裂縫起裂及擴(kuò)展研究

邢德鋼，崔連可，王樹(shù)森，蔣爾梁，余小燕，楊 琪

（中國(guó)石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南南陽(yáng) 473132）

前人研究認(rèn)為[1-2]，泌陽(yáng)凹陷作為南襄盆地的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元，在古近系核桃園組沉積時(shí)期發(fā)育了一套富含有機(jī)質(zhì)的湖相頁(yè)巖。該頁(yè)巖具有分布范圍廣、單層厚度大、有機(jī)碳含量較高、有機(jī)質(zhì)類(lèi)型好、熱演化程度適中、儲(chǔ)集空間發(fā)育、儲(chǔ)集性能較好、脆性礦物含量高、可壓性好、含油特征明顯等特征，具備較好的陸相頁(yè)巖油形成條件。泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層脆性礦物含量高、微裂縫十分發(fā)育、孔隙發(fā)育各向異性好，具備較好的可壓性。壓裂后易形成網(wǎng)狀復(fù)雜裂縫體系，有利于頁(yè)巖油的滲流與高產(chǎn)[3-10]；但泌陽(yáng)凹陷已部署的幾口頁(yè)巖油井均存在高產(chǎn)期短、穩(wěn)產(chǎn)油量低的問(wèn)題，嚴(yán)重制約了該地區(qū)頁(yè)巖油的進(jìn)一步地質(zhì)評(píng)價(jià)和勘探開(kāi)發(fā)[11]。通過(guò)室內(nèi)水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)合泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖地質(zhì)因素和水力壓裂施工中復(fù)雜裂縫起裂及擴(kuò)展的工程因素開(kāi)展相關(guān)研究，明確影響裂縫起裂及擴(kuò)展的主要影響因素；并結(jié)合以往壓裂施工確定合理的壓裂施工參數(shù)，優(yōu)化支撐劑在裂縫中的鋪置，提高裂縫導(dǎo)流能力，延長(zhǎng)頁(yè)巖油井穩(wěn)產(chǎn)期，對(duì)下一步泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖壓裂改造具有一定的借鑒意義。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺椒?/h2>

影響裂縫起裂與裂縫擴(kuò)展的因素眾多，主要有巖石力學(xué)參數(shù)、施工參數(shù)、壓裂液性能和儲(chǔ)層性能。結(jié)合泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層的地質(zhì)特征和壓裂研究成果[12-13]，本文主要從水平應(yīng)力差異系數(shù)、層理發(fā)育和壓裂液排量等三個(gè)方面開(kāi)展泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖復(fù)雜裂縫起裂及擴(kuò)展研究。室內(nèi)水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)是通過(guò)大型真三軸水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[14-15]，采用300 mm×300 mm×300 mm 的巖樣，模擬井眼直徑20 mm、模擬套管內(nèi)徑16 mm、射孔孔徑1.5 mm對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂模擬，觀察裂縫起裂的方位、裂縫的延伸數(shù)量和裂縫的形態(tài)，研究水力壓裂裂縫起裂延伸的機(jī)理，巖樣結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 巖樣示意圖

利用帶螺紋的不銹鋼管模擬井筒，在砂漿制作完成后開(kāi)展模型澆筑，澆筑時(shí)根據(jù)不同的地層性質(zhì)選用不同配比的砂漿進(jìn)行分層澆筑，澆筑時(shí)控制一定的間歇時(shí)間，均勻、緩慢、平穩(wěn)的澆筑，以防止砂漿過(guò)度侵入下層砂漿，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。將垂直度控制在一定范圍內(nèi)的巖樣放入實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)，對(duì)巖樣同步施加三向應(yīng)力至實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定值，確保巖樣受力均勻；待圍壓達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求后，保持壓力狀態(tài)不變，注入壓裂液模擬壓裂過(guò)程，觀察壓力變化。實(shí)驗(yàn)完畢后將巖樣取出，觀察壓裂后巖樣的裂縫形態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 水平應(yīng)力差的影響

當(dāng)水平主應(yīng)力差異系數(shù)較小時(shí)，水力裂縫在多個(gè)方向起裂，延伸過(guò)程中產(chǎn)生多條分支裂縫，擴(kuò)展路徑曲折，裂縫形態(tài)復(fù)雜；隨著水平主應(yīng)力差和差異系數(shù)的增加，地應(yīng)力控制作用逐漸增強(qiáng)，水力裂縫多裂縫現(xiàn)象逐漸減弱；當(dāng)應(yīng)力差異系數(shù)達(dá)到一定值后，水力裂縫發(fā)育主要受地應(yīng)力控制，裂縫沿垂直最小水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展，裂縫形態(tài)相對(duì)單一。泌陽(yáng)凹陷5 號(hào)頁(yè)巖層水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.11～0.22，因此水平應(yīng)力差異系數(shù)選定0.1、0.2、0.3 開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，其他實(shí)驗(yàn)條件統(tǒng)一采用0.5%的羥丙基瓜爾膠壓裂液、30 mL/min 的排量；結(jié)合泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖油井參數(shù)，將上覆巖層壓力、最大水平主應(yīng)力分別定為62，48 MPa，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表1。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：1#巖樣不斷有新的裂縫產(chǎn)生并擴(kuò)展，形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)；2#巖樣先形成關(guān)于井筒對(duì)稱(chēng)的雙翼縫，再形成垂直于第一條裂縫的單翼縫；3#巖樣裂縫偏向最大水平主應(yīng)力方向，形成一條簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)向縫；4#巖樣裂縫形態(tài)較復(fù)雜，形成“十”字縫；5#巖樣裂縫擴(kuò)展方向基本上垂直于最小水平主應(yīng)力方向，并與井筒對(duì)稱(chēng)，方向略微有些偏轉(zhuǎn)，形態(tài)稍顯簡(jiǎn)單；7#巖樣裂縫擴(kuò)展方向基本垂直于最小水平主應(yīng)力方向，形成簡(jiǎn)單縫（圖2）。結(jié)果表明：隨著水平應(yīng)力差異系數(shù)的增大，巖石形成復(fù)雜裂縫的能力受到抑制；當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.3 時(shí)，不利于復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成。

表1 水平應(yīng)力差異實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

圖2 不同水平應(yīng)力差異條件下巖樣破裂形態(tài)

2.2 層理發(fā)育的影響

結(jié)合水平應(yīng)力差的實(shí)驗(yàn)，層理發(fā)育的影響實(shí)驗(yàn)將水平應(yīng)力差異系數(shù)定為0.15，上覆巖層壓力、最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力分別為62，48，42 MPa，采用0.5%的羥丙基瓜爾膠壓裂液、30 mL/min的排量；開(kāi)展井筒平行于層理方向、垂直于層理方向、與層理方向呈45°的層理發(fā)育的影響實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 層理發(fā)育實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：9#巖樣破裂壓力隨著時(shí)間的變化不大，形成沿層理方向擴(kuò)展的簡(jiǎn)單雙翼縫；10#巖樣形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，裂縫既沿著層理方向擴(kuò)展，也會(huì)偏離層理方向擴(kuò)展；11#巖樣裂縫延伸過(guò)程中有明顯的轉(zhuǎn)向行為；12#巖樣裂縫朝不同方向擴(kuò)展，有明顯的轉(zhuǎn)向，從而形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)；6#巖樣裂縫形態(tài)比較復(fù)雜，有明顯的轉(zhuǎn)向行為，形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)；8#巖樣形成比較復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，在最小水平主應(yīng)力方向形成了一條主裂縫，在最大水平主應(yīng)力方向形成了半裂縫，在最小和最大水平主應(yīng)力方向之間也有裂縫擴(kuò)展（圖3）。結(jié)果表明：在壓裂過(guò)程中，層理弱面在裂縫擴(kuò)展中的作用相當(dāng)大，當(dāng)水平主應(yīng)力差異小、巖心脆性稍差時(shí)，裂縫主要沿著層理面擴(kuò)展，不利于形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)較小、巖心可壓性較強(qiáng)時(shí)，容易形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，裂縫既沿著層理方向擴(kuò)展，也會(huì)偏離層理方向擴(kuò)展，在此條件下壓裂時(shí)，層理不再是形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的主控因素；當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)較小、巖樣可壓性較好、井筒與層理成45°夾角時(shí)，地層易形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。

2.3 壓裂液排量的影響

壓裂液排量的影響實(shí)驗(yàn)水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.15，上覆巖層壓力、最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力分別為62，48，42 MPa，射孔方向垂直于最小水平主應(yīng)力方向，井筒垂直于層理方向，采用0.5%的羥丙基瓜爾膠壓裂液、巖心可壓性適中，壓裂液排量為20，25，30 mL/min。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：13#巖樣在20 mL/min 排量下偏向于形成復(fù)雜裂縫，但較小的排量不利于生成新的裂縫；14#巖樣在30 mL/min 排量下形成垂直于最小水平主應(yīng)力方向的不太對(duì)稱(chēng)的雙翼縫；15#巖樣在25 mL/min 排量下圍繞井筒不同方向形成三條裂縫，裂縫形態(tài)非常復(fù)雜（圖4、表3）。結(jié)果表明：壓裂液排量小，不利于形成新的裂縫；壓裂液排量大，形成簡(jiǎn)單的裂縫；當(dāng)壓裂液排量為25 mL/min 時(shí)更容易形成復(fù)雜裂縫。

圖3 不同層理發(fā)育條件下巖樣破裂形態(tài)

圖4 不同壓裂液排量條件下巖樣破裂形態(tài)

表3 壓裂液排量實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

3 復(fù)雜裂縫施工參數(shù)優(yōu)化

通過(guò)大型真三軸水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)水平應(yīng)力差異、層理發(fā)育和壓裂液排量對(duì)形成復(fù)雜裂縫的的影響程度有了一定的認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)可視裂縫模擬系統(tǒng)模擬水力壓裂過(guò)程中支撐劑在裂縫內(nèi)的沉降和運(yùn)移規(guī)律及羥丙基瓜爾膠濃度、砂比、施工排量和支撐劑粒徑等施工參數(shù)對(duì)支撐劑的運(yùn)移規(guī)律及砂堤形態(tài)的影響，從而評(píng)價(jià)支撐劑在不同條件下的動(dòng)態(tài)運(yùn)移性能，優(yōu)選壓裂液和支撐劑，確定合理的施工參數(shù)。

復(fù)雜裂縫施工參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：①0.4%濃度的瓜膠壓裂液最佳。提高壓裂液的黏度對(duì)于優(yōu)化裂縫內(nèi)支撐劑剖面有著積極的作用，較高黏度的壓裂液攜砂能力更強(qiáng)，可以將支撐劑輸送到裂縫的遠(yuǎn)端；但當(dāng)壓裂液黏度過(guò)高時(shí)，近井地帶裂縫中的支撐劑過(guò)少，加之壓裂液濾失和破膠不徹底等因素會(huì)對(duì)裂縫的導(dǎo)流能力和地層造成傷害。②綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工成本等經(jīng)濟(jì)因素，20%砂比最佳。受支撐劑顆粒間的相互干擾作用和水力因素的影響，隨著砂比的不斷增大，壓裂液的懸砂能力增強(qiáng)，支撐劑的沉降速度不斷降低，更多的支撐劑會(huì)被運(yùn)移到裂縫遠(yuǎn)端；但砂比過(guò)高時(shí)，容易造成施工時(shí)砂堵，增加了施工的難度。③當(dāng)實(shí)驗(yàn)排量為25 mL/min（換算實(shí)際排量為12.4 m3/min）時(shí)，支撐劑沉降較少，且支撐劑沉降較均勻。排量較低時(shí)，支撐劑沉降較快，水平運(yùn)移速度較慢，在近井地帶容易沉降，很難被攜帶到裂縫遠(yuǎn)端；排量過(guò)高時(shí)，支撐劑沉降量較少，裂縫內(nèi)的支撐劑剖面較低。④考慮到裂縫系統(tǒng)的有效運(yùn)移和支撐的需要，選取100 目、40/70 目、30/50 目組合陶粒（1∶3∶6）等3 種粒徑的支撐劑組合加砂。粒徑過(guò)大時(shí)，支撐劑不易被攜帶；當(dāng)支撐劑粒徑過(guò)小時(shí)，砂堤內(nèi)支撐劑之間的孔隙較小，裂縫閉合后的導(dǎo)流能力較低。

4 結(jié)論與建議

（1）水平應(yīng)力差異系數(shù)越小，越有利于復(fù)雜裂縫的形成；隨著水平應(yīng)力差異系數(shù)的增大，有利于轉(zhuǎn)向縫的形成；當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)繼續(xù)增大，裂縫形態(tài)會(huì)非常簡(jiǎn)單。因此，頁(yè)巖壓裂時(shí)為了形成復(fù)雜裂縫，水平應(yīng)力差異系數(shù)應(yīng)小于0.2。

（2）當(dāng)井筒與層理面呈45°夾角時(shí)，利于形成復(fù)雜裂縫，井筒垂直于層理面、井筒平行于層理面形成的裂縫復(fù)雜程度依次減弱。

（3）當(dāng)壓裂液排量較小時(shí)，受排量的限制，裂縫形態(tài)不能充分?jǐn)U展；當(dāng)排量較大時(shí)，裂縫易形成簡(jiǎn)單對(duì)稱(chēng)縫；當(dāng)排量為25 mL/min（換算實(shí)際排量為12.4 m3/min）時(shí)比較容易形成復(fù)雜裂縫。

（4）在現(xiàn)場(chǎng)施工中，為達(dá)到最優(yōu)裂縫導(dǎo)流能力，建議選用0.4%濃度的瓜膠壓裂液、20%的砂比、12～15 m3/h 的排量和組合粒徑的支撐劑。