超深裂縫性碎屑巖儲(chǔ)層天然裂縫激活研究

張 輝

(1.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102200；2.中國石油吉林油田分公司，吉林 松原 138000)

0 引 言

庫車前陸盆地克拉蘇構(gòu)造帶是塔里木油田重點(diǎn)區(qū)塊，主力產(chǎn)層白堊系巴什基奇克組砂巖埋深為6 500～8 000 m，常規(guī)壓裂改造經(jīng)濟(jì)效益差，利用復(fù)雜縫網(wǎng)體積改造可取得較好的增產(chǎn)效果。儲(chǔ)層超深、高應(yīng)力的特點(diǎn)限制了通過暫堵轉(zhuǎn)向形成復(fù)雜縫網(wǎng)的可能性，因此，改造過程中須借助天然裂縫與人工裂縫構(gòu)成地下縫網(wǎng)系統(tǒng)[1]。溝通天然裂縫過程中，激活并使裂縫保持一定的導(dǎo)流能力是該類儲(chǔ)層改造增產(chǎn)的關(guān)鍵。為使天然裂縫性儲(chǔ)層改造后形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)學(xué)者開展了大量的研究：Warpinski等[2]假設(shè)水力裂縫未對(duì)天然裂縫受力狀態(tài)造成影響的前提下，研究了水力裂縫與天然裂縫耦合延伸過程中天然裂縫的開啟規(guī)律；Daneshy等[3]認(rèn)為影響水力裂縫擴(kuò)展的主要因素是較大尺寸的天然裂縫發(fā)生位移破壞，小尺寸的天然裂縫影響較??；Blanton[4]認(rèn)為天然裂縫與水力裂縫的逼近角和水平主應(yīng)力方向的角度差是影響天然裂縫能否開啟的主要因素；周健等[5]采用理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，分析了水力壓裂過程中天然裂縫張開和剪切破壞機(jī)制。上述研究大多是從純力學(xué)角度分析裂縫交互延伸機(jī)理，從靜態(tài)摩爾-庫倫準(zhǔn)則出發(fā)，忽略了水力裂縫延伸至天然裂縫時(shí)，天然裂縫本身特征對(duì)其縫面正應(yīng)力變化的影響。因此，以塔里木油田白堊系巴什基奇克組儲(chǔ)層巖心裂縫特征分析為基礎(chǔ)，研究天然裂縫激活條件，論證動(dòng)態(tài)摩爾-庫倫準(zhǔn)則下天然裂縫發(fā)生激活開啟的特征，測(cè)試裂縫導(dǎo)流能力。

1 地質(zhì)概況

庫車前陸沖斷帶位于新疆維吾爾自治區(qū)天山南麓庫車山前，構(gòu)造上位于塔里木盆地北部，受北側(cè)天山造山帶向南的強(qiáng)烈逆沖推覆擠壓，撓曲沉降形成前陸盆地構(gòu)造背景，受新生代晚期強(qiáng)烈擠壓作用影響，區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育前陸沖斷構(gòu)造。主力層位白堊系巴什基奇克組砂巖儲(chǔ)集層埋深普遍超過6 000 m，基質(zhì)孔隙度一般為3.5%～7.5%，滲透率為0.01～0.10 mD，屬于典型沖斷帶超深層儲(chǔ)集層，裂縫發(fā)育。區(qū)內(nèi)裂縫主要為NW、NE和近NS向的中—高角度構(gòu)造裂縫，主要分布于背斜翼部及斷層附近等應(yīng)力集中區(qū)，核部相對(duì)不發(fā)育。依據(jù)成因，裂縫可分為張性縫、剪切縫及混合縫，形態(tài)類型多樣，包括單一直線裂縫、“Y”形裂縫、“X”形裂縫、網(wǎng)狀縫及組合類型(圖1)。天然裂縫的孔隙度和滲透率表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，構(gòu)造應(yīng)力對(duì)天然裂縫的孔滲參數(shù)影響較大，在構(gòu)造高點(diǎn)及背斜長(zhǎng)軸方向的轉(zhuǎn)折端構(gòu)造應(yīng)力最強(qiáng)、天然裂縫最發(fā)育、裂縫孔隙度和滲透率最高。

圖1 庫車克深區(qū)塊裂縫特征Fig.1 The fracture characteristics of Keshen Block in Kuqa

根據(jù)庫車前陸沖斷帶露頭區(qū)裂縫發(fā)育特征，結(jié)合井下裂縫發(fā)育特點(diǎn)，觀測(cè)巖心、露頭裂縫形態(tài)，分析測(cè)井地震資料、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、油田動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)(壓裂、試井、產(chǎn)能、泥漿漏失等)，借鑒鄰區(qū)或類似油田研究成果，對(duì)庫車山前超深碎屑巖裂縫的發(fā)育及分布特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，將天然裂縫分為大尺度裂縫(Ⅰ類)、小尺度裂縫(Ⅱ類)、微細(xì)裂縫(Ⅲ類)、基質(zhì)裂隙(Ⅳ類)，各裂縫特點(diǎn)見表1。

表1 庫車山前超深層碎屑巖儲(chǔ)層天然裂縫分類Table 1 The classification of natural fractures in ultra-deep clastic reservoirs in Kuqa Piedmont

2 庫車山前天然裂縫激活條件

2.1 縫網(wǎng)改造技術(shù)特點(diǎn)

2.1.1 酸化壓裂

壓裂初期選擇凍膠壓裂液破巖，壓裂目的層后泵注滑溜水及線性膠，利用低黏性液體激活并溝通天然裂縫；后期泵注優(yōu)選的酸液體系，溶解天然裂縫中的膠結(jié)物及漏失鉆完井液中的固相物質(zhì)；施工最后階段可根據(jù)儲(chǔ)層情況尾追部分大粒徑高強(qiáng)度陶粒。該工藝適用于裂縫力學(xué)活性較好，張性縫且鈣質(zhì)充填為主的天然裂縫發(fā)育儲(chǔ)層。施工過程中配合暫堵轉(zhuǎn)向工藝，泵注可降解暫堵轉(zhuǎn)向材料，可實(shí)現(xiàn)超深巨厚儲(chǔ)層層間轉(zhuǎn)向及縫內(nèi)轉(zhuǎn)向，能夠顯著增加人工裂縫系統(tǒng)的控制體積，有效提高單井產(chǎn)量[6-7]。

2.1.2 水力壓裂

前置液階段凍膠造縫后泵注滑溜水及線性膠，近井筒地帶形成主裂縫后利用低黏性液體激活溝通更多天然裂縫；后期泵注低砂比攜砂液，利用高強(qiáng)度支撐劑提高縫網(wǎng)系統(tǒng)的導(dǎo)流能力[8-10]；最后階段優(yōu)選高強(qiáng)度大粒徑陶粒提高人工縫導(dǎo)流能力。該工藝適合天然裂縫活性一般，且鈣質(zhì)充填較少的儲(chǔ)層，施工過程同樣可采用暫堵轉(zhuǎn)向工藝，增加有效改造體積，提高單井改造效果[11]。

2.2 天然裂縫斷裂激活分析

天然裂縫受遠(yuǎn)場(chǎng)水平最小主應(yīng)力和水平最大主應(yīng)力的共同作用，裂縫與水平最小主應(yīng)力的夾角為0～90 °。天然裂縫縫面上所受應(yīng)力可以分解為法向正應(yīng)力、剪切應(yīng)力及裂縫內(nèi)部流體壓力，天然裂縫能否激活及發(fā)生何種激活是3種力相互作用的結(jié)果[12-13]。

在壓裂施工過程中，水力裂縫內(nèi)的壓裂液受壓差作用濾失到天然裂縫內(nèi)，進(jìn)而改變天然裂縫的受力狀態(tài)。隨著天然裂縫內(nèi)流體壓力的升高，其摩爾應(yīng)力圓不斷沿橫軸向左移動(dòng)，根據(jù)摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則，當(dāng)摩爾應(yīng)力圓與破壞包絡(luò)線相切或相交時(shí)天然裂縫開始發(fā)生剪切破壞，天然裂縫被剪切激活，形成剪切滑移裂縫[14-15]。如圖2所示(σn為天然裂縫面受到的正應(yīng)力，MPa；τs為天然裂縫面受到的剪切應(yīng)力,其值為應(yīng)力常數(shù)c與正應(yīng)力在剪切方向上的應(yīng)力分量之和，MPa；θ為天然裂縫與最大水平主應(yīng)力夾角，°；p為流體壓力，MPa)，當(dāng)天然裂縫內(nèi)流體壓力為p0時(shí)，摩爾應(yīng)力圓與破壞包絡(luò)線相離，天然裂縫沒有被剪切激活；流體壓力升高至p1時(shí)，摩爾應(yīng)力圓與破壞包絡(luò)線相切，此時(shí)只有與最大水平主應(yīng)力夾角為θ1的天然裂縫被剪切激活；當(dāng)縫內(nèi)流體壓力達(dá)到p2時(shí)，摩爾應(yīng)力圓與破壞包絡(luò)線相交，與最大水平主應(yīng)力夾角為θ2～θ2′的天然裂縫都會(huì)被剪切激活，且此時(shí)縫內(nèi)流體壓力已經(jīng)大于最小水平主應(yīng)力，天然裂縫張開，形成張性激活[16-17]。

圖2 天然裂縫摩爾應(yīng)力圓Fig.2 The molar stress circle of natural fracture

以克深A(yù)井為例，儲(chǔ)層壓裂井段為6 820～7 050 m，該井段共有天然裂縫47條，裂縫傾角為30～90 °，多數(shù)為高角度裂縫，天然裂縫走向主要為NE45 °—NE90 °及NE220 °—NE270 °。根據(jù)已知條件建立地應(yīng)力模型(表2，其中液體效率為壓裂消耗液體體積與注入液體體積的比值)，考慮內(nèi)聚力，計(jì)算天然裂縫的開啟狀態(tài)。當(dāng)孔隙流體壓力增量達(dá)到17.40 MPa時(shí)，作用在裂縫面上的有效應(yīng)力降低，摩爾包絡(luò)線偏移，在與滑動(dòng)摩擦系數(shù)線相交范圍內(nèi)的天然裂縫將會(huì)被激發(fā)，處于開啟狀態(tài)，第1條天然裂縫開啟。第1條天然裂縫開啟處的深度為6 961.50 m，裂縫的傾角為68 °，裂縫的走向?yàn)镹E22 °，天然裂縫與水平最大主應(yīng)力方向差值為27 °。

表2 克深A(yù)井基本參數(shù)Table 2 The basic parameters of Well Keshen A

3 激活天然裂縫導(dǎo)流能力分析

3.1 水力壓裂天然裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試

實(shí)驗(yàn)室采用小直徑巖心柱塞測(cè)試水力壓裂天然裂縫的導(dǎo)流能力。為模擬天然裂縫剪切激活工況，將圓柱形巖心樣品劈裂獲得粗糙裂縫壁面，滑移粗糙裂縫壁面，研磨平整錯(cuò)動(dòng)的巖心端面，制備剪切滑移后自支撐非嚙合的裂縫壁面組合。裂縫壁面組合分為無支撐劑對(duì)齊、無支撐劑錯(cuò)位、有支撐劑對(duì)齊、有支撐劑錯(cuò)位4種，測(cè)試流體為自來水。

水力壓裂后天然裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：無支撐條件下，相互錯(cuò)動(dòng)的裂縫導(dǎo)流能力是沒有錯(cuò)動(dòng)裂縫的100～1 000倍，表明壓裂過程中剪切會(huì)有效提高增產(chǎn)改造效果；無錯(cuò)動(dòng)裂縫加砂后導(dǎo)流能力較未加砂提高幅度超過1 000倍，表明加砂對(duì)改造效果起到重要作用，尤其是在近井地帶；錯(cuò)動(dòng)裂縫和加砂裂縫的導(dǎo)流能力大致相同；在加砂條件下，裂縫有無錯(cuò)動(dòng)對(duì)導(dǎo)流能力影響較小。

圖3 模擬水力壓裂天然裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試Fig.3 The test on conductivity of naturalfractures in simulated hydraulic fracturing

3.2 酸化壓裂天然裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試

采用克深地區(qū)4塊全直徑巖心進(jìn)行酸化壓裂后天然裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試，其中，3塊巖心含有充填白色晶狀物的天然裂縫，1塊巖心含有未充填裂縫。沿著天然裂縫表面將巖心劈開，加工成API標(biāo)準(zhǔn)巖樣。利用質(zhì)量濃度為20%的HCl溶液刻蝕裂縫表面，反應(yīng)時(shí)間為20 min，實(shí)驗(yàn)圍壓為6.9 MPa，實(shí)驗(yàn)溫度為115.6 ℃，注入速率為1 L/min，出口回壓為0.5 MPa，采用氮?dú)庾鳛闇y(cè)試流體。

酸化壓裂后天然裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：充填性天然裂縫可以通過酸液非均勻溶蝕充填物獲得較高導(dǎo)流能力，且在較高閉合應(yīng)力下仍可以保持一定導(dǎo)流能力；低閉合壓力下(小于20 MPa)，酸巖反應(yīng)時(shí)間對(duì)于導(dǎo)流能力影響不大，但在較高閉合應(yīng)力下，酸巖反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，充填物溶蝕量越大，導(dǎo)流能力保持程度越高；非充填性天然裂縫不能通過酸蝕獲得有效導(dǎo)流能力。

圖4 模擬酸壓過程天然裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試Fig.4 The test on conductivity of naturalfractures in simulated acid fracturing process

4 實(shí)例應(yīng)用

截至目前，已在塔里木庫車山前對(duì)75口井實(shí)施水力壓裂和酸化壓裂。其中，17口井為水力壓裂，平均單井無阻流量由改造前的42.0×104m3/d提升至269.3×104m3/d；58口井為酸化壓裂，平均單井無阻流量由改造前的50.1×104m3/d提升至273.6×104m3/d。

克深區(qū)塊以超深井為主，壓裂效果的驗(yàn)證方法有限，酸化壓裂井未開展微地震監(jiān)測(cè)或其他監(jiān)測(cè)。因此，選取克深2-1-B、克深2-2-A井2口水力壓裂井，分析儲(chǔ)層改造過程天然裂縫激活狀況。以克深2-1-B井為例，該井是庫車山前克深區(qū)塊一口生產(chǎn)井，儲(chǔ)層中深為6 300 m，平均孔隙度為7.1%，含油飽和度為51%～85%。取心顯示裂縫較發(fā)育，多為中縫，小縫和微縫次之，無充填—半充填。測(cè)試層段共有38條裂縫，裂縫密度為0.143條/m，面縫率為0.082%，綜合解釋為Ⅱ類裂縫較發(fā)育儲(chǔ)層。改造前放噴未獲得較高產(chǎn)量，對(duì)該井進(jìn)行了縫網(wǎng)體積壓裂，注入液體總量為1 697.00 m3，其中，滑溜水為528.00 m3，胍膠壓裂液為1 169.00 m3。最高施工排量為7.10 m3/min，施工壓力為45.0～105.3 MPa，加入支撐劑49.87 m3(105.2 t)，鋪砂濃度為24.0～372.0 kg/m3。壓裂后放噴，油嘴直徑為9 mm，油壓為68.0 MPa，日產(chǎn)氣量為83.2×104m3/d，累計(jì)排液量為663.1 m3，壓裂液返排率為39%。

微地震水力壓裂監(jiān)測(cè)是目前壓裂診斷的重要手段，通過微地震解釋可有效分析地下人工裂縫擴(kuò)展的范圍[18]。圖5為克深2-1-B、克深2-2-A井微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果，2口井均進(jìn)行了2級(jí)壓裂，圖中藍(lán)色、紅色圓點(diǎn)分別表示每一級(jí)壓裂產(chǎn)生的微地震事件。2口井的天然裂縫走向一致，均為NNW—SSE方向?？松?-2-A井最大水平主應(yīng)力方向與天然裂縫方向一致，水力裂縫延伸方向與天然裂縫一致，壓裂過程中裂縫應(yīng)以張性破裂的形式開啟，張性破裂激發(fā)的微地震能量很低，不容易被監(jiān)測(cè)到，因此，微地震信號(hào)反應(yīng)弱且分散。由圖5a可知，克深2-2-A井信號(hào)事件點(diǎn)空間分布較散亂，符合張性破裂特征，證實(shí)該井在水力壓裂過程中，天然裂縫以拉張激活為主?？松?-1-B井最大水平主應(yīng)力與天然裂縫夾角約為40 °，天然裂縫應(yīng)以剪切破裂開啟，釋放的地震能量大，容易被捕捉到，因此， 微地震事件多而聚集。由圖5b可知，克深2-1-B井信號(hào)事件點(diǎn)分布較集中，符合剪切破裂特征，說明該井在水力壓裂過程中，天然裂縫以剪切激活為主。此外，2口井微地震事件也表明人工裂縫展布與天然裂縫開啟狀態(tài)存在明顯差異。

圖5 儲(chǔ)層改造過程微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.5 The microseismic detectionresults in reservoir stimulation process

5 結(jié) 論

(1) 天然裂縫激活存在張性激活和剪切激活2種形式，天然裂縫縫內(nèi)壓力大于其正應(yīng)力時(shí)，閉合的天然裂縫開啟。天然裂縫發(fā)生剪切激活時(shí)滿足摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則，剪切激活比張性激活更易實(shí)現(xiàn)。

(2) 水力壓裂中，有相互錯(cuò)動(dòng)的裂縫導(dǎo)流能力比沒有錯(cuò)動(dòng)的裂縫高100～1 000倍，說明壓裂過程中剪切破裂可實(shí)現(xiàn)很好的增產(chǎn)改造效果。無錯(cuò)動(dòng)裂縫加砂后導(dǎo)流能力提高超過1 000倍，表明加砂對(duì)改造效果的重要性(特別在近井地帶)。錯(cuò)動(dòng)裂縫和加砂裂縫的導(dǎo)流能力并無本質(zhì)區(qū)別，在加砂條件下，裂縫是否錯(cuò)動(dòng)對(duì)導(dǎo)流能力沒有本質(zhì)影響。

(3) 酸化壓裂中，對(duì)于充填性天然裂縫可以通過酸液非均勻溶蝕充填物獲得較高導(dǎo)流能力，且在較高閉合應(yīng)力下還能保持一定導(dǎo)流能力。較低閉合應(yīng)力下(小于20 MPa)，酸巖反應(yīng)時(shí)間對(duì)于導(dǎo)流能力影響不大；在較高閉合應(yīng)力下，酸巖反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，充填物溶蝕量越大，導(dǎo)流能力保持程度越高。對(duì)于非充填性天然裂縫，不能通過酸蝕獲得有效導(dǎo)流能力。