礫巖致密油藏直井重復(fù)壓裂裂縫形態(tài)分析

雷洋洋，王 輝，武 鑫，楊 莉，史 樂，王 帥

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500；2.新疆油田分公司采油二廠，新疆克拉瑪依834000；3.四川長(zhǎng)寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司，四川宜賓644000）

根據(jù)巖石力學(xué)以及其他力學(xué)理論研究，水力壓裂裂縫沿最大水平應(yīng)力方向產(chǎn)生，在重復(fù)壓裂過程中，由于存在初始裂縫和天然裂縫的應(yīng)力場(chǎng)分布、生產(chǎn)活動(dòng)引起孔隙壓力變化，產(chǎn)生了誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)，從而導(dǎo)致井眼附近應(yīng)力發(fā)生變化，應(yīng)力場(chǎng)的分布狀況決定裂縫的起裂位置和延伸方向。對(duì)于重復(fù)壓裂新裂縫擴(kuò)展和延伸機(jī)理以及縫間干擾，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究[1-6]。裂縫二次張開前的應(yīng)力場(chǎng)受多因素影響，如初始裂縫的張開或閉合程度，前期生產(chǎn)活動(dòng)等影響。鄧燕[7]研究了孔隙壓力變化對(duì)重復(fù)壓裂地應(yīng)力場(chǎng)分布的影響。JU等[8]結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，以探究非均質(zhì)性和地應(yīng)力差異對(duì)裂縫起裂位置和擴(kuò)展分布影響，描述了裂紋的生長(zhǎng)和分布模式。NAGASO等[9]研究發(fā)現(xiàn)隨著強(qiáng)度非均質(zhì)性的增加，裂縫的復(fù)雜性也會(huì)隨之增加。鄭繼明等[10]采用水力壓裂模擬裝置，在真三軸條件下對(duì)天然致密砂巖巖心進(jìn)行了水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)，分析了注入壓力曲線特征和巖心裂縫形態(tài)變化規(guī)律。張紅靜等[11]建立裂縫擴(kuò)展數(shù)學(xué)模型，分析主應(yīng)力差、排量等因素對(duì)裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響。張子麟等[12]研究表明：礫巖的不同尺寸和軸比使裂縫擴(kuò)展遇到礫巖時(shí)呈現(xiàn)不同的擴(kuò)展模式。趙金洲等[13]研究了不同裂縫傾角、主應(yīng)力差對(duì)裂縫壁面正應(yīng)力和剪應(yīng)力的影響以及不同射孔角度對(duì)裂縫延伸軌跡等影響。

根據(jù)國內(nèi)其他學(xué)者的研究[14-18]，礫巖裂縫在擴(kuò)展過成中存在著穿過、繞礫、吸引等特征，礫巖壓裂在無天然裂縫的前提下，形成主裂縫，四周伴隨形成分支縫，宏觀呈現(xiàn)為單翼裂縫形態(tài)。孫璐等[19]考慮SRV區(qū)天然裂縫和不規(guī)則裂縫形態(tài)的人工裂縫具有不同的壓力敏感系數(shù)及其對(duì)產(chǎn)能的影響，研究認(rèn)為人工裂縫和天然裂縫具有的不同壓力敏感系數(shù)組合和不同的裂縫導(dǎo)流能力，壓敏系數(shù)越小，裂縫導(dǎo)流能力越強(qiáng)，產(chǎn)能越大。郭建春等[20]采用半解析方法研究盒形封閉邊界下垂直裂縫壓裂井的油藏滲流和裂縫流動(dòng)過程并建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)壓裂井的不穩(wěn)定產(chǎn)能進(jìn)行預(yù)測(cè)，其研究表明裂縫沿縫長(zhǎng)變窄的形態(tài)在生產(chǎn)初期不影響產(chǎn)能，擬穩(wěn)態(tài)階段時(shí)，等縫寬與變縫寬裂縫間的累積產(chǎn)量差距加大，加寬裂縫趾部縫寬能提高和保持壓裂井在擬穩(wěn)態(tài)階段的產(chǎn)量。而在以細(xì)礫巖為主的工區(qū)，產(chǎn)層內(nèi)部和上方無明顯的隔夾層和應(yīng)力隔層，人工裂縫高度約束較難。微地震檢測(cè)顯示水力裂縫方向垂直于最小水平主應(yīng)力，且天然裂縫發(fā)育，水力裂縫和天然裂縫易形成相互交錯(cuò)的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

為解決首次壓裂后高含水問題以及提高水驅(qū)油效率，工區(qū)開展了不同類型重復(fù)壓裂工藝，以達(dá)到提高采油速度的目的。為準(zhǔn)確描述重復(fù)壓裂井水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)特征，在明確孔隙壓力誘導(dǎo)應(yīng)力變化主要機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立機(jī)理模型，以探究孔隙壓力對(duì)地應(yīng)力變化影響大小及對(duì)重復(fù)壓裂裂縫形態(tài)的影響，同時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)模擬。而后進(jìn)一步考慮在不同層位射孔壓裂的裂縫形態(tài)，并在生產(chǎn)誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)下進(jìn)行重復(fù)壓裂模擬。最后為明確不同重復(fù)體積壓裂時(shí)機(jī)對(duì)生產(chǎn)的影響，以及能量虧空對(duì)裂縫擴(kuò)展縫長(zhǎng)、縫高的影響，建立機(jī)理模型，以分析不同生產(chǎn)年限下，重復(fù)壓裂措施水力裂縫形態(tài)以及對(duì)最終產(chǎn)能的影響。

前人研究大都側(cè)重在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方面，并未考慮現(xiàn)場(chǎng)重復(fù)壓裂井選層壓裂問題，以及未能將實(shí)際壓裂數(shù)據(jù)同數(shù)值模擬相結(jié)合。因此，根據(jù)實(shí)際壓裂生產(chǎn)狀況，將Abaqus 軟件所建立的機(jī)理模型和基于Petrel軟件所建立的地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，開展UFM（Unconventional Fracture Modeling 非常規(guī)裂縫模型）水力壓裂裂縫擴(kuò)展模擬。同時(shí)，建立非結(jié)構(gòu)化生產(chǎn)網(wǎng)格模型，并依托于INTERSECT 數(shù)值模擬器計(jì)算壓后產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)壓裂—生產(chǎn)一體化模擬研究。

1 生產(chǎn)—應(yīng)力耦合機(jī)理研究

1.1 孔隙壓力誘導(dǎo)應(yīng)力變化評(píng)價(jià)研究

由于孔隙壓力的重新分布所產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力和其他應(yīng)力相互干擾，導(dǎo)致應(yīng)力分布存在復(fù)雜性。流體的流動(dòng)將會(huì)影響孔隙壓力和應(yīng)力重新分布，而儲(chǔ)層應(yīng)力的再分布又將會(huì)影響儲(chǔ)層中的滲透率和孔隙度，并最終影響到流體流動(dòng)本身[21-22]。BRUNO 與NAKAGAWA[23]通過實(shí)驗(yàn)得出，新裂縫的重新定向受到孔隙壓力的制約。裂縫不受原地應(yīng)力控制時(shí)，將會(huì)轉(zhuǎn)向局部孔隙壓力更高的方向，從而導(dǎo)致重復(fù)壓裂裂縫形態(tài)特征發(fā)生變化。基于有限元方法，建立相應(yīng)機(jī)理模型。模型假設(shè)條件為儲(chǔ)層和流體等溫，儲(chǔ)層中流體單相滲流，忽略重力對(duì)流體滲流的影響，儲(chǔ)層巖石變形屬于彈性小變形。同時(shí)，對(duì)此模型進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。

1）流體滲流模型

根據(jù)達(dá)西定律可得：

狀態(tài)方程為：

固體連續(xù)性方程為：

儲(chǔ)層基質(zhì)系統(tǒng)中流體連續(xù)性方程為：

儲(chǔ)層裂縫系統(tǒng)中流體連續(xù)性方程為：

2）應(yīng)力—應(yīng)變模型

在考慮儲(chǔ)層流體基質(zhì)以及裂縫兩相流動(dòng)的滲流模型的基礎(chǔ)上，需明確應(yīng)力變化特征，建立應(yīng)力—應(yīng)變模型。

應(yīng)力平衡方程為：

其中：

應(yīng)力—位移方程為：

應(yīng)力—應(yīng)變—壓力方程為：

其中：

3）控制方程

在油氣開發(fā)過程中，油氣在地層中從基質(zhì)到裂縫最終經(jīng)井筒開采至地面，由于地層中流體的減少，導(dǎo)致地層壓力的降低，必然會(huì)導(dǎo)致周圍巖石對(duì)儲(chǔ)層巖石骨架的壓縮，產(chǎn)生位移，即應(yīng)力方程所描述的過程。根據(jù)流體滲流模型和應(yīng)力—應(yīng)變模型，以孔隙壓力和位移作為主要變量，可以得到流固耦合模型。

基質(zhì)系統(tǒng)滲流控制方程為：

其中，水力裂縫系統(tǒng)中滲流控制方程為：

基于位移和孔隙壓力的控制方程：

對(duì)耦合模型進(jìn)行離散后，采用隱式求解方法求出孔隙壓力和位移增量，然后利用應(yīng)力—應(yīng)變模型計(jì)算得出應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而得到孔隙壓力誘導(dǎo)應(yīng)力。

1.2 孔隙壓力變化對(duì)重復(fù)壓裂影響機(jī)理研究

在明確孔隙壓力誘導(dǎo)應(yīng)力變化主要機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立1 000 m×1 000 m的二維平面部件，將其劃分10 000 個(gè)網(wǎng)格，探究孔隙壓力對(duì)地應(yīng)力變化影響的大小以及對(duì)重復(fù)壓裂裂縫形態(tài)的影響，進(jìn)行生產(chǎn)模擬。地層參數(shù)如表1。

表1 機(jī)理模型關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Key parameters of the mechanistic model

對(duì)比不同時(shí)間的壓力分布，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)時(shí)間為6 000 s 時(shí)已達(dá)到穩(wěn)態(tài)，可用該時(shí)間來進(jìn)行生產(chǎn)模擬。并將拉應(yīng)力定義為正，壓應(yīng)力定義為負(fù)。

隨著地層流體不斷被采出，裂縫周圍壓強(qiáng)不斷下降，將產(chǎn)生一個(gè)不斷擴(kuò)大的橢圓形壓降區(qū)。經(jīng)過一段時(shí)間的生產(chǎn)后，2條裂縫的壓降區(qū)相連并匯合成一個(gè)更大的壓降區(qū)（圖1a，圖1b）。壓降區(qū)內(nèi)x方向和y方向有效應(yīng)力增加，壓降區(qū)外則相反，且靠近邊界處x方向和y方向有效應(yīng)力由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力。裂縫尖端剪切應(yīng)力分布對(duì)稱，大小非對(duì)稱，裂縫中間剪切力小，外側(cè)大（圖1c）。剪切應(yīng)力大小和方向分布的不均勻，勢(shì)必在裂縫擴(kuò)展中造成剪切裂縫形態(tài)的分布不均勻。

圖1 生產(chǎn)后不同方向有效應(yīng)力及剪切應(yīng)力分布Fig.1 Effective stress distribution along different direction after production and shear stress distribution

原始最小水平主應(yīng)力方向處于水平，生產(chǎn)后裂縫附近最小水平主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，裂縫附近偏轉(zhuǎn)程度最劇烈，偏轉(zhuǎn)角度為90°，隨著遠(yuǎn)離裂縫偏轉(zhuǎn)角度減小，從而形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)（圖2）。

圖2 不同時(shí)期最小主應(yīng)力方向變化特征Fig.2 Variation characteristics of direction of minimum principal stress in different periods

進(jìn)一步考慮在原射孔位置中心、裂縫旁以及裂縫上方重新射孔壓裂后形成的裂縫的形態(tài)，并進(jìn)行重復(fù)壓裂模擬。裂縫初始角度為西偏北45°，生產(chǎn)一段時(shí)間后，在裂縫處進(jìn)行注入模擬壓裂，流體注入速度為0.02 m/s，地層參數(shù)同上。

對(duì)于早期未生產(chǎn)井，重復(fù)壓裂裂縫擴(kuò)展近似一條直線，由于初始地應(yīng)力差較小，裂縫偏轉(zhuǎn)程度不明顯。圖3 顯示了早期生產(chǎn)井的不同重復(fù)壓裂措施模擬結(jié)果，其中，圖3a為在初次裂縫生產(chǎn)位置旁模擬的重復(fù)壓裂裂縫擴(kuò)展，裂縫擴(kuò)展到越靠近生產(chǎn)的位置，越偏向于豎直，有繞過初始裂縫的趨勢(shì)，表明地應(yīng)力場(chǎng)方向發(fā)生改變。此外裂縫周圍最小水平主應(yīng)力的方向是圍繞著裂縫呈發(fā)散狀，有圍繞原有裂縫擴(kuò)展的趨勢(shì)。圖3b為在生產(chǎn)位置中心進(jìn)行的重復(fù)壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)，重復(fù)壓裂裂縫近似為一條直線，相比早期未生產(chǎn)井，水平傾角明顯減小，說明生產(chǎn)中心處地應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了偏移。圖3c 和圖3d 為在生產(chǎn)位置正上方和斜上方進(jìn)行壓裂，兩條裂縫都近似一條直線，且有偏向水平方向擴(kuò)展的趨勢(shì)。

圖3 不同重復(fù)壓裂措施模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of different refracturing measures

隨著油氣不斷被產(chǎn)出，地層孔隙壓力逐漸降低，將導(dǎo)致應(yīng)力大小和方向重新分布，形成局部不均勻的應(yīng)力場(chǎng)，影響重復(fù)壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)。因此在重復(fù)壓裂過程中，考慮應(yīng)力場(chǎng)的方向問題，對(duì)于水力壓裂設(shè)計(jì)十分必要。由于所研究工區(qū)開發(fā)較早，地層壓力隨生產(chǎn)變化特征較明顯，在壓裂井的裂縫方向形成明顯的壓降特征。通過研究生產(chǎn)誘導(dǎo)地應(yīng)力場(chǎng)下在不同位置進(jìn)行重復(fù)壓裂模擬機(jī)理研究，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程選井選層進(jìn)行水力壓裂具有一定的借鑒意義。

2 體積重復(fù)壓裂效果評(píng)價(jià)研究

研究認(rèn)為，體積壓裂是指通過水力壓裂對(duì)儲(chǔ)層改造，進(jìn)而形成1 條或多條主裂縫，天然裂縫不斷擴(kuò)張和巖石產(chǎn)生剪切滑移，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然裂縫的溝通，以及在主裂縫的側(cè)向形成次生裂縫，并在次生裂縫上繼續(xù)分支形成二級(jí)次生裂縫，以此類推，形成相互交錯(cuò)的裂縫網(wǎng)絡(luò)。所研究區(qū)域天然裂縫發(fā)育，其方位垂直于壓裂裂縫方位，有助于形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，利于增大滲流面積及導(dǎo)流能力，有效提高產(chǎn)量和最終采收率。

針對(duì)不同類型的重復(fù)壓裂裂縫模擬，傳統(tǒng)方法是采用加密網(wǎng)格或根據(jù)微地震定性描述，難以真實(shí)描述復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的三維展布。采用UFM非常規(guī)裂縫模型綜合考慮儲(chǔ)層特征、天然裂縫以及地質(zhì)力學(xué)等信息，計(jì)算結(jié)果能精確預(yù)測(cè)和擬合裂縫幾何形態(tài)和分布，用于更可靠的壓裂設(shè)計(jì)及壓裂后產(chǎn)能評(píng)估。

2.1 重復(fù)壓裂裂縫形態(tài)研究

為評(píng)價(jià)工區(qū)實(shí)際重復(fù)壓裂效果，選取新疆八區(qū)530井區(qū)4口重復(fù)壓裂井A1～A4井進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。

A1～A4井自投產(chǎn)開始，分別經(jīng)歷了不同類型的重復(fù)壓裂，施工規(guī)模不盡相同。以往采用常規(guī)壓裂等措施以提高油井產(chǎn)能，但施工規(guī)模小，改造效果不明顯。實(shí)施體積重復(fù)壓裂后，儲(chǔ)層改造效果明顯提升，剩余油進(jìn)一步得到挖潛。表2為體積重復(fù)壓裂施工參數(shù)，為后期壓裂模擬提供參數(shù)指導(dǎo)。

表2 體積重復(fù)壓裂井施工參數(shù)Table 2 Construction parameters of volume refracturing wells

1）A1井

A1井的壓裂模擬結(jié)果顯示，首次壓裂規(guī)模較小，縫長(zhǎng)、縫高擴(kuò)展有限。普通重復(fù)壓裂階段規(guī)模有所增大，地層能量有初步虧空的特征?？p長(zhǎng)、縫高變化不大，縫寬較大，壓裂液主要聚集在原裂縫附近增能，未用于裂縫擴(kuò)展。體積重復(fù)壓裂階段規(guī)模明顯增加，由于生產(chǎn)年限增長(zhǎng)，應(yīng)力虧空增強(qiáng)，壓裂液濾失明顯，縫長(zhǎng)和縫高變化不大，縫寬增加明顯，由于受到上方補(bǔ)孔的影響，裂縫擴(kuò)展較遠(yuǎn)。相比3次壓裂措施，體積重復(fù)壓裂階段當(dāng)年增油約1 624 t，增油效果明顯提高（圖4，表3）。

圖4 新疆八區(qū)530井區(qū)A1井裂縫擴(kuò)展模擬Fig.4 Simulation results of fracture geometry of Well-A1 in Well Block-530 of 8th Block in Xinjiang

表3 新疆八區(qū)530井區(qū)A1井裂縫特征及關(guān)鍵參數(shù)Table 3 Fracture characteristics and key parameters of Well-A1 in Well Block-530 of 8th Block in Xinjiang

2）A2井

A2 井壓裂模擬結(jié)果顯示，首次壓裂和普通重復(fù)壓裂整體壓裂規(guī)模較小，縫長(zhǎng)較短。普通重復(fù)壓裂當(dāng)年增油約為523 t，增油效果不明顯。體積重復(fù)壓裂有2 個(gè)壓裂段，由于已開發(fā)層系受到應(yīng)力虧空影響，導(dǎo)致縫高和縫長(zhǎng)擴(kuò)展受到約束。當(dāng)年增油約為1 500 t，生產(chǎn)效果雖有所提升，但壓裂過程中可能受邊水影響，產(chǎn)水較多，且壓力波動(dòng)較大。雖然體積重復(fù)壓裂的2個(gè)階段的施工規(guī)模相差甚遠(yuǎn)，但縫長(zhǎng)基本一致，由于兩段射孔相對(duì)較遠(yuǎn)，縱向上雖有重疊，但整體上壓裂改造效果較好（圖5，表4）。

圖5 新疆八區(qū)530井區(qū)A2井裂縫擴(kuò)展模擬Fig.5 Simulation results of fracture geometry of Well-A2 in Well Block-530 of 8th Block in Xinjiang

表4 新疆八區(qū)530井區(qū)A2井裂縫特征及關(guān)鍵參數(shù)Table 4 Fracture characteristics and key parameters of Well-A2 in Well Block-530 of 8th Block in Xinjiang

3）A3井

A3井在首次壓裂后，由于遇到地層水，故堵原射孔并在上層補(bǔ)孔生產(chǎn)，后生產(chǎn)效果不佳關(guān)井。體積重復(fù)壓裂受前期生產(chǎn)的影響較小，無需考慮應(yīng)力虧空的影響，但注入水使得地層壓力波動(dòng)較大。體積壓裂縫高較大，裂縫擴(kuò)展形態(tài)較均勻，并且擴(kuò)展到優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，當(dāng)年增油約946.79 t，生產(chǎn)效果增幅顯著（圖6，表5）。

表5 新疆八區(qū)530井區(qū)A3井裂縫特征及關(guān)鍵參數(shù)Table 5 Fracture characteristics and key parameters of Well-A3 in Well Block-530 of 8th Block in Xinjiang

圖6 新疆八區(qū)530井區(qū)A3井不同階段裂縫擴(kuò)展模擬Fig.6 Simulation results of fracture geometry of Well-A3 in Well Block-530 of 8th Block in Xinjiang

4）A4井

A4 井壓裂模擬結(jié)果顯示，由于其位于儲(chǔ)層物性和注水見效較好的儲(chǔ)層，初次壓裂改造后，生產(chǎn)效果較好，但地層能量虧空增加，需大量注水以補(bǔ)充地層能量。體積重復(fù)壓裂裂縫縫長(zhǎng)較未開發(fā)層段更短，由于開發(fā)層段距未開發(fā)層段較遠(yuǎn)，故裂縫未發(fā)生重疊現(xiàn)象。縱向上的改造范圍增加明顯，有效提高儲(chǔ)層縱向動(dòng)用程度。該階段當(dāng)年增油約4 000 t，增油效果顯著（圖7，表6）。

表6 新疆八區(qū)530井區(qū)A4井裂縫特征及關(guān)鍵參數(shù)Table 6 Fracture characteristics and key parameters of Well-A4 in Well Block-530 of 8th Block in Xinjiang

圖7 新疆八區(qū)530井區(qū)A4井不同階段裂縫擴(kuò)展模擬Fig.7 Simulation results of fracture geometry of Well-A4 in Well Block-530 of 8th Block in Xinjiang

總的來說，4口井首次壓裂階和普通重復(fù)壓裂階段，由于施工規(guī)模較小，逢高，逢長(zhǎng)變化不大，壓后產(chǎn)能提高不明顯。體積重復(fù)壓裂階段，4口井的壓裂施工規(guī)模明顯增大，增油效果顯著，此外，A1井上部在未開發(fā)層系進(jìn)行補(bǔ)孔，裂縫擴(kuò)展較遠(yuǎn)，下部受到能量虧空的影響，縫長(zhǎng)較短，兩段縱向距離較近，裂縫發(fā)生重疊；A2井所在開發(fā)層系應(yīng)力降低，導(dǎo)致壓裂段縫高受約束，縫長(zhǎng)擴(kuò)展較短；A3井經(jīng)短時(shí)生產(chǎn)后在上部重新補(bǔ)孔體積壓裂，無明顯能力虧空，裂縫擴(kuò)展形態(tài)較為均勻；A4井所在儲(chǔ)層物性較好，在體積壓裂雖然受到應(yīng)力虧空的影響，但補(bǔ)孔位置與原射孔距離較遠(yuǎn)，縱向上控油面積增大，因此，體積壓裂后生產(chǎn)效果得到了極大的提升。

2.2 體積重復(fù)壓裂裂縫形態(tài)及壓裂時(shí)機(jī)機(jī)理研究

為明確不同體積重復(fù)壓裂時(shí)機(jī)對(duì)生產(chǎn)的影響，以及地層能量虧空對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響。建立的機(jī)理模型尺寸為500 m×500 m，縱向上劃分3 層，各層的屬性分別為目的層的平均值。

將生產(chǎn)年限分別設(shè)定為1 a、3 a和5 a，分析不同生產(chǎn)年限情況下的地層壓力特征及能量虧空情況。結(jié)果表明，不同生產(chǎn)年限下，應(yīng)力隨地層壓力變化特征較為明顯（圖8），而應(yīng)力角的變化差異較?。▓D9），裂縫轉(zhuǎn)向的可能性不大。

圖8 不同生產(chǎn)年限最小主應(yīng)力變化特征Fig.8 Variation characteristics of minimum principal stress in different production years

圖9 不同生產(chǎn)年限應(yīng)力方位角變化特征Fig.9 Variation characteristics of stress azimuth in different production years

體積重復(fù)壓裂施工規(guī)模為1 500 m3，支撐劑用量為90 m3，施工排量為8 m3/min。結(jié)果表明，生產(chǎn)年限越長(zhǎng)，地層應(yīng)力場(chǎng)下降得越多，縱向上的應(yīng)力變化越顯著，最終導(dǎo)致裂縫縱向上的約束越明顯，裂縫縫高越低（圖10）。此外，生產(chǎn)年限的增大也導(dǎo)致了能量虧空的增多，造成縫長(zhǎng)越短，因此，最終形成縫高、縫長(zhǎng)較小而縫寬較大的水力裂縫形態(tài)（圖11）。

圖10 生產(chǎn)5年最小水平主應(yīng)力縱向變化特征Fig.10 Changes of minimum principal stress along vertical direction after 5 years’production

圖11 不同年限體積壓裂裂縫形態(tài)特征Fig.11 Changes of volume fracturing fracture geometry in different production years

從圖12 中可以看出，地層壓力變化范圍隨生產(chǎn)年限的增加而增大，地層能量虧空也會(huì)增加，同時(shí)，表7 結(jié)果顯示，地層能量虧空越大，壓裂過程中用于增能的壓裂液量就越多，裂縫縫長(zhǎng)越短，而縱向上的應(yīng)力差異越大，縫高越短，最終導(dǎo)致形成縫寬較大，而縫長(zhǎng)縫縫高均較小的水力裂縫形態(tài)。因此，及時(shí)補(bǔ)充地層能量對(duì)提高采出程度是有著重要的意義。在采用相同的生產(chǎn)制度下，對(duì)比不同年限生產(chǎn)效果，結(jié)果表明生產(chǎn)年限為1 a 時(shí)的算例模型則會(huì)實(shí)現(xiàn)更快速的開采，取得更好的效益。因此，及時(shí)開展重復(fù)壓裂可更有效地提升單井產(chǎn)油能力（圖13）。

圖12 不同年限地層壓力變化Fig.12 Formation pressure changes in different production years

圖13 不同時(shí)機(jī)體積重復(fù)壓裂后的單井產(chǎn)油對(duì)比Fig.13 Comparison of well production after volume refracturing at different time

表7 不同生產(chǎn)年限下裂縫參數(shù)Table 7 Fracture geometry pavameters in different production years

3 結(jié)論

1）筆者所建立的機(jī)理模型表明：隨著流體不斷被產(chǎn)出，裂縫周圍壓強(qiáng)不斷下降，將產(chǎn)生一個(gè)不斷擴(kuò)大的橢圓形壓降區(qū)，各應(yīng)力的大小和偏轉(zhuǎn)程度都會(huì)發(fā)生一定的改變。在生產(chǎn)誘導(dǎo)地應(yīng)力場(chǎng)下，不同位置的重復(fù)壓裂模擬表明新出現(xiàn)的裂縫呈現(xiàn)不同的裂縫形態(tài)。

2）針對(duì)A1～A4井不同階段不同類型重復(fù)壓裂模擬，初次、普通重復(fù)壓裂后裂縫形態(tài)主要體現(xiàn)在縫寬變化，體積重復(fù)壓裂后裂縫形態(tài)變化顯著。

3）生產(chǎn)后地層應(yīng)力方位變化不顯著，但孔隙壓力及地應(yīng)力變化對(duì)水力裂縫的形態(tài)的影響較大，已射孔層地層能量虧空較大，裂縫擴(kuò)展難度大，縫寬較大；對(duì)于補(bǔ)層情況，由于地層能量充足，裂縫擴(kuò)展較為容易。

4）補(bǔ)層位置較高井可有效提高儲(chǔ)層縱向動(dòng)用程度，增產(chǎn)效果較好。

5）重復(fù)壓裂時(shí)機(jī)對(duì)增產(chǎn)油效果影響明顯，及時(shí)開展重復(fù)壓裂可更有效的提升單井產(chǎn)油能力。

6）縫網(wǎng)系統(tǒng)增加了儲(chǔ)層的動(dòng)用程度，提高主裂縫方向的水驅(qū)波及體積改善了注采井間的水驅(qū)動(dòng)用效果。

符號(hào)說明

φ為儲(chǔ)層孔隙度，%；vw和vs分別為流體和固相運(yùn)動(dòng)速度，m/s；k為儲(chǔ)層滲透率，10-3μm2；μw為流體黏度，mPa·s；p為儲(chǔ)層孔隙壓力，MPa；Cw為流體壓縮系數(shù)，MPa-1；ρw為流體密度，kg/m3；ρs為固相密度，kg/m3；t為生產(chǎn)時(shí)間，s；qs為固相初始源或匯，kg/s；pf為水力裂縫中的孔隙壓力，MPa；qw為儲(chǔ)層中流體初始源或匯，kg/s；φf為裂縫孔隙度，%；vfw為流體在裂縫中的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；α為有效應(yīng)力系數(shù)；β為儲(chǔ)層和水力裂縫之間的流體交換系數(shù)；qfw為水力裂縫中流體初始源或匯，kg/s；xi和xj分別為i和j方向的位移變化量，m；Δσij和Δσji分別為i和j方向上的應(yīng)力增量，MPa；Δεij為ij方向的應(yīng)變變化量；μi為i方向的應(yīng)力；G為剪切模量，GPa；λ為應(yīng)變系數(shù)；Δεv為垂直方向的剪應(yīng)力，MPa；u為位移，m；δij為克羅內(nèi)克符號(hào)（i=j時(shí)，δij=1；i≠j時(shí)，δij=0）；Cbc為巖石有效壓縮系數(shù)，MPa-1；Cpc為平均孔隙壓力下的孔隙壓縮系數(shù)，MPa-1；Cs為無圍壓時(shí)測(cè)得的基質(zhì)巖石壓縮系數(shù)，MPa-1；σm為平均總應(yīng)力，MPa；Δp為孔隙壓力增量，MPa；Kf為水力裂縫滲透率，10-3μm2；Vt為巖石和孔隙總體積，m3；Ct為綜合壓縮系數(shù)，MPa-1；Δε為應(yīng)變?cè)隽?；φt為基質(zhì)孔隙度，%；Vfw為水力裂縫中的流體體積，m3；l=x，y，z；Δu為位移增量之和，m。