渤海油田疏松砂巖壓裂起裂參數(shù)影響因素分析

張麗平

（中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300452）

渤海主力油田屬于疏松砂巖油藏，疏松砂巖儲(chǔ)層經(jīng)過多年的高速開采，油藏深部存在較復(fù)雜的堵塞傷害問題，油井維持高產(chǎn)液能力生產(chǎn)的難度越來越大，常規(guī)措施難以有效解決，迫切需要探索更高效地解堵工藝[1-3]。針對復(fù)雜的深部堵塞，渤海油田研究形成了深穿透解堵增產(chǎn)技術(shù)、過篩管壓裂增產(chǎn)技術(shù)，通過提高注入排量壓開地層，注入高效解堵體系解堵深部堵塞或者充填支撐劑形成高導(dǎo)流支撐裂縫，有效改善儲(chǔ)層滲流能力。這兩項(xiàng)技術(shù)在渤海油田應(yīng)用30 余井次，增產(chǎn)增注效果顯著。疏松砂巖具有低強(qiáng)、高滲和弱膠結(jié)性的物理特征，結(jié)合現(xiàn)場施工曲線的特征可知疏松砂巖沒有明顯的破裂壓力顯示。如何通過優(yōu)化注入排量、注入壓裂液黏度等因素確保井底壓力快速上升到破裂壓力水平是疏松砂巖形成裂縫的關(guān)鍵。筆者主要開展了室內(nèi)人造疏松砂巖巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過壓裂后裂縫形態(tài)并結(jié)合注入壓力曲線定性分析了泵注排量、壓裂液黏度、巖心滲透率及暫堵劑等對疏松砂巖裂縫起裂的影響規(guī)律，探究了疏松砂巖增壓解堵過程中裂縫起裂規(guī)律。

1 水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用真三軸水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由四個(gè)主要部分組成，分別為真三軸壓力加載部分，壓裂液注入部分，聲發(fā)射監(jiān)測部分，控制及信號采集部分。能夠?qū)?00×100×100 mm 的油井全直徑巖樣進(jìn)行三個(gè)方向上受力加載，來模擬地層受到的地應(yīng)力情況。并通過聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)對巖樣形成裂縫的起裂和延伸進(jìn)行動(dòng)態(tài)無損監(jiān)測[4]。

2 巖樣制備

根據(jù)目標(biāo)區(qū)塊礦物的物性特征，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，考慮巖心的相似性、制作的難易性和重復(fù)性等方面，最終通過調(diào)整石英、石英砂、鈉長石、鉀長石和固井水泥五種礦物配比，進(jìn)行不同巖石力學(xué)及孔滲性質(zhì)的模擬巖樣測試，實(shí)驗(yàn)共測試了18 種巖樣，選定滲透率為1 000 mD、500 mD、200 mD 三種級別的巖樣（分別對應(yīng)巖心編碼15、16、18）開展水力壓裂物理模擬分析，其中15、16、18 號巖樣力學(xué)及物性參數(shù)（見表1、表2）。

表1 部分巖樣力學(xué)及物性參數(shù)測試結(jié)果

表2 選定巖石樣本下的配方及巖石力學(xué)、物性參數(shù)表

3 實(shí)驗(yàn)方案

利用真三軸水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)探究高滲砂巖水力壓裂起裂的界限排量及主控因素，以及裂縫起裂形態(tài)及其主控因素。采用正交實(shí)驗(yàn)法，設(shè)計(jì)射孔參數(shù)優(yōu)選、起裂判別及其主控因素敏感性測試共32 塊。

（1）分別針對3 種滲透率巖心，依次按照先低黏度壓裂液、小排量組合，逐步提高排量和黏度，以摸索能夠確保巖石開裂的門限排量。

（2）在門限排量物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對比分析壓裂液黏度、泵注排量及暫堵劑對裂縫起裂形態(tài)的影響規(guī)律。以此為高滲砂巖儲(chǔ)層壓裂解堵的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)提供借鑒。

4 實(shí)驗(yàn)討論

4.1 滲透率對門限起裂排量的影響規(guī)律

由圖1 可知，以各曲線為界限，曲線以上為可壓裂的組合參數(shù)區(qū)，曲線以下為不能致裂巖石的組合參數(shù)區(qū)。整體上隨著滲透率的增加，其門限起裂排量逐漸增加。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)定的最低測試排量為50 mL/min，由此，在滲透率低于500 mD 時(shí)，其不同黏度壓裂液的起裂排量按照曲線趨勢，仍可能小于50 mL/min。在滲透率大于500 mD 時(shí)，其門限起裂排量隨著滲透率的增加而快速加大，且增加的幅度隨著黏度的減小而逐漸擴(kuò)大。

圖1 滲透率對起裂排量的影響

4.2 壓裂液黏度對門限起裂排量的影響規(guī)律

由圖2 可知，同樣是以各曲線為界限，曲線以上為可壓裂的組合參數(shù)區(qū)，曲線以下為不能致裂巖石的組合參數(shù)區(qū)。整體上隨著壓裂液黏度的增加，不同滲透率巖石的門限起裂排量逐漸減小，且減小的幅度隨著滲透率的增加而減緩。同樣由于實(shí)驗(yàn)設(shè)定的最小排量為50 mL/min，且黏度取值略小，導(dǎo)致各曲線在低于50 mL/min 排量以下無數(shù)據(jù)，從而出現(xiàn)曲線重合。由此，在黏度大于36 mPa·s 和78 mPa·s 時(shí)，200 mD 和500 mD 巖石的門限起裂排量仍會(huì)低于50 mL/min。

圖2 壓裂液黏度對起裂排量的影響

4.3 壓裂液黏度對裂縫起裂形態(tài)的影響規(guī)律分析

巖心滲透率為1 000 mD，水平應(yīng)力差為3 MPa（垂向12 MPa、水平最小5 MPa、水平最大8 MPa），注入排量為150 mL/min，不同黏度下的裂縫起裂后實(shí)物圖及裂縫形態(tài)簡圖（見圖3、圖4）。針對中高滲巖樣，低黏度的壓裂液產(chǎn)生一條兩翼基本對稱的裂縫，而高黏壓裂液產(chǎn)生的裂縫不僅不對稱，而且生成了次裂縫，裂縫形態(tài)較為復(fù)雜。隨著壓裂液黏度的增加，裂縫更容易在井壁處形成支縫，且產(chǎn)生的次縫越多，次生裂縫的發(fā)育抑制了主裂縫的發(fā)育，導(dǎo)致主裂縫延伸路徑不規(guī)則。這是由于黏度大的壓裂液，容易在孔眼周圍產(chǎn)生較大擠壓應(yīng)力，而由于高黏度壓裂液的滲透困難，從而導(dǎo)致孔隙壓力系統(tǒng)難以形成平衡，致使剪切有效應(yīng)力較大，容易出現(xiàn)剪切次級裂縫。由此，也表明為得到較為規(guī)則的深穿透裂縫可在確定起裂的前提下，盡量采用相對較小的壓裂液黏度，有利于形成較為規(guī)則的深穿透裂縫。

圖3 壓裂液黏度為78 mPa·s（左）、105 mPa·s（中）、228 mPa·s（右）的巖樣

圖4 壓裂液黏度為78 mPa·s（左）、105 mPa·s（中）、228 mPa·s（右）的巖樣破裂形態(tài)

4.4 壓裂液泵注排量對裂縫起裂形態(tài)的影響規(guī)律分析

巖心滲透率為1 000 mD，水平應(yīng)力差為3 MPa（垂向12 MPa、水平最小5 MPa、水平最大8 MPa），壓裂液黏度為78 mPa·s，不同泵注排量下的裂縫起裂后實(shí)物圖及裂縫形態(tài)簡圖（見圖5、圖6），注入壓力與時(shí)間關(guān)系（見圖7）。當(dāng)排量為100 mL/min 時(shí)，無明顯裂縫出現(xiàn)，壓力上升后出現(xiàn)劇烈震蕩，孔眼與巖心外側(cè)已實(shí)現(xiàn)了透水，雖無明顯裂縫出現(xiàn)，但已出現(xiàn)了擠壓或撕裂的微小裂紋，呈現(xiàn)高滲通道，其劇烈震蕩的注入壓力，即為壓裂液在由微裂紋構(gòu)成的高滲通道擠壓通過時(shí)的摩擦阻力；對于200 mL/min 的高排量，其壓力在快速上升后一直處于震蕩上升直至破裂，表明該排量下孔隙壓力梯度的平衡在不斷的被打破，呈現(xiàn)出較高擠壓應(yīng)力，會(huì)產(chǎn)生較多的不確定剪切縫，這一點(diǎn)從破裂后的實(shí)物圖上也可看出。而對于150 mL/min 排量，其壓力上升曲線較為理想，呈現(xiàn)出穩(wěn)定上升直至破裂的趨勢，最終破裂壓力24.81 MPa，其裂縫形態(tài)也較為規(guī)則。由此可得，在高滲巖心下，排量較高裂縫復(fù)雜性較嚴(yán)重，排量較低裂縫無法起裂，最佳排量應(yīng)為在確保巖石起裂的門限排量以上適度，不宜提高太多。

圖5 注入排量為100 mL/min（左）、150 mL/min（中）、200 mL/min（右）的巖樣

圖6 注入排量為100 mL/min（左）、150 mL/min（中）、200 mL/min（右）的巖樣破裂形態(tài)

圖7 不同注入排量下巖心注入壓力曲線圖

4.5 暫堵劑對巖樣起裂的影響

在水平應(yīng)力差為3 MPa（垂向12 MPa，水平最大8 MPa，水平最小5 MPa），黏度為78 mPa·s，注入排量為100 mL/min時(shí)，研究了油溶性暫堵劑對高滲巖石起裂壓力的影響。其中暫堵劑選取HD-1 號油溶性暫堵劑，壓裂過程中，先以5 mL/min 速率，低速泵注40 mL 濃度為3%的暫堵劑溶液，穩(wěn)定5 min 后開始以100 mL/min 排量泵注78 mPa·s 黏度壓裂液，直至裂縫開裂。其起裂后裂縫形態(tài)及壓力變化曲線（見圖8，圖9）。當(dāng)巖樣滲透率為1 000 mD、壓裂液黏度為78 mPa·s，排量為100 mL/min 時(shí)，無明顯裂縫出現(xiàn)。當(dāng)加入暫堵劑后，破裂壓力急劇上升，巖石開始出現(xiàn)明顯的裂紋，說明加入暫堵劑后，壓裂液推動(dòng)暫堵劑往巖石深部滲流運(yùn)移，由于顆粒暫堵劑的封堵性，其近孔眼的滲透率顯著降低，吸液透水能力明顯降低，從而導(dǎo)致注入流體快速在近井憋氣高壓，瞬間壓裂巖石，促進(jìn)裂縫開裂。

圖8 未加（左）、加入（右）暫堵對巖石起裂的影響

圖9 未加（左）、加入（右）暫堵對巖石起裂的影響

5 結(jié)論

（1）高滲疏松砂巖儲(chǔ)層在一定條件下是可以起裂的，并可以形成深穿透常規(guī)裂縫，裂縫形態(tài)和形成多裂縫條件與注入黏度、注入排量等有關(guān)。

（2）確保能形成水力壓裂裂縫的門限排量隨壓裂液黏度的降低、巖石滲透率的增大而不斷增加。1 000 mD巖樣在壓裂液黏度為78 mPa·s、105 mPa·s、228 mPa·s時(shí)，對應(yīng)的門限起裂排量分別為150 mL/min、125 mL/min、75 mL/min；500 mD 巖樣在壓裂液黏度為36 mPa·s、78 mPa·s 時(shí)，對應(yīng)的門限起裂排量分別為100 mL/min、50 mL/min；滲透率為200 mD 巖樣在清水壓裂液（1 mPa·s）時(shí)，100 mL/min 以上的排量即可壓裂。

（3）在滿足門限起裂條件以上時(shí)，為得到較為規(guī)則的深穿透裂縫，其各滲透率（200～1 000 mD）儲(chǔ)層均適用低黏度壓裂液；高滲儲(chǔ)層需選用能起裂的適中排量，較高排量容易引起復(fù)雜裂縫。

（4）高滲儲(chǔ)層（1 000 mD）中采用暫堵壓裂可有效促進(jìn)裂縫起裂，從而大幅降低高滲儲(chǔ)層的門限起裂排量。