頁巖氣水平井體積壓裂分段分簇方法研究

鐘亞軍，羅攀，張磊，劉銀山

（陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710065）

水平井體積壓裂工藝是當(dāng)前石油開采一項(xiàng)非常重要的工藝，尤其對(duì)于低滲透油氣藏，分段定簇優(yōu)化是壓裂設(shè)計(jì)的前提。準(zhǔn)確選擇工程甜點(diǎn)，即合理選取壓裂段射孔簇，可以有效提高單井產(chǎn)量，控制施工成本。目前水平井壓裂分段定簇中，往往只重視對(duì)儲(chǔ)層地質(zhì)因素如物性、孔隙度、含油氣性等的評(píng)價(jià)，而忽視了工程因素的影響，容易帶來的問題有：施工破裂壓力高、改造難度大；簇間壓力不平衡，裂縫延伸能力不足，縫網(wǎng)發(fā)育不充分；射孔簇選擇不合理，很多射孔簇不生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)利益低下。為了解決上述問題，本文提出在設(shè)計(jì)壓裂段及射孔簇時(shí)，除地層含油氣性等地質(zhì)因素外，同時(shí)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層可壓裂性、縫網(wǎng)形成能力等工程因素，各參數(shù)綜合建立分段定簇模型。

1 儲(chǔ)層可壓性指數(shù)評(píng)價(jià)

利用單一脆性指數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層可壓裂性評(píng)價(jià)存在較大誤差，本文擬結(jié)合線彈性斷裂力學(xué)理論，分析基于巖石斷裂韌性的裂縫形成機(jī)理[1]，從而優(yōu)化致密氣儲(chǔ)層可壓裂性測(cè)井評(píng)價(jià)效果。

1.1 脆性指數(shù)

一般來說，楊氏模量越高，泊松比越小的地層，越容易被壓裂。巖石脆性指數(shù)根據(jù)的是楊氏模量與泊松比的大小，分別取0.5 的權(quán)值進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)闂钍夏Ａ亢筒此杀攘烤V不同，需要對(duì)其先進(jìn)行歸一化處理。脆性指數(shù)Br計(jì)算公式如下：

式中：ES-靜態(tài)楊氏模量；μS-靜態(tài)泊松比；Br-脆性指數(shù)。將計(jì)算出的脆性指數(shù)值與施工破裂壓力作對(duì)比，見圖1。

圖1 YSP1 井破裂壓力與脆性指數(shù)對(duì)比圖

由圖1 可以看出，脆性指數(shù)值高，對(duì)應(yīng)的破裂壓力值低，如第1 段脆性指數(shù)最高，Br值為0.57，對(duì)應(yīng)的破裂壓力也最低，第3 段脆性指數(shù)值低，對(duì)應(yīng)的破裂壓力值高。同時(shí)也可以看出，單純利用脆性指數(shù)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層可壓裂性存在較大的誤差，如第3 段與第2、4 段脆性指數(shù)相近，破裂壓力相差較大，表現(xiàn)出很大的脆性差別。

1.2 斷裂韌性

在線彈性斷裂力學(xué)中，根據(jù)其位移形態(tài)可將裂縫分為3類，張開型（Ⅰ型）、錯(cuò)開型（Ⅱ型）和撕開型（Ⅲ型）。任何一種裂縫狀態(tài)均可以由這3 種基本形態(tài)疊加得到，疊加的裂縫統(tǒng)稱為復(fù)合型裂縫或混合型裂縫[2]。在頁巖氣儲(chǔ)層體積壓裂中形成的最常見的是Ⅰ型與Ⅱ型裂縫。

式中：St-單軸抗拉強(qiáng)度，MPa；-斷裂韌性，MPa。

圍壓下斷裂韌性（KⅠC）：

Ⅱ型裂縫（KⅡC）：

KⅡC=0.095 6σn+0.013 83St-0.082 0

1.3 可壓裂性指數(shù)

根據(jù)以上分析，頁巖氣儲(chǔ)層的可壓裂性指數(shù)值顯然與脆性指數(shù)值正相關(guān)，而與斷裂韌性值呈反比。為此可用下式評(píng)定頁巖氣儲(chǔ)層的可壓裂性指數(shù)Frac，表征儲(chǔ)層壓裂難易程度：

將計(jì)算出的可壓裂性指數(shù)值與施工破裂壓力大小作對(duì)比，見圖2。

圖2 YSP1 井破裂壓力與可壓裂性指數(shù)對(duì)比圖

由圖2 可以看出，可壓裂性指數(shù)越高，巖石的破裂壓力越低，呈反比關(guān)系，如第1 段可壓裂性指數(shù)最高值為2.10，破裂壓力最低，第3 段計(jì)算出的可壓裂性指數(shù)最低值為1.56，對(duì)應(yīng)的破裂壓力最高。相對(duì)于僅依靠脆性指數(shù)評(píng)價(jià)巖石可壓裂性，結(jié)合斷裂韌性評(píng)價(jià)出來的結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

2 縫網(wǎng)形成能力

地層水平主應(yīng)力是影響壓裂施工壓力大小的重要因素之一。差異系數(shù)代表最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的差異大小，其值對(duì)裂縫的形態(tài)特征影響十分明顯。如果致密儲(chǔ)層的水平應(yīng)力差小，壓裂過程中壓裂液易于在多個(gè)方向上進(jìn)入微裂縫，并形成新的裂縫。其原因在于較小的水平主應(yīng)力差有利于壓裂縫的轉(zhuǎn)向和彎曲，并可產(chǎn)生眾多的張性裂縫和剪切裂縫，構(gòu)建成較為發(fā)達(dá)的滲流網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到體積壓裂改造的效果[3]。反之，僅產(chǎn)生若干條主裂縫，難以實(shí)現(xiàn)體積壓裂和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)裂縫系統(tǒng)。

本文采用地應(yīng)力組合彈簧模型（斯倫貝謝模型）來求取水平應(yīng)力差異值，計(jì)算公式如下：

式中：μ－泊松比；α－biots 系數(shù)；E－巖石彈性模量；εH、εh－沿最大主應(yīng)力方向與最小主應(yīng)力方向構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)；Pp－地層孔隙壓力；H0－測(cè)井起始點(diǎn)深度；ρ0(h)－未測(cè)井段深度為h 點(diǎn)的密度；ρ(h)－深度為h 點(diǎn)的測(cè)井密度；g－重力加速度；Kh－應(yīng)力差異系數(shù)。

3 建立分段定簇模型

對(duì)地層含油氣性G、可壓裂性Frac、縫網(wǎng)形成能力Kh綜合考慮，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)原理，結(jié)合研究區(qū)儲(chǔ)層特征和以往開發(fā)工作經(jīng)驗(yàn)，分配相應(yīng)權(quán)值系數(shù)，評(píng)價(jià)綜合指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

BZ=aG＋bFrac+cKh

式中：a、b、c-經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，分別代表含油氣性G、可壓裂性Frac、縫網(wǎng)形成能力Kh的權(quán)值系數(shù)。

4 模型應(yīng)用

將建立的分段定簇模型應(yīng)用于LTP1 井壓裂，計(jì)算BZ值，選取BZ值高的進(jìn)行分段，對(duì)同一壓裂段中選取可壓裂性指數(shù)Frac值相近點(diǎn)定簇，優(yōu)選壓裂改造段的同時(shí)保障了各簇間壓力平衡，最后得到分段定簇方案圖見圖3。

圖3 LTP1 井分段定簇設(shè)計(jì)圖

根據(jù)計(jì)算綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)BZ值，將L1TP1 井分了6個(gè)壓裂段。各壓裂段中，為使各簇施工壓力平衡，根據(jù)計(jì)算的破裂壓力值確定射孔簇位置。2021 年7月，按照基于該模型得到的分段定簇方案對(duì)LTP1 水平井進(jìn)行體積壓裂，施工過程順利，采用FSI 成產(chǎn)測(cè)井儀對(duì)LTP1 井壓裂試氣效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，各壓裂段產(chǎn)量豐富穩(wěn)定，有效射孔簇在全井段分布較均勻，射孔效率達(dá)到90.5%，表明新的分段定簇模型有力提升了壓裂施工改造效果。

5 結(jié)論

（1）脆性指數(shù)越高，儲(chǔ)層越容易破壓。但脆性指數(shù)相近層段，破裂壓力有時(shí)相差較大，表現(xiàn)出很大的脆性差別。引入斷裂韌性的可壓性指數(shù)評(píng)價(jià)，與現(xiàn)場(chǎng)施工各段參數(shù)比較符合，可用于綜合計(jì)算儲(chǔ)層破裂壓力。

（2）差異系數(shù)在評(píng)價(jià)儲(chǔ)層可壓性方面，主要表征的是儲(chǔ)層體積壓裂效果、形成縫網(wǎng)能力的參數(shù)，和破裂壓力之間的聯(lián)系不緊密，對(duì)壓裂改造效果有很大提升。

（3）壓裂分段分簇時(shí)，地質(zhì)因素和工程因素綜合評(píng)價(jià)可以有效降低施工作業(yè)難度，提升壓裂效率，提高單井產(chǎn)量。