致密油儲層壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律分析及影響研究

谷團(tuán) 樊濤 張林鵬 楊書港 李賓 王文

摘 要：

以鄂爾多斯延長組長7裂縫性致密油儲層為例，開展致密油儲層裂縫擴(kuò)展實驗研究，分析裂縫擴(kuò)展的影響因素，并對裂縫擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行模擬分析，實驗結(jié)果表明：長7致密油儲層巖石楊氏模量、泊松比和抗壓強(qiáng)度波動范圍廣，造成數(shù)值差異較大；礦物組成分布差異為3%～46%，平均值為16.85%左右；

該區(qū)塊儲層巖石發(fā)育部分的天然裂縫，儲層最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力差異較大，儲層水平和垂直方向上的孔、滲、飽等物性差異較大。天然裂縫的形成和發(fā)展受自然裂縫存在與地應(yīng)力場差異這兩個關(guān)鍵因素的顯著影響，長7儲層原始狀態(tài)下裂縫的形態(tài)呈現(xiàn)低角度。

關(guān)鍵詞：

鄂爾多斯盆地；延長組長7致密儲層；致密油；水力壓裂物模實驗；裂縫擴(kuò)展規(guī)律

中圖分類號：TE357.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2024）03-0116-04

Analysis and Influence study on the expansion law of fracturing fractures in tight oil reservoirs

GU Tuan，F(xiàn)AN Tao，ZHANG Linpeng，YANG Shugang，LI Bin，WANG Wen

（

Exploration and Development Research Institute of Liaohe Oilfield Company，Panjin 124010，Liaoning China）

Abstract：

The YanChang group 7 tight oil reservoir in the Ordos Basin was taken as an example，the experimental study of fracture propagation in the tight oil reservoir was carried out，the influencing factors of fracture propagation were analyzed，and the fracture propagation law was simulated and analyzed.The experimental results showed that the Youngs modulus，Poissons ratio，and compressive strength of rocks in Chang 7 tight oil reservoirs fluctuated widely，resulting in significant numerical differences.The distribution of mineral composition varied greatly between 3% and 46%，with an average value of around 16.85%.The reservoir rocks in this block had some natural fractures.The natural fractures in the rock-developed part of the reservoir in this block had a large difference between the maximum and the minimum horizontal principal stress，and the physical properties of the reservoir such as porosity，seepage and saturation in the horizontal and vertical directions were quite different.The formation and development of natural fractures were significantly affected by the existence of natural fractures and the difference of in-situ stress field，and the morphology of fractures in the original state of Chang 7 reservoir presented a low angle.

Key words：ordos basin;yanchang group 7 tight reservoir;dense oil;hydraulic fracturing physical model experiment;crack propagation law

我國致密油儲層分布范圍廣，多種成巖作用導(dǎo)致儲層發(fā)育層理、裂縫、微裂縫，儲層非均質(zhì)性不均勻。已有研究表明，儲層巖石的特性和存在的天然裂縫對于水力壓裂過程中裂縫形態(tài)的擴(kuò)展起著決定性作用［1-6］。特別是在具有復(fù)雜巖性特征的裂縫性致密油儲層中，裂縫的形成和擴(kuò)張過程格外復(fù)雜，且其內(nèi)部支撐機(jī)制目前仍不完全明了，給油氣開發(fā)帶來了諸多難題［7-12］。在鄂爾多斯盆地的延長組長7儲層，天然裂縫的廣泛發(fā)育和巖性的多變性，對水力壓裂改造效果構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)［13-15］。為了充分認(rèn)識地下應(yīng)力狀態(tài)下裂縫擴(kuò)展規(guī)律和延伸形態(tài)，開展了大型物模實驗。本研究將探討多種因素對裂縫擴(kuò)展影響的綜合效應(yīng)，包括井型選擇、完井技術(shù)、巖石力學(xué)屬性、應(yīng)力狀態(tài)、工藝參數(shù)、射孔策略及天然裂縫特征等［16-17］。

1 裂縫擴(kuò)展模擬實驗

裂縫擴(kuò)展模擬實驗流程如圖1所示。

由圖1可知，本文通過多種實驗方法，研究了致密油儲層水力壓裂多裂縫擴(kuò)展的規(guī)律和影響因素。在本研究中，通過三軸壓縮實驗、巖石礦物質(zhì)量分析和地應(yīng)力測量，收集了具有不同巖石屬性、礦物成分、應(yīng)力條件和自然裂縫分布的巖石樣本數(shù)據(jù)。對這些巖樣進(jìn)行了真三軸壓裂模擬實驗，并在實驗前后對巖樣進(jìn)行了CT掃描。通過CT掃描，本研究精確提取并重建了自然裂縫和水力裂縫的形態(tài)特征與參數(shù)，并通過巖心切片觀察法，深入比較了水力壓裂實驗前后裂縫的演變。

2 結(jié)果與討論

2.1 裂縫性致密油儲層特征評價

2.1.1 天然裂縫發(fā)育特征

在長7致密油儲層中，天然裂縫和孔隙作為油氣儲存的重要場所。不同的裂縫類型反映了不同的形成機(jī)制，如構(gòu)造作用、層間變形和異常壓力。這些裂縫類型在不同的巖性段中有不同的發(fā)育程度和特征。泥頁巖段和白云巖段的天然裂縫也有明顯的差異。泥頁巖段的天然裂縫不僅包括構(gòu)造縫、層間縫，還有由差異壓實造成的縫。這些裂縫發(fā)育密集，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖2所示。

在白云巖層中，主要的天然裂縫類型為構(gòu)造性裂縫，這些裂縫通常呈現(xiàn)出較高角度的走勢。在該巖段內(nèi)，除了普遍存在的黃鐵礦和方沸石等礦物，還觀察到了油質(zhì)瀝青的存在。這些微裂縫中的瀝青沉積表明了復(fù)雜的地質(zhì)歷史及其對巖石孔隙結(jié)構(gòu)和滲透性的影響。

2.1.2 巖石礦物組成特征

巖石的力學(xué)性質(zhì)是多個參數(shù)共同控制的，其中最基本的影響參數(shù)就是巖石礦物。在探究延長組長7致密區(qū)巖石的礦物成分時，本研究對42組巖石樣本進(jìn)行了全巖礦物分析。實驗數(shù)據(jù)的處理結(jié)果展示如圖3。

由圖3可知，巖石樣品中的礦物成分分布顯示出顯著的差異性，突顯了地層的復(fù)雜性。粘土礦物在不同樣品中的含量波動較大，分布為3%～46%，平均值約為16.85%，這反映了粘土礦物分布的高度不均勻性。相比之下，石英成分在巖石樣品中的分布相對均勻，雖然從1%～67%不等，但多數(shù)樣品的石英含量接近平均值27.14%，表明石英的普遍存在和穩(wěn)定性。長石成分的含量波動明顯，平均值為22.36%，顯示出其在不同巖石樣品中的含量變化較大，這與巖石形成過程中的地質(zhì)條件有關(guān)。碳酸鹽礦物的含量分布也有較大波動，平均值為25.03%，其高低值之間的顯著差異進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了巖石樣品的多變性。

2.2 裂縫擴(kuò)展物模實驗研究

在水力壓裂過程中，對天然裂縫的傾角和方位角的分析至關(guān)重要。這2個參數(shù)是理解裂縫行為的關(guān)鍵因素。裂縫的傾角作為主要的分類標(biāo)準(zhǔn)，可以將天然裂縫分為4種類型：垂直裂縫（75°～90°）、高角度裂縫（45°～75°）、低角度裂縫（15°～45°）和水平裂縫（0°～15°）［18］。

利用CT技術(shù)，本研究對多個巖心樣本中的裂縫特征進(jìn)行了分析，對所有天然裂縫進(jìn)行了精確的測量和數(shù)據(jù)處理，從而獲得了裂縫傾角和走向角的分布，這些數(shù)據(jù)分別在圖4和圖5中展示。

由圖4、圖5的結(jié)果，可以得出長7儲層中天然裂縫的豐富性。特別是裂縫傾角的中值為24°，表明長7儲層中以低角度裂縫為主，同時也存在一定數(shù)量的高角度裂縫。這些裂縫的形成與地應(yīng)力方向密切相關(guān)。地應(yīng)力測試結(jié)果顯示，裂縫的初始走向與巖石水平最大主應(yīng)力方向大體平行，這一點揭示了裂縫形成的地質(zhì)力學(xué)背景，同時也表明水力裂縫在這個方向上更加傾向于與天然裂縫交匯，為儲層改造構(gòu)建復(fù)雜的裂縫通道提供了基礎(chǔ)。這一結(jié)論與巖石力學(xué)的理論相符，也為水力壓裂的設(shè)計提供了參考依據(jù)。

2.3 致密油儲層裂縫擴(kuò)展規(guī)律分析

2.3.1 巖石礦物組分對裂縫復(fù)雜程度的影響

對礦物組分實驗的巖心的不同組成的含量占比與相應(yīng)的巖石的裂縫情況進(jìn)行做圖處理分析，圖6展示了在不同粘土、石英、長石以及碳酸鹽巖條件下裂縫的情況，各種礦物高含量條件存在簡單裂縫和復(fù)雜裂縫行為，各種礦物的低含量條件下也同時存在簡單和復(fù)雜裂縫行為。

由圖6可以看出，

發(fā)現(xiàn)裂縫的形態(tài)不只受到礦物的含量的影響，還受到巖石的力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力分布及裂縫延展方向的影響。因此，礦物含量并不能作為評價長7儲層壓裂裂縫形態(tài)的主要指標(biāo)，需要綜合考慮其他影響因素，提高其可靠性。

2.3.2 巖石力學(xué)參數(shù)對裂縫復(fù)雜程度的影響

為了研究巖石力學(xué)參數(shù)與裂縫形成的關(guān)系，本文采用了Rickman脆性指數(shù)作為巖石脆性的評價指標(biāo)。Rickman脆性指數(shù)是對巖石的破壞和張開能力定量化的重要參數(shù)，它反映了巖石在受到外力時的變形和破裂特性。本文對不同的巖樣進(jìn)行了力學(xué)測試，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到巖石的楊氏模量和泊松比2個數(shù)據(jù)，并根據(jù)計算公式得到了長7區(qū)塊巖石的脆性指數(shù)，同時將每個脆性指數(shù)數(shù)值與對應(yīng)的裂縫擴(kuò)展行為對應(yīng)起來，得到了圖7的曲線，其顯示了所選巖石的脆性指數(shù)與裂縫擴(kuò)展行為不存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。進(jìn)一步揭示了巖石的力學(xué)參數(shù)相同，裂縫在巖石也存在不同的擴(kuò)展行為。因此，巖石力學(xué)參數(shù)不足以描述巖石的壓裂特性，還需要考慮其他的影響因素。

2.3.3 應(yīng)力差與天然裂縫對裂縫復(fù)雜程度的影響

地應(yīng)力是巖石的重要力學(xué)參數(shù)，不同的應(yīng)力對裂縫的起裂、延伸有著重要的影響，因此，在不同實驗條件下研究裂縫的擴(kuò)展行為具有重要意義，結(jié)果如圖8（a）所示。統(tǒng)計了不同的裂縫角度和裂縫擴(kuò)展行為之間的關(guān)聯(lián)性，采用不同的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖8（b）所示。

由圖8（a）可知，應(yīng)力差與裂縫復(fù)雜程度之間的相關(guān)性很低，這表明裂縫形態(tài)不僅取決于應(yīng)力差，還受到其他因素的影響。當(dāng)巖石中存在天然裂縫時，裂縫擴(kuò)展行為受到應(yīng)力方向和天然裂縫角度的影響。由圖8（b）可知，當(dāng)天然裂縫的傾角較大時，天然裂縫的開啟較難；而當(dāng)天然裂縫在原始狀態(tài)存在較小角度，水力裂縫更加傾向于交匯天然裂縫，構(gòu)建復(fù)雜的裂縫通道。

對多組不同天然裂縫條件下的巖樣進(jìn)行了壓裂實驗，分析了實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)天然裂縫對壓裂裂縫形態(tài)有顯著影響。當(dāng)巖樣中有天然裂縫時，水力裂縫的延展方向存在多解性，有時沿著天然裂縫延伸，有時一定角度穿過天然裂縫，甚至形成多條裂縫。在長7儲層的原地應(yīng)力條件下的研究表明，天然裂縫的傾角大小與巖石裂縫復(fù)雜度之間存在顯著的關(guān)聯(lián)。

3 結(jié)語

（1）長7儲層的巖性由于礦物組成的差異而呈現(xiàn)出多樣性。其中，粘土礦物含量變化范圍較大，石英含量相對較穩(wěn)定，長石和碳酸鹽含量波動幅度較大。這些礦物組成的差異導(dǎo)致了巖石的力學(xué)性質(zhì)（巖石的可壓性和強(qiáng)度）的不均勻性；

（2）長7儲層中存在天然裂縫，這些裂縫與地應(yīng)力差的關(guān)系是決定裂縫復(fù)雜程度的主要因素。對實驗結(jié)果分析顯示各類礦物含量、巖石的靜態(tài)楊氏模量以及靜態(tài)泊松比與裂縫的復(fù)雜性之間不存在顯著的線性關(guān)系，揭示了巖石的礦物組分和力學(xué)參數(shù)對裂縫形態(tài)的影響不顯著；

（3）梳理了地下巖石裂縫擴(kuò)展的機(jī)制和方式，采用CT掃描和真三軸壓裂實驗，還原巖石在地下應(yīng)力和溫度狀態(tài)下的裂縫起裂、延展。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長7儲層的水力裂縫形態(tài)不僅受到地應(yīng)力的影響，還受到天然裂縫的影響。當(dāng)天然裂縫與地應(yīng)力差有一定的夾角時，水力裂縫會往天然裂縫方向延展并交匯，進(jìn)而增加裂縫的多次轉(zhuǎn)向，構(gòu)建復(fù)雜裂縫通道，這對于儲層的改造是有利的。

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收稿日期：2023-07-20；修回日期：2024-01-30

作者簡介：谷 團(tuán)（1972-）男，博士，高級工程師，研究方向：石油地質(zhì);E-mail：zhongting7896383@163.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金項目（項目編號：51606222）。

引文格式：谷 團(tuán)，樊 濤，張林鵬，等.致密油儲層壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律分析及影響研究［J］.粘接，2024，51（3）：116-119.