水平井壓裂縫縫高影響因素及控制方法研究

曲占慶,范 菲,胡高群,張秀芹

(中國(guó)石油大學(xué),山東 東營(yíng) 257061)

水平井壓裂縫縫高影響因素及控制方法研究

曲占慶,范 菲,胡高群,張秀芹

(中國(guó)石油大學(xué),山東 東營(yíng) 257061)

為將裂縫高度控制在油氣層內(nèi),研究了巖石物質(zhì)特性、施工參數(shù)、地層應(yīng)力差和其他作業(yè)條件對(duì)縫高的影響。研究表明,產(chǎn)層和隔層的水平地應(yīng)力差對(duì)裂縫垂向延伸影響非常顯著,斷裂韌性對(duì)縫高影響不大,施工排量明顯影響裂縫尺寸,同時(shí)總結(jié)出控制裂縫縫高的 3種方法:即人工隔層控制縫高、利用施工排量來(lái)控制縫高、利用壓裂液黏度和密度控制縫高。采用倍數(shù)法和計(jì)算法對(duì)勝利油田梁 8-平 1井進(jìn)行了產(chǎn)能預(yù)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果顯示,壓裂施工采用人工隔層控制縫高技術(shù)取得了明顯效果。

水平井壓裂;巖石物質(zhì)特性;施工參數(shù);地層應(yīng)力差;裂縫高度;縫高控制;梁 8-平 1井

前 言

在水力壓裂過(guò)程中,裂縫會(huì)沿著垂直方向上延伸,當(dāng)裂縫超出生產(chǎn)層而進(jìn)入隔層時(shí)會(huì)影響水力壓裂效果。垂直裂縫縫高上下延伸,當(dāng)油層較薄或者隔層應(yīng)力較小時(shí),裂縫有可能穿透生產(chǎn)層進(jìn)入隔層。如果縫高進(jìn)一步增大,穿透隔層,裂縫有可能穿入隔層外的水層或者氣層,導(dǎo)致壓裂失敗,若裂縫過(guò)高,在同樣作業(yè)規(guī)模下,會(huì)影響縫長(zhǎng)的延伸,達(dá)不到壓裂的目的。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)裂縫高度延伸機(jī)理進(jìn)行了大量的研究[1-4],對(duì)影響裂縫高度的因素有了更深入的認(rèn)識(shí),發(fā)展了多種人工控制裂縫高度的技術(shù)。勝利油田梁 8-平 1井區(qū)域構(gòu)造位置位于東營(yíng)凹陷西南坡,主要含油層系為沙四段,屬于低孔特低滲透油藏。隔層產(chǎn)層應(yīng)力差小、壓裂裂縫高度難以有效遏制。由于水平井穿過(guò)的地層比較復(fù)雜,為了防止縫高過(guò)高帶來(lái)的負(fù)面影響,研究裂縫縫高延伸機(jī)理,判斷裂縫是否進(jìn)入隔層,明確影響縫高大小的因素,針對(duì)影響因素采取切實(shí)可行的方法控制裂縫高度。有效控制裂縫高度是保持裂縫內(nèi)的凈壓力穩(wěn)定,確保施工成功的關(guān)鍵技術(shù)。

1 裂縫進(jìn)入隔層判據(jù)及縫高計(jì)算

根據(jù)產(chǎn)層和隔層間材料力學(xué)性質(zhì)差異對(duì)裂縫延伸的影響[5],假設(shè)縫寬剖面處于平面應(yīng)變彈性狀態(tài),縫寬剖面為正弦形狀,忽略沿縫高方向應(yīng)力和濾失損失,得出裂縫穿過(guò)界面的簡(jiǎn)單判斷依據(jù):

式中:S1為產(chǎn)層的比表面能,J/m2;S2為隔層的比表面能,J/m2;G1為產(chǎn)層的剪切彈性模量,MPa;G2為隔層的剪切彈性模量,MPa;p1為產(chǎn)層內(nèi)的裂縫延伸壓力,MPa;p2為隔層內(nèi)的裂縫延伸壓力, MPa;Klc為巖石的斷裂韌性,MPa·m0.5;G為剪切彈性模量,MPa;S為比表面能,J/m2;μ為泊松比;E為楊氏模量,MPa。

當(dāng) p2

式中:μ1為產(chǎn)層的泊松比;μ2為隔層的泊松比;Klc2為產(chǎn)層的斷裂韌性,MPa·;Klc1為隔層的斷裂韌性,MPa·m0.5。

裂縫發(fā)展的形狀取決于裂縫前緣的應(yīng)力強(qiáng)度因子,只有當(dāng) k1值達(dá)到某臨界值時(shí),裂縫將向前延伸。根據(jù)公式 (4),可以推導(dǎo)出井底流體壓力與裂縫高度的關(guān)系:

式中:p為井底流體壓力,MPa;k1為蓋層、產(chǎn)層和底層的應(yīng)力強(qiáng)度因子,即它們大小相等,MPa·m0.5;σ1為產(chǎn)層的最小水平主應(yīng)力,MPa;σ2為蓋層和底層的最小水平主應(yīng)力,即它們大小相等,MPa;h為產(chǎn)層的厚度,m;ho為裂縫穿入底層或底層的厚度,即穿入底層或與底層的厚度相等,m。

2 縫高影響因素敏感性分析

水力壓裂裂縫垂向擴(kuò)展是地層條件和壓裂作業(yè)條件耦合作用的結(jié)果[6]。產(chǎn)層與隔層之間的原地應(yīng)力差、彈性模量差、斷裂韌性差、界面強(qiáng)度、裂縫中壓裂液壓力分布以及壓裂液的流變性等都會(huì)對(duì)裂縫垂向延伸產(chǎn)生重要影響。此外,地層的非均質(zhì)性和天然裂縫以及壓裂液的濾失特性、壓裂液的泵注速度等都將對(duì)裂縫的延伸產(chǎn)生影響[7]。裂縫可從強(qiáng)度大的巖石進(jìn)入強(qiáng)度小的巖石,反之則不能。

產(chǎn)層和隔層的水平地應(yīng)力差是影響裂縫垂向延伸的主要因素,而地層的水平地應(yīng)力與地層的力學(xué)參數(shù)相關(guān)。泊松比、彈性模量越大,則水平地應(yīng)力越大。當(dāng)產(chǎn)層與隔層之間地應(yīng)力差和彈性模量差異較大時(shí),在界面處的裂縫寬度將減少,壓裂液垂向流動(dòng)受限,并形成較大壓差,產(chǎn)生一定的止裂作用。地層力學(xué)參數(shù)對(duì)裂縫的延伸影響很大。

以勝利油田純梁地區(qū)梁 8-平 1井為例。該井產(chǎn)層厚度為 60 m,泊松比為 0.2,楊氏模量為20 000 MPa,底層應(yīng)力為 34.9 MPa,產(chǎn)層應(yīng)力為32.5 MPa,蓋層應(yīng)力為 33.6 MPa,斷裂韌性為 2 MPa·m0.5。分別針對(duì)地應(yīng)力差、裂縫斷裂韌性、施工排量等因素的變化對(duì)縫高的影響進(jìn)行研究。保持其他因素不變,改變其中一項(xiàng),作出相應(yīng)的裂縫高度圖。

(1)產(chǎn)層與隔層之間的原地應(yīng)力差對(duì)縫高的影響。取注入排量為 4 m3/s,注液時(shí)間為 45 min。應(yīng)力差為 -1～6 MPa,計(jì)算可以得到蓋層與產(chǎn)層應(yīng)力差和裂縫高度的關(guān)系(圖 1)。

圖 1 蓋層與產(chǎn)層應(yīng)力差和裂縫高度的關(guān)系

在蓋層與產(chǎn)層的應(yīng)力差為1MPa時(shí),裂縫總高度為 128.2 m,在隔層與產(chǎn)層的應(yīng)力差為 5 MPa時(shí),裂縫總高度為 94 m。從圖 1可以看出,產(chǎn)層和隔層的水平地應(yīng)力差對(duì)裂縫垂向延伸的影響非常顯著,在蓋層和產(chǎn)層的應(yīng)力差從 -1 MPa升至 5 MPa的過(guò)程中,裂縫高度下降比較明顯,由此可見(jiàn),隔層對(duì)裂縫垂向延伸起了很好的控制作用,這為利用人工隔層的方法控制裂縫高度提供了依據(jù)。

(2)巖石物質(zhì)特性對(duì)裂縫延伸高度的影響。巖石物質(zhì)特性包括地層巖石的剛性、韌性、塑性等,以及遮擋層與油層界面的結(jié)合強(qiáng)度、巖石性質(zhì)差異等。根據(jù)巖石物質(zhì)特性,對(duì)垂向裂縫延伸影響較大的是巖石的塑性、韌性以及巖層間是否存在滑移現(xiàn)象。遮擋層的塑性表現(xiàn)為泊松比,此值越大,對(duì)裂縫延伸幅度的影響越大。對(duì)于砂巖油層,泥巖或頁(yè)巖遮擋層泊松比都有一定的數(shù)值范圍,由此得出裂縫的延伸情況也是不確定的。這里只討論裂縫斷裂韌性對(duì)裂縫縫高的影響,取施工排量為 3.5 m3/s,蓋層的斷裂韌性為 1MPa·m0.5,底層斷裂韌性為 1～5MPa·m0.5,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖 2。隨底層斷裂韌性的增加,裂縫上高基本上保持不變,而裂縫下高有較少的減少,當(dāng)?shù)讓訑嗔秧g性由 1 MPa·m0.5增至 5 MPa·m0.5時(shí),裂縫上高從 40.6 m減至 38.2 m,減少 2.4 m?？梢钥闯?斷裂韌性對(duì)裂縫縫高的影響不大。

圖 2 底層斷裂韌性與裂縫高度的關(guān)系

(3)施工參數(shù)對(duì)縫高的影響。其他參數(shù)不變,施工排量為 2.5～5.5 m3/s,繪制裂縫高度圖 (圖3),分析不同排量下的裂縫高度。圖 3反映了注液排量對(duì)縫高的影響,施工參數(shù)包括注液排量和注入時(shí)間,間接地也反映了施工規(guī)模?？梢钥闯?隨著施工規(guī)模的增大,裂縫高度增加,施工排量明顯影響裂縫尺寸,采用小排量施工可以控制裂縫高度。主要原因在于小排量施工有利于降低壓裂液在縫中的流動(dòng)壓力梯度,該結(jié)論已被國(guó)內(nèi)外的壓裂實(shí)踐所證實(shí)[8]。值得注意的是,不同壓裂液有不同的極限造縫能力,即當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí),施工規(guī)模大到一定程度后,繼續(xù)增加施工規(guī)模,裂縫尺寸增加量減小。

圖 3 注液排量與裂縫高度的關(guān)系

(4)其他作業(yè)條件對(duì)裂縫垂向延伸的影響。壓裂液的黏度、密度、支撐劑濃度和射孔情況都會(huì)影響裂縫垂向延伸。其中,壓裂液黏度無(wú)論對(duì)大型壓裂或常規(guī)壓裂都非常重要,高黏度壓裂液有較好的攜砂能力,造縫高度也較大。理論和實(shí)踐證明,黏度對(duì)縫高延伸的影響要比排量大得多。對(duì)于已形成一定壓裂規(guī)模的油田,其壓裂液的性能和使用具有相對(duì)的穩(wěn)定性,選取濾失較小、攜砂能力較強(qiáng)的壓裂液有助于提高壓裂液的性能;其次針對(duì)某一油田的壓裂作業(yè),調(diào)節(jié)施工排量和施工壓力也可以改變裂縫延伸高度。

3 縫高控制方法

產(chǎn)層與隔層之間的原地應(yīng)力差、彈性模量差、斷裂韌性差、界面強(qiáng)度以及裂縫中壓裂液壓力分布和壓裂液的流變性等都會(huì)對(duì)裂縫垂向延伸產(chǎn)生重要影響[9]。地層的非均質(zhì)性、天然裂縫、壓裂液的濾失特性以及壓裂液的泵注速度等都將對(duì)裂縫的延伸產(chǎn)生影響。

(1)人工隔層控制縫高。人工隔層的施工工藝是在注完前置液造出一定規(guī)模的裂縫后,在注入混砂液之前,用攜帶液攜帶隔離劑 -空心微粉和粉砂,進(jìn)入裂縫?？招奈⒎墼诟×ψ饔孟卵杆僦糜谛律芽p的頂部,粉砂在重力作用下沉淀于裂縫的底部,從而在裂縫的頂部和底部分別形成一個(gè)低滲透或不滲透的人工隔層。人工隔層的形成,首先限制了攜砂液的高壓向上部和下部傳遞,從而達(dá)到了改變縫內(nèi)垂直方向上流壓地分布,降低了上下層段中縫內(nèi)流壓與地應(yīng)力之差,增加了上下隔層與產(chǎn)油層之間的地應(yīng)力差,因此,人工隔層能控制縫高的增加;其次,人工隔層還起到轉(zhuǎn)向劑的作用,使后來(lái)注入的攜砂液轉(zhuǎn)為水平流向,從而使裂縫向縫長(zhǎng)方向延伸。為了使制造的隔離層達(dá)到最佳效果,需要從隔離劑的鋪置厚度、隔離劑的輸送規(guī)律和隔離劑的鋪置位置 3個(gè)方面來(lái)考慮。

(2)利用施工排量來(lái)控制裂縫高度。一般施工排量越大,裂縫高度越大。在不同的地區(qū),施工排量對(duì)裂縫高度的影響大小也不同?，F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明,在作業(yè)條件允許的情況下,為了避免縫高過(guò)高,施工排量應(yīng)該控制在 3.5 m3/min以?xún)?nèi)。

(3)利用壓裂液黏度和密度控制裂縫高度。在其他情況不變的條件下,壓裂液黏度越大,裂縫縫高越大,一般認(rèn)為壓裂液黏度保持為 50～100 mPa·s比較合適。

利用壓裂液的密度控制縫高,通過(guò)控制壓裂液中垂向壓力分布來(lái)實(shí)現(xiàn)。若要控制裂縫向上延伸,應(yīng)采用密度較高的壓裂液;若要控制裂縫向下延伸,則采用密度較低的壓裂液。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 產(chǎn)能預(yù)測(cè)

用 2種方法對(duì)梁 8-平 1井進(jìn)行產(chǎn)能預(yù)測(cè)[10]:①倍數(shù)法,水平井相鄰直井初期產(chǎn)能為 12 t/d,水平井產(chǎn)能按直井產(chǎn)能的 1.5～2.5倍計(jì)算;②根據(jù)水平井產(chǎn)量預(yù)測(cè)公式 (Joshi)計(jì)算,射開(kāi)水平段長(zhǎng)度為 200 m,滲透率為 6.3×10-3μm2,孔隙度為12.7%,原油地下黏度為1.08 mPa·s,根據(jù)產(chǎn)液量和生產(chǎn)壓差的關(guān)系,水平井生產(chǎn)壓差取 8 MPa,計(jì)算出水平井初期產(chǎn)能約為 18.7 t/d。

式中:reh為泄油半徑,m;L為射開(kāi)水平段長(zhǎng)度,m;r為孔眼半徑,m;a為排油橢圓長(zhǎng)軸的一半,m;Jh為產(chǎn)液指數(shù),m3/(d·MPa);Kh為滲透率,μm2;μ為原油黏度,mPa·s;Bo為原油體積系數(shù);h為儲(chǔ)層厚度,m;δ為孔隙度;rw為水平井半徑,m;β為油藏各向異性比值。

綜合考慮,水平井初期產(chǎn)能取為 18 t/d,不含水。

4.2 人工隔層技術(shù)控制縫高

進(jìn)行壓裂增產(chǎn)措施時(shí)為了防止縫高過(guò)高帶來(lái)的負(fù)面影響,采用人工隔層技術(shù)控制縫高。控制縫高劑形成的人工隔層可以有效控制裂縫高度延伸。利用壓裂裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)可以得到裂縫高度(圖 4)?？梢钥闯?裂縫高度基本都在同一直線上,只有中間少數(shù)幾個(gè)位置出現(xiàn)了上竄,并且上竄幅度不大,基本沒(méi)有下竄現(xiàn)象出現(xiàn),表明采用人工隔層技術(shù)裂縫高度延伸得到了有效控制。

圖4 裂縫高度

5 結(jié) 論

(1)產(chǎn)層和隔層的水平地應(yīng)力差對(duì)裂縫垂向延伸的影響非常顯著,在蓋層和產(chǎn)層的應(yīng)力差從 -1 MPa升至 5 MPa的過(guò)程中,裂縫高度下降比較明顯,隔層對(duì)裂縫垂向延伸起到很好的控制作用。

(2)巖石物質(zhì)特性中斷裂韌性對(duì)裂縫縫高尺寸的影響不大。

(3)隨施工規(guī)模增大,裂縫高度增加,施工排量明顯影響裂縫尺寸,采用小排量施工可控制裂縫高度。不同壓裂液有不同的極限造縫能力,即當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí),施工規(guī)模達(dá)到一定程度后,繼續(xù)增加施工規(guī)模,裂縫尺寸增加量減小。

(4)總結(jié)出裂縫縫高的控制方法,即人工隔層控制縫高,利用施工排量、壓裂液黏度和密度控制裂縫高度。壓裂施工采用人工隔層控制縫高技術(shù)取得了明顯效果。

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編輯 王 昱

TE357.1

A

1006-6535(2010)03-0104-04

20091116;改回日期:20100115

中石化勝利油田分公司科研項(xiàng)目“低滲透油藏水平井壓裂工藝配套技術(shù)研究”部分內(nèi)容 (54-2008-js-00077)

曲占慶 (1963-),男,教授,博士,1986年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué) (華東)石油工程專(zhuān)業(yè),現(xiàn)從事采油工程技術(shù)研究工作。