JH區(qū)塊沙溪廟組致密砂巖氣藏壓裂縫高影響規(guī)律研究

肖紅林, 黎 凱, 侯 甫, 羅 皓, 唐慧瑩

(1.中國石油西南油氣田分公司, 成都 610051; 2.川慶鉆探井下作業(yè)公司, 成都 610051; 3.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室, 成都 610051)

致密砂巖氣藏是指在覆壓條件下儲集層的孔隙度低于10%、基質(zhì)的有效滲透率低于0.1 mD的砂巖氣藏,是非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域之一[1-4]。致密砂巖氣藏作為一種非常規(guī)油氣藏,在我國分布廣泛,主要集中在鄂爾多斯、四川、松遼、塔里木等盆地。其中“以氣為主”的四川盆地是目前已發(fā)現(xiàn)的國內(nèi)八大致密油氣重點探區(qū)之一,具有十分重要的典型性和代表性。侏羅系沙溪廟組和上三疊統(tǒng)須家河組是主要的致密砂巖氣儲層,其具有埋藏淺、氣質(zhì)高、開發(fā)快等優(yōu)勢,因此已成為當(dāng)前勘探開發(fā)的重要焦點之一。四川盆地JH區(qū)塊沙溪廟組致密砂巖氣資源豐富,勘探開發(fā)潛力大,是西南油氣田分公司“十四五”致密氣核心建產(chǎn)區(qū)塊[5-6]。JH區(qū)塊沙溪廟組為一套陸相砂泥頁巖地層,河道砂體廣泛發(fā)育,砂體厚度多為20～25 m,儲層巖石主要為長石巖屑砂巖,孔喉半徑為0.01～1.54 μm,孔隙度介于10%～15%,滲透率介于0.1～1 mD,為低孔、低滲孔隙型致密儲層,大規(guī)模水力壓裂是實現(xiàn)致密砂巖氣藏規(guī)模效益開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)[7-10]。然而在水力壓裂過程當(dāng)中,裂縫高度控制是一件很棘手的問題:儲層不存在隔層或隔層應(yīng)力較弱時,裂縫可能會在垂直方向上過度延伸,穿透產(chǎn)層與非儲層、含水層發(fā)生溝通,造成產(chǎn)層含水暴增,導(dǎo)致壓裂效果很差,影響油氣采收率,同時縫高過大會浪費過多的壓裂材料,影響經(jīng)濟(jì)效益[11-12]。因此,在進(jìn)行壓裂施工之前有必要對裂縫縱向延伸范圍進(jìn)行預(yù)測,以便合理設(shè)計施工層位和壓裂施工參數(shù)。針對此問題,目前國內(nèi)外學(xué)者針對壓裂過程中裂縫高度控制因素進(jìn)行了分析研究,對縫高影響因素形成了一定認(rèn)識。

賀甲元等[1]通過建立裸眼水平井縫高模型,建立區(qū)塊A內(nèi)裸眼水平井壓裂裂縫高度與施工排量的計算模型;王明星等[2]通過壓裂物理模擬實驗發(fā)現(xiàn)高層間模量差對縫高擴(kuò)展不會起到明顯的抑制作用;但張礦生等[3]卻提出了相反的結(jié)論,認(rèn)為高模量地層對縫高的擴(kuò)展有一定的限制作用;Simonson等[13]、張慶輝等[14]基于線彈性斷裂力學(xué)理論研究表明,儲隔層應(yīng)力差、壓力梯度效應(yīng)是影響縫高的主要因素;Teufel和James[15]、Warpinski和Teufel[16]通過室內(nèi)試驗研究表明,儲隔層最小水平主應(yīng)力差是防止裂縫進(jìn)入隔層的最重要因素,并通過彈性有限元計算得出了在不同巖性組合下,控制壓裂裂縫高度所需的最小地應(yīng)力差值;Daneshy[17]研究發(fā)現(xiàn),壓裂過程中儲隔層界面在發(fā)生剪切破壞時會導(dǎo)致裂縫尖端發(fā)生鈍化從而阻止裂縫的局部生長;Yue等[18]、Huang等[19]、Gao和Ghassemi[20]基于有限元方法、室內(nèi)試驗和離散元等方法研究發(fā)現(xiàn),裂縫從剛性地層向軟地層擴(kuò)展時會受到明顯的抑制作用;景東陽等[21]、吳銳等[22]、王瀚[23]基于ABAQUS有限元計算平臺建立了三維層狀介質(zhì)壓裂縫高模型,研究發(fā)現(xiàn)影響裂縫高度擴(kuò)展的最重要因素是儲層應(yīng)力差,其次是楊氏模量和泊松比;胡陽明等[24]、李勇明等[25]、羅志鋒等[26]通過有限元方法、數(shù)值模擬等技術(shù)對影響縫高的地質(zhì)工程因素進(jìn)行研究表明,控制縫高可以通過增大儲隔層應(yīng)力差、減小壓裂液規(guī)模和壓裂液黏度等方法;Cong等[27]建立了基于三維離散格子法的裂縫高度傳播模型研究發(fā)現(xiàn)高楊氏模量、低排量、低黏度可以有限地控制裂縫高度生長;Morales等[28]、Garcia等[29]研究發(fā)現(xiàn)通過添加人工隔層的方法可以有效的限制裂縫的高度。

綜上所述,大量學(xué)者通過室內(nèi)試驗、有限元方法、數(shù)值模擬等方法研究了應(yīng)力差、楊氏模量差、儲隔層界面性質(zhì)等地質(zhì)因素和施工排量、壓裂液黏度等工程因素對水力壓裂過程中裂縫垂向擴(kuò)展的影響規(guī)律,取得了相應(yīng)的研究成果。但由于不同地區(qū)儲層間性質(zhì)差異較大,各參數(shù)對縫高的影響規(guī)律并不完全一致,同時模擬實驗參考現(xiàn)場資料較少,因此不能簡單地套用已有的研究成果。

JH區(qū)塊尚處于勘探開發(fā)初期,壓裂施工設(shè)計經(jīng)驗不足,缺乏裂縫高度方向延伸規(guī)律和認(rèn)識。因此,基于JH區(qū)塊儲層特征參數(shù),建立等效層狀地質(zhì)模型,基于多種裂縫擴(kuò)展模型,利用現(xiàn)場壓裂施工數(shù)據(jù)和井溫測井縫高數(shù)據(jù),現(xiàn)場與模擬相結(jié)合優(yōu)選裂縫模型?；趦?yōu)選的模型,研究地應(yīng)力、楊氏模量、泊松比、施工排量、壓裂液性能等對裂縫垂向擴(kuò)展行為的影響和控制作用。研究結(jié)果可為JH區(qū)塊現(xiàn)場水力壓裂預(yù)測縫高、優(yōu)化壓裂施工參數(shù)及規(guī)模開發(fā)提供參考。

1 水力裂縫縫高擴(kuò)展數(shù)學(xué)模型

在早期的水力壓裂模擬過程中,由于儲層復(fù)雜性較低,施工規(guī)模較小,一般采取二維裂縫模型PKN(Perkins-Kern-Nordgren)和KGD(Khristianovic-Geertsma-de Klerk)來模擬裂縫的擴(kuò)展[30-31]。隨著非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā),常規(guī)水力壓裂模型已經(jīng)無法滿足水力壓裂模擬需求,為此學(xué)者們提出了擬三維模型、平面三維模型、全三維模型以及考慮復(fù)雜層理結(jié)構(gòu)、斷層、天然裂縫等復(fù)雜儲層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜裂縫模型[32-34]。水力壓裂裂縫模擬的最終目標(biāo)是用于壓裂設(shè)計和分析,本文中以常用的擬三維、平面三維和非常規(guī)裂縫模型開展裂縫擴(kuò)展模擬。

1.1 擬三維裂縫模型(Pseudo 3D,P3D)

P3D模型在垂直方向用二維裂縫模型的解釋方法描述裂縫的延伸,運用斷裂力學(xué)中的裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則處理裂縫高度變化的影響,并假定裂縫是一個垂直面,對每個垂直截面作二維平面應(yīng)變假設(shè),沿著裂縫的長度分成許多單元,每個單元可以有不同的高度。然而,其中重要的一個假設(shè)是裂縫是在比相鄰層應(yīng)力更低的層中開始和擴(kuò)展的,對于沒有應(yīng)力阻擋層的地層,特別是裂縫高度增長到應(yīng)力低于射孔層的地層時,P3D模型可能導(dǎo)致預(yù)測裂縫高度的顯著誤差[35-36]。

裂縫高度方程:

(1)

式中:KI2、KI3分別為縫高上尖端、下尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子,Pa·m0.5;l為半縫高;p為儲層壓力;p(z)為縫內(nèi)流壓;z為裂縫縱向延伸坐標(biāo)。

令KI2=KIC2,KI3=KIC3,可得裂縫高度控制方程:

(2)

式中:半縫高l=h(x,t)/2,h(x,t)為t時刻x處的縫高,m;KIC2、KIC3分別為蓋層和底層斷裂韌性,Pa·m0.5;S1、S2、S3分別為產(chǎn)層、蓋層、底層的最小水平主應(yīng)力,Pa;Hp為產(chǎn)層有效厚度,m;hu、hl分別為縫內(nèi)x處從產(chǎn)層中點算起的裂縫上擴(kuò)縫高、下延縫高,m。

1.2 平面三維裂縫模型(Planar 3D,PL3D)

平面三維(PL3D)采用三維固體方程計算巖石變形,假定裂縫在一個平面內(nèi)傳播,并且平面方向和最小水平主應(yīng)力垂直,通過裂縫邊界確定裂縫長度和高度,計算量較大。裂縫上、下高度控制方程[37-38]為

(3)

式中:Kuc為蓋層與頂層巖石的斷裂韌性,Pa·m0.5;Klc為蓋層與底層巖石的斷裂韌性,Pa·m0.5;gv為縫高摩阻壓降梯度引起的壓力梯度,Pa/m;gs為縫高摩阻地應(yīng)力梯度引起的壓力梯度,Pa/m;gρ為流體重力引起的壓力梯度,Pa/m;h為產(chǎn)層半高,m;Su為蓋層與產(chǎn)層的最小水平主應(yīng)力差,Pa;Sl為底層與產(chǎn)層的最小水平主應(yīng)力差,Pa。

1.3 非常規(guī)裂縫模型(unconventional fracture model,UFM)

非常規(guī)裂縫模型由Kresse等[40]提出,可以很好地處理裂縫網(wǎng)絡(luò)中流體流動與裂縫彈性變形的全耦合問題,與常規(guī)擬三維裂縫模型擁有相似的假設(shè)條件和控制方程。裂縫頂部和底部尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子是根據(jù)裂縫內(nèi)部的壓力、裂縫幾何形狀和層應(yīng)力計算得出的,通過將尖端處的應(yīng)力強(qiáng)度因子與包含裂縫尖端的層中的斷裂韌性相匹配來確定穩(wěn)定的裂縫高度[39-40],其裂縫高度方程為

(4)

(5)

式中:pcp為在參考深度hcp底端測量的裂縫壓力,Pa;z為裂縫所在位置,m;ρf為流體密度,kg/m3;KIu、KIl分別為裂縫上下尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子,Pa·m0.5;w(z)為深度z處裂縫寬度,m;σn、σi分別為頂端和第i層的地應(yīng)力,Pa;h為裂縫高度,m;hi為從底層到第i層頂部的高度,m;E為楊氏模量。

2 裂縫擴(kuò)展模型優(yōu)選

2.1 壓裂模型建立

結(jié)合JH區(qū)塊沙溪廟組二段儲層物性、巖石力學(xué)參數(shù)和施工數(shù)據(jù)(表1),使用斯倫貝謝一體化軟件Petrel建立泥頁巖-砂巖-泥頁巖三層儲蓋層等效模型(圖1),上下隔層、中間儲層厚度均為20 m,模型大小為300 m×50 m×60 m,平面網(wǎng)格步長10 m×10 m,縱向網(wǎng)格2 m,水平井及射孔均位于模型中心。

圖1 壓裂模擬模型

表1 壓裂數(shù)值模型輸入基本參數(shù)

2.2 裂縫擴(kuò)展模型優(yōu)選

選取3口具有代表性的井,從井溫測試曲線(圖2)分析:XQ1井裂縫上界面在2 422.0 m,裂縫下界面在2 435.0 m,裂縫高度為19.0 m;YQ8井壓裂縫高裂縫上界面在1 728.5 m,裂縫下界面為1 746.0 m,縫高為17.5 m;YQ10井靠上壓裂段裂縫上界面在1 788.0 m,裂縫下界面在1 807.0 m,裂縫高度為19.0 m,靠下壓裂段裂縫上界面在1 826.0 m,裂縫下界面在1 848.0 m,裂縫高度為22.0 m。由上述井溫測井曲線分析可知,各井壓裂后裂縫高度主要分布在17.5～22.0 m。

分別利用P3D、PL3D和UFM模擬實際施工條件下的裂縫高度,模擬結(jié)果如圖3所示。模擬結(jié)果顯示P3D模擬縫高為22.17 m,UFM和PL3D模擬縫高分別為32.17 m和40.32 m,P3D裂縫擴(kuò)展模型模擬縫高更接近井溫測井縫高值。擬三維模型(P3D)在縫高模擬準(zhǔn)確度方面更具優(yōu)勢,因此選擇P3D裂縫擴(kuò)展模型來進(jìn)行縫高控制機(jī)理的研究。

3 地質(zhì)因素對裂縫高度的影響

3.1 儲隔層應(yīng)力差

目前研究表明當(dāng)油氣層和上下遮擋層之間的最小水平主應(yīng)力差(以下簡稱應(yīng)力差)達(dá)到2 MPa以上,隔層將對裂縫的垂向延伸起較強(qiáng)的抑制作用,但隔層過薄也會發(fā)生穿層現(xiàn)象;應(yīng)力差值達(dá)到6 MPa,隔層縫高控制能力很強(qiáng),基本能夠?qū)⒘芽p完全控制在產(chǎn)層內(nèi)[41]。而對于不同地層,阻止裂縫高度延伸的隔產(chǎn)層應(yīng)力差不盡相同。

為了進(jìn)一步明確河道砂致密砂巖氣藏壓裂過程中砂巖和泥頁巖層應(yīng)力差對縫高的控制作用和影響規(guī)律,利用表1數(shù)據(jù),通過設(shè)定其他因素不變,逐漸改變隔層的水平最小主應(yīng)力。在一般情況下,砂巖儲層上下遮擋層為泥頁巖,其應(yīng)力大于砂巖儲層,保持其他參數(shù)不變,設(shè)置儲隔層間地應(yīng)力差(隔層與儲層的差)分別取為0、1、2、3、4、6、8、10 MPa,研究其對壓裂縫高的影響。模擬結(jié)果顯示裂縫呈上下對稱分布,因此以最大縫高處半縫高值和裂縫寬度值繪制裂縫等效示意圖,結(jié)果如圖4所示,當(dāng)應(yīng)力差較小時,裂縫呈現(xiàn)“細(xì)長”型形態(tài),隨著應(yīng)力差的增大,裂縫形態(tài)變?yōu)椤岸檀帧毙?最小水平主應(yīng)力差值越大,縫高越小,縫寬越大,裂縫縱向延伸受到的限制越強(qiáng)。這是因為地應(yīng)力差值越大,抑制裂縫延伸的閉合壓力增大,減小了作用于裂縫壁面的凈張開壓力,裂縫高度減小。

圖4 應(yīng)力差對裂縫高度的影響

繪制不同應(yīng)力差下縫高縫寬變化曲線和裂縫穿深(裂縫穿層深度,簡稱穿深)變化幅度曲線,如圖5和圖6所示,隨著應(yīng)力差的增大,裂縫穿層現(xiàn)象逐漸減弱:當(dāng)應(yīng)力差為0 MPa時,裂縫高度達(dá)33.35 m,裂縫穿深約13.35 m,存在嚴(yán)重的穿層現(xiàn)象;當(dāng)應(yīng)力差為2 MPa時,裂縫向隔層延伸深度迅速減小至5.09 m,裂縫穿深減小幅度61.87%;當(dāng)應(yīng)力差為4 MPa時,縫高受到明顯的抑制,穿層深度僅2.35 m,穿深減小幅度達(dá)82.4%;在應(yīng)力差達(dá)到6 MPa及以上,裂縫高度基本限制在儲層內(nèi)部不再發(fā)生變化。因此在針對實際壓裂施工過程中不存在隔層或儲隔層應(yīng)力差較小的情況下,可以使用人工隔層的方法進(jìn)行縫高控制。

圖5 不同應(yīng)力差下縫高、縫寬變化曲線

圖6 不同應(yīng)力差下裂縫穿深變化幅度曲線

3.2 楊氏模量

為了探究不同儲隔層模量差異對縫高擴(kuò)展的影響規(guī)律,在儲隔層應(yīng)力差分別為0 MPa和4 MPa的前提下,保持其他參數(shù)不變,設(shè)置儲層楊氏模量為23 GPa,同時考慮儲層為低模量和高模量兩種情況下縫高的擴(kuò)展情況:當(dāng)儲層為高模量時,設(shè)置隔層楊氏模量為1.15、2.3、4.6、11.5、23 GPa,對應(yīng)儲隔層楊氏模量倍比(儲層楊氏模量與隔層楊氏模量比值)為20、10、5、2、1;當(dāng)儲層為低模量時,設(shè)置隔層楊氏模量為23、46、115、230、460 GPa,對應(yīng)儲隔層楊氏模量倍比為1、0.5、0.2、0.1、0.05,其模擬等效示意圖如圖7所示。在不同應(yīng)力差下,隨著楊氏模量倍比增大,縫高減小,縫寬增大,裂縫形態(tài)由“細(xì)長”型變?yōu)椤岸檀帧毙汀?/p>

圖7 不同應(yīng)力差下楊氏模量倍比對裂縫高度的影響

繪制不同應(yīng)力差下縫高、縫寬變化曲線和裂縫穿深變化幅度曲線(圖8、圖9)。由圖8可以看出,在不同的儲隔層應(yīng)力差下縫高、縫寬的變化規(guī)律相似,隨著楊氏模量倍比增大,即隔層楊氏模量越小,裂縫高度越小,縫寬越大。但儲層在高模量和低模量下對縫高的影響程度不同(圖9)。在儲層為高模量時,即儲層模量高于隔層模量時,裂縫穿深幅度均為負(fù)值,縫高均比無模量差時的縫高要小,此時裂縫的生長受到明顯抑制,且縫高基本維持在一個定值。這是因為在層狀地層中裂縫寬度不僅依賴于產(chǎn)層局部模量,也受到臨近隔層模量的影響。當(dāng)外部隔層的模量低于中間產(chǎn)層的模量,那么產(chǎn)層中的裂縫寬度會變得更寬,較寬的裂縫會對流體流動的阻力較小,從而導(dǎo)致流壓較低。在相同應(yīng)力差的條件下,凈壓力越低,產(chǎn)生的裂縫高度就越低;而在儲層模量為低模量,即儲層模量低于隔層模量時,裂縫穿深幅度均為正值,縫高均比無模量差時的縫高要大,縫高受到的抑制作用較弱。這是因為產(chǎn)層的裂縫寬度受限,所以縫中流體流壓較高,得到的縫高也相對較高一些。另外,不同應(yīng)力差下穿深變化的幅度也不相同。Δσ=0 MPa時,穿深變化幅度都在±10%以內(nèi),變化幅度較小,當(dāng)模量倍比增大5倍時,穿深變化幅度僅-2.62%,當(dāng)模量倍比減小5倍時,穿深變化幅度僅5.84%;而當(dāng)Δσ=4 MPa時,穿深變化幅度在±100%以內(nèi),變化幅度較大,當(dāng)模量倍比增大5倍時,穿深變化幅達(dá)度-48.94%,當(dāng)模量倍比減小5倍時,穿深變化幅度達(dá)62.13%。

圖8 不同楊氏模量倍比、不同應(yīng)力差下裂縫高度和寬度變化曲線

圖9 不同楊氏模量倍比、不同應(yīng)力差下裂縫穿深變化幅度曲線

研究結(jié)果表明,在不同的儲隔層模量差下,其對縫高的控制規(guī)律并不完全相同。隔層低模量,縫高容易受到控制,同時隔層模量的變化對縫高的影響幾乎不變;隔層高模量,縫高不易受到控制,隔層模量的變化對縫高的影響作用較大。但總體而言,在低應(yīng)力差條件下,裂縫全部穿層,穿深均達(dá)到10 m以上,縫高不受限制。同時儲隔層巖石模量的差異往往較小,無法達(dá)到成倍的差異,同時加上楊氏模量屬于巖石力學(xué)參數(shù)無法改變,因此,依靠楊氏模量來限制縫高不太現(xiàn)實。

3.3 泊松比

泊松比是計算水力裂縫縫寬的必要參數(shù)。Perkins和Kern[30]假定巖石是彈性介質(zhì),具有脆性,裂縫面為橢圓形,從而得出縫寬公式為

(6)

式中:W為裂縫寬度,mm;v為泊松比;E為楊氏模量,GPa;pnet為裂縫中的凈壓力;hf為縫高。由式(6)看出,在縫寬一定的情況下,泊松比越大,縫高越大,但砂巖的泊松比范圍一般分布在0.20～0.38,泥頁巖泊松比一般分布范圍為0.15～0.35,數(shù)值和變化范圍較小,對縫高的影響程度有限。

為了進(jìn)一步研究不同應(yīng)力差下不同儲隔層泊松比對縫高擴(kuò)展的影響程度,保持其他參數(shù)不變,設(shè)置儲層泊松比為0.28,隔層泊松比分別為0.15、0.20、0.25、0.30、0.35,其模擬結(jié)果見表2。

表2 不同泊松比、不同應(yīng)力差下縫高和縫寬

繪制不同泊松比、不同應(yīng)力差下裂縫高度和裂縫寬度變化曲線,如圖10所示。不同應(yīng)力差下不同隔層泊松比對裂縫高度和裂縫寬度影響很小,幾乎可以忽略不計。但在應(yīng)力差不同的情況下泊松比對縫高的影響規(guī)律不同。Δσ=0 MPa時,縫高與隔層泊松比呈負(fù)相關(guān),縫高由泊松比0.15時的34.06 m減小至0.35時的33.33 m,減小0.73 m;Δσ=4 MPa時,縫高與隔層泊松比呈正相關(guān),縫高由泊松比0.15時的22.26 m增加至0.35時的22.43 m,增加0.17 m。

圖10 不同泊松比、不同應(yīng)力差下裂縫高度和寬度變化曲線

研究結(jié)果表明,泊松比對裂縫高度的影響非常微弱,甚至可以忽略不計。此外,通常情況下泊松比的數(shù)值較小。因此,依靠泊松比來限制裂縫高度的延伸同樣不可靠。

4 施工參數(shù)對裂縫高度的影響

實際的壓裂施工過程中,地質(zhì)因素的對縫高控制作用無法人為進(jìn)行干預(yù)和改變,但可以通過改變施工過程中的某些參數(shù)干預(yù)地質(zhì)因素引起的縫高控制不確定性。

4.1 施工排量

施工排量是影響裂縫高度的一個重要因素,排量越大,裂縫越高。不同的氣藏地層情況不同,排量對裂縫高度的影響程度也各有不同。根據(jù)目前研究表明,裂縫高度H和排量之間存以下關(guān)系[43]:

H=aebQ

(7)

式中:H為裂縫高度,m;Q為施工過程中平均排量,m3/min;a、b為經(jīng)驗常數(shù)。由式(7)可知,排量對縫高的影響并非是均衡的,在排量較小時,對縫高的影響很小。當(dāng)排量增大到一定限度后,裂縫高度將急劇增大,有穿層危險。因此需要在施工過程中在保證達(dá)到設(shè)定目的縫長的基礎(chǔ)上嚴(yán)格控制施工排量。

為了進(jìn)一步研究施工排量對水力縫高的影響,改變施工排量,其他參數(shù)不變,設(shè)置單縫排量分別為1.0,2.0、3.0、4.0、5.0 m3/min,模擬結(jié)果如圖11所示,在不同應(yīng)力差下,隨著施工排量的增加,裂縫形態(tài)由“短粗”型變?yōu)椤凹?xì)長”型。

圖11 不同應(yīng)力差下排量對裂縫高度的影響

繪制不同應(yīng)力差下縫高縫寬變化曲線和裂縫穿深變化幅度曲線,如圖12和圖13所示?？p高隨著排量的增加接近線性增加,縫寬減小,而低應(yīng)力差狀態(tài)下(Δσ=0 MPa)排量對縫高的影響程度要大于高應(yīng)力差狀態(tài)(Δσ=4 MPa)。在同一排量下,應(yīng)力差為0 MPa時的穿層深度約為應(yīng)力差為4 MPa時的5倍。Δσ=0 MPa時,施工排量越大,穿層現(xiàn)象越明顯,穿層深度由1 m3/min的4.35 m增加至5 m3/min的19.07 m,增加穿深達(dá)14.72 m;Δσ=4 MPa時,穿層深度由1 m3/min的0.87 m增加至5 m3/min時的3.84 m,穿層增加深度不足3 m。同時,從裂縫穿層深度的變化幅度來看,相較于排量為1 m3/min時的裂縫穿層深度,當(dāng)排量增加至3 m3/min時,穿深變化幅度達(dá)200%,在排量達(dá)5 m3/min時,穿深變化幅度達(dá)340%。

圖12 不同應(yīng)力差、不同排量下裂縫高度和寬度變化曲線

圖13 不同應(yīng)力差、不同排量下穿層深度變化幅度曲線

研究發(fā)現(xiàn)排量對縫高存在較大的影響,在高應(yīng)力差下縫高受到排量的影響相對較小,即使在較高的排量下裂縫的延伸也受到較大的抑制,穿層深度相對較小;而在不存在隔層或儲隔層應(yīng)力差較小的情況下排量對縫高的影響程度更大,發(fā)生明顯的穿層現(xiàn)象且?guī)缀鯚o法控制。因此,針對不同的儲層情況設(shè)計合理的排量可有效地控制裂縫在高度上的延伸。

4.2 壓裂液黏度

壓裂液的黏度反映了壓裂液的流動能力,隨著壓裂液黏度增大,其黏滯性越強(qiáng),流動性能變差,易在封內(nèi)憋壓形成高壓,從而使裂縫高度增加。同時壓裂液黏度影響其摩阻、攜砂能力、濾失速度和返排效率等,最終影響水力縫高。

為了進(jìn)一步探究壓裂液黏度對水力縫高的影響規(guī)律,在儲隔層應(yīng)力差分別為0 MPa和4 MPa的前提下,保持其他參數(shù)不變,設(shè)定壓裂液黏度為1、10、30、50、100、200、400 mPa·s,其模擬結(jié)果如圖14所示,在不同應(yīng)力差下,隨著壓裂液黏度的增加,縫高越高,縫寬越小,裂縫形態(tài)由“短粗”型變?yōu)椤凹?xì)長”型。

圖14 不同應(yīng)力差壓裂液黏度對裂縫高度的影響

模擬結(jié)果(圖15)表明,在低應(yīng)力差狀態(tài)(Δσ=0 MPa)下和高應(yīng)力差狀態(tài)下(Δσ=4 MPa),黏度對縫高的影響規(guī)律相似。壓裂液黏度在1～50 mPa·s時對縫高的抑制作用較強(qiáng),縫高相對較小,但縫高的變化幅度大;當(dāng)壓裂液黏度大于50 mPa·s之后,裂縫高度受到的抑制作用較小,縫高較高,此時縫高受黏度變化影響很小:Δσ=0 MPa時,在黏度為1 mPa·s時,穿層深度11.89 m,當(dāng)黏度增加至50 mPa·s時穿層深度達(dá)14.24 m,縫高完全無法控制。但在Δσ=4 MPa時,黏度為1 mPa·s時穿層深度僅0.52 m,基本可視為無穿層,當(dāng)黏度增大到50 mPa·s時,穿層深度為3.14 m,發(fā)生了明顯的穿層現(xiàn)象,即使儲隔層存在較高的應(yīng)力差時,過高的壓裂液黏度也會造成縫高的過度延伸。由圖16看出,在Δσ=0 MPa時,雖然裂縫高度較大,穿層深度較大,但裂縫穿深的變化幅度卻很小,從黏度1 mPa·s到100 mPa·s,穿深變化幅度僅23.3%。而Δσ=4 MPa時,裂縫高度相對而言更小,但裂縫穿深變化幅度很大,幾乎成倍增加,從黏度1 mPa·s到100 mPa·s,穿深變化幅度達(dá)646%。

圖15 不同應(yīng)力差、不同黏度下裂縫高度和寬度變化曲線

圖16 不同應(yīng)力差、不同黏度下穿層深度變化幅度曲線

研究發(fā)現(xiàn)壓裂液黏度對最終裂縫高度有著較大的影響,特別是在儲層不存在隔層或儲隔層應(yīng)力差較小的情況下影響程度更為明顯。在壓裂過程中,壓裂液起著造縫和攜砂的作用。通常情況下,使用的壓裂液具有可變黏度,其黏度的變化范圍較大。因此,在保證壓裂液攜砂能力的前提下,為了控制裂縫高度,需要嚴(yán)格控制和選擇壓裂液的黏度。

5 結(jié)論

基于多種裂縫擴(kuò)展模型并結(jié)合現(xiàn)場的井溫縫高測井?dāng)?shù)據(jù),優(yōu)選出了在縫高模擬上更為準(zhǔn)確的P3D模型,并基于此模型研究了不同地質(zhì)、工程因素對縫高擴(kuò)展的影響規(guī)律,得出以下結(jié)論:

1)儲隔層應(yīng)力差是裂縫高度最關(guān)鍵的控制因素,直接決定了裂縫是否穿層。當(dāng)應(yīng)力差達(dá)到4 MPa時,穿層深度減小82.4%,當(dāng)應(yīng)力差達(dá)到6 MPa時能夠?qū)⒘芽p基本限制在儲層內(nèi)部。因此,建議在實際施工過程中盡量選擇儲隔層應(yīng)力差大于4 MPa的致密砂巖氣層進(jìn)行壓裂施工。

2)楊氏模量對縫高的影響作用相對較小,而且不同儲隔層差異影響情況不相同。當(dāng)隔層模量低于儲層模量時,此時縫高較大,隔層模量的變化不會引起較大的縫高變化;在隔層模量高于儲層模量時,此時縫高較小,模量的變化對縫高的變化影響較大。泊松比對壓裂縫高幾乎沒有影響。

3)排量和壓裂液黏度對縫高的影響僅次于應(yīng)力差。在高應(yīng)力差(Δσ=4 MPa)下,低排量1 m3/min時,裂縫穿層僅0.87 m,當(dāng)排量增加至3 m3/min時,穿深達(dá)2.35 m,增加幅度達(dá)206.9%。同時相比于高應(yīng)力差(Δσ=4 MPa),排量對無應(yīng)力差(Δσ=0 MPa)條件下的裂縫高度影響程度更為明顯。因此,建議在滿足施工需求的基礎(chǔ)上適當(dāng)減小施工排量。

4)低黏度壓裂液有利于控制裂縫高度。黏度在1～50 mPa·s縫高受到明顯抑制,此時縫高受黏度影響變化幅度較大,當(dāng)黏度超過50 mPa·s之后,縫高能夠維持在一定高度,縫高較大但受黏度的影響變化幅度較小。因此,建議在滿足造縫和攜砂的前提下盡量選擇低黏度壓裂液進(jìn)行施工。