压裂过程中多裂缝产生因素分析及处理措施

钟安海

（胜利油田分公司采油工艺研究院，山东 东营 257000）

压裂过程中多裂缝产生因素分析及处理措施

钟安海

（胜利油田分公司采油工艺研究院，山东 东营 257000）

压裂过程存在多裂缝是近年来对压裂技术的新认识，多裂缝的存在对压裂施工及压后产能都会产生较大的负面影响，而处理多裂缝是压裂改造技术的一个难点。从提高压裂成功率及压后效果的角度出发，分别分析了多裂缝的形成原因及几何形态，研究了多裂缝的理论特性，在研究现场施工曲线的基础上归纳了多裂缝敏感性特征，最终从根本避免产生多裂缝和减少多裂缝的负面影响两个方面提出了优化钻井方案、优化射孔井段、采用定向射孔、优化施工排量及增加液体黏度等多种措施。同时笔者提出了处理多裂缝问题的艰巨性，需要进一步研究新工艺、新措施，为进一步认识、研究和处理多裂缝提供了理论依据和技术支持，为复杂储层的压裂改造提供了参考。

多裂缝；压裂；裂缝形态

K D Mahrer等［1］采用总结归纳、实验研究及理论分析等多种手段证明了地层存在产生多裂缝的条件并提出了压裂过程存在多裂缝的观点，并且随着研究的进一步深入，目前压裂过程存在多裂缝的观点已被广泛认可［2］。伴随着泥灰岩、玄武岩、火山岩等复杂岩性的开发及井身条件越来越复杂，压裂过程存在多裂缝已成为压裂增产措施发展的较大障碍［3］，因此，研究多裂缝的成因及控制措施对压裂技术的发展有着积极的意义。

1 多裂缝形成原因

产生多裂缝的机理比较复杂，研究证明，传统的岩石的抗拉强度、断裂力学的破坏准则和Mohr-Coulomb准则都不能对多裂缝进行较好的解释［4］，因此采用考虑流固耦合的分形模型［5］对多裂缝进行分析。杨天鸿等利用流固耦合的模型研究了裂缝的起裂和延伸规律,研究发现当围岩应力比为1.5～1.0时产生多条裂缝，这为多裂缝的产生提供了较好的解释。同时，国外的J L Brmulye等［3］通过大量实验证明多裂缝的成因与天然微裂缝、井身方向、射孔等因素有关。因此多裂缝产生的主要原因可归纳为地层应力因素、井身方向、井段的长度、射孔数目及位置等。

根据多裂缝形成的原因［6］，其形态大致分为3类：一种是裂缝在各个方向上发展的多裂缝；一种是垂直或与主裂缝交叉的多裂缝；一种是裂缝平行于最大主应力方向的多裂缝。

第1种多裂缝形成的原因主要是由于地层应力均衡，地层的最大水平主应力与最小水平主应力相差不大，即σmax∶σmin≈1.0～1.5。当在井筒的各个方向上都有射孔且同时受力时，地层在各个方向上均有产生裂缝并且延伸的可能。当最先起裂的裂缝在延伸的过程中遇阻，近井地带压力升高，由于在水平各个方向应力相差不大，此时就有新裂缝产生，从而导致多条裂缝共同发展（见图1）。

第2种多裂缝是由于地层非均质性强且本身存在潜在的天然微裂缝，这些天然微小裂缝与近井水平最大主应力相交或垂直，水力裂缝方向大致与水平最大主应力一致，在水力裂缝开启后，可能横穿天然裂缝。当缝内净压力足够大时，天然裂缝开启，裂缝存在沿天然裂缝方向发展的趋势，当水力裂缝横穿多个微小裂缝时就出现形态如图2的多裂缝。

第3种多裂缝是在大斜度井压裂时，当井斜方向和最大主应力方向垂直或斜交时，由于射孔较多，在垂直于井斜的平面上地应力大小和方向都相同，每个孔眼所在的位置都有裂缝产生的可能，此时往往会产生平行的多条裂缝，并一起延伸（见图3）。

2 多裂缝特性理论

在忽略裂缝间相互干扰的情况下，根据美国压裂专家Nolte Smith提出的裂缝参数之间关系式分析多裂缝的特性。

1）多裂缝中每条裂缝分配到的流量较单一裂缝要少。在总量一定的条件下，裂缝条数越多每条裂缝分得的流量越少。

2）多裂缝中每条裂缝缝长较短，缝宽也较小。根据式（1），流量与缝长成正比，因此缝长较短。根据式（3）推知，由于缝长小而导致每条缝内净压力较小，再根据式（2）、（4）得到每条裂缝的缝宽、缝高，其都比单一裂缝要小。

3）整体缝内净压力较高。从整体上分析，单一缝宽较小，但总的缝宽比单一裂缝要大，

由式（2）得出总净压力升高，这与文献相一致［6］。因此，多裂缝与单一裂缝相比，具有缝多、缝短、缝窄及缝内净压力高等特点。

3 多裂缝的敏感性特征

由于多裂缝分布在地层内部，因此分析多裂缝敏感性外在特征最实际的方法是研究施工数据。为直观地分析井底压力，选用2次不坐封压裂施工进行研究，施工曲线分别如图4、图6所示。从施工曲线可以看出，2次施工都是低砂比进地层时出现砂堵，反应了地层内裂缝狭窄；对图4施工进行压力降G函数分析（见图5），从图5可以看出曲线出现明显上凸，且有天然裂缝开启闭合的特征，地层滤失量大；图4为在深度1 600 m左右的压裂施工曲线，施工压力大于30 MPa，明显高于同层段的压裂施工压力。

结合施工分析和理论研究及Lehman［7］的研究成果，归纳敏感性特征如下：

1）缝窄，施工加砂困难，易形成砂堵，往往低砂比砂子进入地层时即出现突然性砂堵。

2）由于多裂缝缝内净压力高，总的缝长、缝高不容易控制，形成的滤失面较大，因此滤失量大，G函数具有天然裂缝开启的特征。

3）由于多裂缝缝内净压力高而导致施工压力异常高，比同区块、同深度的压裂井施工压力高出很多。

4）斜井压裂时出现多裂缝较多。在近几年胜利油田被认定为产生多裂缝的井中，斜井占90%。

5）压后产能递减快。由于多裂缝多产生于近井地带，远井地带改造程度低，导致压后产能递减较快。

4 解决多裂缝的手段探讨

多裂缝的形态各异，形成原因诸多，在处理措施上应从根本上避免产生多裂缝、已产生多裂缝尽可能降低危害2个方向进行探讨。

1）从储层改造的角度出发，尽量避免产生多裂缝，这就要求在钻井方案设计时尽量避免在压裂目的层有较大的斜度，这是避免产生多裂缝的根本，在必需在目的层造斜时应当让井斜方向与最大主应力方向一致，可以避免产生图3所示的多裂缝。

2）对于大井段压裂，采用优化射孔技术优化射孔井段和定向射孔的措施，只射开部分井段，使裂缝从一处起裂、延伸，避免多裂缝的形成；对于斜井，采用定向射孔技术，使射孔方向与地层最大主应力方向一致，使起裂方向与延伸方向一致。

3）采用前置小陶粒段塞工艺［8］。采用小陶粒段塞来堵塞多裂缝，使先得到液体的部分小裂缝被堵死，以促使剩余裂缝可以得到足够的液体，从而能达到裂缝充分发育，进而保证施工成功并且达到较好地改造储层的目的。

4）优化施工排量。在不开启新裂缝的前提下，尽可能采用大排量增大缝内的净压力，进而增大裂缝的尺寸，保障顺利加砂。

5）增加液体的黏度。采用高黏度的液体可以降低滤失，增强携砂能力，保证施工成功。

5 结论

1）多裂缝的存在影响了压裂施工和压后产能，其本质是多条裂缝同时存在于近井地带，缝窄、缝短，表现在施工上是滤失量大，低砂比阶段就出现加砂困难，施工压力高等问题。产生多裂缝的根本原因是地层应力在不同方向上差异小、最大主应力方向与起裂受力方向不匹配或者存在与主应力方向垂直的潜在天然微裂缝。

2）解决多裂缝的根本是在钻井或射孔时考虑裂缝的走向，使裂缝的起裂方向与地层的最大主应力方向一致；其次，采用小陶粒前置段塞技术、优化排量技术、高黏度液体技术也能大幅度减少多裂缝带来的危害，但不能从根本解决多裂缝的存在。因此，新的工艺、措施尚待进一步探讨。

［1］ Mahrer K D，Aud W W，Hansen J T.Far-field hydraulic fracture geometry：a changging paradigm［A］.SPE 36441，1996.

［2］ Weijers L，Wright C A，Sugiyama H，et al.Simultaneous propagation ofmultiple hydraulicfractures-evidence，impactand modeling implications［A］.SPE 64772，2000.

［3］罗天雨.水力压裂多裂缝基础理论研究［D］.成都：西南石油大学，2006：1-2.

Luo Tianyu.The study on the mechanism of multiple fractures in hydraulic fracturing dissertation for the doctoral degree in engineering［D］.Chengdu：Southwest Petroleum Institute，2006：1-2.

［4］ 曲展.岩层水力压裂的非线性动力学分析［D］.西安：西安交通大学，2000：3-9.

Qu Zhan.Analyzing on the block hydraulic fracturing by non-linear dynamic the postdoctoral paper［D］.Xi′an：Xi′an Jiaotong University，2000：3-9.

［5］ 杨天鸿，唐春安，徐涛，等.岩石破裂过程中的渗流特性：理论、模型与应用［M］.北京：科学出版社，2004：13-27.

Yang Tianhong，Tang Chun′an，Xu Tao.The theory，model and application of seep characteristic during block fracturing［M］. Beijing：Science Publishing House，2004：13-27.

［6］ 罗天雨，赵金洲，王嘉淮，等.复杂裂缝产生机理研究［J］.断块油气田，2008，15（3）：46-48.

Luo Tianyu，Zhao Jinzhou，Wang Jiahuai，et al.Forming mechanism of complicated fractures in hydraulic fracturing［J］.Fault-Block Oil &Gas Field，2008，15（3）：46-48.

［7］ Lehman Lyle V，Brumley John L.Etiology of multiple fractures［A］. SPE 37406，1997.

［8］ 罗天雨，王嘉淮，赵金洲，等.多裂缝防治措施研究［J］.断块油气田，2006，13（6）：40-42.

Luo Tianyu，Wang Jiahuai，Zhao Jinzhou，et al.Study on prevention and treatment of multiple hydraulic fractures［J］.Fault-Block Oil& Gas Field，2006，13（6）：40-42.

Analysis of factors producing multiple fractures during hydraulic fracturing and treatment measures

Zhong Anhai
(Research Institute of oil Production Technology,Shengli Oilfield Company,SINOPEC,Dongying 257000,China)

It is a new viewpoint that multiple fractures exist in hydraulic fracturing.The existence of multiple fractures brings negative effects for both fracturing and well productivity after fracturing.But it is a difficult question to deal with multiple fractures. This paper analyzed the reason of multiple fractures forming and geometric configuration started with raising the success ratio of fracturing and well productivity after fracturing.Theory characteristics of multiple fractures were studied.Based on the on-site operation curve,the author summarized the sensitivity characteristics of multiple fractures.In order to avoid to produce multiple fractures and to reduce the influence of multiple fractures,many kinds of measures,such as optimizing drilling,perforation,rate of construction,adopting oriented perforating and increasing viscosity of fracturing fluid,were taken.At the same time,the difficult points of dealing with multiple fractures were put forward.New methods and techniques need to be studied in future.This paper can provide theory basis and technical support for knowing,studying and dealing with multiple fractures.It can also provide a reference for fracturing of complex reservoir.

multiple fractures,fracturing,configuration of fracture.

TE357.1+1

A

2009-12-18；改回日期：2010-07-12。

钟安海，男，1976年生，工程师，硕士，2004年毕业于石油大学（北京），一直从事压裂酸化研究工作。E-mail：zhonganhai@163.com。

（编辑 滕春鸣）

1005-8907（2010）05-617-04

钟安海.压裂过程产生多裂缝因素分析及处理措施［J］.断块油气田，2010，17（5）：617-620.

Zhong Anhai.Analysis of factors producing multiple fractures during hydraulic fracturing and treatment measures［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2010，17（5）：617-620.