水平井压裂缝缝高影响因素及控制方法研究

曲占庆,范 菲,胡高群,张秀芹

(中国石油大学,山东 东营 257061)

水平井压裂缝缝高影响因素及控制方法研究

曲占庆,范 菲,胡高群,张秀芹

(中国石油大学,山东 东营 257061)

为将裂缝高度控制在油气层内,研究了岩石物质特性、施工参数、地层应力差和其他作业条件对缝高的影响。研究表明,产层和隔层的水平地应力差对裂缝垂向延伸影响非常显著,断裂韧性对缝高影响不大,施工排量明显影响裂缝尺寸,同时总结出控制裂缝缝高的 3种方法:即人工隔层控制缝高、利用施工排量来控制缝高、利用压裂液黏度和密度控制缝高。采用倍数法和计算法对胜利油田梁 8-平 1井进行了产能预测。现场应用结果显示,压裂施工采用人工隔层控制缝高技术取得了明显效果。

水平井压裂;岩石物质特性;施工参数;地层应力差;裂缝高度;缝高控制;梁 8-平 1井

前 言

在水力压裂过程中,裂缝会沿着垂直方向上延伸,当裂缝超出生产层而进入隔层时会影响水力压裂效果。垂直裂缝缝高上下延伸,当油层较薄或者隔层应力较小时,裂缝有可能穿透生产层进入隔层。如果缝高进一步增大,穿透隔层,裂缝有可能穿入隔层外的水层或者气层,导致压裂失败,若裂缝过高,在同样作业规模下,会影响缝长的延伸,达不到压裂的目的。近年来国内外对裂缝高度延伸机理进行了大量的研究[1-4],对影响裂缝高度的因素有了更深入的认识,发展了多种人工控制裂缝高度的技术。胜利油田梁 8-平 1井区域构造位置位于东营凹陷西南坡,主要含油层系为沙四段,属于低孔特低渗透油藏。隔层产层应力差小、压裂裂缝高度难以有效遏制。由于水平井穿过的地层比较复杂,为了防止缝高过高带来的负面影响,研究裂缝缝高延伸机理,判断裂缝是否进入隔层,明确影响缝高大小的因素,针对影响因素采取切实可行的方法控制裂缝高度。有效控制裂缝高度是保持裂缝内的净压力稳定,确保施工成功的关键技术。

1 裂缝进入隔层判据及缝高计算

根据产层和隔层间材料力学性质差异对裂缝延伸的影响[5],假设缝宽剖面处于平面应变弹性状态,缝宽剖面为正弦形状,忽略沿缝高方向应力和滤失损失,得出裂缝穿过界面的简单判断依据:

式中:S1为产层的比表面能,J/m2;S2为隔层的比表面能,J/m2;G1为产层的剪切弹性模量,MPa;G2为隔层的剪切弹性模量,MPa;p1为产层内的裂缝延伸压力,MPa;p2为隔层内的裂缝延伸压力, MPa;Klc为岩石的断裂韧性,MPa·m0.5;G为剪切弹性模量,MPa;S为比表面能,J/m2;μ为泊松比;E为杨氏模量,MPa。

当 p2

式中:μ1为产层的泊松比;μ2为隔层的泊松比;Klc2为产层的断裂韧性,MPa·;Klc1为隔层的断裂韧性,MPa·m0.5。

裂缝发展的形状取决于裂缝前缘的应力强度因子,只有当 k1值达到某临界值时,裂缝将向前延伸。根据公式 (4),可以推导出井底流体压力与裂缝高度的关系:

式中:p为井底流体压力,MPa;k1为盖层、产层和底层的应力强度因子,即它们大小相等,MPa·m0.5;σ1为产层的最小水平主应力,MPa;σ2为盖层和底层的最小水平主应力,即它们大小相等,MPa;h为产层的厚度,m;ho为裂缝穿入底层或底层的厚度,即穿入底层或与底层的厚度相等,m。

2 缝高影响因素敏感性分析

水力压裂裂缝垂向扩展是地层条件和压裂作业条件耦合作用的结果[6]。产层与隔层之间的原地应力差、弹性模量差、断裂韧性差、界面强度、裂缝中压裂液压力分布以及压裂液的流变性等都会对裂缝垂向延伸产生重要影响。此外,地层的非均质性和天然裂缝以及压裂液的滤失特性、压裂液的泵注速度等都将对裂缝的延伸产生影响[7]。裂缝可从强度大的岩石进入强度小的岩石,反之则不能。

产层和隔层的水平地应力差是影响裂缝垂向延伸的主要因素,而地层的水平地应力与地层的力学参数相关。泊松比、弹性模量越大,则水平地应力越大。当产层与隔层之间地应力差和弹性模量差异较大时,在界面处的裂缝宽度将减少,压裂液垂向流动受限,并形成较大压差,产生一定的止裂作用。地层力学参数对裂缝的延伸影响很大。

以胜利油田纯梁地区梁 8-平 1井为例。该井产层厚度为 60 m,泊松比为 0.2,杨氏模量为20 000 MPa,底层应力为 34.9 MPa,产层应力为32.5 MPa,盖层应力为 33.6 MPa,断裂韧性为 2 MPa·m0.5。分别针对地应力差、裂缝断裂韧性、施工排量等因素的变化对缝高的影响进行研究。保持其他因素不变,改变其中一项,作出相应的裂缝高度图。

(1)产层与隔层之间的原地应力差对缝高的影响。取注入排量为 4 m3/s,注液时间为 45 min。应力差为 -1～6 MPa,计算可以得到盖层与产层应力差和裂缝高度的关系(图 1)。

图 1 盖层与产层应力差和裂缝高度的关系

在盖层与产层的应力差为1MPa时,裂缝总高度为 128.2 m,在隔层与产层的应力差为 5 MPa时,裂缝总高度为 94 m。从图 1可以看出,产层和隔层的水平地应力差对裂缝垂向延伸的影响非常显著,在盖层和产层的应力差从 -1 MPa升至 5 MPa的过程中,裂缝高度下降比较明显,由此可见,隔层对裂缝垂向延伸起了很好的控制作用,这为利用人工隔层的方法控制裂缝高度提供了依据。

(2)岩石物质特性对裂缝延伸高度的影响。岩石物质特性包括地层岩石的刚性、韧性、塑性等,以及遮挡层与油层界面的结合强度、岩石性质差异等。根据岩石物质特性,对垂向裂缝延伸影响较大的是岩石的塑性、韧性以及岩层间是否存在滑移现象。遮挡层的塑性表现为泊松比,此值越大,对裂缝延伸幅度的影响越大。对于砂岩油层,泥岩或页岩遮挡层泊松比都有一定的数值范围,由此得出裂缝的延伸情况也是不确定的。这里只讨论裂缝断裂韧性对裂缝缝高的影响,取施工排量为 3.5 m3/s,盖层的断裂韧性为 1MPa·m0.5,底层断裂韧性为 1～5MPa·m0.5,计算结果见图 2。随底层断裂韧性的增加,裂缝上高基本上保持不变,而裂缝下高有较少的减少,当底层断裂韧性由 1 MPa·m0.5增至 5 MPa·m0.5时,裂缝上高从 40.6 m减至 38.2 m,减少 2.4 m。可以看出,断裂韧性对裂缝缝高的影响不大。

图 2 底层断裂韧性与裂缝高度的关系

(3)施工参数对缝高的影响。其他参数不变,施工排量为 2.5～5.5 m3/s,绘制裂缝高度图 (图3),分析不同排量下的裂缝高度。图 3反映了注液排量对缝高的影响,施工参数包括注液排量和注入时间,间接地也反映了施工规模。可以看出,随着施工规模的增大,裂缝高度增加,施工排量明显影响裂缝尺寸,采用小排量施工可以控制裂缝高度。主要原因在于小排量施工有利于降低压裂液在缝中的流动压力梯度,该结论已被国内外的压裂实践所证实[8]。值得注意的是,不同压裂液有不同的极限造缝能力,即当其他参数不变时,施工规模大到一定程度后,继续增加施工规模,裂缝尺寸增加量减小。

图 3 注液排量与裂缝高度的关系

(4)其他作业条件对裂缝垂向延伸的影响。压裂液的黏度、密度、支撑剂浓度和射孔情况都会影响裂缝垂向延伸。其中,压裂液黏度无论对大型压裂或常规压裂都非常重要,高黏度压裂液有较好的携砂能力,造缝高度也较大。理论和实践证明,黏度对缝高延伸的影响要比排量大得多。对于已形成一定压裂规模的油田,其压裂液的性能和使用具有相对的稳定性,选取滤失较小、携砂能力较强的压裂液有助于提高压裂液的性能;其次针对某一油田的压裂作业,调节施工排量和施工压力也可以改变裂缝延伸高度。

3 缝高控制方法

产层与隔层之间的原地应力差、弹性模量差、断裂韧性差、界面强度以及裂缝中压裂液压力分布和压裂液的流变性等都会对裂缝垂向延伸产生重要影响[9]。地层的非均质性、天然裂缝、压裂液的滤失特性以及压裂液的泵注速度等都将对裂缝的延伸产生影响。

(1)人工隔层控制缝高。人工隔层的施工工艺是在注完前置液造出一定规模的裂缝后,在注入混砂液之前,用携带液携带隔离剂 -空心微粉和粉砂,进入裂缝。空心微粉在浮力作用下迅速置于新生裂缝的顶部,粉砂在重力作用下沉淀于裂缝的底部,从而在裂缝的顶部和底部分别形成一个低渗透或不渗透的人工隔层。人工隔层的形成,首先限制了携砂液的高压向上部和下部传递,从而达到了改变缝内垂直方向上流压地分布,降低了上下层段中缝内流压与地应力之差,增加了上下隔层与产油层之间的地应力差,因此,人工隔层能控制缝高的增加;其次,人工隔层还起到转向剂的作用,使后来注入的携砂液转为水平流向,从而使裂缝向缝长方向延伸。为了使制造的隔离层达到最佳效果,需要从隔离剂的铺置厚度、隔离剂的输送规律和隔离剂的铺置位置 3个方面来考虑。

(2)利用施工排量来控制裂缝高度。一般施工排量越大,裂缝高度越大。在不同的地区,施工排量对裂缝高度的影响大小也不同。现场经验表明,在作业条件允许的情况下,为了避免缝高过高,施工排量应该控制在 3.5 m3/min以内。

(3)利用压裂液黏度和密度控制裂缝高度。在其他情况不变的条件下,压裂液黏度越大,裂缝缝高越大,一般认为压裂液黏度保持为 50～100 mPa·s比较合适。

利用压裂液的密度控制缝高,通过控制压裂液中垂向压力分布来实现。若要控制裂缝向上延伸,应采用密度较高的压裂液;若要控制裂缝向下延伸,则采用密度较低的压裂液。

4 现场应用

4.1 产能预测

用 2种方法对梁 8-平 1井进行产能预测[10]:①倍数法,水平井相邻直井初期产能为 12 t/d,水平井产能按直井产能的 1.5～2.5倍计算;②根据水平井产量预测公式 (Joshi)计算,射开水平段长度为 200 m,渗透率为 6.3×10-3μm2,孔隙度为12.7%,原油地下黏度为1.08 mPa·s,根据产液量和生产压差的关系,水平井生产压差取 8 MPa,计算出水平井初期产能约为 18.7 t/d。

式中:reh为泄油半径,m;L为射开水平段长度,m;r为孔眼半径,m;a为排油椭圆长轴的一半,m;Jh为产液指数,m3/(d·MPa);Kh为渗透率,μm2;μ为原油黏度,mPa·s;Bo为原油体积系数;h为储层厚度,m;δ为孔隙度;rw为水平井半径,m;β为油藏各向异性比值。

综合考虑,水平井初期产能取为 18 t/d,不含水。

4.2 人工隔层技术控制缝高

进行压裂增产措施时为了防止缝高过高带来的负面影响,采用人工隔层技术控制缝高。控制缝高剂形成的人工隔层可以有效控制裂缝高度延伸。利用压裂裂缝监测技术可以得到裂缝高度(图 4)。可以看出,裂缝高度基本都在同一直线上,只有中间少数几个位置出现了上窜,并且上窜幅度不大,基本没有下窜现象出现,表明采用人工隔层技术裂缝高度延伸得到了有效控制。

图4 裂缝高度

5 结 论

(1)产层和隔层的水平地应力差对裂缝垂向延伸的影响非常显著,在盖层和产层的应力差从 -1 MPa升至 5 MPa的过程中,裂缝高度下降比较明显,隔层对裂缝垂向延伸起到很好的控制作用。

(2)岩石物质特性中断裂韧性对裂缝缝高尺寸的影响不大。

(3)随施工规模增大,裂缝高度增加,施工排量明显影响裂缝尺寸,采用小排量施工可控制裂缝高度。不同压裂液有不同的极限造缝能力,即当其他参数不变时,施工规模达到一定程度后,继续增加施工规模,裂缝尺寸增加量减小。

(4)总结出裂缝缝高的控制方法,即人工隔层控制缝高,利用施工排量、压裂液黏度和密度控制裂缝高度。压裂施工采用人工隔层控制缝高技术取得了明显效果。

[1]Teufel L W,Clark J A.Hydraulic fracture propagation in layered rock:Experimental studies of fracture containment [C].SPE9878,1984:20-32.

[2]JeffreyR G.The combined effectsof fluid lag and fracture toughnesson hydraulic fracture propagation[C]. SPE18957,1988:269-276.

[3]郎兆新,张丽华,程林松 .压裂水平井产能研究[J].石油大学学报:自然科学版,1994,18(2):43-46.

[4]TalbotDM.Stimulation fracture height control abovewater or depleted zones[C].SPE60318,2000:1-9.

[5]周文高,胡永全,等 .控制压裂缝高技术研究及影响因素分析[J].断块油气田,2006,13(4):70-72.

[6]胡永全,任书泉 .水利压裂裂缝高度控制分析[J].大庆石油地质与开发,1996,15(2):55-58.

[7]李勇明,李崇喜,郭建春 .砂岩气藏压裂裂缝高度影响因素分析[J].石油天然气学报,2007,29(2):87-90.

[8]马新仿,张士诚 .水力压裂技术的发展现状[J].河南石油,2002,16(1):44-47.

[9]崔建,张军,王延民 .储层裂缝预测方法研究 [J].重庆科技学院学报:自然科学版,2005,10(1):5-8.

[10]丁一萍,等 .一种压裂水平井产能计算方法 [J].特种油气藏,2008,15(2):64-68.

编辑 王 昱

TE357.1

A

1006-6535(2010)03-0104-04

20091116;改回日期:20100115

中石化胜利油田分公司科研项目“低渗透油藏水平井压裂工艺配套技术研究”部分内容 (54-2008-js-00077)

曲占庆 (1963-),男,教授,博士,1986年毕业于中国石油大学 (华东)石油工程专业,现从事采油工程技术研究工作。