动态裂缝是特低渗透油藏注水开发中出现的新的开发地质属性

王友净，宋新民，田昌炳，石成方，李佳鸿，惠钢，侯建锋，高春宁，王小军，刘萍（. 中国石油勘探开发研究院；. 中国石油长庆油田分公司）

动态裂缝是特低渗透油藏注水开发中出现的新的开发地质属性

王友净1，宋新民1，田昌炳1，石成方1，李佳鸿1，惠钢1，侯建锋1，高春宁2，王小军2，刘萍2
（1. 中国石油勘探开发研究院；2. 中国石油长庆油田分公司）

摘要：基于特低渗透油田注水动态特征，提出了动态裂缝概念，探讨其成因机理及对油田开发的影响。动态裂缝是指特低渗透油藏在长期注水过程中，由于注水井近井地带憋压，当井底压力超过岩层破裂、延伸压力，岩石破裂产生的新生裂缝，或原始状态下闭合、充填的天然裂缝被激动、复活所产生的有效裂缝通道。动态裂缝受现今地应力场控制，随着注水量的增长和井底压力的升高，不断向油井方向延展，直至与油井压裂缝连通。位于JA油田同一区块内的L76-60、L88-40密闭取心井组分析表明，动态裂缝改变了特低渗透油藏水驱油渗流特征，加剧了储集层的非均质性，导致剖面动用程度降低，面上剩余油呈连续或不连续条带状分布在裂缝两侧；动态裂缝的产生、激化延伸与注水压力、注采比以及油、水井改造措施等密切相关。基质孔渗条件可以有效形成基质驱油时，应尽可能减弱高压注水和油、水井改造规模，实现基质驱油。图12表1参17

关键词：动态裂缝；特低渗透油藏；开发地质属性；成因机理；注水波及体积

0　引言

“九五”以来，通过建立有效压力驱替系统，发展“超前注水、井网优化和开发压裂”等核心技术，低渗透油田实现了有效开发[1-3]，开发的渗透率下限不断突破，原油产量不断攀升，目前低至0.3×10−3μm2的储集层都实现了注水开发。以鄂尔多斯盆地安塞、靖安油田和松辽盆地新民、新立油田为代表的典型特低渗透油田普遍进入中高含水阶段，含水率快速上升，采油速度大幅下降，油田稳产面临挑战。剩余油控制因素和分布模式不清，成为制约油田提高采收率的瓶颈。本文根据特低渗透油田注水动态特征，提出了动态裂缝是这类特低渗透油藏中高含水阶段出现的一个新的开发地质属性，也是剩余油分布的重要控制因素，并探讨了其成因机理及其对油田开发的影响。

1　动态裂缝的提出

随着油田开发的深入，安塞、新民等典型特低渗透油田进入中高含水阶段后，油田开发主要矛盾表现为油井见水具有明显的方向性。从安塞油田WY老区资料统计来看，因高含水关井或转为注水井的油井有89%位于与原始井网注水井连通方向，为现今构造应力场最大水平主应力方向（简称主向井），其含水率呈台阶式上升（见图1a）；相应注水井试井解释曲线表现出裂缝渗流特征（见图1b）；吸水剖面表现为个别层段尖峰状吸水（见图1c）；示踪剂监测具有明显的方向性（见图1d）。

图1　动态裂缝的表现特征

鄂尔多斯盆地三叠系延长组长6段特低渗透油藏渗透率普遍小于10.00×10−3μm2，安塞油田主力开发层长61段孔隙度与渗透率的相关性较差（见图2）。岩心分析基质渗透率平均为1.29×10−3μm2，但目前试井解释分析的有效渗透率比岩心分析的渗透率高出1～2个数量级。WY老区试井解释统计分析渗透率平均为10.54× 10−3μm2，与基质的渗透率比值可达5～8以上。试井解释裂缝半长在200 m以上，并且裂缝半长与渗透率具有较好的相关性（见图3）。

图2　孔隙度与渗透率关系图版

图3　裂缝半长与渗透率关系图版

这些注水动态表明，特低渗透油藏在长期注水开发过程中，由于注水井近井地带憋压，当井底压力超过岩层破裂、延伸压力，导致岩层破裂，或原始状态下闭合、充填的天然裂缝被激动、复活，产生了新生、有效裂缝通道。这些裂缝受现今地应力场控制，随着注水量的增长和井底压力的升高，不断向油井方向延展，直至与油井压裂缝连通，笔者将这些新生、有效裂缝称之为动态裂缝，其与国外文献[4-5]中提到的“注水生长缝”形成机理类似。

2　动态裂缝的形成机理

2.1 新生缝

裂缝产生过程中压力变化[6]规律为：首先井底压力不断升高至岩层破裂压力产生裂缝；随后压力略有下降，在裂缝延伸压力下，裂缝不断生长延伸，扩大规模。岩层破裂压力由下式[7]计算：

式中 pf——岩层破裂压力，MPa；pp——孔隙压力，MPa；po——上覆岩层压力，MPa；υ——泊松比；k——地质构造应力系数，无因次；Srt——抗张强度，MPa。

裂缝延伸压力由（2）式[5]计算：

式中 ptip——裂缝延伸压力，MPa；σH min——最小水平主应力，MPa；U——缝面能，J/cm2；E——弹性模量，MPa；rf——裂缝半长，cm。

裂缝延伸压力也可以简化为（3）式[6]计算，即裂缝延伸压力至少需要克服最小水平主应力和岩层抗张强度之和。

注水开发过程中注水井附近憋压，井底压力超过岩层破裂压力时裂缝开启，并随着注水量的增长和井底压力的升高不断向油井方向延展，直至与油井压裂缝连通。特低渗透油藏油井一般是水力压裂投产，为增强水井注水能力大多采用爆燃、爆炸压裂或者是复合射孔投注。爆燃、爆炸压裂改造的是近井带地层，可形成径向入射状多条短裂缝[8-9]，不受地应力控制，其规模比人工压裂缝小得多。复合射孔技术是射孔与高能气体压裂同时完成，不但提高了储集层孔渗性，而且使射孔孔道以裂缝的形式向前延伸扩展，形成多方位裂缝[10-11]。爆燃、爆压或复合射孔造成的近井地带小规模新生裂缝在裂缝延伸压力下，沿现今最大水平主应力方向延伸，造成主向油井暴性水淹。

根据岩石力学实验和偶极声波测井资料分析，WY老区延长组长6段泊松比为0.122～0.335，弹性模量为7.30～13.66 GPa，张性破裂压力为23.6～28.8 MPa，最小水平主应力为17～20 MPa，岩石抗张强度为3.5～5.0 MPa，裂缝延伸压力可以粗略计算为20.5～25.0 MPa。区块部分水井井底压力已经达到裂缝破裂、延伸压力。在当前注水开发技术政策下，新生缝不断延展，并最终与油井压裂缝沟通，形成裂缝渗流通道。

2.2 天然裂缝

图4　天然裂缝产状玫瑰花图（根据长庆油田资料修改）

低渗透油藏一般发育天然构造裂缝[12-13]。受燕山和喜马拉雅两期古构造应力场影响，鄂尔多斯盆地三叠系延长组发育2组天然裂缝。燕山期在北西西—南东东向水平构造挤压应力作用下，形成北西向、东西向一组共轭剪切裂缝；喜马拉雅期受到北北东—南南西向水平构造挤压，形成了南北、北东向一组共轭剪切裂缝[14-17]（见图4）。鄂尔多斯盆地安塞—志靖地区现今构造应力场最大水平主应力方向是北东70°左右，平行于此方向的裂缝易于张开、复活或强化，而燕山期北西向、喜马拉雅期南北向裂缝受到现今构造应力场的扼制。实测地质露头主裂缝方向分别是北东92°和北东22°（见图5）。从岩心可观测到高角度裂缝，角度在80°左右（见图6），缝长40～70 cm，缝面上可见方解石胶结小团块。成像测井资料分析显示，裂缝倾角主要在71°～85°，裂缝走向集中在北东东向（见图7）。注水开发过程中，注水井近井地带憋压，井底压力超过裂缝开启延伸压力，天然裂缝由无效缝激活为有效缝并延伸，形成动态裂缝。

图5　裂缝（地质露头）

图6　裂缝（岩心）

3　动态裂缝对特低渗透油田开发的影响

动态裂缝的形成加剧了特低渗透油藏中高含水阶段储集层非均质性。裂缝系统与基质的渗透率差异大，影响水驱波及体积。本文以鄂尔多斯盆地延长组长6油层几个处于中高含水期并有较丰富密闭取心资料的典型开发区块为例，探讨动态裂缝对油田开发的影响。

3.1 对剖面动用程度的影响

W16-15密闭取心井组位于AS油田WY老区中部，采用不规则正方形反九点井网，钻密闭取心井时井组单井平均产能为0.49 t/d，综合含水率已达85.5%，地质储量采出程度16%。主向井W15-18井1990年8月投产，生产3年后见到注入水，之后含水率台阶式上升（见图1a），钻密闭取心井时含水率（fw）为76.2%，单井产能仅有0.32 t/d，累计产油为0.910 6×104t，分析认为该井的来水方向为W16-15井，动态裂缝的产生导致W15-18井高含水。为检查油层水淹状况，在井组内部不同井距和排距上部署了8口密闭取心井（见图8）。

图7　WJ16-155井成像测井

图8　W16-15密闭取心井组井位与开发现状图（油井符号

通过对8口密闭取心井取心段的详细观察与描述，结合滴水试验、岩心沉降实验、荧光显示以及岩心驱替程度的计算，对水洗状况进行了分析（见表1）。W16-15密闭取心井组含水率为85.5%时，8口密闭取心井水驱动用程度平均为50.6%，强水洗比例仅13%。在现有井网条件下，动态裂缝的产生降低了剖面动用程度。

表1　W16-15密闭取心井组水洗状况统计表

3.2 对平面剩余油分布的影响

L76-60、L88-40密闭取心井组位于JA油田同一区块内，2000年投入开发，采用正方形反九点井网。钻密闭取心井时L76-60井组单井产能平均为3.95 t/d，综合含水率为47.2%，地质储量采出程度为9.95%，井组内部署2口密闭取心井（见图9a）；而L88-40井组钻密闭取心井时单井产能平均为7 t/d，综合含水率仅为2.5%，地质储量采出程度为21.4%，井组内部署1口密闭取心井（见图9b）。L76-60密闭取心井组受动态裂缝的影响，平面上油井表现出沿裂缝方向水窜、暴性水淹的特征，侧向见效程度较弱。剩余油主要分布在裂缝两侧，呈连续或不连续条带状分布。而L88-40密闭取心井组含水分布呈以水井为中心的团块状，水驱前缘推进相对均匀，剩余油连片分布。

图9　平面含水率分布图（油井符号半径的大小表示日产液的高低，红色代表油，蓝色代表水）

4　讨论

动态裂缝在开发动态上的表现特征非常明显，但其表征难度大，成因机理非常复杂。动态裂缝的产生、激化延伸与注水压力、注采比等开发技术政策以及油、水井改造措施密切相关。

据密闭取心井常规物性分析数据统计，L76-60、 L88-40密闭取心井组储集层条件相近，但钻密闭取心井时生产状况差异很大。L76-60井组油井改造规模较大，水井采用复合射孔投注。主向油井L75-61生产1年多就见水，动态裂缝的产生导致主向油井高含水，含水率呈台阶式上升（见图1a），目前含水率已达90%，累产油仅4 889 t，判断来水方向为L76-60井。注水井L76-60油压整体处于上升趋势（见图10），日注水量呈下降趋势。L75-61井虽然高含水，但从最大水平主应力方向部署的检查井LJ75-61井资料分析，该部位仍有大量剩余油分布。受动态裂缝的影响，主力层段的剖面动用程度仅有9%，其水洗部位主要是钙质砂岩段和水平层理发育的物性较差的低渗砂岩段，岩心观察有水渗出（见图11）。

图10　L76-60井注水曲线

L88-40密闭取心井组油井压裂规模小，注水井L88-40洗井后直接投注。井组开发10年，较温和的注水开发方式和合理的开发技术政策没有激化产生动态裂缝，注采单元内水驱相对均匀，采出程度高，井组内8口油井含水率均低于2.5%，呈理想的基质近活塞驱。根据油藏工程计算，井组理想均质地层水驱半径在190 m左右。据密闭取心井LJ87-41井资料（在最大水平主应力方向上，距注水井L88-40井300 m）分析，其取心段整体未水洗，水驱前缘还未波及到该井。注水井L88-40油压整体较平稳，注水量也较平稳（见图12）。

图11　LJ75-61单井分析图

图12　L88-40井注水曲线

由上述2个密闭取心井组分析可知，不同的注水开发技术政策和油、水井改造措施导致2个井组开发状况迥异。在现有井网条件下，动态裂缝的产生使主向油井暴性水淹，导致开发效果变差。基质孔、渗条件可以有效形成基质驱油时，应尽可能减弱高压注水和油、水井改造规模等实现基质驱油，控制或延缓动态裂缝的产生。

动态裂缝作为低渗透储集层特有且具普遍意义的开发地质新属性，目前对其发育的岩性段、其对水驱波及体积的影响以及多方向动态裂缝的成因机理等仍需深入研究。特别是注水系统调整为沿动态裂缝线状注水后，若动态裂缝优先产生于更致密的低渗层，是否会调整部分“物性层间非均质性”而有利于基质波及体积等方面都有待于进一步探索研究。

5　结论

动态裂缝是特低渗透油藏注水开发中出现的一个新的开发地质属性。它是在长期注水过程中，由于注水井近井地带憋压，当井底压力超过岩层破裂、延伸压力，岩石破裂产生的新生裂缝，或原始状态下闭合、充填的天然裂缝被激动、复活产生的有效裂缝。这些裂缝受现今地应力场控制，随着注水量的增长和地层压力的升高向油井方向延展，直至与油井压裂缝连通。

动态裂缝改变了特低渗透油藏水驱油的渗流特征，极大地加剧了储集层的非均质性并严重影响水驱波及体积。动态裂缝导致剖面动用程度降低，平面上剩余油呈连续或不连续条带状分布在裂缝两侧。

动态裂缝的产生、激化延伸与注水压力、注采比以及油、水井改造措施等密切相关。基质孔渗条件可以有效形成基质驱油时，应尽可能减弱高压注水和油、水井改造规模实现基质驱油。动态裂缝为特低渗透储集层特有且具普遍意义的开发地质新属性，在动态裂缝发育的岩性段及其对水驱波及体积的影响、多方向动态裂缝的成因机理等方面都有待于进一步研究。

致谢：感谢裘怿楠先生在项目研究和论文完成过程中给予的悉心指导和大力帮助。

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（编辑 郭海莉）

Dynamic fractures are an emerging new development geological attribute in water-flooding development of ultra-low permeability reservoirs

Wang Youjing1, Song Xinmin1, Tian Changbing1, Shi Chengfang1, Li Jiahong1, Hui Gang1, Hou Jianfeng1, Gao Chunning2, Wang Xiaojun2, Liu Ping2
(1. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China; 2. PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi’an 710018, China)

Abstract:Based on the dynamic characteristics of water-flooding in ultra-low permeability oilfields, the concept of dynamic fracture is proposed and its formation mechanism and impacts on oilfield development are discussed. Dynamic fractures refer to the new-generated fracture channels when bottom hole pressure exceeds rock breakdown pressure and propagation pressure, or the effective fracture channels generated when the originally closed or filled natural fractures are reactivated, due to high pressure in near wellbore area of injection well in a long term water injection of the ultra-low permeability reservoir. Dynamic fractures, controlled by the current stress field, constantly extend toward the direction of the oil well with the rise of the injected water volume and bottom hole pressure, until connecting with the oil well hydraulic fractures. The analysis of the sealed coring well groups L76-60 and L88-40 located in the same block in the JA Oilfield, Changqing Oilfield, NW China shows that the dynamic fractures changed the seepage characteristics of water displacing oil in the ultra-low permeability reservoir, greatly aggravated the reservoir heterogeneity, which led to the reduction of profile producing degree and the distribution of remaining oil on both sides of the fractures in continuous or discontinuous belts. The generation and propagation of dynamic fractures are closely related to water injection pressure, injection-production ratio, oil and water well stimulation measures. When the porosity-permeability condition of the matrix allows effective oil displacement, high pressure water injection or oil and water well stimulation measures should be avoided as far as possible.

Key words:dynamic fracture; ultra-low permeability reservoir; development geological attribute; formation mechanism; water-flooding swept volume

收稿日期：2014-10-15 修回日期：2015-02-28

作者简介：第一王友净（1973-），女，山东博兴人，博士，中国石油勘探开发研究院高级工程师，主要从事油田开发地质研究工作。地址：北京市海淀区学院路20号，中国石油勘探开发研究院油气田开发研究所，邮政编码：100083。E-mail: wangyoujing@petrochina.corn.cn

DOI:10.11698/PED.2015.02.12

文章编号：1000-0747(2015)02-0222-07

文献标识码：A

中图分类号：TE348

基金项目：中国石油重大科技专项（2011B-1205）；中国石油勘探与生产公司专项“特低渗透油藏水驱提高采收率关键技术”