重复压裂的力学机理与工艺技术

杨建新++尤立红++赵亮

[摘 要]重复压裂是油田进一步增产挖潜的重要技术手段，重复压裂产生的裂缝方向取决于地应力状态，储层中的应力分布尤其是水平主应力方向的应力变化控制着重复压裂裂缝的起裂方位和延伸方向。张开的初次人工裂缝、邻井注/采生产时地层温度变化和孔隙压力变化是导致应力重定向的主要因素。本文综述了诱导应力促使原地应力场转向的力学机理，调研和总结了国内外关于重复压裂理论的最新研究成果与技术。

[关键词]重复压裂 地应力场 诱导应力 工艺技术

中图分类号：F426.61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）20-0048-01

水力压裂技术是低渗透油气藏改造的主要措施，但经过水力压裂后的油气井，在生产过程中由于种种原因可能导致水力裂缝失效。对这类油气井很自然就会采取重复压裂措施以保证油藏稳产增产、提高油气采收率。目前美国压裂井的近1/3为重复压裂井。重复压裂的裂缝延伸机理研究以及重复压裂的可行工艺技术探讨是重复压裂施工成功与否的重要课题。

1 重复压裂井筒附近应力场

油层从投产到重复压裂施工大致可以分为三个过程：钻井形成井眼过程；初次压裂施工过程；生产和注水过程。所以，重复压裂前井筒及裂缝附近的总应力场可以看作是下面三种应力场的叠加：（1）钻井成孔后的地应力场，这是原地应力场与井眼诱导应力场的叠加；（2）初次人工裂缝产生的诱导应力场，现场及室内试验证明，人工裂缝的存在能改变近井地带地应力的大小和方向；（3）生产/注入过程中由于地层孔隙压力变化形成的诱导应力场。以上应力场叠加后，如果诱导应力差大于原始水平主应力的初始应力差，应力场就会发生转向。

1.1 初次人工裂缝诱导应力

根据弹性力学理论，引入平面问题规律的二维双调和方程和傅立叶积分变换，经过变换就可得到二维垂直裂缝所诱导的应力场为：

（1）

（2）

（3）

式中：p是缝内压力，c是裂缝高度的一半。

1.2 地层孔隙压力诱导应力

考虑无限大、水平等厚的均质储层，储层的顶、底界面均为不渗透层。基本假设为：1）应力场处于平面应变状态；2）储层均质各向异性，岩石为线弹性多孔介质，孔隙压力的变化完全由注/采生产引起；3）储层流体为单相等温流动，微可压缩，服从达西定律；4）忽略重力、毛管力对渗流的影响；5）裂缝为流量均布型垂直裂缝，裂缝高度与储层相等。

根据弹性力学以及流固耦合推导得出地层孔隙压力诱导应力为：

（4）

（5）

式中：rp为孔隙压力径向诱导应力，θp孔隙压力周向诱导应力，pw为井底压力，rw为井眼半径，p0为储层压力。

1.3 井筒附近总应力场

重复压裂前井筒附近的地应力场分布情况，在距离井眼一定距离后，初始最大、最小主应力大小关系发生了改变，超出这个范围之后应力场又逐渐恢复到原始状态下。该结果表明一定条件下，重复压裂的新裂缝将沿着新的方位起裂，当延伸一段长度后，裂缝超过应力重定向椭圆区，恢复到初次裂缝方向继续延伸，即新裂缝呈近“S”形延伸。

2 重复压裂工艺技术

2.1 常规重复压裂

油田开发过程中，由于压力、温度等环境条件的改变，引起原有压裂裂缝失效。为了获得较长的增产有效期，必须优化设计重复压裂规模。

常规重复压裂有以下几个优点：

1）有效延伸原有的裂缝系统：在缝端产生与原裂缝成一定角度的新裂缝，使裂缝面与更大面积的含油层相接触，扩大了泄油半径，增加原裂缝系统油流通道。

2）冲洗裂缝面：在原造的裂缝面上，由于被压裂液的残渣堵塞或压裂液形成的滤饼过厚过结实，影响裂缝面的渗流，对它进行有效的清洗，并将堵塞物返回油井。

3）再填充支撑剂：压裂井随生产时间增长，支撑剂破碎率、嵌入程度都会不断增加。老缝重复压裂可以再次填充高导流能力的支撑剂，又可以改进加砂方法，从而增加了裂缝的导流能力。

2.2 改向重复压裂

由于裂缝渗透率远远高于基质渗透率，当老油田的低渗透层处于高含水期时，老裂缝控制的原油已接近全部采出，裂缝成了主要出水通道，但某些井在现有开采条件下尚控制有一定的剩余可采储量。为此，必须实施改向重复压裂新技术。其实质是，采用一种高强度的裂缝堵剂有选择性地进入并有效封堵原有压裂裂缝和射孔孔眼，但不能进入地层孔隙而堵塞岩石孔隙；然后采用定向射孔技术重新射孔以保证重复压裂时使裂缝改向，在不同于老裂缝的方位，形成新的裂缝；最后再在产层射孔，从而采出最小主应力方向或接近最小主应力方向泄油面积的原油，实现控水增油。实施这种重复压裂要求堵剂强度至少要高于产层破裂压力，这是保证形成新裂缝的关键之一。

2.3 暂堵重复压裂

近期Barnett使用可降解暂堵剂来进行多级滑溜水重复压裂。该技术特别适合于水平井的重复压裂增产措施。在施工过程中，裂缝转向系统用于创建一个临时的网状桥塞。这将导致压差增加并引起裂缝沿水平待增产孔段重新定向。这种技术不仅能消除力学因素对裂缝转向的干预，而且能够通过微地震监测对压裂施工过程进行实时优化。

该技术的优化施工流程，暂堵剂将会在现有的裂缝系统中生成一个临时的浆塞，暂堵剂中含有可降解纤维基，其目的是暂堵现有的或正在产生的裂缝系统通路，并产生足以在储层新区域产生并传播新裂缝的压降。当该技术应用在页岩地层，它需要估计裂缝和地层参数，如估计近井地带的裂缝宽度、增产体积以及天然裂缝密度。因此，这种技术与实时微震解释的结合运用非常重要，这样就可以校准地层参数以及调整不同阶段转暂堵剂配方。

Barnett的井A和井B进行了暂堵重复压裂施工，再次压裂后这两口井的天然气产量显著增加（井A，1600Mcf/d；井B，1200Mcf/d）。井A的数据表明，暂堵重复压裂技术的应用使这口井的最终采收率（EUR）比估计的最终采收率高了20%。对井B进行类似的分析表明，该措施大约增加了2.5亿立方英尺的可采储量。

3 认识

重复压裂技术是油气田综合治理的一项重要技术措施，是提高低产压裂井产量的有效途径之一。目前，我国已进入老油田中高含水期开发阶段以及非常规油气藏勘探开发阶段，重复压裂技术已经成为老油田与非常规油气藏增产的有效措施，明确重复压裂的裂缝延伸机理，探讨高效的重复压裂技术，特别是在我国还未实施过的结合微地震监测的多次暂堵压裂技术，将是重复压裂有效应用到油田的关键，具有重要的现实意义。

参考文献：

[1] 胡永全，赵金洲，蒲万芬，等.堵老裂缝压新裂缝重复压裂技术[J].西南石油学院学报，2000，22（3）：61-64.

[2] 杜宗和，李佳琦，聂洪力.缝内二次转向压裂技术探索[J].新疆石油地质，2013，34（3）.