低渗透油藏水力压裂控制缝高技术研究

罗杰

摘要：在水力压裂中，裂缝会沿着缝高方向延伸。当裂缝延伸超出产层进入上下隔层时，不仅造成压裂液资源的浪费，而且难以达到设计要求。为了将裂缝高度控制在油气层内，本论文研究了岩石物质特性、施工参数、地层应力差和裂缝上下末端阻抗值对缝高的影响.研究压裂过程中控制裂缝在高度方向上延伸的诸因素，分析了单因素条件下的裂缝高度变化趋势。其中，地应力是影响裂缝高度的首要因素。

关键词：低渗透；水力压裂；控制缝高；研究

引言：

目前主要的控制缝高技术有：人工隔层技术、变排量压裂技术、注入非支撑剂控制缝高、调整压裂液的密度控制缝高和冷却地层控制缝高等。由于地应力差是控制裂缝增长的主要因素。随着地应力差值的减小，裂缝高度呈加速变化的趋势。这是因为地层应力差越小，控制裂缝延伸的闭合压力也小，增大了作用于裂缝壁面净张开压力，必然导致裂缝高度的增大。然地层地应力差和岩石物质特性是地质结构本身所决定，为不可控因素；而压裂液性能和施工参数为可控因素。所以控制裂缝高度技术还是会主要从压裂液性能和施工参数两个方面进行研究。

一、裂缝高度延伸的主要影响因素

裂缝高度的影响因素可分为可控因素和不可控因素。可控因素有压裂液性能和施工参数，不可控因素主要为地层特性[3]。

1.1 地层参数

研究影响压裂裂缝高度的诸因素，发现控制裂缝高度延伸的地层参数有以下几种：地层应力、岩石物性、油层厚度、断层和天然裂缝等。

1.1.1 地层应力

地层应力差是控制裂缝高度增长的主要因素。D M Talbot 认为，1.4～4.8 MPa 的地层应力障碍可有效的减缓或停止裂缝高度的生长。随着地层应力差值的减小，裂缝高度呈加速变化的趋势。这是因为地层应力差越小，抑制裂缝延伸的闭合压力也小，增大了作用于裂缝壁面的净张开压力，必然导致裂缝高度的增大。图1为单因素条件下地层应力差值对裂缝高度的影响。

1.1.2 岩石物性

岩石物性包括地层岩石的刚性、韧性、塑性、遮挡层与油层界面的结合强度、岩石性质差异等。就岩石物性来讲，对垂向裂缝的延伸影响较大的是岩石的塑性、韧性以及层间存在的滑移现象。

（1）地层岩石的非均质性。由于地层岩石的非均质性，产层与隔层的比表面能是不一样的。由简化的弹性方程可知，当时，裂缝将进入隔层；反之，裂缝向隔层的扩展受到阻挡。岩石力学性质的差异对抑制裂缝垂向延伸有一定作用。

（2）杨氏模量。杨氏模量以两种方式影响裂缝高度的增长。第一，到达两种不同物质接触面附近的裂缝将由于接触面的存在而使其增长速度减缓；第二，如果边界层的模量比油层的模量大，那么杨氏模量能阻止裂缝增长。在高模量的边界层中裂缝宽

度比较窄，因而流动阻力比较高，产生裂缝更困难。总体来说，随着杨氏模量的增大，裂缝高度也增大，且裂缝高度的变化幅度也增大。但由于产层与上下隔层的样式模量值相差并不大，杨氏模量对裂缝高度的影响并不明显。

（3）泊松比。泊松比值越大，其对裂缝高度的影响越大。对某个遮挡层来说，当泊松比达到一定值后完全可以阻止裂缝的垂向延伸。但泊松比的值都是在一定范围内，只靠泊松比限制裂缝延伸是不可靠的。

（4）地层渗透率。地层渗透率直接影响到压裂液向地层的滤失，当地层渗透率增大时，压裂液向地层滤失量增多，用于造缝的压裂液的体积就减小，裂缝高度相应地降低。同时，压裂液滤失过程中，在井壁和裂缝壁形成地滤饼阻碍压裂液向地层滤失，裂缝高度有减缓降低的趋势，如图2所示。

图2 地层渗透率对支撑裂缝高度的影响

二、确定适合XX油田的控制缝高技术

2.1 控制缝高技术研究

在水力压裂过程中，当油气层很薄或上下隔层为弱应力层时，裂缝会沿着垂直方向上延伸，这会使裂缝超出生产层而进入隔层。这不但会导致裂缝高度过大、减少裂缝长度和影响压裂效果，而且当裂缝延伸进入邻近含水层时，会引起含水暴增。为了有效地控制裂缝高度，近年来国内外对裂缝高度延伸机理进行了大量的研究，对影响裂缝高度的因素有了更广泛、更深入地认识，发展了多种人工控制裂缝高度的技术。

2.1.1 人工隔层技术

人工隔层控缝高技术的基本原理是，通过上浮式或下沉式隔离剂在裂缝的顶部或底部形成人工遮挡层，将裂缝尖角钝化，增加裂縫末梢的阻抗，以阻止裂缝中的流体压力向上或下延伸，继而控制裂缝在高度上进一步延伸。人工隔层的施工工艺是在注完前置制裂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——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[6]。

2.1.2 变排量压裂技术

在上下隔层地应力差值小的薄油层的压裂改造中，为限制裂缝高度过度延伸，采用变排量压裂技术，在控制裂缝向下延伸的同时，可增长支撑缝长，增加裂缝内支撑剂铺置浓度，从而可有效地提高增产效果。

2.1.3 调整压裂液的性能参数控制缝高技术

压裂液的滤失性对缝高的影响显著，如压裂液滤失系数大，用于延伸裂缝的压裂液就少，从而可降低缝高，但会增大施工成本和影响压裂效果。降低压裂液的稠度系数也可以控制缝高，稠度系数低的压裂液流动性强，可降低压裂液的流动压力梯度。在其他参数不变的情况下，压裂液的粘度越大，形成裂缝的高度越大。利用压裂液密度控制裂缝高度，是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；若要控裂缝向下延伸，则应采用密度较低的压裂液[8-9]。

2.1.4 冷却地层控制缝高技术

此项技术是通过向温度较高的地层注入冷水，使地层产生热弹性应力，大幅度地降低地层应力，从而使缝高和缝长控制在产层范围内，工艺如下：

（1）在低于地层破裂压力的条件下，向地层注入冷水预冷地层；

（2）提高排量和压力，使压力仅大于被冷却区水平应力，在冷却区内压开一条裂缝；

（3）控制排量和压力，注入含高浓度降滤剂的冷水前置液延伸裂缝。推荐降滤失剂为植物胶或石英粉；

（4）注入低温粘性携砂液支撑裂缝，完成压裂全过程。

冷水水力压裂技术主要用于以下几类油气层：产层不存在清水伤害问题；胶结物性较差的地层；用常规水力压裂技术难以控制裂缝延伸方向的油气层。

三、结论

（1）在水力压裂中，影响裂缝高度的因素中，地层应力和地层物性等地层特性为不可控因素由地质结构本身所决定，不易改变；压裂液性能和施工参数为可控因素，能改变和优化，从而控制水力压裂过程中裂缝纵向延伸。

（2）在影响裂缝高度的影响因素中，地应力是首要因素。地应力研究在水力压裂中应该重视，对地应力参数的采集和处理工作，为压裂的施工设计和选择合理的控制缝高技术提供了必要的依据，这样才能取得良好的增产增注效果。

参考文献

[1]张琪.采油工程原理与设计[M].北京：中国石油大学出版社，2000

[2]王鸿勋等.水力压裂原理[M].北京：石油工业出版社，1996