基于诱导应力的页岩气“井工厂”压后效果评价

肖 晖， 刘 洪， 廖如刚， 古佳月， 李小斌， 胡昌权， 胡峰超

(1重庆科技学院 2中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司 3中国石油西南油气田分公司重庆气矿 4中国石油青海油田分公司安全监督中心)

由于低孔、低渗特征，页岩气藏必须通过大规模水力压裂方能获得经济产量[1]。与常规油气藏压裂不同，通过水平井和大规模体积压裂在页岩储层中形成的水力裂缝不再是简单的对称双翼裂缝，而是形成了极为复杂的空间裂缝网络[2]。由于压裂裂缝的复杂性，使得页岩气压裂效果评价难度极大。目前，国内外主要从压裂施工曲线[3]、裂缝监测[4-5]、压后返排试气情况[5]和压后产量分析[6-7]等方面开展页岩气压裂效果评价。其中，裂缝监测特别是微地震监测尤其得到广泛应用，通过微地震实时监测可以获得水力裂缝缝长、缝高和方位的空间展布参数[8-12]。即便如此，依旧难以全面评价页岩气压裂效果，利用单一评价手段更是难以有效评价。本文结合微地震监测结果和地应力场模拟，提出一种新的页岩气压后效果评价技术，以涪陵页岩气平台数据为基础进行了分析。

一、“井工厂”压裂应力场模型1.模型假设

对页岩气压裂后应力场模拟模型做假设如下：①岩石为均质各向同性；②页岩岩石仅发生张性破裂；③破坏准则为摩尔库伦屈服准则；④压裂段均射开，忽略造缝过程，缝长与缝高之比无穷大，缝高恒定；⑤水力裂缝均垂向延伸；⑥裂缝壁面无滤失。

2.“井工厂”压裂后的缝长和位置

本文以JY48号页岩气平台3口井压裂实际数据为基础进行建模，开展压后效果分析。该平台在压裂过程中采用了微地震实时监测，根据监测结果可获得3口井裂缝位置和裂缝长度数据。3口井裂缝监测情况见表1(此处仅列出单段平均数据)。

3.有限元模型

为确保收敛并加快运算速度，假设每一段仅形成一条裂缝。注入排量12 m3/min，施工净压力4 MPa；弹性模量47 GPa，泊松比0.25，岩石密度2 600 kg/m3，地层压力38 MPa，最大(σH)、最小(σh)水平主应力49 MPa和45 MPa。

二、压后应力场分析

1.压后主应力分析

诱导应力模拟结果见图1、图2，从中发现压裂后的诱导应力发生了较大幅度变化。压裂后裂尖附近均出现应力集中，压后在最大、最小水平主应力方向上的诱导应力值见表2，从中可见“井工厂”压裂后出现较大的诱导应力。同时发现，由于水平段上裂缝长度多变导致裂缝附近的诱导应力差异较大、诱导应力云图复杂。

图1 最小水平主应力方向的诱导应力云图

图2 最大水平主应力方向的诱导应力云图表2 压后最大、最小主应力方向上的诱导应力值

方向最大拉应力/MPa最大压应力/MPa裂缝中部压应力/MPaσH1682σh12.98.42

图3和图4分别为水力压裂前后最小、最大水平主应力矢量图。从中发现，水力压裂后最小、最大水平主应力均发生了偏转，裂缝越长偏转角度越大(缝长最长的JY48-1HF井第21条缝尖应力最大)。

图3 压裂前后σh矢量图

图4 压裂前后σH矢量图

2.缝长对诱导应力影响

上述模拟发现，缝长的不均匀分布对诱导应力有较大影响，为此特分析缝长对诱导应力的影响。此处以缝长变化相对较大的JY48-2HF井12段～17段为例进行说明。如图5所示为局部裂缝放大后的诱导应力云图和最小水平主应力矢量图。第12段和第13段裂缝较长，紧接着的第14段突然变短使得其裂尖受诱导压应力，进一步限制了第14段缝长延伸和裂缝复杂性。在第15段缝长突然增加之后，接下来压裂的第16段裂缝长度由于设计和地质因素突然变短，使得第16段出现了与第14段相同的情况。第12、13、15、17段缝长差异不大、应力偏转相对较大，有助于缝网形成。分析表明，如果前一段压裂裂缝明显较长，则下一段裂缝由于设计或者地质或者施工等因素影响下较短时，短裂缝裂尖诱导压应力较大，并降低该裂缝区域内最小主应力的偏转程度，不仅会进一步抑制该短缝的缝长延伸，也会降低该裂缝的复杂程度。因此，同一水平井中降低各压裂段的缝长差异，有助于提高所有压裂段缝长延伸和形成复杂裂缝网络，这为压裂优化设计和施工工艺优化提供了理论依据。

图5 JY48-2HF井第11～17段诱导应力云图及最小水平主应力矢量图

3.段间距对诱导应力的影响

选择段间距分别为60 m、83 m和78 m的典型值来分析段间距对裂缝中心诱导应力场的影响，分析路径见图6(以便于提取对应路径上的诱导应力值进行定量对比分析)。不同路径下的诱导应力值几乎维持2 MPa不变。因此，段间距对压后诱导应力场基本没有影响。

三、压后效果综合对比分析

为验证本文提出方法的可靠性，将压后诱导应力分析结果与微地震监测和产剖测试结果进行对比分析。图7为JY48-2HF井各压裂段压后诱导应力、微地震监测(油藏增产体积SRV)和产剖测试(分段产量)结果对比图。

图6 JY48-2HF井分析路径示意图

图7 JY48-2HF井各压裂段压后诱导应力、微地震监测和产剖测试结果对比图

从图7可以看出：①缝长差异较大的14、16压裂段裂缝诱导应力值为负值(压应力)，使得SRV相对较低、测试产量较差；②第3～6压裂段，缝长差异较小，裂尖出现较大的诱导拉应力，使得储层得到充分改造、SRV较大，最终产量相对较高；③压后诱导应力场计算得到的裂缝尖端诱导应力值为负(压应力)的压裂段SRV和压后产量均较低。因此，本文提出的压后诱导应力场分析结果与微地震监测和产剖测试结果具有较好的一致性，有利于页岩气“井工厂”压后效果分析评价，是页岩气压后评价方法的重要补充。

四、结论

裂缝条数增加、裂缝长度不均匀将大幅改变最大、最小水平主应力方向上的诱导应力大小。邻近裂缝过长将导致短裂缝尖端产生诱导压应力，不利于裂缝扩展从而限制了缝长，即长裂缝将抑制中间短裂缝的扩展。“井工厂”压裂时，各条裂缝缝长差异不大时有利于裂缝扩展，也有利于裂缝附近应力场发生偏转而增加裂缝复杂程度。段间距对裂缝中心产生的诱导应力场大小没有影响。裂缝尖端诱导应力为压应力时裂缝延伸受限，SRV相对较小、压后产量较低。压后诱导应力场分析结果与微地震监测和产剖测试结果具有较好的一致性。