非均质厚储层多级射孔压裂裂缝扩展规律

赵振峰 唐梅荣 王成旺

中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司油气工艺研究院, 陕西 西安 710018

0 前言

在低渗透油气藏非均质厚储层的开发过程中,采用传统集中射孔压裂技术开发效果不明显,裂缝模拟及监测表明:储层纵向难以动用,改造效果有待提高。近年来针对致密厚层采用多级射孔压裂的增产改造手段,取得了较好的试油效果[1-3]。

国内外学者围绕裂缝延伸机理开展了大量研究,研究表明层间弹性模量差[4-5]、层间应力差[6-10]、岩性差异[11]及施工情况[10-12]影响了水力压裂裂缝的扩展。大量物理模拟实验在分析裂缝扩展规律的影响因素时并未充分考虑真实厚储层的非均质性程度,同时对多级射孔分段压裂的增产机理及增产效果的阐述不够详尽[10,13-20]。因此本文结合某油田真实储层非均质条件,以裂缝与储层接触面积为指标,自主设计并开展了常规集中射孔压裂与多级射孔分段压裂物理模拟实验,研究了常规集中射孔压裂与多级射孔分段压裂两种不同改造方式条件下的裂缝扩展规律及增产机理。本实验研究结果为解释多级射孔压裂增产机理、论证理论研究、指导现场压裂施工提供参考。

1 试样准备及实验方案

1.1 试样制备

在模拟某油田实际储层条件下多级射孔分段压裂过程时,需要根据力学参数相似、地应力相似、几何参数相似、排量相似原理计算出多级射孔分段压裂实验室物理模型参数。本实验条件下实验室物理模型参数与储层参数对应关系见表1。

表1 实验室物理模型参数与储层参数对应表

参数名称实验室模型参数储层参数参数名称实验室模型参数储层参数弹性模量/GPa13/17.315/20模型高/m0.630泊松比0.210.21模型长/m0.3无限大抗张强度/MPa4.2/5.24.2/5.2模型宽/m0.3无限大地应力/MPa8-9-1132-36-45排量/(mL·min-1)306×106

为了获得能够模拟实际储层岩石力学性质的岩样,首先开展了不同配方条件下岩石试样制备及其力学性能测试。以水泥、石膏、细石英砂为骨料,按不同比例配方制备试样模拟材料,将每种比例的浇铸块制备成Φ 25 mm×50 mm的圆柱形岩心试样并进行相关力学测试,使模拟材料的强度、弹性模量及泊松比接近实际地层,最终确定水泥和石英砂的比例为1∶2和1∶1.88。试样测试结果为:抗张强度4.2 MPa、弹性模量13 GPa、泊松比0.21和抗张强度5.2 MPa、弹性模量17.3 GPa、泊松比0.21共两组配方。

其次,按照所获得的配方制备水泥并利用实验模具加工制备不同类型模拟岩样。对于均质岩样的制备,直接用配置好的水泥砂浆浇铸,浇铸过程见图1。对于非均质岩样的制备,需要将不同层位进行分隔,避免不同类型水泥砂浆混合,因此加工了相应的隔板,在模具不同空间内灌注不同的水泥砂浆,浇铸过程见图2。浇铸完成后,使用橡皮锤敲打模具四周,排出气泡。凝固24 h后,拆除模具,对试样浇水并用塑料膜包裹,进行一周时间的养护,以保证模拟材料有最好的效果。

图1 均质岩样制备模具

图2 两层非均质岩样制备模具

1.2 实验方案

为了研究非均质厚储层多级射孔分段压裂裂缝扩展规律及增产机理，共设计了6组物理模拟实验方案。

1.2.1 方案1

均质模型+集中射孔+笼统注入。模拟射孔距离上边界13.5 cm、射孔段长度3 cm、距离下边界13.5 cm、射孔相位90度、射孔孔径0.3 cm、射孔深度2.5 cm、孔间距离0.25 cm。采用笼统注入方式+注入速度30 mL/min+注入液体总量2.0 L+观察裂缝扩展规律并测量扩展面积。

1.2.2 方案2

均质模型+两级射孔+笼统注入。模拟射孔距离上边界9 cm、射孔段长度1.5 cm、中间隔层距离9 cm、射孔段长度1.5 cm、距离下边界9 cm、射孔相位90度、射孔孔径0.3 cm、射孔深度2.5 cm、孔间距离0.25 cm。采用笼统注入方式+注入速度30 mL/min+注入液体总量2.0 L+观察裂缝扩展规律并测量扩展面积。

1.2.3 方案3

非均质模型+两级射孔+笼统注入。模型上下两层弹性模量、泊松比、抗压强度不同,采用两级射孔,模拟射孔距离上边界9 cm、射孔段长度1.5 cm、中间隔层距离9 cm、射孔段长度1.5 cm、距离下边界9 cm、射孔相位90度、射孔孔径0.3 cm、射孔深度2.5 cm、孔间距离0.25 cm。采用笼统注入方式+注入速度30 mL/min+注入液体总量2.0 L+观察裂缝扩展规律并测量扩展面积。

1.2.4 方案4

非均质模型+两级射孔+分段注入。模型上下两层弹性模量、泊松比、抗压强度不同,采用两级射孔,模拟射孔距离上边界9 cm、射孔段长度1.5 cm、中间隔层距离9 cm、射孔段长度1.5 cm、距离下边界9 cm、射孔相位90度、射孔孔径0.3 cm、射孔深度2.5 cm、孔间距离0.25 cm。采用分段注入方式+注入速度30 mL/min+注入液体总量2.0 L+观察裂缝扩展规律并测量扩展面积。

1.2.5 方案5

非均质模型+三级射孔+笼统注入。模型上下两层弹性模量、泊松比、抗压强度不同,采用三级射孔,模拟射孔距离上边界6.75 cm、射孔段长度1.0 cm、中间隔层距离6.75 cm、射孔段长度1.0 cm、中间隔层距离6.75 cm、射孔段长度1.0 cm、距离下边界6.75 cm、射孔相位30度、射孔孔径0.3 cm、射孔深度2.5 cm、孔间距离0.25 cm。采用笼统注入方式+注入速度30 mL/min+注入液体总量2.0 L+观察裂缝扩展规律并测量扩展面积。

1.2.6 方案6

非均质模型+三级射孔+分段注入。模型上下两层弹性模量、泊松比、抗压强度不同,采用三级射孔,模拟射孔距离上边界6.75 cm、射孔段长度1.0 cm、中间隔层距离6.75 cm、射孔段长度1.0 cm、中间隔层距离6.75 cm、射孔段长度1.0 cm、距离下边界6.75 cm、射孔相位90度、射孔孔径0.3 cm、射孔深度2.5 cm、孔间距离0.25 cm。采用分段注入方式+注入速度30 mL/min+注入液体总量2.0 L+观察裂缝扩展规律并测量扩展面积。

2 实验结果与分析

2.1 集中与多级射孔裂缝扩展对比

对比分析图3～4可知，两级射孔笼统压裂方式比集中射孔笼统压裂方式的裂缝面积更大,因此同等条件下两级射孔笼统压裂比集中射孔笼统压裂增产效果更好。同时可以发现多级射孔笼统压裂时纵向应力均质情况下,岩石在射孔位置同时起裂,产生的两条裂缝在垂直方向同时扩展,扩展的裂缝会在裂缝尖端周围产生局部应力,从而彼此干扰,所以会出现复杂裂缝情况。

a) 集中射孔管柱

b) 笼统压裂效果

a) 两级射孔管柱

b) 笼统压裂效果

2.2 笼统与分段压裂裂缝扩展对比

图5为非均质模型+两级射孔+笼统注入条件裂缝扩展及裂缝面积情况。图6为非均质模型+两级射孔+分段注入条件裂缝扩展及裂缝面积情况。图7为非均质模型+三级射孔+笼统注入条件裂缝扩展及裂缝面积情况。图8为非均质模型+三级射孔+分段注入条件裂缝扩展及裂缝面积情况。

a) 两级射孔管柱

b) 笼统压裂效果

a) 两级射孔管柱

b) 分段压裂效果

a) 三级射孔管柱

b) 笼统压裂效果

a) 三级射孔管柱

b) 分段压裂效果

3 结论与认识

1)本文设计并开展了定点多级压裂物理模拟实验研究,通过室内实验模拟,观测和分析了致密储层常规射孔压裂、多级射孔笼统压裂和多级射孔分段压裂裂缝的起裂和扩展特征,从实验角度直观论证定点多级压裂增产机理。

2)在笼统压裂方式条件下,分级射孔比集中射孔获得的裂缝面积更大,压裂增产效果更好。在施工规模和射孔级数相同条件下,非均质储层多级射孔分段压裂比笼统压裂获得的裂缝面积大,即多级射孔分段压裂比笼统压裂效果好。在施工规模和注入方式相同条件下,射孔级数越多,裂缝越复杂,裂缝与储层接触面积越大,压裂效果越好。

3)针对低渗透非均质厚储层而言,基于多级射孔压裂裂缝扩展规律及增产机理,推荐采用多级射孔、分段注入方式进行压裂。