页岩气水平井体积压裂分段分簇方法研究

钟亚军，罗攀，张磊，刘银山

（陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，陕西西安 710065）

水平井体积压裂工艺是当前石油开采一项非常重要的工艺，尤其对于低渗透油气藏，分段定簇优化是压裂设计的前提。准确选择工程甜点，即合理选取压裂段射孔簇，可以有效提高单井产量，控制施工成本。目前水平井压裂分段定簇中，往往只重视对储层地质因素如物性、孔隙度、含油气性等的评价，而忽视了工程因素的影响，容易带来的问题有：施工破裂压力高、改造难度大；簇间压力不平衡，裂缝延伸能力不足，缝网发育不充分；射孔簇选择不合理，很多射孔簇不生产，经济利益低下。为了解决上述问题，本文提出在设计压裂段及射孔簇时，除地层含油气性等地质因素外，同时评价储层可压裂性、缝网形成能力等工程因素，各参数综合建立分段定簇模型。

1 储层可压性指数评价

利用单一脆性指数进行储层可压裂性评价存在较大误差，本文拟结合线弹性断裂力学理论，分析基于岩石断裂韧性的裂缝形成机理[1]，从而优化致密气储层可压裂性测井评价效果。

1.1 脆性指数

一般来说，杨氏模量越高，泊松比越小的地层，越容易被压裂。岩石脆性指数根据的是杨氏模量与泊松比的大小，分别取0.5 的权值进行计算。因为杨氏模量和泊松比量纲不同，需要对其先进行归一化处理。脆性指数Br计算公式如下：

式中：ES-静态杨氏模量；μS-静态泊松比；Br-脆性指数。将计算出的脆性指数值与施工破裂压力作对比，见图1。

图1 YSP1 井破裂压力与脆性指数对比图

由图1 可以看出，脆性指数值高，对应的破裂压力值低，如第1 段脆性指数最高，Br值为0.57，对应的破裂压力也最低，第3 段脆性指数值低，对应的破裂压力值高。同时也可以看出，单纯利用脆性指数评价储层可压裂性存在较大的误差，如第3 段与第2、4 段脆性指数相近，破裂压力相差较大，表现出很大的脆性差别。

1.2 断裂韧性

在线弹性断裂力学中，根据其位移形态可将裂缝分为3类，张开型（Ⅰ型）、错开型（Ⅱ型）和撕开型（Ⅲ型）。任何一种裂缝状态均可以由这3 种基本形态叠加得到，叠加的裂缝统称为复合型裂缝或混合型裂缝[2]。在页岩气储层体积压裂中形成的最常见的是Ⅰ型与Ⅱ型裂缝。

式中：St-单轴抗拉强度，MPa；-断裂韧性，MPa。

围压下断裂韧性（KⅠC）：

Ⅱ型裂缝（KⅡC）：

KⅡC=0.095 6σn+0.013 83St-0.082 0

1.3 可压裂性指数

根据以上分析，页岩气储层的可压裂性指数值显然与脆性指数值正相关，而与断裂韧性值呈反比。为此可用下式评定页岩气储层的可压裂性指数Frac，表征储层压裂难易程度：

将计算出的可压裂性指数值与施工破裂压力大小作对比，见图2。

图2 YSP1 井破裂压力与可压裂性指数对比图

由图2 可以看出，可压裂性指数越高，岩石的破裂压力越低，呈反比关系，如第1 段可压裂性指数最高值为2.10，破裂压力最低，第3 段计算出的可压裂性指数最低值为1.56，对应的破裂压力最高。相对于仅依靠脆性指数评价岩石可压裂性，结合断裂韧性评价出来的结果更加准确可靠。

2 缝网形成能力

地层水平主应力是影响压裂施工压力大小的重要因素之一。差异系数代表最大水平主应力与最小水平主应力的差异大小，其值对裂缝的形态特征影响十分明显。如果致密储层的水平应力差小，压裂过程中压裂液易于在多个方向上进入微裂缝，并形成新的裂缝。其原因在于较小的水平主应力差有利于压裂缝的转向和弯曲，并可产生众多的张性裂缝和剪切裂缝，构建成较为发达的渗流网络，达到体积压裂改造的效果[3]。反之，仅产生若干条主裂缝，难以实现体积压裂和复杂的网络裂缝系统。

本文采用地应力组合弹簧模型（斯伦贝谢模型）来求取水平应力差异值，计算公式如下：

式中：μ－泊松比；α－biots 系数；E－岩石弹性模量；εH、εh－沿最大主应力方向与最小主应力方向构造应变系数；Pp－地层孔隙压力；H0－测井起始点深度；ρ0(h)－未测井段深度为h 点的密度；ρ(h)－深度为h 点的测井密度；g－重力加速度；Kh－应力差异系数。

3 建立分段定簇模型

对地层含油气性G、可压裂性Frac、缝网形成能力Kh综合考虑，根据模糊数学评价原理，结合研究区储层特征和以往开发工作经验，分配相应权值系数，评价综合指标，计算公式如下：

BZ=aG＋bFrac+cKh

式中：a、b、c-经验系数，分别代表含油气性G、可压裂性Frac、缝网形成能力Kh的权值系数。

4 模型应用

将建立的分段定簇模型应用于LTP1 井压裂，计算BZ值，选取BZ值高的进行分段，对同一压裂段中选取可压裂性指数Frac值相近点定簇，优选压裂改造段的同时保障了各簇间压力平衡，最后得到分段定簇方案图见图3。

图3 LTP1 井分段定簇设计图

根据计算综合评价指标BZ值，将L1TP1 井分了6个压裂段。各压裂段中，为使各簇施工压力平衡，根据计算的破裂压力值确定射孔簇位置。2021 年7月，按照基于该模型得到的分段定簇方案对LTP1 水平井进行体积压裂，施工过程顺利，采用FSI 成产测井仪对LTP1 井压裂试气效果进行评价，各压裂段产量丰富稳定，有效射孔簇在全井段分布较均匀，射孔效率达到90.5%，表明新的分段定簇模型有力提升了压裂施工改造效果。

5 结论

（1）脆性指数越高，储层越容易破压。但脆性指数相近层段，破裂压力有时相差较大，表现出很大的脆性差别。引入断裂韧性的可压性指数评价，与现场施工各段参数比较符合，可用于综合计算储层破裂压力。

（2）差异系数在评价储层可压性方面，主要表征的是储层体积压裂效果、形成缝网能力的参数，和破裂压力之间的联系不紧密，对压裂改造效果有很大提升。

（3）压裂分段分簇时，地质因素和工程因素综合评价可以有效降低施工作业难度，提升压裂效率，提高单井产量。