清水压裂储层筛选方法研究

李浩

（东北石油大学石油工程学院，黑龙江 大庆 163318）

清水压裂储层筛选方法研究

李浩

（东北石油大学石油工程学院，黑龙江 大庆 163318）

清水压裂技术在低渗透油气田勘探开发领域应用广泛，经济效益显著，但由于受到储层地应力、渗透率、岩石的粗糙度、强度等限制，并非所有低渗透地层都适合。目前，对于适合清水压裂储层的筛选，国内外都是通过对实际压裂施工数据进行统计而得到，这种方法缺乏理论支撑和实验室检验，不具有普遍的指导意义。因此，文中利用McGuire-Sikora增产倍数图版，分析了裂缝导流能力和缝长对增产效果的影响规律及清水压裂适应的储层条件；并利用岩石力学参数、地层渗透率、裂缝壁面抗压强度、闭合压力等参数，建立了预测清水压裂自支撑裂缝导流能力的计算方法；同时利用室内岩心实验，模拟裂缝剪切滑移，建立了清水压裂裂缝导流能力室内测试方法，为筛选适合清水压裂的储层提供了一种可行手段。

清水压裂；McGuire-Sikora图版；导流能力;储层筛选

水力压裂工艺作为油水井增产增注的主要措施，已广泛应用于低渗透油气田的开发中，通过水力压裂可有效改善井底附近的渗流条件，提高油井产能。由于我国绝大多数油田已进入中高含水开发阶段，稳产和挖潜难度愈来愈大，因此，近年来非常规储层的开发受到极大关注，而清水压裂是动用这部分储层的一种重要方法［1-4］；但使用清水压裂受到储层地应力、渗透率、岩石力学性质等限制，并不是所有低渗透地层都适合。目前，对于适合清水压裂储层的筛选还缺乏深入研究，导致许多压裂施工失败或见效甚微，成为清水压裂推广应用的技术瓶颈［5-6］。针对上述问题，本文绘制了增产效果与裂缝导流能力及缝长的关系图版，分析了适合清水压裂的裂缝导流能力范围，并建立了清水压裂自支撑裂缝导流能力的理论计算模型和室内评价方法，为清水压裂储层筛选提供了一种有效手段。

1 清水压裂适应储层评价指标

水力压裂是油气井增产、水井增注的一种有效措施，也是解除储集层伤害、恢复油井产能的重要手段。评价压裂效果的一个重要指标是增产倍数比，该指标是指相同生产条件下压裂后和压裂前的日产水平或采油指数之比，可采用典型曲线法、近似解析法或数值模拟法求解。本文主要对McGuire-Sikora增产倍数图版进行变换，建立了评价方法。McGuire-Sikora图版的纵坐标是无量纲增产倍数，横坐标是无因次导流能力。曲线的拟合方程为

式中：J0，Jf分别为压裂前后采油指数，m3/（d·MPa-1）；re，rw分别为泄油半径和完井半径为泄油半径和井径的修正因子；M为过渡参数；Lfe为裂缝半长，m；Kf为裂缝渗透率，μm2；Wf为裂缝宽度，cm；KfWf为裂缝导流能力，μm2·cm；K为地层渗透率，μm2；F为泄油面积，m2。

设K=0.001 6 μm2，re=200 m，以KfWf为横坐标、（修正增长倍数）为纵坐标绘制McGuire-Sikora图版（见图1）。图版中的0.2，0.3，…，1.0，为裂缝半长和泄油半径之比。

图1 McGuire-Sikora矢量化图版

图版体现了压裂后不同裂缝导流能力与缝长对增产效果的影响。根据图版曲线的变化规律，从左至右将图版依次划为3个区间：第1区间，当无因次缝长（Lf/ re）超过0.2时，增加裂缝长度Lf，只提供一个很小的追加量，对于提高产量没有明显效果。在此区间内，不适合清水压裂，可通过使用支撑剂提高压裂后裂缝的导流能力，以达到增产目的。第2区间，有可能出现较高的增产，增加缝长和裂缝的导流能力都会使产量增加，此时使用清水压裂需要携带一定量的支撑剂。第3区间，导流能力增加不会使增长倍数明显变化，而缝长成为控制增产的主要变量，此时裂缝的缝长愈长，增产效果愈显著，适合大规模清水不加砂压裂。

通过上述分析可知，储层是否适合清水压裂，主要取决于自支撑裂缝能否为油气输运提供足够的导流能力，因此，建立清水压裂裂缝导流能力的预测和室内评价方法非常重要。

2 清水不加砂压裂裂缝导流能力预测

清水压裂过程中，裂缝壁面产生错动，在泄压返排过程中，起伏粗糙的裂缝壁面不能完全啮合，形成具有一定张开度的裂缝。清水压裂自支撑裂缝壁面组合形态及法线方向受力变形如图2所示。

图2 自支撑裂缝壁面组合形态及法向变形

在闭合压力作用下，裂缝壁面的凸起容易被压碎和碾平，产生明显的法向变形，但随着闭合变形量的增大，壁面接触面积逐渐增大，变形速率逐步减小，闭合压力和法向变形呈明显的非线性关系。Bandis等人通过试验研究，提出双曲线型法向应力σn与法向变形δn的关系式为

式中：σn为闭合压力，MPa；δn，δnmax分别为法向变形（壁面闭合量）和壁面最大可能闭合量，μm；Kn0为结构面的初始刚度，N/m。

基于Goodman的研究，裂缝壁面初始刚度为

式中：JCS为结构面抗压强度，MPa；JRC为结构面的粗糙性系数；δn0为裂缝壁面初始张开度，μm。

裂缝壁面的最大可能闭合量δnmax与JCS，JRC，δn0的关系，采用经验公式为

式中：A0，B0，C0，D为常数，取决于结构面受载历史，由多元回归得出。

在压裂过程中，对岩体进行第1次循环荷载，上述参数可取值如下［7］：

裂缝面初始张开度是上下2个粗糙裂缝壁面在无闭合应力作用下的壁面厚度之和，即

式中：aj为裂缝粗糙面厚度，μm。

aj与JCS，JRC和σc的关系式为

式中：σc为单轴抗压强度，MPa。

Axel Makurat通过大量的实验分析认为，裂缝粗糙壁面由于错动及部分凸起部分被压碎，裂缝壁面厚度平均下降14%，修正式（5）得

裂缝力学残余宽度为裂缝初始宽度和裂缝法向闭合量之差：

Witherspoon提出的“立方定律”认为，实际的裂缝力学宽度与水力压裂裂缝导流裂缝宽度不相等，二者的关系式为

式中：e是因裂缝不规则等效得来的水力导流裂缝宽度（裂缝平整光滑时，e=Wf），μm。

裂缝渗透率与导流裂缝宽度的平方成正比，其计算公式为

裂缝导流能力为

式中：C为裂缝导流能力，μm2·cm。

3 清水压裂裂缝导流能力室内测试

清水压裂过程中，裂缝转向、剪切滑移和裂缝壁面粗糙性，造成泄压返排时裂缝面不能完全啮合，形成残余空隙空间［8-10］。笔者通过室内试验模拟了这一过程，并建立了清水压裂裂缝导流能力室内评价方法。

首先将φ50 mm×100 mm的圆柱形试件劈裂，获得粗糙裂缝壁面，并将粗糙的裂缝壁面滑移，然后将错动岩心端面研磨平整，制备剪切滑移后自支撑非啮合的裂缝壁面组合（见图3）。

将试样2个端面均匀涂抹AB胶，待凝24 h，放在导流仪里，模拟地下赋存的压力环境，测试其导流能力。计算公式为

式中：μ为流体的黏度，Pa·s；q为流过岩心的流量，cm3/s；L为岩心长度，cm；B为岩石端面直径，cm；Δp为岩心室两端的压差，MPa。

图3 岩心非啮合裂缝壁面组合

4 应用实例

齐421井E层位最小水平地应力为30 MPa，弹性模量为13.29 GPa，泊松比为0.23，地层渗透率为0.016 μm2，测试该层清水压裂自支撑裂缝导流能力（见图4）。

图4 不同闭合压力下自支撑裂缝导流能力

由图4可知：随着闭合压力增加，自支撑裂缝导流能力值减小，并且存在一个临界值；当闭合压力大于临界值时，裂缝导流能力急剧下降，最后趋于稳定，稳定值11.2 μm2·cm，位于McGuire-Sikora矢量化图版第3区域，适合清水不加砂压裂。

5 结论

1）建立了压裂后产能评价方法，并绘制出McGuire-Sikora矢量化图版。图版体现了压裂后裂缝不同导流能力和缝长对产能的影响。

2）McGuire-Sikora图版分为3个区间，其中：第1，2区间通过增加裂缝的导流能力增产效果显著，适合携砂压裂；第3区间通过增加缝长增产效果显著，适合清水不加砂压裂。

3）建立了清水压裂自支撑裂缝导流能力理论计算方法和室内测试方法，结合McGuire-Sikora矢量化图版，为清水压裂储层筛选提供了可靠依据。

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（编辑 李宗华）

Research on screening rservoir method for riverfrac treatment

Li Hao
(College of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

Riverfrac treatment is widely applied in exploration and development of low permeability oil-gas filed,and great economic benefit has been gained.But owing to the restriction of reservoir stress,permeability,roughness and intensity of rock,all the low permeability reservoirs are not suitable for riverfrac treatment.Now,the reservoirs,being fit for riverfrac treatment,are selected by actual fracturing operation data,which is lack of support from the theory and lab tests and has not universal guide.Through the use of McGuire-Sikora chart,this paper analyzes the effect rule of fracture conductivity and fracture length on stimulation effect and the reservoir condition for riverfrac treatment.Considering the rock mechanics parameters,formation permeability,compression strength and closure stress,a mathematical model of forecasting the residual fracture width is established.According to lab core experiment, shear slip is simulated and a test model of fracture conductivity of riverfrac treatment in laboratory is also established.That provides a set of reliable methods for reservoir selection during riverfrac treatment.

waterfrac treatment;McGuire-Sikora chart;flow conductivity;screening rservoir

黑龙江省自然科学基金项目“清水压裂增产机理及适应储层条件研究”（E201015）

TE357.1+1

：A

1055-8907（2012）02-0253-04

2011-07-11；改回日期：2012-01-15。

李浩，男，1991年生，在读本科生。E-mail：zhangligang529 @126.com。

李浩.清水压裂储层筛选方法研究［J］.断块油气田，2012，19（2）：253-256. Li Hao.Research on screening rservoir method for riverfrac treatment［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（2）：253-256.