鄂南浅层压裂裂缝形态探讨

李月丽，何 青，姚昌宇，张永春，王新君

（中国石化华北油田分公司工程技术研究院 ，河南郑州 450006）

人工裂缝形态是油层压裂设计首先要考虑的问题，它是影响压后生产效果最直接和最重要的因素之一。鄂尔多斯盆地富县和彬长探区中生界延长组部分储层埋藏浅，压裂裂缝形态复杂，压裂后，垂直缝、水平缝等均有可能形成，因此掌握储层的人工裂缝形态对压裂工艺的选择和压裂设计的优化具有重要的指导意义［1－2］。

鄂尔多斯盆地富县和彬长探区中生界延长组储层自上而下发育着长2、长3、长6、长7、长8等多套储层，埋深150～1500 m，平均孔隙度9.4%、平均渗透率0.56×10－3μm2，总体表现为低孔、特低渗的特点；储层岩性以粉砂岩、细砂岩为主；孔喉类型属微细孔喉型及细孔微喉型；储层纵横向非均质性很强。

1 人工裂缝形态及对油层产量的影响

水力压裂裂缝形态可分为水平缝和垂直缝，在天然裂缝不发育的地层，裂缝形态主要取决于其三向地应力状态。根据最小主应力原理［1］，水力压裂裂缝总是产生于强度最弱、阻力最小的方向，即岩石破裂面垂直于最小主应力轴方向。当垂向主应力最小时，形成水平裂缝；当垂向主应力最大时，形成垂直裂缝。

对于显裂缝地层很难出现人工裂缝，而微裂缝地层可能出现多种情况：可以垂直于最小主应力方向，也可能基本上沿着微裂缝方向发展，把微裂缝串成显裂缝。

文献调研表明［3－4］裂缝形态对油层产量有较大的影响，即对于水平裂缝，油气从地层到人工裂缝的渗流主要为垂向渗流，一般来说垂直渗透率是水平渗透率的1／10，垂向渗透率偏低是造成相似的地层条件下产量偏低的一个主要原因。

前期利用油藏数值建模方法研究了水平缝和垂直缝对压后效果的影响（图1），结果表明，压后形成水平缝的井累计产油量小于形成垂直缝的井。因此，针对压裂投产的井而言，形成垂直缝是最理想的裂缝形态。

图1 裂缝形态与累计产油量的关系

2 人工裂缝形态研究［5－7］

2.1 人工裂缝形态影响因素分析

影响人工裂缝形态的因素很多，主要包括地应力、构造、天然裂缝、储层非均质性、岩石抗张强度等多方面。前期针对人工裂缝形态采用了多种方式、方法进行了分析研究［2－4］。

2.1.1 地应力

水力压裂时形成的人工裂缝形态主要取决于岩石的三向应力状态，选取富县探区400～800 m储层岩样进行了室内声发射凯塞尔效应实验测试（表1）和分析（图2），从分析结果可以看出，储层岩石三向地应力均随着埋藏深度的增加而增大，当埋藏深度接近1000 m时，上覆地层应力与最小水平地应力相当，这说明当储层埋深小于1000 m时，垂向地应力小于水平最小主应力，会形成水平缝。

表1 声发射凯塞尔效应实验测试结果

图2 富县探区地应力与深度的关系

2.1.2 瞬时停泵压力

瞬时停泵压力消除了摩阻的影响，基本代表了裂缝的延伸压力，是最小主应力与岩石应力强度因子的综合反映。根据瞬时停泵压力梯度和上覆岩层应力梯度的对比结果，可以大致估算压裂裂缝形态。

通过对富县、彬长探区中生界延长组储层110井次的瞬时停泵压力统计（图3），结果表明储层埋藏深度越深，瞬时停泵压力梯度越小，大体可以分为三个阶段：

（1）0～500 m：停泵压力梯度大于0.025 MPa／m；

（2）500～800 m：停泵压力梯度在0.025 MPa／m上下变化；

（3）＞800 m：停泵压力梯度基本小于0.025 MPa／m，且比较集中。

图3 瞬时停泵压力梯度与埋藏深度关系

根据岩石密度计算富县和彬长探区上覆岩层最大应力梯度约为0.023～0.025 MPa／m，通过将此数据与井底瞬时停泵压力梯度对比，综合分析认为该区储层埋深大于800 m以垂直缝为主，小于500 m基本为水平缝，500～800 m之间各种形态裂缝均可能产生。

2.1.3 构造

富县探区受渭北隆起的挤压，构造应力增加，使储层三向地应力明显升高，岩石破裂压力升高，使压裂裂缝形态趋于复杂化，可能在缝口形成水平缝，随着人工裂缝进一步延伸，逐渐转向高角度斜交缝或垂直缝。

2.1.4 储层非均质性

富县探区中生界储层有效厚度小，储层纵向以砂泥岩互层为主要沉积特征，岩性变化大，砂岩层最小主应力比相邻泥岩夹层小1～3 MPa左右，岩石力学参数也有明显的变化，这说明在储层三向地应力差异较小时（＜5 MPa），压裂裂缝形态向着有利于水平缝的方向发展。

2.1.5 岩石抗张强度

岩心观察表明，富县探区延长组储层层理构造发育，受沉积成层及水平层理的影响，沉积岩石的垂向岩石抗张强度要远小于横向抗张强度，这有利于水平缝的形成。

2.2 人工裂缝形态验证

为了验证鄂南区块富县彬长探区的人工裂缝形态，前期选取了部分井进行了井温测试和地面微地震监测。

2.2.1 井温测井

2011年，对2口直井（长2和长6储层）进行了井温测井（图4和图5），从井温测井曲线可以看出B井长6储层压后形成了垂直裂缝；对于A井长2储层压后形成了水平裂缝。

2.2.2 地面微地震法

图4 A井长2油层井温测井曲线

图5 B井长6油层井温测井曲线

2011年，采用地面微地震法对三口井进行了裂缝监测（表2），监测结果表明C井埋深148.5～150.0 m，压后形成水平缝；D井埋深910～913 m，E井埋深956.5 m，压后均形成垂直缝。监测结果表明前期对鄂南延长组储层裂缝形态的研究结果是正确的。

表2 地面微地震法裂缝监测结果

3 结论及建议

（1）通过对鄂南区块富县和彬长探区人工裂缝形态研究，初步认为当储层埋深大于800 m时以垂直缝为主，小于500 m时基本为水平缝，而500～800 m之间时各种形态裂缝均可能产生。但考虑构造、储层非均质性和岩石抗张强度等影响，对于浅层，可能在缝口形成水平缝，随着人工裂缝进一步延伸，逐渐转向高角度斜交缝或垂直缝。

（2）对于浅层储层而言，水平缝的形成不可避免，为了尽量减小水平缝对压裂效果的影响，建议从布井方式、完井方式、压裂工艺和施工参数等方面总体考虑，整体部署，在最大程度上增加裂缝的复杂性或裂缝的体积以提高单井产量。

［1］李颖川.采油工程［M］.北京：石油工业出版社，2002.

［2］唐涛.地应力扰动场研究及其对人工裂缝形态的影响初探［J］.油气田地面工程，2009，28（3）：23－25.

［3］蒋廷学，王欣.由瞬时停泵压力估算裂缝闭合压力的现场方法研究［J］.大庆石油地质与开发，1999，18（3）：42－45.

［4］蒋廷学，汪永利.由地面压裂施工压力资料反求储层岩石力学参数［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（14）：2424－2429.

［5］巩磊，曾联波，李娟，等.南襄盆地安棚浅、中层系特低渗储层裂缝特征及其与深层系裂缝对比［J］.石油与天然气地质，2012，33（5）：778－784.

［6］周密，梁景伟，郭显赋，等.断块油藏水平井压力动态模型［J］.断块油气田，2011，18（1）：74－77.

［7］程百利.腰英台油田压裂改造工艺技术研究［J］.断块油气田，2011，18（1）：123－125.