体积压裂复杂裂缝形态压力响应特征分析

赵晓亮， 廖新维， 王 欢， 赵东锋， 陈晓明， 叶 恒， 李东晖

(中国石油大学(北京) 石油工程学院， 北京 102200)

0 引言

所谓体积压裂又称为体积改造[1-3]，是指在水力压裂过程中，使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络，从而增加改造体积，提高初始产量和最终采收率，如图1所示[4-7].

体积压裂能否形成复杂网络裂缝，除了受体积压裂施工参数影响外，还取决于储集层的岩石性质.储集层岩石的矿物成分会影响岩石的力学性质，从而影响裂缝的起裂方式和延伸路径[8-11].北美页岩压裂实践经验表明，岩石脆性越高，压裂越易形成复杂缝网，随着脆性的降低，压裂裂缝趋近于对称的两翼裂缝[12-14]，如图2所示.对于不同的裂缝形态，将产生不同的渗流规律、压力响应特征及不同的增产效果[14,15].

本研究采用数值试井方法，参考长庆油田典型低渗透油藏体积压裂井施工设计报告，结合油田实际参数，建立了直井体积压裂渗流数值模拟模型，并分析了不同裂缝形态时的压力响应特征，及压力响应曲线的差异，还分析了产生差异的原因.同时，分析了不同储层参数对压力曲线的影响规律，如表皮因子、裂缝半长等.这可为体积压裂压后裂缝形态的监测和评估提供技术参考.

图1 体积压裂裂缝形态

图2 岩石力学脆性与裂缝形态的关系

1 体积压裂直井渗流模型建立

长庆油田典型油藏的体积压裂井存在同层多簇压裂和多层压裂现象.本研究分别建立了体积压裂同层和多层模型.模型分为两翼缝压裂数值模型和裂缝网络数值模型，分别如图3和图4所示.两翼裂缝形态采用局部网格加密技术进行模拟，裂缝网络采用双重介质模型模拟.模型中流体和相渗参数取自区块实际测试数据.

图3 两翼缝压裂数值模型

图4 裂缝网络压裂数值模型

2 压力响应特征分析

2.1 两翼缝时压力响应特征分析

在两翼缝时，建立了三个模型，包括单层压裂、两层压裂、同层多段压裂模型等，模拟结果如图5所示.

体积压裂形成两翼缝时，试井曲线表现为有限导流的压力响应特征.曲线流动阶段分为压力和压导曲线斜率为1的井储段、压导曲线斜率为0.5的裂缝线性流段、压导曲线为水平的油藏径向流和边界响应段.两翼缝试井曲线特征表现为随着压裂簇的增加，早期段、双线性流段出现时间变早；但有无隔层对试井曲线影响不大，如图5(a)所示.

当两层裂缝半长不同时，试井曲线主要差异出现在早期段.随着单层裂缝半长的增加，导流能力增强，线性流段出现时间变早，压力和压力导数曲线右移；其对后期基本无影响，如图5(b)所示.

对于单层的两翼缝模型，随着裂缝半长的增加，早期段影响不大，油藏径向流段随半长的增加出现时间变晚，如图5(c)所示.

随着表皮系数增加，早期段发生明显变化，表皮越大，早期段曲线越向上凸起形成驼峰，峰值大小取决于CDe2S.由于表皮系数S位于指数位置，因此，表皮系数是影响峰值大小的主要因素，如图5(d)所示.

导流能力响应特征表现为随着裂缝导流能力的增加，试井曲线的双线性流特征越来越明显，如图5(e)所示.

(a)两翼缝试井曲线特征

(b)多层压裂时试井曲线特征

(c)裂缝半长对试井曲线的影响

(d)表皮系数对试井曲线的影响

(e)两翼缝试井曲线导流能力响应特征图5 两翼缝时压力响应特征

2.2 裂缝网络时压力响应特征分析

体积压裂形成裂缝网络时，裂缝采用双重介质模型模拟.研究建立了三个模型，包括单层压裂、两层压裂、同层多段压裂模型等，如图6所示.

裂缝网络模型井储段特征明显，导数下降幅度较大；裂缝流动段裂缝网络出现双重介质特征；对于外区流动段，裂缝网络出现较长的过渡段.有无隔层对试井曲线影响不大，如图6(a)所示.

裂缝网络模型试井曲线中晚期表现为径向复合油藏的压力响应特征.当两层裂缝半长不同时，试井曲线早期段压力和压力导数曲线右移，外区径向流出现时间变早，如图6(b)所示.

裂缝半长的增加，对早期段影响不大，径向流段随半长的增加出现时间呈向后推迟趋势，如图6(c)所示.

(a)裂缝网络试井曲线特征

(b)多层压裂时试井曲线特征

(c)裂缝半长对试井曲线的影响

(d)表皮系数对试井曲线的影响

(e)裂缝网络试井曲线导流能力响应特征图6 裂缝网络时压力响应特征

随着表皮系数增加，早期段发生明显变化，表皮系数越大，早期段曲线越向上凸起，如图6(d)所示.

导流能力响应特征表现为随着裂缝导流能力的增加，试井曲线的双线性流特征越来越明显，如图6(e)所示.

2.3 两翼缝和裂缝网络试井曲线特征对比分析

由不同裂缝形态的压力响应特征可知，两翼缝和裂缝网络试井曲线具有明显的区别.由该区别可以评价体积压裂压后储层改造效果.其中,两翼缝和裂缝网络主要区别如图7所示.

(1)井储段：裂缝网络模型井储段特征明显，导数下降幅度较大.

(2)裂缝流动段：两翼缝曲线表现为有限导流特征，裂缝网络出现双重介质特征.

(3)外区流动段：都出现径向流段，裂缝网络出现较长的过渡段.

(4)边界：模型为不渗透边界，两种情况边界响应特征相同.

图7 两翼缝和裂缝网络试井曲线特征区别

3 结论

对于超低渗油藏，因其储层致密、渗透率低，如经体积压裂后形成复杂缝网，将增大改造体积，提高初期产量.

本研究采用数值试井方法，研究了不同裂缝形态时的压力响应特征，并得出以下结论.

(1)根据岩石脆性不同，体积压裂后会形成不同的裂缝形态.如果脆性大，将形成裂缝网络；如果脆性小，将形成以两翼缝为主导的裂缝发育形态.

(2)当压裂形成两翼缝时，压力响应特征表现为明显的有限导流压力响应特征.随着压裂簇的增加，早期段、双线性流出现时间变早；有无隔层对试井曲线影响不大.

(3)当形成裂缝网络时，压力响应特征表现为双重介质和复合油藏的压力响应特征.随着压裂簇的增加，早期段压力导数表现出下凹的特征；有无隔层对试井曲线影响不大.

(4)裂缝网络和两翼缝压力响应特征具有明显的区别，可以根据压力响应特征来判断体积压裂后裂缝的形态.

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