水力压裂设计的新模型和新方法

翁定为　付海峰　梁宏波

1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院压裂酸化中心　2.国家能源致密油气研发中心储层改造部

水力压裂设计的新模型和新方法

翁定为1,2付海峰1,2梁宏波1,2

1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院压裂酸化中心2.国家能源致密油气研发中心储层改造部

翁定为等. 水力压裂设计的新模型和新方法.天然气工业，2016,36(3):49-54.

压裂设计是水力压裂技术的核心，由于非常规储层的特殊性，使得压裂设计面临一系列的挑战。为此，梳理了国内外压裂设计各环节的新模型和新方法，并分析了其发展方向。压裂设计的新模型和方法主要分布在储层描述、水力裂缝刻画、水力裂缝优化以及水力裂缝模拟等4个方面，其中储层描述主要是在创新参数获取基础上建立新的地质力学模型；水力裂缝刻画主要体现在开发新方法，并结合物理模拟实验认识，提高现有监测手段的准确性；水力裂缝优化方面主要进展是挖掘储层与流体的相互作用，并通过规律性描述，形成新型的油气藏数值模拟软件；水力裂缝模拟主要通过方法创新，研发新型的适用于水平井分段多簇压裂的裂缝数值模拟器。因此，建议国内同行在坚持工具、设备等硬件投入的基础上，加强基础研究，力争在各种评价模型和软件方面取得突破，从而提高压裂设计的科学性，进而实现非常规油气藏的高效经济开发。

水力压裂 压裂设计 储层描述 裂缝刻画 水力裂缝优化 裂缝模拟 数学模型 国内外

压裂设计是水力压裂技术的核心，是水力压裂施工的灵魂，也是非常规储层经济高效开发的关键之一。水力压裂设计技术经过近70年的发展，取得了许多认识，并建立了广为接受的设计方法[1-3]：在储层评价的基础上，一方面建立水力压裂油藏数值模拟模型，模拟不同裂缝参数下的油气井产量，建立裂缝参数与产量和经济收入的相关关系；另一方面建立压裂裂缝模型，模拟不同施工参数下的裂缝参数，建立裂缝参数与水力压裂施工参数和经济投入的关系；综合两者则可建立裂缝参数与净收益的相关关系，从而得到油气田生产所需的水力裂缝参数，制订水力压裂实施方案。压裂设计的目的是通过优化确定匹配储层需求的水力裂缝，设计出可执行的实施方案，并最终在储层中“制造”出需要的水力裂缝。但由于非常规储层的特殊性，造成压裂设计面临着一些挑战，主要有以下4个方面[4-5]：①准确描述需改造储层的难度大，包括储层的纵横向分布、物性、岩性、岩石力学性质、应力等；②准确刻画水力裂缝形态的难度大，包括对裂缝长度、宽度、高度、分支缝、复杂裂缝的刻画；③适用于各种非常规储层的压裂油气藏工程模型及软件；④适用于各种非常规储层的裂缝模拟模型软件以及各种施工配套技术。但近年来，国内外研究在以上4个方面取得较大突破，特别是国外大型服务公司，针对非常规储层的开发都推出了一体化的增产设计理念，从最初的地质研究、盆地模拟到钻井、储层评估、压裂等各个环节紧密相连，各种模型可以实现无缝对接，从而最大限度地认识储层，提高油气开发效果。

1　储层评价新进展

1.1认识储层的新工具与新方法

对于非常规储层而言，储层评价一方面是评价每口井井筒附近的储层特征；而另一方面，评价储层在整个平面上的分布，以及平面上各关键特征参数的分布。为此，一方面是研发新的工具和设备来评价各关键参数，如方位聚焦电阻率（AFR）工具和方位深度读取电阻率（ADR）工具用来研究在3 000 m水平井中的天然裂缝聚集区和岩石力学性质的变化[6]，AFR成像测井在美国Bakken油田应用，证实超过839段裂缝在4个裂缝聚集区内，而通过ADR工具证实大约40%的水平段在产层甜点区。而对于第二方面，目前，多位学者尝试通过微地震与地震数据叠合解释储层的岩石力学性质、天然裂缝分布等[7]，并建立与产量的相关性，取得了不错的应用效果。

1.2评价储层的新模型

目前，由于在非常规储层特别页岩气以及富含液态烃的页岩开发中，出现了大量经典理论模型与现场实际开采不一致的情况，许多研究机构推出了许多新的更接近储层实际的模型。如地应力场模型，岩石力学参数和地应力场评估是压前储层评估最为重要的方面，在常规储层中地应力场模型常用的是各向同性模型，而在非常规储层特别是页岩储层由于其强烈的非均质性。因此在计算应力时多采用垂向非均质平面均质应力场模型（VTI）[8-9]或者各向异性模型。其中各向异性模型由于需求解的参数太多，难以根据现有测井数据计算地层应力，实用性较差，应用相对较少。VTI模型由于考虑了纵向上的非均质性，且能根据现有测井资料求解，因此应用较为广泛。如图1所示，在该模型中，需要5个独立的声波速度，一般是垂向横波速度、垂向纵波速度、平面横波速度、平面纵波速度和45º方向的纵波速度，来求解得到5个弹性参数，如式(1)所示，其中C12=C11－C66。得到弹性参数后，再根据式（2）～（4）求取岩石的平面模量、泊松比以及垂向杨氏模量、泊松比。最后再根据公式（5）求解得到储层的最小水平主应力。

图1　垂向非均质平面均质应力场模型示意图

式中σij当i=j时表示正应力，MPa，当i≠j时表示为剪应力；εij当i=j时表示正应变，当i≠j时表示剪应变；Cij表示弹性系数；Eh和Ev分别表示水平和垂直方向的杨氏模量，MPa；vh和vv分别表示水平和垂直方向的泊松比；σh表示水平方向的最小主应力，MPa；σv表示垂向主应力，MPa；pp表示孔隙压力，MPa；α表示孔隙弹性系数；σt表示构造应力，MPa。

实际应用中，由于测井通常获取的声波速度只是垂向即井筒方向的纵波和横波速度。因此常用的办法是用垂向的横波和纵波速度，根据经验公式计算得到其他两个方向的3个声波速度，再计算各弹性参数、垂向杨氏模量、泊松比以及平面岩石模量、泊松比，最后得到连续的最小主应力剖面。在此过程中，需要根据岩心实验数据对经验公式进行校正。

2　裂缝认识新进展

2.1认识裂缝的新工具与新方法

行业内已开发了多种压裂监测方法用于刻画水力裂缝，包括测斜仪、微地震、测井技术（放射性追踪、温度测井、生产测井、井眼成像、井下电视）、试井、生产分析等。表1给出了目前常用的水力压裂直接监测方法能够描述的裂缝参数，由表1可知，采用现有方法，可以对水力裂缝在储层内的范围、裂缝发育的方向、大小进行追踪和定位，但同时也应该注意到，各种方法的监测结果常出现无法统一的局面，说明这些直接监测方法仍需完善。

表1　现有压裂监测方法解释参数对比表

目前压裂监测的发展方向主要有两个：一是开发新的设备或者将已有设备联合起来提高裂缝反演的准确度，如干涉合成孔径雷达（InSAR）与微地震的联合使用监测裂缝形态以及裂缝长期形态的变化[10]；而另一方面则更为重要，即对于各种已有监测方法，研发或者完善解释模型，提高已有监测手段对裂缝刻画的准确性。

微地震方面，把微地震结果和地质构造、裂缝联系起来，利用微地震精确定位和矩张量反演，可深化对水力压裂裂缝的形态和特征的认识。可利用的微地震信息包括：微地震特征参数（如能量、事件数、G-R统计的b值、发震时间等参数）、全波形信息（可进行定位、利用波形获得的源参数，即矩张量反演）。通过微地震定位能实时监测裂缝发展，微地震波形、振幅信息可以提供破裂机制[11-13]。

微形变方面，通过对等效裂缝容积与施工液量、水力裂缝系统中水平分量与垂直分量大小和所占比例的相对关系分析，建立了注容比、分量体积差异率、裂缝复杂指数3个新的参数表征裂缝的复杂程度，采用新参数计算的等效裂缝体积结果与压裂压力分析和微地震监测结果有较好的一致性，与压降速率、延伸梯度正相关程度较高。

在井温测井方面，采用分布式光纤（DAS）监测，可以实现对裂缝起裂位置和裂缝的相对大小有比较直观的认识，在此基础上，通过建立模型，拟合连续温度剖面，实现对裂缝形态（缝长和导流能力）的认识[14]。

2.2认识裂缝的物理模拟实验

物理模拟实验是认识裂缝的重要手段，国内外研究机构一直高度重视相关研究[15]。但物理模拟实验研究也面临边界效应影响、相似性不高等挑战，为此开发了大尺度的物理模拟实验装置。国内大型物理模拟装置的实验岩样尺寸为762 mm×762 mm×914mm，最高加载围压69 MPa，最大孔隙压力20 MPa，同时可采用24通道实时声发射监测裂缝扩展。近年来通过大量实验取得了较好的规律性认识。如针对致密砂岩储层，认识到裂缝形态主要取决于天然裂缝、应力场和净压力匹配关系，其中形成复杂裂缝最重要的影响因素是天然裂缝或者胶结弱面。如图2所示，在天然裂缝发育岩样，水平主应力差为0的情况下，压裂呈网状裂缝形态；而在天然裂缝不发育岩样，水平主应力差为0的情况下，压裂裂缝是单一裂缝，但裂缝有转向和弯曲；而对于天然裂缝不发育岩样，水平主应力差为7 MPa情况下，压裂为平面裂缝。

同时，图2-a中岩样的缝内净压力为5～26 MPa；而对于裂缝不发育岩样，缝内净压力一般为1～3 MPa。

综上可知，天然裂缝是形成复杂裂缝形态的核心因素，而净压力是评价裂缝复杂参数的有效参数。

图2　不同类型致密砂岩岩样大型物理模拟实验结果图

3　新型的油气藏数值模拟模型及软件

非常规油气藏数值模拟的主要挑战有：①如何将地质力学对水力裂缝认识输入到油气藏模型中；②如何根据储层认识建立双孔双渗模型；③如何考虑复杂介质中的多相流；④如何考虑渗析、渗吸、吸附、克努森效应等[16]；⑤非达西效应[17]。目前，有学者建立了针对页岩储层的三重孔隙—裂缝—基质模型，模型中有机和无机物质充填在相互连通的裂缝网络内，同时考虑基质润湿性、毛细管压力、相对渗透率和渗吸压等，模拟了部分页岩气储层存在压裂后关井产气量增加的现象[18]。

4　新型的水力裂缝模型软件及施工配套技术

4.1新的水力裂缝模型

非常规储层特别是页岩油气储层，水力裂缝模拟的难点主要有：三相介质（岩石基质、干酪根和流体），有机质中连通孔的保存，岩石力学和岩石物理的新模型，岩石/流体的相互作用（水为何不伤害储层渗透率），水平井多条裂缝扩展时的应力场变化等[19]。因此新型的水力裂缝扩展软件，需要具备的功能主要有：①储层各参数如杨氏模量、泊松比、应力、断裂韧性、孔隙压力、滤失系数等的非均质描述；②多种液性的注入，并且考虑支撑剂浓度、温度和时间的流体流变性；③水力裂缝间的应力干扰；④沿射孔眼分布的流体分配井筒力学等。目前新出现的代表有FrackOptima软件，该软件采用边界元方法，其非平面的三维数值模拟器可用于模拟层状非常规油气藏中，分段多簇水力压裂施工的裂缝扩展过程[20]。图3所示是该软件模拟了由于产层隔层应力差异以及缝间间距小而形成的非均匀扩展的裂缝形态和裂缝间的相互干扰弯曲结果。图4所示是水平井加载微地震监测结果的裂缝形态分析，一种颜色的点代表一段的微地震事件分布。

此外，通过对有限元方程组改造，大大减少网格单元数量，从而实现对水力裂缝扩展的模拟。由于有限元方法在迭代过程中即实现了对动态应力场的描述，因而在水力裂缝扩展路径，特别是多条裂缝同时扩展水力裂缝的相互干扰方面具有极大的优越性[21]。

图3　水平井单段多簇模拟裂缝形态图

图4　微地震监测结果与裂缝形态的叠合分析图

4.2新的施工配套技术

为了提高非常规储层水平井分段多簇改造的有效性和改造效果，常采用提高井底和缝内压力的方法，具体做法是采用某种封堵剂或者多种封堵剂的组合，如纤维、大粒径支撑剂、封堵球等，封堵射孔孔眼或者桥堵裂缝，人为造成流动困难，强迫流体转向，以打开新的射孔簇或者形成分支裂缝，代表技术有宽带（Broadband）技术等。

许多施工配套技术在持续研发中，如脉冲压裂，即以高功率脉冲技术为基础，利用液电效应原理，在井筒有限的区域形成极端的物理环境，以点源方式产生强冲击波，直接或穿透套管作用于储层。经室内试验证实，脉冲的峰值压力足以破裂岩石[22]。此外，爆燃压裂等技术近年来也取得较大进展。

其他工艺技术如CO2压裂技术在国内也处在进一步探索阶段[23-25]，该类技术除了能增加地层能量之外，还能降低对储层的伤害，具有较好的应用前景。

5　结论与启示

1）水力压裂是非常规储层开发的关键技术，而压裂设计是水力压裂的核心，压裂设计的任务是在认识储层和裂缝形态的基础上，实现裂缝与储层的匹配，并通过现场实施将需要的裂缝“放置”到储层中。

2）储层评价模型如层状非均质平面均质模型，油气藏数值模拟模型以及水力裂缝模型是压裂设计的重要组成部分。

3）国内除了要坚持开发工具、设备来进一步评价储层和刻画裂缝外，更应该加大基础研究，在地质力学模型、水力裂缝模型以及油气藏数值模拟模型等各方面取得突破，从而提高压裂设计的科学性，实现非常规储层的高效经济开发。

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New models and methods for hydraulic fracturing design

Weng Dingwei1,2, Fu Haifeng1,2, Liang Hongbo1,2
(1. Fracturing and Acidizing Center, Langfang Branch of PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Langfang, Hebei 065007, China; 2. Stimulation Department of National Energy Tight Oil and Gas R&D Center, Beijing 100083, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 3, pp.49-54, 3/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Fracturing design is the core of hydraulic fracturing technologies. The particularity of unconventional reservoirs brings about challenges to the fracturing design. In this paper, the development direction of fracturing design was analyzed after new models and methods for fracturing design all over the world were investigated. These new models and methods mainly involve reservoir description, and fracture depiction, optimization and simulation. Reservoir description mainly involves a new geomechanical model built based on the acquisition of innovation parameters. Fracture depiction focuses on new method development to increase the accuracy of the existing monitoring means based on physical simulation experimental results. Progress in fracture optimization focuses on the interaction between reservoirs and fluids and the development of new numerical reservoir simulation models on the basis of law description. Hydraulic fracture stimulation involves the research and development of new numerical fracture simulators suitable for multi-stages and multi-clusters fracturing in horizontal wells by means of innovative methods. It is strongly recommended to strengthen basic research and try to realize breakthroughs in terms of various evaluation models and software so as to improve the quality of fracturing design and develop unconventional resources efficiently and economically in China while the investment on tools and equipments are guaranteed.

Hydraulic fracturing; Fracturing design; Reservoir description; Fracture depiction; Hydraulic fracture optimization; Fracture simulation; Mathematical model; Domestic and overseas

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.03.007

国家科技重大专项“低渗、特低渗油气储层高效改造关键技术”（编号:2011ZX05013-003）。

翁定为，1981年生，高级工程师，博士；从事压裂工艺方面的研究工作。地址:（065007）河北省廊坊市44号信箱。电话: （010）69213147。ORCID:0000-0003-3482-449X。E-mail:wendw69@petrochina.com.cn

2015-10-14编 辑韩晓渝)