致密储层地层参数对体积压裂缝网的影响研究

郭小哲

(中国石油大学(北京)石油工程学院，北京102249)

赵刚，刘学锋

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300450)

王晶，孔祥明，江彩云

(中国石油大学(北京)石油工程学院，北京102249)

致密储层地层参数对体积压裂缝网的影响研究

郭小哲

(中国石油大学(北京)石油工程学院，北京102249)

赵刚，刘学锋

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300450)

王晶，孔祥明，江彩云

(中国石油大学(北京)石油工程学院，北京102249)

针对致密储层的关键地层参数如何影响水平井体积压裂缝网效果这一问题,应用岩石力学参数计算方法和储层压裂裂缝启裂和延伸基本原理,建立了岩石脆性系数、水平应力差异系数、天然裂缝密度3个地层参数对缝网影响的模拟模型，计算和评价了页岩储层的缝网效果，分析了3个地层参数不同情况下对缝网的有效压裂体积、增产储层体积、增产储层体积百分比等参数的影响变化规律，算例分析认识到：岩石脆性系数越大或者水平应力差异系数越小，分支缝密度会越大，缝网区域半长相反越小，早期生产优于后期；天然裂缝密度越大，近井缝网沟通越密集，缝网区域外仍可参与渗流，由此可弱化缝网半长。模型的建立和参数影响分析可以为现场提供参考依据。

体积压裂；致密油；页岩气；裂缝；岩石力学；渗流

致密储层或者页岩储层有效开采的关键是大型压裂，亦即产生复杂缝网的体积压裂[1，2]。储层开发的效果决定于缝网的形态，而缝网又受到复杂因素的影响，其中的地层因素又是关键因素，在地层因素对缝网形态影响的研究中已经有较多的突出成果，倪小明等[3，4]研究了地应力对裂缝形态的控制；唐梅荣等[5～7]通过建立物理模型研究了岩石力学参数对缝网形态的影响；杜成良等[8，9]综合分析了缝网影响因素；关于考虑岩石脆性系数和水平应力差异系数对裂缝网络影响的研究，夏宏泉等[10]做了力学实验，胡永全等[11]研究了控制条件。结合其他文献资料[12～19]，笔者认为影响缝网形态的地层因素主要是天然裂缝、地层脆性系数和水平应力差异系数。

1 天然裂缝影响缝网模型

图1 压裂裂缝的延伸规则

当人工裂缝与天然裂缝相交时，相比新裂缝而言，开启天然裂缝更容易，但有时仅仅是穿过，并没有开启，这与地应力、压裂液摩阻等有关，更与夹角有关。为了区别于水平地应力差异影响，天然裂缝的影响模型采用简化处理[20，21]，用压裂裂缝和天然裂缝的夹角θ判断裂缝延伸方向，若θ在30°和150°之间时(如图1中θ1的情况)，裂缝沿着天然裂缝方向朝两侧延伸，整个天然裂缝全部被开启；若θ小于30°或大于150°时(如图中θ2的情况)，裂缝只沿着背离井筒方向延伸，天然裂缝则只开启一部分；当压裂液延伸到天然裂缝尽头时，压裂裂缝会继续沿着最大水平主应力的方向延伸，开启新的裂缝。当再次遇到天然裂缝时，再执行判断准则，由此形成由人工裂缝和天然裂缝构成的裂缝网络。

2 脆性系数影响缝网模型

致密或者页岩储层中硅质和钙质含量直接影响着储层中岩石的脆性：硅质和钙质含量越高，地层的脆性系数越大；反之，脆性系数越小。随着地层脆性系数的增加，压裂时岩石的破裂形态越复杂，越容易形成复杂的裂缝网络系统；同时，脆性系数高的地层天然裂缝越发育，缝网沟通效果越好，由此也越有利于储层改造。

Rickman[22]提出了岩石脆性系数计算方法，其一是应用岩石矿物成分计算公式：

另一方法是采用弹性模量与泊松比计算岩石脆性：

图2 泊松比、弹性模量与脆性系数的关系图

式中：BRIT-T为总脆性参数，1；Vsy为岩石中石英体积分数，1；Vtsy为岩石中碳酸盐体积分数，1；Vnt为岩石中黏土体积分数，1；BRIT-E为弹性模量对应的脆性参数分量，1；E为岩石弹性模量，104MPa；Emax、Emin分别为岩石最大、最小弹性模量，104MPa；BRIT-ν为泊松比对应的脆性参数分量，1；ν为岩石泊松比，1；νmax、νmin分别为岩石最大、最小泊松比，1。

依据脆性系数公式，可计算得到岩石脆性系数与力学参数的相关关系(如图2所示)，由图可知高弹性模量和低泊松比下储层脆性系数高，越容易形成复杂裂缝网络。

3 水平应力差异系数影响缝网模型

在形成垂直人工裂缝的储层中，裂缝一般沿着最大水平主应力方向延伸，但当最大水平主应力接近甚至等于最小水平主应力时，地层各个方向的破裂压力差别不大，各个方向都容易开启裂缝，由此易于形成裂缝网络；相反，当水平应力相差较大时，裂缝主要沿一个方向延伸，从而不易形成裂缝网络。

3、城镇边界监测。监测结果表明：2012、2015、2017年提取的城市开发边界面积分别为亩17334.07亩、17541.21亩、20886.55亩。通过扩张强度分析发现，2015-2017年江华县的扩展强度明显要高于2012-2015年度的扩展强度，其原因主要是由于涔天河水库扩建的移民安置建设。

水平应力差异系数定义为：

图3 随机分支缝起裂及延伸示意图

式中：σH为最大水平主应力，MPa；σh为最小水平主应力，MPa；kh为水平应力差异系数，1。

4 综合因素影响缝网模型

综合考虑以上3个关键地层参数对缝网的影响模型，设置如下：

脆性系数和水平应力差异系数都对分支缝具有控制作用，采用调和平均方法确定随机假想裂缝位置和长度，则随机范围和裂缝长度为：

式中：LR为产生分支缝范围，m。

裂缝沿着最大水平主应力方向延伸时，首先计算LR，然后在分支缝范围内判断是否存在天然裂缝，若存在则依据天然裂缝开启原则造缝，若不存在则在该范围内随机设置假想天然裂缝，其方向与天然裂缝方向一致。

5 压裂模拟及压裂效果对比

5.1 压裂效果分析

对某页岩气储层压裂进行模拟，采用的储层参数如表1所示，并对模拟结果进行分析。

表1 某页岩气储层缝网模拟参数

图4 压裂缝网模拟图

图5 脆性系数与缝网压裂效果关系

计算得岩石脆性系数为45.8，水平应力差异系数为0.33，2个参数均在易产生分支缝的参数范围之内，天然裂缝按给定密度和长度在储层中随机分布(密度和长度为给定值正态分布，位置随机分布)，应用编程将压裂后的裂缝网络进行模拟，结果如图4所示。

除了应用增产储层体积评价压裂效果外，再定义以下2个指标[22]：①有效压裂体积——缝网波及区域，即缝网区域内储层体积；②增产储层体积百分比——有效压裂体积中增产储层体积所占比例。则模拟后的结果为有效压裂体积为2353×104m3，增产储层体积为1835×104m3，增产储层体积百分比为77.99%。结果说明该储层经压裂后具有较大范围的缝网区域，而且增产储层体积比例较大，压裂总体效果良好。

5.2 缝网效果影响因素分析

对影响缝网的3个关键地层参数(脆性系数、水平应力差异系数和天然裂缝密度)分别进行定量分析。

5.2.1 脆性系数的影响

设水平应力差异系数为0.33，天然裂缝密度为2条/m，压裂施工参数不变，通过改变储层的脆性系数进行缝网模拟，结果如图5所示。由模拟结果可以看出：①有效压裂体积和增产储层体积随着储层脆性系数的增大而减小，产生这样结果的原因是脆性系数越大，主裂缝和分支缝在向远离井延伸过程中的随机分支密度变大，导致近井岩石破碎严重，人工裂缝分布密度较大，缝网区域半长减小，由此产生的有效压裂体积和增产储层体积都相应减少；②增产储层体积百分比随着储层脆性系数的增大而增大，缝网区域变小，有效压裂体积内裂缝密度增大，增产储层体积百分比也会增大，体现了缝网区域内的储层压裂效果较好，尤其是对能量损失较为集中的近井地带，缝网沟通效果越好越有利于水平井生产，但生产后期会受到缝网区域的限制而呈现不利形势；③对于脆性系数较大的储层，分支缝密度会明显较大，近井改善效果会很好，对于远井可以适当加大压裂排量和压裂液注入量以便增大缝网区域。

5.2.2 水平应力差异系数的影响

图6 水平应力差异系数与缝网压裂效果关系

图7 天然裂缝密度与缝网压裂效果关系

设脆性系数为45.8，天然裂缝密度为2条/m，压裂施工参数不变，通过改变地层水平应力差异系数进行压裂模拟，分析水平应力差异系数对裂缝网络沟通效果的影响，结果如图6所示。由图6可知：①水平应力差异系数越大，压裂缝网范围逐渐扩大，但是增产储层体积增长幅度小于有效压裂体积，增产储层体积百分比逐渐减小，说明如果储层最大、最小水平应力相差很大，则裂缝不易产生分支缝，裂缝容易沿着最大水平主应力方向延伸成单一缝，较难形成裂缝网络，体积压裂效果较差；②对于水平应力较为接近的储层，虽然其有效压裂体积相对较小，但是在有效压裂体积内，裂缝几乎可以波及全部储层(增产储层体积百分比接近100%)，缝网沟通效果较好；③对于储层水平应力差异系数较大的情况，为了加大缝网的充分形成，应增大压裂液的黏度和排量，提高缝内净压力，以便在大排量压裂过程中控制其向前延伸的速度，从而迫使其创造更多的分支缝。

5.2.3 天然裂缝密度的影响

设脆性系数为45.8，水平应力差异系数为0.33，压裂施工参数不变，通过改变天然裂缝密度进行压裂模拟，分析其对裂缝网络沟通效果的影响，结果如图7所示。由图7可知：①天然裂缝密度越大，有效压裂体积和增产储层体积会减小，缝网区域体积减小幅度要大于增产储层体积，由此也造成了增产储层体积百分比逐渐增大，这主要是因为天然裂缝越发育，压裂区域内缝网密度越大，压裂也越破碎，一定的压裂液施工情况下，开启远井区域的程度就比较弱，但开启区域的缝网沟通效果较好；②若天然裂缝密度较大，近井区域的裂缝分布会较密集，有利于先期生产，同时与天然裂缝的沟通也较充分，后期依靠天然裂缝也会获得不错的生产效果，因此，对于天然裂缝发育的地层，能量损耗集中的近井地带得到较好改善，远井地带依赖天然裂缝沟通基质储层，对于扩大有效压裂区域的需求可适当减弱，即不必追求较大的有效压裂体积仍可实现较好的生产效果；③对于天然裂缝不发育的储层，增产储层体积百分比较小(接近50%)，虽然有较大的压裂区域，但压裂区域内的缝网沟通效果较差，若近井地带得不到改善，生产效果仍会较差，因此，对该储层应以扩大近井地带的缝网密度为主要目的，可采用大排量、稍高黏度压裂液进行施工，以便造出更多分支缝。

6 结论

通过所建立的缝网模拟模型，定量分析了影响缝网特征的3个关键地层参数：岩石脆性系数、水平应力差异系数和天然裂缝密度。得到以下结论：

1)岩石脆性系数和水平应力差异系数决定分支缝的密度大小，对具有良好体积压裂条件(岩石脆性系数大、水平应力差异系数小)的储层，近井改善效果较好，压裂区域半长会变小，继而影响单井控制区域，对后期生产可能会有不利影响，改善方法可以在压裂过程中实施2个阶段压裂，一个是先期的近井造缝，另一个可以是后期的扩大缝网区域半长。

2)天然裂缝密度对缝网沟通更具有重要作用，若天然裂缝密度较大，近井可通过人工压裂加密缝网，远井依靠天然裂缝连通基质，其生产效果基本不会受缝网区域半长的影响，若天然裂缝发育较差，压裂缝网区域半长较大，但整体沟通效果要依据分支缝的多少来判断，压裂区域之外渗流能力将会很差。

3)对于致密或页岩储层体积压裂而言，3个地层参数是关键，若3个参数都显示为不利体积压裂，那么应该考虑压裂工艺及压裂参数的综合影响，以便在不利条件下能造出更多的分支缝，但最终效果可能不理想。

本文是校基金项目“页岩气藏压裂水平井气水两相渗流机理研究”(2462015YQ0215)产出论文。

[1]吴奇，胥云，王腾飞，等. 增产改造理念的重大变革——体积改造技术概论[J].天然气工业，2011，31(4)：7～16.

[2] Mayerhofer M J，Lolon E P，Warpinski N R，et al. What is stimulated reservoir volume (SRV)[J]. SPE119890，2008.

[3] 倪小明,王廷斌,接铭训,等. 不同构造部位地应力对压裂裂缝形态的控制[J]. 煤炭学报,2008, 33(5):505～508.

[4] 徐向荣,马利成,唐汝众. 地应力及其在致密砂岩气藏压裂开发中的应用[J]. 钻采工艺,2000,23(6):17～21.

[5] 唐梅荣,赵振峰,李宪文,等. 多缝压裂新技术研究与试验[J].石油钻采工艺,2010,32(2):71～74.

[6] 唐颖,邢云,李乐忠，等.页岩储层可压裂性影响因素及评价方法[J].地学前缘,2012,19(5): 356～363.

[7]张旭,蒋廷学,贾长贵,等.页岩气储层水力压裂物理模拟试验研究[J]. 石油钻探技术,2013,41(2): 70～74.

[8]杜成良,姬长生,罗天雨,等.水力压裂多裂缝产生机理及影响因素[J]. 特种油气藏,2006,13(5):9～21.

[9]赵金洲,任岚,胡永全.页岩储层压裂缝成网延伸的受控因素分析[J].西南石油大学学报,2013,35(1):1～9.

[10]夏宏泉,杨双定,弓浩浩,等.岩石脆性实验及压裂缝高度与宽度测井预测[J].西南石油大学学报, 2013,35(4):81～89.

[11]胡永全,贾锁刚,赵金洲,等.缝网压裂控制条件研究[J]. 西南石油大学学报,2013,35(4):126～132.

[12]Gu H，Weng X.Criterion for fractures crossing frictional interfaces at non-orthogonal angles[J]. ARMA10-198, 2010: 2～6.

[13] 王永辉,卢拥军,李永平, 等. 非常规储层压裂改造技术进展及应用[J]. 石油学报,2012,33(1)：149～157.

[14] Qinghui Li, Mian Chen, Yan Jin, et al. Rock mechanical properties of shale gas reservoir and their influences on hydraulic fracture[J]. IPTC16580, 2013: 2～7.

[15] 刘玉章,修乃岭,丁云宏,等.页岩储层水力裂缝网络多因素耦合分析[J].天然气工业, 2015,35(1):61～66.

[16] 贾利春,陈勉,金衍.国外页岩气井水力压裂裂缝监测技术进展[J].天然气与石油,2012,30(1):44～47.

[17] 郭印同,杨春和,贾长贵，等.页岩水力压裂物理模拟与裂缝表征方法研究[J].岩石力学与工程学报,2014,33(1):52～59.

[18] 衡帅,杨春和,曾义金，等.页岩水力压裂裂缝形态的试验研究[J].岩土工程学报,2014,36(7):1243～1251.

[19] 侯冰,陈勉,王凯，等.页岩储层可压性评价关键指标体系[J].石油化工高等学校学报, 2014,27(6)06:42～49.

[20] 赵金洲,李勇明,王松，等.天然裂缝影响下的复杂压裂裂缝网络模拟[J].天然气工业, 2014,34(1):68～73.

[21]郭小哲，赵刚. 页岩气藏压裂缝网模拟及沟通效果评价[J].特种油气藏，2015,22(1)：99～102.

[22] Rickman R, Mullen M, Petre E. A practical use of shale petrophysics for stimulation design optimization: All shale plays are not clone of the Barnett Shale[J]. SPE115258, 2008.

[编辑] 黄鹂

2016-10-26

郭小哲(1975-)，男，博士，副教授，现从事油气田开发工程的科研与教学工作，mbahgg@163.com。

TE349

A

1673-1409(2017)11-0069-06

[引著格式]郭小哲，赵刚，刘学锋，等.致密储层地层参数对体积压裂缝网的影响研究[J].长江大学学报(自科版), 2017,14(11):69～74.