高应力差裂缝储层缝网压裂技术可行性研究及应用

张 勇, 王志晟, 甘宇明, 何金鹏, 雷丰宇, 郭子义

(1青海油田分公司钻采工艺研究院 2青海油田分公司监督监理公司)

缝网压裂技术的突破使煤层气、页岩油气和致密油气等低渗透储层得到了有效开发[1-2]。缝网压裂的影响因素较多，主要包含储层应力差、岩石脆性、裂隙发育程度和角度等[3]。目前大量研究表明储层应力差小，岩石脆性指数高，储层裂隙发育等有利于缝网的形成[4]。近年来低渗透油藏逐渐成为青海油气田增储上产的重要组成部分，主要以南翼山、乌南、七个泉、扎哈泉、砂西等油藏为代表，其缝网压裂相关物性参数见表1。常规压裂改造程度低、措施后效果不明显，开发效益差[5-6]。

表1 青海油田低渗油藏缝网压裂相关参数

通过表1可以看出，以英西区块为代表的青海油田具有典型的高应力差、裂缝发育特征。目前对于高应力差下天然裂缝发育的储层是否能够形成缝网研究较少。针对该问题，本文开展高应力差下缝网压裂的可行性机理研究。

图1 水力裂缝和天然裂缝相交示意图

一、天然裂缝起裂模型研究

当水力裂缝延伸遇到天然裂缝时，裂缝的延伸方向与天然裂缝的壁面的受力状态、缝内净压力、岩石内聚力等有关[7]。水力裂缝遇到天然裂缝时会出现两种情况[8]：①穿过天然裂缝继续延伸；②沿着天然裂缝继续延伸。研究表明，天然裂缝开启方式又可以分为张开起裂和剪切起裂两种类型。剪切起裂是指应力状态的改变，导致裂缝壁面产生剪切滑动的一种起裂模式[9],如图1示意。

建立人工水力裂缝与天然裂缝相交时的示意图，如图1所示。地层的最大、最小水平主应力分别为σH和σh;水力裂缝与天然裂缝之间的夹角为逼近角度，记为θ；沿天然裂缝方向的正应力为σ和切应力为τ。根据弹塑性力学知识可以得出天然裂缝壁面处的应力分量如式(1)：

(1)

缝内的液体压力为最小水平主应力与缝内净压力之和。另外当水力压裂与天然裂缝相遇时刻，两条裂缝之内的液体压力近似相等。水力裂缝内的液体压裂为σh+σt+Δp，则可以得到天然裂缝内的净压力表达式(2)：

Δσ=σh+σt+Δp-σn

(2)

式中：Δσ—天然裂缝内净压力；σt—岩石抗拉强度；Δp—水力裂缝内净压力。

天然裂缝剪切破坏判据：当作用在壁面上的剪应力高于裂缝壁面阻止剪切滑动应力时，裂缝发生剪切破坏。

|τ|>τ0+Kf·Δσ

(3)

式中：τ0—岩石的内聚力;Kf—缝面的摩擦因数。

将式(1)和式(2)代入到式(3)整理得到：

(4)

整理式(4)可以得到式(5)：

(5)

以青海油田跃东区块储层物性参数为例，计算天然裂缝发生剪切破坏的情形。其中剪切应力摩擦系数为0.7，储层岩石的内聚力为7 MPa，岩石抗拉强度2 MPa，计算0～6 MPa缝内净压力情况下的逼近角广度变化情况，计算结果如图2。

天然裂缝与水力裂缝夹角的范围称为逼近角广度。结果显示,当天然裂缝发生剪切破坏时，不同缝内净压力的情况下，最优逼近角出现在某一合适的角度，逼近角度的过高或者过低均不利于天然裂缝发生剪切破坏。当缝内净压力由2 MPa提高至6 MPa时，天然裂缝逼近角广度明显提高。缝内净压力为2 MPa时，最优逼近角广度范围为17°～42°；缝内净压力为6 MPa时，最优逼近角广度范围为8°～52°。表明提高缝内净压力可以使更广泛的天然裂缝开启。

图2 天然裂缝剪切破坏时逼近角广度图

图3 天然裂缝剪切破坏时缝内净压力变化

图3所示对于不同应力差条件下，随着逼近角广度的增加，天然裂缝开启所需的净压力的变化趋势相同。当逼近角在20°～30°之间时使天然裂缝发生开启的净压力较低。结果表明，对于应力差分为4 MPa、8 MPa、12 MPa、16 MPa，天然裂缝发生剪切破坏的缝内净压力分别为7 MPa、5 MPa、3.8 MPa、2 MPa。即随着最大、最小应力差增加，使天然裂缝发生剪切破坏所需要的缝内净压力降低。

二、工艺措施及效果措施

缝内净压力受主应力剖面、弹性模量、泊松比、断裂韧性、黏度和施工排量等参数控制[10-11],根据翁定为、袁征等人研究，优选合适的低砂比段塞能够起到封堵微裂缝，提升缝内净压力的作用[12-13]。前置液阶段形成主缝后，进行低砂比段塞交替泵注封堵微裂缝。携砂液阶段对主裂缝进行加砂支撑，最终形成缝网[14-16]。

狮41H3井是英西油田的一口水平井，该区天然裂缝发育，岩矿分析脆性矿物约占74.9%，脆性指数为66%。该井最大、最小水平应力差范围：9.3～16.1 MPa，平均为13.6 MPa。对5 009～5 073 m井段进行改造施工。本井采用大液量、高排量，多级脉冲暂堵压裂工艺进行提高缝内净压力施工，尽可能的开启天然裂缝。

图4 狮41H3井压裂施工曲线

图5 狮41H3井压降测试曲线G函数分析

本井施工期间低砂比阶段液体为滑溜水，通过图4可以看出，本井在施工排量为6 m3/min时，施工压力约90 MPa平稳延伸。通过软件计算本井的闭合压力为107.2 MPa。由此可以计算出本井施工期间井底净压力约为9 MPa。本井平均应力差为13.6 MPa，借鉴图3可以初步判断本井施工净压力可使广泛角度的天然裂缝发生剪切破坏。

另外，对本井压降曲线进行G函数显示本井闭合特征明显，测定闭合压力为107.17 MPa，闭合时间为11.8 min。与过原点的切线相比，地面压力Gd/dG曲线具有明显的上凸现象(见图5)。这表明压裂施工期间存在多裂缝开启的现象。上述现象说明了高应力差裂缝储层提高缝内净压力方式开启天然裂缝的可行性。

三、结论

(1)本文给出了一种天然裂缝开启的数学模型。模型计算结果显示：提高施工净压力可以使更广泛角度的天然裂缝发生开启；另外，对于天然裂缝发育储层，高应力差利于触发天然裂缝发生剪切破坏。

(2)对狮41H3井进行压裂改造并对本井测压降数据进行G函数分析(图5)，结果显示该井具有明显的工艺特征。验证了高应力差裂隙储层的缝网理论的合理性和提高净压力缝网工艺的可行性。

大量研究表明，主应力差的减小利于形成缝网。然而对于高应力差储层是否能够形成缝网，研究相对较少。通过上述研究显示，对于应力差较大，天然裂缝发育储层可以通过开启天然裂缝的方式进行缝网改造。且采取提高净压力的工艺方式利于缝网的形成。该研究可为柴达木盆地的增产改造提供参考。