鄂尔多斯盆地东缘太原组转向压裂可行性分析

2021-05-11张红杰张林强杨生文王学强

石油化工应用 2021年4期

王鹏，张红杰，张林强，杨生文，杨琦，王学强

（1.中联煤层气有限责任公司，北京 100101；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

临兴气田位于鄂尔多斯盆地东北部伊陕斜坡东部与晋西挠褶带西部的交界处，整体构造相对平缓，总体为东高西低的单斜构造局部有差异，东边受到紫金山岩体的侵入影响裂缝较为发育。2014年依据高产井建立先导试验区，中联公司在临兴地区设立先导试验区，摸索开发上古生界二叠系太原组～石千峰组致密砂岩气藏。在开发过程中发现致密砂岩气藏压裂后产量递减快，平均产量低。以A井为例，该井是鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东北部构造上的一口二开结构预探井（直井），完钻井深1 900.00 m，完钻层位为奥陶系马家沟组，生产层位为太原组，下套管固井完井。根据测井解释成果太原组有3层气层，所在井段分别为1 790.7～1 792.1 m、1 794.7～1 796.1 m和1 796.5～1 803.7 m，有效厚度为10 m，有效孔隙度平均为5.3%，含水饱和度平均为36.7%，泥质含量平均为14.2%。本井于2016年9月11日进行压裂，共使用压裂液254.29 m3，加砂30.65 m3，平均砂比23.1%，投产后稳产198 d，平均产气量14 400 m3/d，最高产量接近25 000 m3/d，后期产量急剧下降平均不足5 000 m3/d。

目前，针对油气井的增产措施主要有：一是通过酸化解堵等措施消除近井地带的储层污染；二是通过重复压裂技术，封堵后进行转向压裂。临兴气田主要产层为太原组，储层本身为非常规致密气藏产气能力低需压裂改造储层提高产气量，因此转向压裂提高开发效果应用前景广泛，对其转向的可行性进行分析。

1 储层可转性评价方法

为了明确太原组地层重复压裂过程后能否转向，调研国内外地层岩石转向可行性评价方法相关研究成果，确定以地层主应力差值和地层脆性系数两项指标作为转向可行性的评价指标[1，2]。

水平应力差对地层可转性的影响。前人研究认为当重复压裂井井筒及裂缝周围的应力发生重定向时进行重复压裂，新裂缝将可能垂直于初次裂缝缝长方向起裂和延伸，一直延伸到椭圆形的应力重定向边界处，应力场方向恢复到初始应力状态，同时新裂缝将逐渐重新转向到平行于初次裂缝缝长方向继续延伸。根据弹性力学理论和岩石破裂准则，裂缝一般沿最大主应力方向起裂。所以在常规压裂中，处理区域最大主应力值与最小主应力值相差较大时，压裂结果通常是一条沿着最大应力方向的对称主缝。但是，如果处理区域地层应力场中的最大最小主应力差值很小，裂缝的起裂方向就会受地层中天然裂缝影响，压裂裂缝会沿无规则天然裂缝向各个方向延伸，从而形成网状裂缝。杨昕谅等[3]研究认为初始水平地应力差值是控制垂向裂缝是否产生的主要因素之一，差值越大，越不容易产生新裂缝，即使产生了新裂缝，裂缝垂向延伸的距离也很小。根据模型计算得到的极限应力差为6.4 MPa，若初始水平地应力差高于这一极限值，一般不会产生转向新裂缝，而低于此极限值，则有可能产生转向新裂缝，且差值越小，转向裂缝垂向延伸距离越长。因此可以根据储隔层间的水平主应力差来定量评价目的层的可转性。

岩石脆性系数对地层可转性的影响[4]。岩石脆性是指岩石受力破碎时所表现出的一种性质，即当岩石在受力达到特定的极限时突然破裂，而在破裂前自身的塑性变形很小，破裂时全部以弹性能量的形式释放的一种性质。脆性是致密砂砾岩油藏水力压裂设计和施工的重要指标，能够反映储层形成复杂裂缝的能力。目前对脆性的定义尚未形成统一标准，一般认为岩石脆性受矿物组成、力学性能、天然裂缝和地应力条件的控制。岩石脆性研究主要从三个方面开展：（1）岩石矿物成分。利用岩石中脆性矿物含量的比重定义脆性指数，仅考虑了脆性矿物含量，未有效考虑应力状态和成岩作用对脆性的控制作用；另外脆性矿物和延性矿物的界定存在分歧。（2）岩石物理力学特征。Rickman等[5]采用弹性模量和泊松比定义脆性指数，HUCKA等采用岩石抗压强度和抗拉强度评价脆性指数，HONDA等采用硬度来表征脆性，但未考虑岩石应力状态对脆性的影响。（3）岩石全应力-应变曲线。利用岩石破坏过程中应力-应变来反映岩石的脆性。KIVI等指出用一个或几个力学参数对脆性特征进行评估不能有效反映岩石破坏的全部应力-应变响应，且过于简化了岩石破裂的渐进过程。合理的脆性指数必须反映岩石在破坏前后的连续损伤过程，兼顾峰前和峰后阶段。Rickman R等认为岩石脆性系数综合反映了岩石在一定条件下失效与维持裂缝的能力，岩层的脆性系数越高，越容易被压开，并提出页岩气地层脆性计算方法。王成龙等[6]在研究长庆油田姬塬地区岩石脆性时，采用脆性指数进行分析，认为与施工区域实验结果吻合。因此可以根据岩石脆性系数来定量评价目的层的可转性[7]。

2 太原组岩石力学参数计算及转向压裂可行性分析

压裂目的层的地应力和岩石力学参数是影响水力压裂裂缝形态的重要参数，影响着水力裂缝的展布。利用A井测井数据和室内测量实验数据，计算分析压裂目的层岩石力学参数。

泊松比和弹性模量测试。岩石在弹性极限以内的单轴压力作用下，其应力和应变之比近于常数，此比值称为弹性模量，横向应变与纵向应变之比称为泊松比。利用万能材料试验机（600 kN）、静态电阻应变仪、钻石机、切石机、直角尺、电子天平等室内测定应力应变曲线并计算太原组岩心泊松比和弹性模量。首先将端面磨制好的试件置于万能材料试验机按照岩石力学参数测试标准匀速加载，每间隔2 kN逐级测读载荷、纵向和横向应变值，直至试件破坏。分别将纵向和横向二个电阻应变片的测值进行算术平均，求得平均纵向应变和横向应变值最后将实验结果整理得到岩石的泊松比、弹性模量（见表1）。

从表1中可以看出，储层岩石的弹性模量与密度负相关，泊松比与密度正相关。5块储层岩心平均弹性模量为15.25 MPa，泊松比为0.25 MPa。

（1）水平主应力计算及转向压裂可行性分析。由于储层段较长，现场所取岩心均为目的层砂岩岩心，所以水平地应力未进行室内测量，只能利用测井数据结合室内岩石力学测量数据计算。收集该井段的测井原始数据，利用式（1），计算结果如下：太原组压裂目的层最小水平主应力24.9 MPa；最大水平主应力为30.45 MPa，从计算结果可以看出，目的层与上部泥岩最小水平应力差5.55 MPa。

表1 岩心弹性模量、泊松比测试结果

式中：SH-最大水平地应力，MPa；Sh-最小水平地应力，MPa；C0-单轴抗压强度，MPa；Pp-孔隙压力，MPa；ΔP-井底压差，MPa；η -有效应力系数，取1；ω-井壁崩落宽度，可通过成像测井观测出来；φ-内摩擦角，°。

根据文献调研，水平地应力差值与所对应裂缝特征（见表2）。

表2 不同水平应力差下的裂缝特征

从表2可知，地层水平主应力差小于10 MPa时重复压裂转向的可能性增加。而利用临兴气田测井数据计算结果，目的层最大、最小水平应力差5.55 MPa，说明目的层重复压裂后具有可转性。同时主应力差较小，暂堵后产生的很小诱导应力差就比原始的最大和最小水平主应力差大，进而更容易发生裂缝转向。

（2）脆性指数评价及转向压裂可行性分析。王成龙等在研究长庆油田姬塬地区岩石脆性时，采用公式（2）进行计算岩石的脆性指数，通过对比分析与施工区域实验结果吻合，当脆性指数小于50%时地层的可转性较好。本文也采用下式计算岩石的脆性指数，脆性指数计算公式见式（2）。

式中：E-岩石弹性模量，104MPa；μ-泊松比；IB-岩石脆性系数，%。

表3 岩心脆性指数计算结果表

利用式（2）计算结果（见表3）。从表3中可以看出，太原组岩性脆性指数在28.31%～42.03%，平均为33.75%，且随着井深的增加脆性指数下降。不同脆性指数下裂缝形态特征（见表4）。

表4 不同脆性指数下的裂缝特征

根据王成龙等的研究成果，脆性指数小于50%，转向压裂可行，由前文可知太原组平均脆性指数为33.75%，说明目的层重复压裂后具有可转性。综合地层最小水平主应力差和岩石脆性指数分析认为，临兴太原组实施重复转向压裂可行。

3 转向压裂现场应用

LX-161-3H井是临兴气田的一口生产井，目的层太原组，为提高产量本井采用水平井分段压裂工艺，为验证转向压裂的可行性，本井在第9段采用混合压裂加暂堵转向压裂技术。在施工过程中利用优选的可溶性暂堵剂，采用多级可溶颗粒与纤维复配的方案。施工过程中先以4 m3/min泵入前置液218.5 m3造缝，再以3.5 m3/min泵入携砂液110.8 m3，砂比15.7%，再以2 m3/min排量泵入暂堵液2 m3，再以4 m3/min泵入前置液132 m3造缝，最后泵入携砂液64.2 m3。加入暂堵剂后施工环空压力上涨4～5 MPa，油压上涨3 MPa，效果明显，通过井下微地震监测裂缝形态（见图1）。

从图1中可以看出暂堵前整体形态较为复杂，事件分布在射孔段周边，渐变为红色事件为暂堵剂加入后事件，主体裂缝进一步向远端延伸，增加整体改造体积。事件主体方位N10°W，最大半长235 m，主体宽度72 m，高度33.5 m。虽然监测距离较远，但监测到的事件数量有所增加，监测出的整体裂缝规模处于较高水平，复杂程度较好。该井压裂后压后无阻流量为35×104m3/d，远高于邻井说明转向压裂可以提高气井产量。