致密储层体积压裂裂缝漏失及控制综述

张衍君， 曾会， 陶秀娟， 张洋, 周德胜

(1.西安石油大学石油工程学院， 西安 710065； 2.中国石油大学(北京)非常规油气科学技术研究院， 北京 102249； 3.陕西科技大学化学与化工学院， 西安 710021)

致密储层的开发主要沿用“水平井+体积压裂”的模式，即通过提高压裂强度、突破最大和最小主应力差，促使裂缝转向、沟通天然裂缝和开启天然弱面等方式，最大限度地提高储层的改造程度[1-2]。压裂过程中，大量的压裂液注入地层以形成复杂的裂缝网络，大幅度地增强致密储层中油气的渗流能力，从而实现高效的开采。然而，复杂的地质条件以及压裂过程中诸多不确定的因素导致压裂形成的裂缝可控性较差，裂缝之间的连通性也各不相同。储层条件下任何形式的裂缝都可能造成压裂液的漏失，降低压裂液的能效、加剧套管变形。为降低体积裂缝漏失带来的负面影响开展此研究。

体积压裂过程中所使用的压裂液是一种较为复杂的体系，包含了大量的添加剂及不同类型的离子。对于高有机质含量的页岩，超强的毛管力以及压裂液中的离子与储层产生的物理化学作用导致储层吸水孔隙压力增加，超过岩石的破裂强度后会产生拉伸裂缝[3]。体积压裂关井一段时间后，在毛管力的作用下，页岩中原有微裂缝吸水扩张，并不断形成新的微裂缝，从而能够吸收大量的压裂液[4]。同时，体积压裂过程中井距不断缩小，导致两井之间的干扰相互加剧，压裂过程中子井向母井中漏失的现象频发[5]。此外，地层中存在着一定的天然裂缝和断层，上述各种类型的裂缝都可能导致体积压裂过程中压裂液的漏失。不难发现，目前为止，体积压裂过程中漏失类型较复杂，且出现漏失后应对的控制措施多数依靠现场经验，不具备针对性，严重影响压裂液的能效和套管变形。

在总结体积裂缝漏失类型及其特点的基础上，现系统调研各类型漏失的应对方法及优缺点，并指出了体积裂缝漏失控制的重点发展方向。以增强人们对压裂液在体积裂缝中过度漏失原因和特点的认识，通过针对性的措施提高压裂液能效利用、提前预测漏失加剧套管变形为油气生产带来的问题。最终，为致密油气高效压裂开发设计提供技术支持。本文研究中定义体积压裂过程中形成的各类裂缝的集合称为体积裂缝，与体积裂缝相关的漏失称为体积裂缝漏失。

1 体积裂缝的分类及性质

体积压裂是通过压裂的方式对储层实施改造，在形成一条或多条主裂缝的同时，通过分段多簇射孔，高排量、大液量、低黏液体以及转向材料，实现对天然裂缝和层理的沟通，在主缝侧向强制形成次生裂缝，并在次生裂缝上继续分枝形成二级次生裂缝。让主裂缝与多级次生裂缝交织形成裂缝网络系统，将可以进行渗流的有效储集体“打碎”，使裂缝壁面与储层基质的接触面积最大，使得油气从任意方向的基质向裂缝的渗流距离最短，极大地提高储层整体渗透率，实现对储层在长、宽、高三维方向的全面改造的技术[6]。由于体积压裂形成的裂缝网络较复杂、监测困难，为研究体积裂缝的漏失有必要先对裂缝进行分类。

与常规压裂所形成的双翼对称裂缝在裂缝形成过程中的力学性质、在裂缝的几何性质、裂缝的导流能力等方面均有显著差异。根据前期研究，将裂缝分为4类，分别是主裂缝、分支裂缝、微裂缝、以及天然大裂缝/断层，如表1所示。主裂缝的裂缝较大，导流能力强；分支裂缝开度较小、裂缝数量多，通常与主裂缝连通性好。微裂缝的宽度最小、裂缝分布离散，但能够增强基质的渗透能力，进入微裂缝的压裂液难以返排。天然大裂缝通常随机分布，裂缝开度较大，具有强连通特性。

表1 体积裂缝分类[7]Table 1 The classification of fracturing fractures[7]

2 体积裂缝漏失类型及特点

2.1 拉伸裂缝漏失

水-岩相互作用导致的压裂漏失以压裂过程中形成的微裂缝为主。有机质和黏土含量高的页岩，压裂液渗吸除依靠毛管力驱动外，还受黏土渗透压控制，当压裂液渗吸进入储层时将形成渗透膜，基质吸水膨胀，孔隙压力上升，储层内部产生拉伸应力。当其超过抗拉强度时，产生拉伸裂缝，如图1所示。拉伸裂缝的扩展需要侧向位移，而软弱的有机质为拉伸裂缝的扩展提供了条件。随着压裂液与岩石作用时间的增长，拉伸裂缝会逐渐演化、发展，积累形成宏观裂缝，如图2所示，加剧压裂液的漏失[8-9]。

图1 压裂过程中形成的拉伸裂缝[3] Fig.1 Tensile cracks formed during fracturing[3]

图2 水岩作用前后拉伸裂缝变化[10]Fig.2 The changes of fracture caused by water-rock interaction[10]

拉伸裂缝常形成于水岩相互作用的过程中，裂缝的开度一般较小，但是形成的裂缝网络复杂，在富含有机质的页岩中，大量拉伸裂缝的形成进一步加剧压裂液的漏失。形成的拉伸裂缝过多会降低压裂液的造缝效率，降低压裂液的能效；适量的拉伸裂缝将增强改造区的渗透性，提高储层中油气流动能力。

2.2 井间串通裂缝漏失

小井距压裂导致的裂缝串通形成的漏失以主裂缝或分支裂缝为主，存在天然大裂缝或断层时也容易引起漏失。裂缝串通的客观原因包括储层非均质性、天然裂缝发育情况等，主观原因包括压裂规模、投产先后顺序等。对于井距较小的井来说，当压裂规模较大串通时压裂液将直接进入邻井压裂裂缝内[11-12]。国外几大主要致密油气区块的水平井井间距从400 m缩小到100～200 m，在Barnett、Eagle Ford、Marcellus 试验了最小井间距为76 m的平台水平井；国内如长宁、威远、昭通等井区开发井距从最初的400～500 m逐步缩小至目前的300 m[13]。小井距开发使压裂对两井间储集层基质形成的“缝控”面积变小，井间难动用区域面积减小，波及效率提高，但也造成了老井与新井之间出现井间压串现象，人工裂缝与邻井裂缝串通，压裂液大量漏失[14-16]。井间裂缝的串通通常在小井距压裂时存在，一般为人工压裂的主裂缝、分支裂缝或天然大裂缝，裂缝开度较大。裂缝的漏失量大，不利于压裂井中压力的维持，大幅度削减压裂液的能效。

2.3 天然裂缝带/断层漏失

天然裂缝/断层漏失及其引起的储层伤害问题严重制约着致密储层钻探及开发进程[17]。压裂过程中裂缝发育程度高，水力裂缝突破、沟通天然裂缝并发生扩展，裂缝复杂性增强，压裂液中的固液相沿着天然裂缝网络侵入储层深部造成漏失[18-19]。层理缝或天然裂缝渗透率是基质渗透率的成百上千倍，在相同温度及压差条件下，液体在天然裂缝发育区滤失[20]。天然裂缝/断层漏失一般发生在大天然裂缝、断层或破碎带，漏失量大、漏失速度快[21]，由天然裂缝带/断层造成的漏失通常较难控制。压裂过程中天然裂缝带/断层被激活，断裂面与射孔沟通将导致压裂液沿天然裂缝带/断层漏失，流压作用到断面上使其产生剪切作用，而后作用到套管上使套管变形。

3 体积裂缝漏失控制方法

3.1 漏失应对方法及优缺点

钻井过程中的漏失问题，多采用封堵的方式处理，涉及封堵技术和封堵材料。针对压裂过程中体积裂缝的漏失问题，照搬钻井堵漏的模式不再广泛适用，比如会受到压裂规模和液体类型的限制。控制水-岩相互作用导致的拉伸裂缝漏失、小井距压裂导致的裂缝串通漏失、天然裂缝/断层导致的压裂液漏失，需要进一步梳理其特点，在此基础上提出相应的措施。

拉伸裂缝通常开度较小，但是分布更加广泛，由此造成的漏失可采用物理封堵的方法。物理封堵方法是利用固体粒子在孔隙和裂隙处的桥塞、填充沉积来达到隔绝流体通路，阻止压力传递的目的[22-23]。要求封堵颗粒具有以下条件：①颗粒必须能够在微裂隙、孔隙内稳定架桥；②颗粒足够小，能够形成致密填充；③具有变软变形的特性。常用物理封堵方法包括刚性颗粒封堵方法、弹性颗粒封堵方法、纤维封堵方法、刚性-弹性-纤维封堵方法等。水-岩相互作用导致的漏失较复杂，压裂中添加粉砂及压裂液体系的离子调节能够缓解水岩相互作用导致的拉伸裂缝漏失。压裂中添加砂能够通过物理架桥作用直接封堵拉伸的微裂缝，且所用的材料成本低廉[24]，同时，粉砂在裂缝前端还具有选择性封堵的作用，有利于提高压裂作业的效率,通过调节压裂液体系的离子浓度/类型能够控制压裂液和岩石相互作用的程度。在裂缝前端吸液、岩石黏土矿物的吸胀等方面起一定作用，进而控制拉伸裂缝的形成、降低拉伸裂缝导致的漏失，提高压裂液的能效利用率。

小井距压裂导致的漏失可采用暂堵转向技术，压裂暂堵转向技术主要是通过在压裂过程中向地层中注入具有一定抗压强度的可溶性暂堵剂，利用其对老裂缝进行有效暂堵来提升缝内净压力，开启老裂缝附近的次级裂缝和微裂缝，实现裂缝的转向[25-27]。暂堵压裂转向技术根据施工目的可细分为近井筒暂堵转向压裂、水平井暂堵分段压裂、 直井纵向暂堵分层压裂和缝内暂堵转向压裂4种工艺技术，如图3所示，其相同点都是通过泵入暂堵剂封堵先压裂缝，提高井筒或缝内净压力，迫使液体转向，在未改造层段开启新裂缝或转向激活天然裂缝，提高储层整体改造体积。

图3 压裂暂堵转向过程[28]Fig.3 The progress of fracturing divert[28]

压裂结束后，暂堵剂完全降解，返排至地面，对储层无伤害，裂缝恢复导流能力[28-29]。通过暂堵转向技术可以控制优势裂缝的过快增长，裂缝转向也能够扩大缝网横向改造面积；同时，裂缝扩展的速度和规模可通过压裂施工参数(排量、注入速率、加砂量等)控制，优选压裂施工参数避免裂缝扩展过长。因此，压裂参数优选协同自适应封堵材料共同应对压裂串扰漏失。

天然裂缝/断层导致的漏失可采用化学封堵方法，化学封堵方法是利用高聚物在界面上的静力、界面分子间作用力、化学键力, 使聚合物在界面处形成黏结，并控制化学反应时间, 在漏层处形成所需的堵漏材料[30]。化学堵漏材料可分为凝胶、树脂和膨胀聚合物三大类[31]。该方法的优点是：封堵性受压裂液循环冲刷影响小；聚合物类分子易吸附在地层孔隙内表面并堆积起到封堵作用；可以随压堵漏；封堵地层后在需要的情况下可以解封地层，恢复地层渗透率等[32-33]。天然裂缝/断层会导致压裂液大量的漏失，且形成井间的连通，给油气生产带来负面的影响。化学封堵是解决天然裂缝/断层导致压裂液漏失的手段，同时，能够提高压裂液能效利用率，造缝过程中有利于在缝网内形成较高压力进而生成更复杂的裂缝网络。封堵后的天然裂缝/断层也能降低套管变形的风险。

三种漏失类型及对应的解决方案如表2所示，水岩作用漏失采用粉砂等材料封堵，小井距压裂漏失采用暂堵及压裂参数优化，天然裂缝/断层漏失采用化学材料等封堵、同时优选压裂段。

表2 漏失类型及对应的解决方案归纳Table 2 Types of leakage and corresponding solutions

3.2 体积裂缝漏失控制技术

不断改进的技术结合先进的封堵材料，才能实现对体积裂缝的有效封堵。蒋官澄等[34]根据储层非均质性特点，提出广谱“油膜”暂堵技术，在近井壁处快速建立屏蔽暂堵环，恢复油气井产能，钻井过程中采用油基泥浆具有良好的效果，大规模压裂作业通常采用滑溜水压裂液体系，该技术在压裂过程中的推广具有较大局限性。Fuh[35]提出通过漏失材料在裂缝尖端充填和封堵提高裂缝延伸压力的技术。闫丰明等[36]提出针对缝洞型储层的暂堵堵漏技术并根据该技术改进了钻井液、完井液，改进后约在3 min内可形成99%以上暂堵率的致密封堵层，且60 min累积滤失量不超过0.5 mL，较改进前裂缝封堵能力提高2.3倍。聂勋勇[37]提出隔断式凝胶段塞堵漏技术，应用于长庆油田和川东北地区等三十余口井/次漏失井的现场，试验效果显著。

蒋卫东等[38]研制一种型纤维材料应用于新型纤维暂堵酸压技术，该技术已现场应用16口井，施工成功率达100%。张雄等[39]针对塔河油田埋藏深、温度高、非均质强等特点，提出了“纤维+颗粒”复合暂堵分段技术，并通过室内实验证明了该技术形成的封堵段能够有效承压9 MPa。McCartney等[40]统计了4个不同页岩储层中暂堵转向压裂技术的施工效果：Haynesville页岩产量平均提高 60%，Bone Spring页岩储层单井增产50%，Woodford页岩3口井产量得到明显提高，Eagle Ford 12口井使用后产量明显高于邻井。Ahmed等[41-42]提出远端暂堵转向技术，它主要使用可溶性固体颗粒与支撑剂混合，有效封堵裂缝远端，且在可溶性材料溶解后保持裂缝的导流能力。Xiong等[43]提出了一种基于暂堵转向的高效增产技术，在不使用机械隔离工具的情况下实现多级增产以提高岩石改造体积。肖勇军等[44]提出裂缝暂堵-控藏体积压裂技术，一是暂时封堵且能完全降解，降解后岩心伤害低；二是暂堵材料能够堵得住且承压大于40 MPa。Yi 等[45]提出了利用转向剂进行水平井重复压裂的模型，定量研究了初次压裂后全水平段利用暂堵剂进行重复压裂施工时暂堵剂的分布，为重复压裂技术设计提供参考。吴宏杰等[46]形成了适于页岩气重复压裂的暂堵裂缝转向技术并应用于焦页A井4级重复压裂施工中，较重复压裂前提高了5倍。雷群等[47]提出超深层暂堵分层改造技术包括“线性胶+冻胶”复合压裂、“暂堵球+纤维”组合、前置液黏性指进酸压、多级注入酸压(前置液+酸压+前置液+酸压等)等技术。

3.3 体积裂缝漏失封堵材料

封堵材料进入裂缝中进行封堵主要是通过材料失水沉积在裂缝内部，进而形成封堵层，如图4所示[48]。整个过程要求裂缝产生后，工作液在很短的时间内迅速失水形成封堵层，隔离裂缝尖端，控制裂缝扩展。封堵的作用机理主要包含密封和支撑裂缝，故封堵材料应同时具有封堵性能和机械强度[49]。针对微裂缝的漏失， Verert[50]研制了一种用碱溶性微米级的超细纤维素取代超细CaCO3的封堵材料，其能对井壁快速封堵并减少钻井液中的固液相侵入储层。Shuttleworth等[51]研制出了一种由涂有表面活性剂和分散剂的玻璃丝纤维组成的新型改性纤维材料，能抗 232 ℃高温，解决了布伦特油田的井漏问题。El-Sayed等[52]将不同粒径的颗粒材料、合成聚合物及水混合注入井下产生膨胀作用，几小时内就能封堵非常严重的大漏失，解决了埃及尼罗河三角洲地区井漏问题。郑力会等[53]研发出绒囊防漏堵漏工作液，其能在未知井下漏失通道是否存在的情况下动态地封堵地层，与刚性封堵材料相比，绒囊工作液气核可根据漏失通道调整形状和大小；相对柔性封堵材料，绒囊在高黏水层和过渡层保护下结构稳定，高温高压下封堵能力提升。徐哲等[54]结合刚性封堵剂强度大和柔性封堵剂自适应能力强的优点，制备了一种外柔内刚型封堵剂，它能在井壁周围填充沉积，形成封堵层降低液相滤失量。

图4 封堵过程[48] Fig.4 The progress of plugging[48]

暂堵转向材料方面，臧海宏[55]制备了一种水溶性压裂酸化暂堵剂，抗压能力达22 MPa。Lohne等[56]提出了呋喃树脂内固化剂及自生泡沫暂堵剂，固砂强度相比之前技术提高40%以上，起到稳定暂堵和均匀推进作用。刘伟[57]研制出一种高强度水溶性压裂暂堵剂，它主要依靠颗粒桥堵堆积在裂缝或孔喉处形成暂堵层，具有封堵强度大、适用缝宽范围大、溶解完全、易返排、对地层伤害低的优点。李志宏等[58]提出体膨型承压堵漏剂HSW-1，延缓漏失速度，但该材料遇水膨胀且固化时间短，需配合定点投送工具以实现定点投送与定点候凝。王洪恩[59]提出一种油水井重复压裂用封堵转向剂，它能增加地层液流的过滤面积，减少过滤堵塞。Yang[60]提出在暂堵剂浓度一定的情况下，纤维越多，堵塞开始越早，颗粒越多，堵塞加速越快。随着裂缝宽度的增大，封堵率也相应降低，加入尺寸为裂缝宽度60%～80%、浓度为0.25%的大颗粒可大大提高封堵效果。陈佳辉等[61]合成一种白色固体共聚物，它进入储层裂缝和孔隙中团聚结块可形成桥堵，封堵率最高可达91.35%。

研究出新型材料解决裂缝漏失问题。葛际江等[62]制备了水溶性酚醛树脂冻胶，它具有较好的稳定性，注入性良好，成胶液在70 ℃下的黏度低于500 mPa·s，封堵能力较好。吴天江等[63]制得高强度柔弹性颗粒状的裂缝封堵剂，硬度较小，柔韧性好，地层水矿化度对封堵剂柔弹性的影响较小等优势。梁甲波等[64]研制出一种改性纤维素水基凝胶用于封堵裂缝通道，它在裂缝中的突破压力梯度超过20 MPa/m，封堵效果好。针对优化压裂液体系降低漏失，Lei[65]提出向压裂液体系中添加纳米材料，通过纳米材料与聚合物间交联以及与表面活性剂间协同作用，与胶束形成可逆交联结构等方式改善压裂液体系的流变性和悬砂性，降低滤失、提高增产改造效率。

4 体积裂缝漏失的发展方向

致密储层体积裂缝的漏失是以压裂为核心的问题，涉及地质条件、压裂施工以及控制问题，需要在地质工程一体化框架下展开，对提高压裂液能效和预防套管变形具有重要意义。具体表现为以下三个方面的问题：①压裂过程中的封堵不具备针对性，封堵材料和技术主要采用钻井过程中钻井液漏失封堵的处理材料及技术；②压裂过程中的井间干扰现象频发，小井距压裂导致的压裂裂缝串通漏失将给后期油气生产带来影响，未得到充分的重视；③暂堵技术作为实现裂缝转向降低井间干扰的重要手段，实现层段暂堵、精确定位困难，同时对暂堵材料提出了新的要求。

首先，钻井液体系与压裂液体系有显著差异，与岩石相互作用的强度不同，钻井时在易漏失、井壁不稳定的环境下可以选择油基、泡沫、复合泥浆等钻井液体系，致密储层体积压裂受成本以及压裂效果等要求常采用滑溜水体系，不可避免地会出现水-岩相互作用导致拉伸裂缝。钻井过程中施加的压力较稳定、周期较长，但是压裂过程所需时间较短，为实现裂缝起裂及扩展，压裂过程中的压力波动较大，难以控制，压裂液与储层的接触面积更大。因此，压裂过程中形成的微裂缝更加复杂，缝宽涉及范围更加广泛。粉砂在压裂过程中的加量增多，能够进入部分微裂缝，当面对较小尺度的微裂缝时可能受粒径限制难以完成封堵，需要研发微纳米尺度的封堵体系解决拉伸裂缝漏失的问题。

其次，重视压裂过程中井间干扰导致的漏失，目前压裂过程中井间干扰的规律、机理等缺乏系统深入的研究，也没有较好的控制措施，大量的压裂串扰漏失将导致产量严重下降，因此需要控制压裂串扰漏失的程度，尽可能降低对油气生产带来的负面影响，提高压裂液的能效利用率。目前阶段，大平台体积压裂越来越普遍，邻井地层孔隙压力下降会导致地应力下降，且最大和最小应力差降低，导致临井裂缝的扩展受到吸引，加剧两井之间裂缝连通，使得井间串通裂缝漏失严重。在地质工程一体化的背景下，加强井平台压裂井间裂缝串通漏失机理、规律以及控制方面的研究。

最后，重视暂堵技术在体积压裂过程中的应用，采用暂堵技术及材料控制裂缝的过度扩展导致的井间干扰，尤其重视暂堵材料对暂堵性能的影响，提高堵漏成功率，并能满足适应性好、经济适用、针对性强等要求[66-67]。针对体积裂缝的漏失类型采取针对性的防漏措施、以压裂参数优选协同自适应封堵材料的思路控制体积压裂裂缝漏失，降低天然裂缝/断层漏失引起套管变形的风险，为致密油气的高效开发提供技术支持。

5 结论

厘清了致密储层压裂裂缝的类型，分析了体积裂缝漏失类型及针对性控制措施，归纳了最新封堵材料和技术，提出了发展前景，得出如下结论。

(1)根据裂缝的特征将其分为4类，分别是主裂缝、分支裂缝、微裂缝以及天然大裂缝/断层。主裂缝较单一、开度大，是流体流动的主要通道，具有较强的导流能力。分支裂缝属于拉-剪破坏，裂缝数量多、尺度和开度较小，是流体流通的次要通道，与主裂缝连通性好。微裂缝的裂缝开度小，断裂类型属于剪切破坏，裂缝分布离散、尺度小，能够增强基质的渗透能力，连通性差，进入微裂缝的压裂液难以返排。天然大裂缝分布随机，具有强连通的特点。

(2)体积裂缝漏失可分为水岩相互作用导致的拉伸裂缝漏失、小井距体积压裂造成的裂缝串通漏失、地层中存在的复杂天然裂缝/断层导致的压裂液漏失；压裂中添加粉砂及压裂液体系的离子调节能够缓解水岩相互作用导致的拉伸裂缝漏失，压裂暂堵能够实现裂缝转向降低体积压裂造成的裂缝串通漏失频率，优化压裂选段或提前封堵复杂天然裂缝/断层能够降低压裂液在天然裂缝/断层中的漏失。

(3)体积裂缝的漏失及控制需要在地质工程一体化框架下展开，研发微纳米尺度的封堵体系解决拉伸裂缝漏失的问题，重视压裂过程中井间干扰导致的漏失，重视暂堵技术在体积压裂过程中的应用。以压裂参数优选协同自适应封堵材料的思路控制体积压裂裂缝漏失，提高压裂液能效和预防套管变形，为致密油气的高效开发提供技术支持。