致密油藏体积压裂技术应用.pdf

第3 4 卷第3 期2 0 1 3 年6 月新疆石油地质X I N J I A N GP E T R O L E U MG E O L O G YV 0 1 3 4，N o 3J u n 2 0 1 3致密油藏体积压裂技术应用王文东，赵广渊，苏玉亮，丰子泰(中国石油大学石油工程学院，山东青岛2 6 6 5 8 0)摘要：体积压裂技术在北美页岩油气藏的开发中取得了显著的效果。对体积压裂的概念和特点进行了总结，从地质和施工工艺两方面分析了体积压裂缝网形成的影响因素，明确了在不同储集层条件下的体积压裂技术施工要点。数值模拟研究表明，体积压裂的单井产能比常规压裂的单井产能要高得多，且其缝网系统可使压力波及更为均匀，开发效果优势非常明显。针对我国致密油藏特征，提出了从致密油藏成藏机理、压前储集层评价、诱导应力场和裂缝起裂机理等3 个方面入手的研究思路，这将对我国致密油藏体积压裂技术的发展，具有一定的参考意义。关键词：体积压裂；致密油藏；缝网；开发效果文章编号：1 0 0 1 3 8 7 3(2 0 1 3)0 3-0 3 4 5 0 4中图分类号：T E 3 5 7 1文献标识码：A致密油气藏要实现高效商业化开发，必须采用压裂技术对储集层进行改造。在低孔、低渗、低压等特定条件下，由于储集层基质向裂缝供液能力太差，常规压裂技术仅靠单一压裂主缝很难取得预期的增产效果，因此必须探索研究新型的压裂改造技术，“体积压裂技术”的提出具有深刻意义。国外已将此技术成功应用于页岩气、致密砂岩气以及页岩油的开发，国内也对体积压裂开展了初步研究，部分超低渗透区块已经成功实现了体积压裂技术对储集层的改造。体积压裂技术必将逐步成为致密油藏经济有效开发的关键技术。1 体积压裂的概念体积压裂技术经历了技术探索、启蒙、突破、到现在的大规模应用阶段，对其理解也越来越深刻。体积压裂是在水力压裂的过程中，通过在主裂缝上形成多条分支缝或者沟通天然裂缝n 2|，最终形成不同于常规压裂的复杂裂缝网络，增加井筒与储集层接触体积，改善储集层的渗流特征及整体渗流能力，从而提高压裂增产效果和增产有效期b 巧1。其主要特点有以下几点。(1)复杂网络裂缝扩展形态常规压裂以形成双翼对称裂缝为目的，在致密油藏中垂直于裂缝面方向的基质渗流能力并未得到改善。体积压裂的裂缝是在三维方向上形成相互交错的网状裂缝或者树状裂缝(图1)，在缝网区域形成一定的改造体积，增大了泄油体积。(2)复杂渗流机理油气在复杂缝网中的渗流图I 树状裂缝扩展形态机理至今仍没有理想的研究成果。文献E 7 研究了页岩基质向复杂缝网中的渗流，考虑裂缝中达西流和基质中扩散流的双机理渗流以及压敏性对渗透率的影响，建立了天然裂缝发育的双重孔隙度模型，但求解用拟压力的方法进行了标准简化。目前比较主流的观点是采用分形理论来精确刻画缝网内的渗流特性，利用缝网中主裂缝与次裂缝的自相似性，建立油气在复杂缝网中的渗流模型随9 。(3)裂缝发生错断、滑移、剪切破坏剪切缝是岩石在外力作用下破裂并产生滑动位移，在岩层表面形成不规则或凹凸不平的几何形状，具有自我支撑特性的裂缝。体积压裂过程中裂缝的扩展形式不是单一的张开型裂缝，当压力低于最小水平主应力时，产生剪切断裂n 引。(4)诱导应力和多缝应力干扰裂缝发生转向当裂缝延伸净压力大于2 个水平主应力的差值与岩石的抗张强度之和时，容易在主裂缝上产生分叉缝，分叉缝延伸到一定距离后又恢复到原来的裂缝方位，最终多个分叉缝便形成复杂的裂缝网络n 1|。2 体积压裂缝网形成的影响因素体积压裂能否形成复杂网络裂缝，取决于储集层收稿日期：2 0 1 2 1 0 0 5修订日期：2 0 1 3 一O l 一2 1基金项目：中石油重大科技专项(2 0 0 8 E 一1 3 0 5)作者简介：王文东(1 9 8 6 一)，男，新疆克拉玛依人，在读博士研究生，油气田开发工程，(T e l)1 3 3 9 5 3 2 11 6 0(E m a i l)a c e2 11 1 6 3 c o r n万方数据3 4 6 新疆石油地质地质和压裂施工工艺2 方面因素。2 1 地质因素(1)储集层岩石的矿物成分储集层岩石的矿物成分会影响岩石的力学性质，从而影响裂缝的起裂方式和延伸路径。研究证明，硅质含量较高、且钙质填充天然裂缝发育的页岩最易形成复杂缝网，增产效果好。黏土矿物含量较高的页岩或者缺少硅质和碳酸盐岩夹层的储集层实现体积压裂非常困难n 引。岩石矿物成分与缝网形成的难易程度可用脆性指数来表示。脆性指数的概念融合了泊松系数和杨氏模量的双重含义，也可以用岩石中的脆性矿物质(石英等硅质矿物和碳酸盐矿物)所占比例表示。岩石中的脆性矿物质含量越高，脆性指数越大；岩石的综合杨氏模量越大，泊松比越小，脆性指数越大，越容易产生剪切裂缝，进而容易形成缝网。不同储集层的矿物组分差异较大，使用的改造技术和液体体系各不相刚n 1(表1)。表1 基于不同脆性页岩的压裂体系黠压皴态裂嚣瓣黜制7 0 滑溜水6 0 滑溜水5 0 混合啾4 0 线性胶3 0 泡沫2 0 交联冻胶1 0 交联冻胶低大小高小大(2)储集层天然裂缝在大多数情况下，体积压裂缝网主要由人工裂缝沟通天然裂缝而形成，因此，储集层天然裂缝的发育程度和方位都会影响人工裂缝的延伸、缝网的形成。研究表明：在人工裂缝和天然裂缝夹角较小的情况下(小于3 0。)，无论水平应力差多大，天然裂缝都会张开，改变原有的延伸路径，为形成缝网创造条件；当人工裂缝与天然裂缝夹角为中等角度(3 0 0 一6 0 0)，在水平低应力差情况下，天然裂缝会张开，具有形成缝网的条件，而在水平高应力差情况下天然裂缝将不会张开，主裂缝直接穿过天然裂缝向前延伸，不具有形成缝网的条件；当人工裂缝与天然裂缝夹角较大时(大于6 0 0)，无论水平应力差多大，天然裂缝都不会张开，主裂缝直接穿过天然裂缝向前延伸，不具备形成缝网的条件n 引。另外，影响体积压裂缝网形成的因素还有地应力的各向异性n5|、沉积相变等。地应力各向异性越强，越易形成窄缝网，在主裂缝两侧不易形成分支裂缝，更不利于形成复杂缝网；相反，当地应力各向异性较弱时，体积压裂容易形成宽的缝网，改造体积扩大。2 2 施工工艺因素文献 1 6 1 指出“并非所有页岩储集层都是一样的”，致密油藏也如此。因此，不同的储集层地质特征，体积压裂所需的施工条件不同，需要对压裂液类型及用量、支撑剂类型及浓度和泵的排量等参数优化设计。体积压裂形成网络裂缝的复杂程度可以用裂缝复杂指数(氐)n 7 1 来表征。对于不同储集层，开发效果最好的缝网裂缝复杂指数值不同a 以下是实施体积压裂形成复杂缝网的压裂设计的一些规律。(1)在中等渗透率(胁lm D)油气藏中，应当减小裂缝复杂指数；当储集层渗透率非常低(K o 0 1r o D)时，提高裂缝复杂指数会使产能有显著的提高。由于致密油藏中压裂液滤失量很大，而缝网规模和导流能力受压裂液滤失影响程度也很大，因此，综合考虑认为，储集层渗透率在0 0 1m D 量级小缝网最优，在0 0 0 01m D 量级范围，大缝网开发效果最好。(2)形成大缝网、高裂缝复杂指数缝网的有利条件：大排量，施工排量大于1 0 m 3 m i n；大液量，单井用液量22 7 1 56 7 8m 3；低黏度，低砂液比，平均砂液比为3 5，最高砂液比不超过1 0 大排量、中等黏度的压裂液(线性胶、低黏度交联剂，或者两者混用)可以提高携砂能力，形成中等复杂程度的缝网。(3)尽管体积压裂采用大排量、大液量的施工，次裂缝导流能力仍然有限。泵入高强度、小粒径的支撑剂(7 0。1 0 0 目或4 0 7 0 目陶粒)可以支撑远井地带的裂缝。也可以通过提高主裂缝导流能力降低对次裂缝导流能力的要求，在压裂后期，适当提高砂液浓度，泵送较大粒径、高强度支撑剂，可使主裂缝进一步充分扩展m 。3 常规压裂与体积压裂开发效果对比选取4 种典型的体积压裂裂缝形态(图2)，用数值模拟方法对比其在致密油藏中的开发效果。模型采用E Q L G R 方法对缝网进行了处理，流体P V T 数据、相对渗透率曲线均使用致密油藏典型区块的实际数据。压裂直井主裂缝导流能力均为2 0i j,m 2 c m，次裂缝导流能力为0 7i x m 2 e m，定井底流压衰竭式开发，模拟生产1 0 年(图3)。由图3 可以看出，常规压裂初期日产油量较低，仍0 奁q 令a 单一裂缝b 天然裂缝开启t 复杂裂缝d 复杂裂缝网络图24 种典型裂缝形态示意墨I、H Uf 一万方数据第3 4 卷第3 期王文东，等：致密油藏体积压裂技术应用3 4 7、_。-_al lc-dI 单一裂缝直井生产3 年(a)、5 年(b)、7 年(c)、1 0 年(d)末压力分布i 习_ I I l-图34 种典型裂缝形态日产油量对比1 I 体积压裂直井开采3 年(a)、5 q Z(b)、7 年(c)、l O 年(d)末压力分布仅有1I l l 3 左右，而体积压裂改造单井初期产能有较大幅度的增加，平均比单一裂缝直井提高1 4 倍，且开发1 0 年后，体积压裂直井累计产油量较单缝压裂提高75 0 5m 3(图4)。这是因为，常规压裂的双翼对称裂缝无法改善储集层的整体渗流能力，体积压裂改造形成的复杂裂缝网络使油气从基岩各个方向沿着裂缝网络流向井筒的距离大大缩短，所需要的驱动压力大大降低，提高了储集层有效动用率，增加了储集层横向动用程度。任何一种形态的裂缝延伸，都不同程度地扩大了与地层的接触面积，因此都比常规压裂开发的效果要好。昌删瘿|L：七稚05 0 0l0 0 0l5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 035 0 040 0 0生产时间，d图44 种典型裂缝形态累计产油量对比结合数值模拟结果，对开采过程中直井单一裂缝和体积压裂的地层压力分布进行了对比(图5)。从图5 中可以看出，开采初期体积压裂油井压力波及范围更大，缝网裂缝系统内部压力传播均匀，有效沟通了远井地带的储集层，增大了泄油体积，并且开发后期缓解了单一裂缝直井开采时间过长导致的近井低压现象。4 对我国致密油藏体积压裂的建议体积压裂技术在北美已成熟应用于页岩油气藏的开发中。在我国致密油藏中，由于岩石致密程度增加，岩石的强度和脆性加大，因而在构造应力场的作fII60 2 28 1 9 21 0 3 6 11 2 5 3 01 4 7 0 01 6 8 6 9压力，M P a图5 单一裂缝直井与体积压裂井压力分布用下，岩石会不同程度地产生裂缝，常常使裂缝和低渗透储集层相伴生，形成裂缝性低渗透储集层n9|，部分储集层具备了体积压裂的条件，而且也成功实施了体积压裂，但对于体积压裂技术的系统研究，国内尚处于起步阶段。致密油藏对体积压裂技术的适应性，将是一个长期的研究和探索过程，建议首先在直井上实施，探索工艺、压裂液和施工参数及压后效果评价，然后向水平井发展。(1)致密油藏成藏机理研究目前对致密油藏的成藏机理尚未有清楚的认识。我国致密油藏多分布在地质结构复杂的地区，具有类型多样、成藏复杂、勘探难度大等特点，对成藏机理的研究，尤其是油气充注时间和期次，对致密油藏的勘探开发有着重要意义。(2)压前储集层评价从储集层的基本物性、岩石力学参数、天然裂缝的几何参数和力学参数以及原地应力场认识储集层的基本性质，分析实施体积压裂的适应性。(3)诱导应力场和裂缝的起裂机理研究考虑复杂天然裂缝及人工裂缝网络影响的诱导应力场模型；考虑天然裂缝为地层中的一个应力弱面，采用弱面理论，建立体积压裂形成过程中的破裂模式，分析地层的张性起裂和剪切起裂模式嘞2。5 结论(1)体积压裂的最终目的是形成复杂缝网以提高增产效果，其主要特点是：复杂网络裂缝扩展形态，复杂的渗流机理，裂缝发生错断、滑移、剪切的复杂力学行为，以及充分利用诱导应力场和多缝应力干扰使裂缝发生转向。(2)体积压裂缝网形成的影响因素包括地质因万方数据3 4 8 新疆石油地质2 0 1 3 年素和施工工艺因素。在不同的地质条件下，能够达到最优开发效果的施工工艺各有差异。(3)数值模拟研究表明，体积压裂技术能极大地提高单井产能，并且缝网内压力波及均匀，避免了单一裂缝开采时间过长造成的近井地带低压现象。(4)我国致密油藏成因各异，沉积特征多样，岩性和物性复杂，裂缝特征各有不同。将体积压裂技术应用到致密油藏，决不能一味照搬页岩气的开发理念，关键是对储集层进行压裂前适应性评价，而后采用配套的工艺技术。(5)在致密油藏成为开发热点的今天，体积压裂技术必将成为突破开发瓶颈的关键技术。参考文献：C h a c o nA，T i a bD E f f e c t so fs t r e s so nf r a c t u r ep r o p e r t i e so f n a t u r a l l yf r a c t u r e dr e s e r v o i r s R S P E1 0 7 4 1 8，2 0 0 7 P o t l u r iN，Z h uD，H i l lAD E f f e c t so fn a t u r a lf r a c t u r eo nh y d r a u l i cf r a c t u r ep r o p a g a t i o n Rj S P E9 4 5 6 8，2 0 0 5 雷群，胥云，蒋廷学，等用于提高低一特低渗透油气藏改造效果的缝网压裂技术 J 石油学报，2 0 0 9，3 0(2)：2 3 7 2 4 1 耿宇迪，张烨，韩忠艳，等塔河油田缝洞型碳酸盐岩油藏水平井酸压技术 J 新疆石油地质，2 0 1 1，3 2(1)：8 9 9 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，2 0 1 1，3 1(4)：7-1 2 C i p o l l aCL，L o l o nEP，D z u b i nB E v a l u a t i n gs i m u l a t i o ne f f e c t i v e n e s si nu n c o n v e n t i n a lg a sr e s e r v o i r s R S P E12 4 8 4 3，2 0 0 9 O z k a nE，R a g h a v a nR，A p a y d i nOG M o d e l i n go ff l u i dt r a n s f e rf r o ms h a l em a t r i xt of r a c t u r en e t w o r k R 3 S P E1 3 4 8 3 0，2 0 1 0 Y uBM，C h e n gP Af r a c t a lp e r m e a b i l i t ym o d e lf o rb i d i s p e r s e dp o r o u sm e d i al JJ I n t J H e a tM a s sT r a n s f e r，2 0 0 2，4 5：29 8 3 29 9 3 郁伯铭，徐鹏，陈俊裂缝网络多孔介质渗流特|生研究 1 0 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 J 西安石油大学学报(自然科学版)，2 0 0 7，2 2(2)：2 2 2 5 N a s s i rM S e t t a r iA W a nR M o d e l i n gs h e a rd o m i n a t e dh y d r a u l i cf r a c t u r ea s ac o u p l e df l u i d s o l i di n t e r a c t i o n R S P E1 31 7 3 6 2 0 1 0 R a h m a r lMM，A g h i g h iA，R a h m a nSS I n t e r a c t i o nb e t w e e ni n d u c e dh y d r a u l i cf r a c t u r ea n dp r e-e x i s t i n gn a t u r a lf r a c-t u r ei nap o r o e l a s t i ce n v i r o n m e n t：e f f e c to fp o r ep r e s s u r ec h a n g ea n dt h eo r i e n t a t i o no fn a t u r a lf r a c t u r el H I S P E12 2 5 7 4，2 0 0 9 K i n gGE，C o r p o r a t i nA T h i r t yy e a r so fg a ss h a l ef r a c t u r i n g：w h a th a v ew el e a r n e d?R S P E1 3 3 4 5 6，2 0 1 0 R i c k m a nR，M u l l e nM，P e t r eE，e ta 1 Ap r a c t i c a lu s eo fs h a l ep e t r o p h y s i c sf o rs t i m u l a t i o nd e s i g no p t i m i z a t i o n：a l ls h a l ep l a y sa r en o tc l o n e so ft h eB a r n e t ts h a l el R S P E11 5 2 5 8 2 0 0 8 D a h i T a l e g h a n iA，O l s o nJE N u m e r i c a lm o d e l i n go fm u h i s t r a n d e d-h y d r a u l i c-f r a c t u r ep r o p a g a t i o n：a c c o u n t i n gf o rt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ni n d u c e da n dn a t u r a lf r a c t u r e s R 3 S P E1 2 4 8 8 4，2 0 11 C h a e o nA，T i a bD E f f e c t so fs t r e s so nf r a c t u r ep r o p e r t i e so fn a t u r a l l yf r a c t u r e dr e s e r v o i r s R S P E1 0 7 4 18 2 0 0 7 M a t t h e w sHL，S c h e i nG，M a l o n eM S t i m u l a t i o no fg a ss h a l e s：t h e y r ea l lt h es a m e-f i g h t?J R S P E1 0 6 0 7 0，2 0 0 7 C i p o l l aCL，W a r p i n s k iNR，M a y e r h o f e rMJ，e ta 1 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf r a c t u r ec o m p l e x i t y，r e s e r v o i rp r o p e r t i e s，a n df r a c t u r e t r e a t m e n td e s i g n R S P El1 5 7 6 9，2 0 1 0 L o y dE a s tJ r，S o l i m a nMY，A u g u s t i n eJ M e t h o d so fe n h a n c i n gf a r f i e l dc o m p l e x i t yi nf r a c t u r i n go p e r a t i o nl R j S P E1 3 3 3 8 0 2 0 1 0 曾联波低渗透砂岩储层裂缝的形成与分布 M 北京：科学出版社，2 0 0 8：1 5 5 1 5 9 M e n gC h u n f a n g。d eP a t e rCJ H y d r a u l i cf r a c t u r ep r o p a g a t i o ni np r e f r a c t u r en a t u r a lr o c k s R S P E l 4 0 4 2 9，2 0 1 1 G o n gB i n，Q i nG u a n，T o w l e rBF，e ta 1 D i s c r e t em o d e l i n go fn a t u r a la n dh y d r a u l i cf r a c t u r ei ns h a l e g a sr e s e r v o i r s R 3 S P E1 4 6 8 4 2，2 0 11 A p p l i c a t i o no fN e t w o r kF r a c t u r i n gT e c h n o l o g yt oT i g h tO i lR e s e r v o i r sW A N GW e n d o n g，Z H A OG u a n g y u a n，S UY u l i a n g，F E N GZ i t a i(C o l l e g eo fP e t r o l e u mE n g i n e e r i n g，C h i n aU n i v e r s i t yo fP e t r o l e u m，Q i n g d a o，S h a n d o n g2 6 6 5 8 0，C h i n a)A b s t r a c t：N e t w o r kf r a c t u r i n gt e c h n o l o g yi sw i d e s p r e a dt od e v e l o p m e n to fs h a l eo i l-g a sr e s e r v o i r si nN o r t 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Petroleum Geology年，卷(期)：2013,34(3)参考文献(21条)参考文献(21条)1.Chacon A;Tiab D Effects of stress on fracture properties of naturally fractured reservoirs 20072.Potluri N;Zhu D;Hill A D Effects of natural fracture onhydraulic fracture propagation 20053.雷群;胥云;蒋廷学 用于提高低-特低渗透油气藏改造效果的缝网压裂技术期刊论文-石油学报 2009(02)4.耿宇迪;张烨;韩忠艳 塔河油田缝洞型碳酸盐岩油藏水平井酸压技术期刊论文-新疆石油地质 2011(01)5.吴奇;胥云;王腾飞 增产改造理念的重大变革-体积改造技术概论期刊论文-天然气工业 2011(04)6.Cipolla C L;Lolon E P;Dzubin B Evaluating simulation effectiveness in unconventinal gas reservoirs 20097.Ozkan E;Raghavan R;Apaydin O G Modeling of fluid transfer from shale matrix to fracture network 20108.Yu B M;Cheng P A fractal permeability model for bidispersed porous media 20029.郁伯铭;徐鹏;陈俊 裂缝网络多孔介质渗流特性研究期刊论文-西安石油大学学报（自然科学版）2007(02)10.Nassir M;Settari A;Wan R Modeling shear dominated hydraulic fracture as a coupled fluid-solid interaction 201011.Rahman M M;Aghighi A;Rahman S S Interaction between induced hydraulic fracture and pre-existing natural fracturein a poro-elastic 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