清水壓裂儲層篩選方法研究

李浩

（東北石油大學石油工程學院，黑龍江 大慶 163318）

清水壓裂儲層篩選方法研究

李浩

（東北石油大學石油工程學院，黑龍江 大慶 163318）

清水壓裂技術在低滲透油氣田勘探開發領域應用廣泛，經濟效益顯著，但由于受到儲層地應力、滲透率、巖石的粗糙度、強度等限制，并非所有低滲透地層都適合。目前，對于適合清水壓裂儲層的篩選，國內外都是通過對實際壓裂施工數據進行統計而得到，這種方法缺乏理論支撐和實驗室檢驗，不具有普遍的指導意義。因此，文中利用McGuire-Sikora增產倍數圖版，分析了裂縫導流能力和縫長對增產效果的影響規律及清水壓裂適應的儲層條件；并利用巖石力學參數、地層滲透率、裂縫壁面抗壓強度、閉合壓力等參數，建立了預測清水壓裂自支撐裂縫導流能力的計算方法；同時利用室內巖心實驗，模擬裂縫剪切滑移，建立了清水壓裂裂縫導流能力室內測試方法，為篩選適合清水壓裂的儲層提供了一種可行手段。

清水壓裂；McGuire-Sikora圖版；導流能力;儲層篩選

水力壓裂工藝作為油水井增產增注的主要措施，已廣泛應用于低滲透油氣田的開發中，通過水力壓裂可有效改善井底附近的滲流條件，提高油井產能。由于我國絕大多數油田已進入中高含水開發階段，穩產和挖潛難度愈來愈大，因此，近年來非常規儲層的開發受到極大關注，而清水壓裂是動用這部分儲層的一種重要方法［1-4］；但使用清水壓裂受到儲層地應力、滲透率、巖石力學性質等限制，并不是所有低滲透地層都適合。目前，對于適合清水壓裂儲層的篩選還缺乏深入研究，導致許多壓裂施工失敗或見效甚微，成為清水壓裂推廣應用的技術瓶頸［5-6］。針對上述問題，本文繪制了增產效果與裂縫導流能力及縫長的關系圖版，分析了適合清水壓裂的裂縫導流能力范圍，并建立了清水壓裂自支撐裂縫導流能力的理論計算模型和室內評價方法，為清水壓裂儲層篩選提供了一種有效手段。

1 清水壓裂適應儲層評價指標

水力壓裂是油氣井增產、水井增注的一種有效措施，也是解除儲集層傷害、恢復油井產能的重要手段。評價壓裂效果的一個重要指標是增產倍數比，該指標是指相同生產條件下壓裂后和壓裂前的日產水平或采油指數之比，可采用典型曲線法、近似解析法或數值模擬法求解。本文主要對McGuire-Sikora增產倍數圖版進行變換，建立了評價方法。McGuire-Sikora圖版的縱坐標是無量綱增產倍數，橫坐標是無因次導流能力。曲線的擬合方程為

式中：J0，Jf分別為壓裂前后采油指數，m3/（d·MPa-1）；re，rw分別為泄油半徑和完井半徑為泄油半徑和井徑的修正因子；M為過渡參數；Lfe為裂縫半長，m；Kf為裂縫滲透率，μm2；Wf為裂縫寬度，cm；KfWf為裂縫導流能力，μm2·cm；K為地層滲透率，μm2；F為泄油面積，m2。

設K=0.001 6 μm2，re=200 m，以KfWf為橫坐標、（修正增長倍數）為縱坐標繪制McGuire-Sikora圖版（見圖1）。圖版中的0.2，0.3，…，1.0，為裂縫半長和泄油半徑之比。

圖1 McGuire-Sikora矢量化圖版

圖版體現了壓裂后不同裂縫導流能力與縫長對增產效果的影響。根據圖版曲線的變化規律，從左至右將圖版依次劃為3個區間：第1區間，當無因次縫長（Lf/ re）超過0.2時，增加裂縫長度Lf，只提供一個很小的追加量，對于提高產量沒有明顯效果。在此區間內，不適合清水壓裂，可通過使用支撐劑提高壓裂后裂縫的導流能力，以達到增產目的。第2區間，有可能出現較高的增產，增加縫長和裂縫的導流能力都會使產量增加，此時使用清水壓裂需要攜帶一定量的支撐劑。第3區間，導流能力增加不會使增長倍數明顯變化，而縫長成為控制增產的主要變量，此時裂縫的縫長愈長，增產效果愈顯著，適合大規模清水不加砂壓裂。

通過上述分析可知，儲層是否適合清水壓裂，主要取決于自支撐裂縫能否為油氣輸運提供足夠的導流能力，因此，建立清水壓裂裂縫導流能力的預測和室內評價方法非常重要。

2 清水不加砂壓裂裂縫導流能力預測

清水壓裂過程中，裂縫壁面產生錯動，在泄壓返排過程中，起伏粗糙的裂縫壁面不能完全嚙合，形成具有一定張開度的裂縫。清水壓裂自支撐裂縫壁面組合形態及法線方向受力變形如圖2所示。

圖2 自支撐裂縫壁面組合形態及法向變形

在閉合壓力作用下，裂縫壁面的凸起容易被壓碎和碾平，產生明顯的法向變形，但隨著閉合變形量的增大，壁面接觸面積逐漸增大，變形速率逐步減小，閉合壓力和法向變形呈明顯的非線性關系。Bandis等人通過試驗研究，提出雙曲線型法向應力σn與法向變形δn的關系式為

式中：σn為閉合壓力，MPa；δn，δnmax分別為法向變形（壁面閉合量）和壁面最大可能閉合量，μm；Kn0為結構面的初始剛度，N/m。

基于Goodman的研究，裂縫壁面初始剛度為

式中：JCS為結構面抗壓強度，MPa；JRC為結構面的粗糙性系數；δn0為裂縫壁面初始張開度，μm。

裂縫壁面的最大可能閉合量δnmax與JCS，JRC，δn0的關系，采用經驗公式為

式中：A0，B0，C0，D為常數，取決于結構面受載歷史，由多元回歸得出。

在壓裂過程中，對巖體進行第1次循環荷載，上述參數可取值如下［7］：

裂縫面初始張開度是上下2個粗糙裂縫壁面在無閉合應力作用下的壁面厚度之和，即

式中：aj為裂縫粗糙面厚度，μm。

aj與JCS，JRC和σc的關系式為

式中：σc為單軸抗壓強度，MPa。

Axel Makurat通過大量的實驗分析認為，裂縫粗糙壁面由于錯動及部分凸起部分被壓碎，裂縫壁面厚度平均下降14%，修正式（5）得

裂縫力學殘余寬度為裂縫初始寬度和裂縫法向閉合量之差：

Witherspoon提出的“立方定律”認為，實際的裂縫力學寬度與水力壓裂裂縫導流裂縫寬度不相等，二者的關系式為

式中：e是因裂縫不規則等效得來的水力導流裂縫寬度（裂縫平整光滑時，e=Wf），μm。

裂縫滲透率與導流裂縫寬度的平方成正比，其計算公式為

裂縫導流能力為

式中：C為裂縫導流能力，μm2·cm。

3 清水壓裂裂縫導流能力室內測試

清水壓裂過程中，裂縫轉向、剪切滑移和裂縫壁面粗糙性，造成泄壓返排時裂縫面不能完全嚙合，形成殘余空隙空間［8-10］。筆者通過室內試驗模擬了這一過程，并建立了清水壓裂裂縫導流能力室內評價方法。

首先將φ50 mm×100 mm的圓柱形試件劈裂，獲得粗糙裂縫壁面，并將粗糙的裂縫壁面滑移，然后將錯動巖心端面研磨平整，制備剪切滑移后自支撐非嚙合的裂縫壁面組合（見圖3）。

將試樣2個端面均勻涂抹AB膠，待凝24 h，放在導流儀里，模擬地下賦存的壓力環境，測試其導流能力。計算公式為

式中：μ為流體的黏度，Pa·s；q為流過巖心的流量，cm3/s；L為巖心長度，cm；B為巖石端面直徑，cm；Δp為巖心室兩端的壓差，MPa。

圖3 巖心非嚙合裂縫壁面組合

4 應用實例

齊421井E層位最小水平地應力為30 MPa，彈性模量為13.29 GPa，泊松比為0.23，地層滲透率為0.016 μm2，測試該層清水壓裂自支撐裂縫導流能力（見圖4）。

圖4 不同閉合壓力下自支撐裂縫導流能力

由圖4可知：隨著閉合壓力增加，自支撐裂縫導流能力值減小，并且存在一個臨界值；當閉合壓力大于臨界值時，裂縫導流能力急劇下降，最后趨于穩定，穩定值11.2 μm2·cm，位于McGuire-Sikora矢量化圖版第3區域，適合清水不加砂壓裂。

5 結論

1）建立了壓裂后產能評價方法，并繪制出McGuire-Sikora矢量化圖版。圖版體現了壓裂后裂縫不同導流能力和縫長對產能的影響。

2）McGuire-Sikora圖版分為3個區間，其中：第1，2區間通過增加裂縫的導流能力增產效果顯著，適合攜砂壓裂；第3區間通過增加縫長增產效果顯著，適合清水不加砂壓裂。

3）建立了清水壓裂自支撐裂縫導流能力理論計算方法和室內測試方法，結合McGuire-Sikora矢量化圖版，為清水壓裂儲層篩選提供了可靠依據。

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（編輯 李宗華）

Research on screening rservoir method for riverfrac treatment

Li Hao
(College of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

Riverfrac treatment is widely applied in exploration and development of low permeability oil-gas filed,and great economic benefit has been gained.But owing to the restriction of reservoir stress,permeability,roughness and intensity of rock,all the low permeability reservoirs are not suitable for riverfrac treatment.Now,the reservoirs,being fit for riverfrac treatment,are selected by actual fracturing operation data,which is lack of support from the theory and lab tests and has not universal guide.Through the use of McGuire-Sikora chart,this paper analyzes the effect rule of fracture conductivity and fracture length on stimulation effect and the reservoir condition for riverfrac treatment.Considering the rock mechanics parameters,formation permeability,compression strength and closure stress,a mathematical model of forecasting the residual fracture width is established.According to lab core experiment, shear slip is simulated and a test model of fracture conductivity of riverfrac treatment in laboratory is also established.That provides a set of reliable methods for reservoir selection during riverfrac treatment.

waterfrac treatment;McGuire-Sikora chart;flow conductivity;screening rservoir

黑龍江省自然科學基金項目“清水壓裂增產機理及適應儲層條件研究”（E201015）

TE357.1+1

：A

1055-8907（2012）02-0253-04

2011-07-11；改回日期：2012-01-15。

李浩，男，1991年生，在讀本科生。E-mail：zhangligang529 @126.com。

李浩.清水壓裂儲層篩選方法研究［J］.斷塊油氣田，2012，19（2）：253-256. Li Hao.Research on screening rservoir method for riverfrac treatment［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（2）：253-256.