鄂南淺層壓裂裂縫形態(tài)探討

李月麗，何 青，姚昌宇，張永春，王新君

（中國石化華北油田分公司工程技術(shù)研究院 ，河南鄭州 450006）

人工裂縫形態(tài)是油層壓裂設(shè)計首先要考慮的問題，它是影響壓后生產(chǎn)效果最直接和最重要的因素之一。鄂爾多斯盆地富縣和彬長探區(qū)中生界延長組部分儲層埋藏淺，壓裂裂縫形態(tài)復雜，壓裂后，垂直縫、水平縫等均有可能形成，因此掌握儲層的人工裂縫形態(tài)對壓裂工藝的選擇和壓裂設(shè)計的優(yōu)化具有重要的指導意義［1－2］。

鄂爾多斯盆地富縣和彬長探區(qū)中生界延長組儲層自上而下發(fā)育著長2、長3、長6、長7、長8等多套儲層，埋深150～1500 m，平均孔隙度9.4%、平均滲透率0.56×10－3μm2，總體表現(xiàn)為低孔、特低滲的特點；儲層巖性以粉砂巖、細砂巖為主；孔喉類型屬微細孔喉型及細孔微喉型；儲層縱橫向非均質(zhì)性很強。

1 人工裂縫形態(tài)及對油層產(chǎn)量的影響

水力壓裂裂縫形態(tài)可分為水平縫和垂直縫，在天然裂縫不發(fā)育的地層，裂縫形態(tài)主要取決于其三向地應力狀態(tài)。根據(jù)最小主應力原理［1］，水力壓裂裂縫總是產(chǎn)生于強度最弱、阻力最小的方向，即巖石破裂面垂直于最小主應力軸方向。當垂向主應力最小時，形成水平裂縫；當垂向主應力最大時，形成垂直裂縫。

對于顯裂縫地層很難出現(xiàn)人工裂縫，而微裂縫地層可能出現(xiàn)多種情況：可以垂直于最小主應力方向，也可能基本上沿著微裂縫方向發(fā)展，把微裂縫串成顯裂縫。

文獻調(diào)研表明［3－4］裂縫形態(tài)對油層產(chǎn)量有較大的影響，即對于水平裂縫，油氣從地層到人工裂縫的滲流主要為垂向滲流，一般來說垂直滲透率是水平滲透率的1／10，垂向滲透率偏低是造成相似的地層條件下產(chǎn)量偏低的一個主要原因。

前期利用油藏數(shù)值建模方法研究了水平縫和垂直縫對壓后效果的影響（圖1），結(jié)果表明，壓后形成水平縫的井累計產(chǎn)油量小于形成垂直縫的井。因此，針對壓裂投產(chǎn)的井而言，形成垂直縫是最理想的裂縫形態(tài)。

圖1 裂縫形態(tài)與累計產(chǎn)油量的關(guān)系

2 人工裂縫形態(tài)研究［5－7］

2.1 人工裂縫形態(tài)影響因素分析

影響人工裂縫形態(tài)的因素很多，主要包括地應力、構(gòu)造、天然裂縫、儲層非均質(zhì)性、巖石抗張強度等多方面。前期針對人工裂縫形態(tài)采用了多種方式、方法進行了分析研究［2－4］。

2.1.1 地應力

水力壓裂時形成的人工裂縫形態(tài)主要取決于巖石的三向應力狀態(tài)，選取富縣探區(qū)400～800 m儲層巖樣進行了室內(nèi)聲發(fā)射凱塞爾效應實驗測試（表1）和分析（圖2），從分析結(jié)果可以看出，儲層巖石三向地應力均隨著埋藏深度的增加而增大，當埋藏深度接近1000 m時，上覆地層應力與最小水平地應力相當，這說明當儲層埋深小于1000 m時，垂向地應力小于水平最小主應力，會形成水平縫。

表1 聲發(fā)射凱塞爾效應實驗測試結(jié)果

圖2 富縣探區(qū)地應力與深度的關(guān)系

2.1.2 瞬時停泵壓力

瞬時停泵壓力消除了摩阻的影響，基本代表了裂縫的延伸壓力，是最小主應力與巖石應力強度因子的綜合反映。根據(jù)瞬時停泵壓力梯度和上覆巖層應力梯度的對比結(jié)果，可以大致估算壓裂裂縫形態(tài)。

通過對富縣、彬長探區(qū)中生界延長組儲層110井次的瞬時停泵壓力統(tǒng)計（圖3），結(jié)果表明儲層埋藏深度越深，瞬時停泵壓力梯度越小，大體可以分為三個階段：

（1）0～500 m：停泵壓力梯度大于0.025 MPa／m；

（2）500～800 m：停泵壓力梯度在0.025 MPa／m上下變化；

（3）＞800 m：停泵壓力梯度基本小于0.025 MPa／m，且比較集中。

圖3 瞬時停泵壓力梯度與埋藏深度關(guān)系

根據(jù)巖石密度計算富縣和彬長探區(qū)上覆巖層最大應力梯度約為0.023～0.025 MPa／m，通過將此數(shù)據(jù)與井底瞬時停泵壓力梯度對比，綜合分析認為該區(qū)儲層埋深大于800 m以垂直縫為主，小于500 m基本為水平縫，500～800 m之間各種形態(tài)裂縫均可能產(chǎn)生。

2.1.3 構(gòu)造

富縣探區(qū)受渭北隆起的擠壓，構(gòu)造應力增加，使儲層三向地應力明顯升高，巖石破裂壓力升高，使壓裂裂縫形態(tài)趨于復雜化，可能在縫口形成水平縫，隨著人工裂縫進一步延伸，逐漸轉(zhuǎn)向高角度斜交縫或垂直縫。

2.1.4 儲層非均質(zhì)性

富縣探區(qū)中生界儲層有效厚度小，儲層縱向以砂泥巖互層為主要沉積特征，巖性變化大，砂巖層最小主應力比相鄰泥巖夾層小1～3 MPa左右，巖石力學參數(shù)也有明顯的變化，這說明在儲層三向地應力差異較小時（＜5 MPa），壓裂裂縫形態(tài)向著有利于水平縫的方向發(fā)展。

2.1.5 巖石抗張強度

巖心觀察表明，富縣探區(qū)延長組儲層層理構(gòu)造發(fā)育，受沉積成層及水平層理的影響，沉積巖石的垂向巖石抗張強度要遠小于橫向抗張強度，這有利于水平縫的形成。

2.2 人工裂縫形態(tài)驗證

為了驗證鄂南區(qū)塊富縣彬長探區(qū)的人工裂縫形態(tài)，前期選取了部分井進行了井溫測試和地面微地震監(jiān)測。

2.2.1 井溫測井

2011年，對2口直井（長2和長6儲層）進行了井溫測井（圖4和圖5），從井溫測井曲線可以看出B井長6儲層壓后形成了垂直裂縫；對于A井長2儲層壓后形成了水平裂縫。

2.2.2 地面微地震法

圖4 A井長2油層井溫測井曲線

圖5 B井長6油層井溫測井曲線

2011年，采用地面微地震法對三口井進行了裂縫監(jiān)測（表2），監(jiān)測結(jié)果表明C井埋深148.5～150.0 m，壓后形成水平縫；D井埋深910～913 m，E井埋深956.5 m，壓后均形成垂直縫。監(jiān)測結(jié)果表明前期對鄂南延長組儲層裂縫形態(tài)的研究結(jié)果是正確的。

表2 地面微地震法裂縫監(jiān)測結(jié)果

3 結(jié)論及建議

（1）通過對鄂南區(qū)塊富縣和彬長探區(qū)人工裂縫形態(tài)研究，初步認為當儲層埋深大于800 m時以垂直縫為主，小于500 m時基本為水平縫，而500～800 m之間時各種形態(tài)裂縫均可能產(chǎn)生。但考慮構(gòu)造、儲層非均質(zhì)性和巖石抗張強度等影響，對于淺層，可能在縫口形成水平縫，隨著人工裂縫進一步延伸，逐漸轉(zhuǎn)向高角度斜交縫或垂直縫。

（2）對于淺層儲層而言，水平縫的形成不可避免，為了盡量減小水平縫對壓裂效果的影響，建議從布井方式、完井方式、壓裂工藝和施工參數(shù)等方面總體考慮，整體部署，在最大程度上增加裂縫的復雜性或裂縫的體積以提高單井產(chǎn)量。

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