儲層物性及壓裂工藝因素對水力壓裂效果的影響分析

鄧粞文，段永剛

（西南石油大學石油工程學院，四川成都610500）

儲層物性及壓裂工藝因素對水力壓裂效果的影響分析

鄧粞文*，段永剛

（西南石油大學石油工程學院，四川成都610500）

水力壓裂是儲層進行增產改造的一大有效措施，壓裂效果的好壞程度受不同因素的制約。就從地質角度及工藝角度兩方面，研究分析了不同因素對壓裂施工效果的影響機理，為壓裂施工的合理設計及有效開發提供一定的借鑒意義。

水力壓裂；儲層物性；壓裂工藝

針對部分儲層，尤其是低滲、特低滲儲層來講，水力壓裂是實現其經濟開發的有效手段之一。壓裂施工過程中面臨著較多的影響，若在施工設計及施工過程中對某些潛在因素考慮欠妥或處理不佳，將會在不同程度上影響壓裂效果，在某些情況下，甚至會導致壓裂失敗。壓裂效果的影響因素是多方面的，因此，壓前對儲層充分認識及壓裂工藝因素的合理控制是壓裂成功的關鍵，本文就從地質角度及工藝角度綜合分析了不同因素對壓裂效果的影響。

1 儲層地質因素分析

壓裂施工是基于儲層物性的基礎上進行增產改造的，儲層物性是影響壓裂效果的基本因素，具體包括孔隙度、有效厚度、電阻率、儲層巖性、天然裂縫及地層壓力等因素的影響。

1.1 孔隙度及滲透率的影響

孔隙度及滲透率具有一定的相關性，其對壓裂效果的影響是相互的，孔隙度對壓裂效果的影響在一定程度上會反映在對滲透率的影響上。儲層較低的孔隙度，將會導致儲層流體難以流動，致使束縛水飽和度高，有效滲透率降低，流動阻力增大。一般而言，儲層孔隙度及滲透率對壓裂效果的影響存在一定的正相關性，隨著孔隙度的增加，滲透性相應的變好，壓裂獲得高產能的幾率越大，圖1給出了不同滲透率條件下的氣井壓裂增產產量情況。

圖1 不同滲透率條件下壓裂增產情況（h=30m）

1.2 有效厚度的影響

儲層的有效厚度與壓裂效果的好壞程度表現出一定的正相關性（如圖2所示），儲層厚度的增加，壓后生產情況將有一定提高。這是因為儲層厚度較小，含氣規模較小，形成人工壓裂縫范圍內，巖性易發生變化，砂體穩定程度相對較低。從圖1及圖2中可以看出，厚度對壓裂效果的影響較小，但由于在實際儲層中孔隙度與滲透率的變化范圍較小，而儲層的變化范圍較大，一般有效厚度較大可以補償物性的不足[1]。

圖2 不同厚度條件下壓裂增產情況（K=3mD）

1.3 電阻率的影響

壓裂效果較好的層位其電阻率通常較高，這是由于電阻率的高低，反映出儲層含烴飽和度的高低，低含烴飽和度的儲層在施工中容易造成水鎖現象，導致壓裂效果不明顯。

1.4 儲層巖性的影響

儲層巖性控制著儲層的儲集能力，粒度越大，分選越好，其儲集層的儲集能力就越強，儲集的天然氣越多，壓裂增產的幾率也就越大。隨著儲集層巖性粒度的變大，壓裂增產也隨之變大。

儲層巖性對壓裂效果的影響還表現在泥質含量上，儲層泥質含量越高，儲層巖性的柔韌性越大，相對壓裂施工難度越大，而儲層泥質含量越低，儲層巖石脆性越大，壓裂施工時巖石越容易破裂，壓裂施工難度降低，壓裂效果越好。巖石脆性大小可由楊氏模量和泊松比進行表征[2]，其具體計算公式如下：

式中：YMSc——靜態楊式模量,10GPa；

PRc——靜態泊松比，無量綱；

YMBI——歸一化的楊氏模量，無量綱；

PRBI——歸一化的泊松比，無量綱；

BI——脆性系數,無量綱。

1.5 天然裂縫的影響

天然裂縫對壓裂措施效果的影響是相對的。在某些類型儲層中由于巖石在地下受到不同方向應力大小差別較大，容易產生天然裂縫，反映出儲層地應力不均一，是儲層中地層應力薄弱的地帶，天然裂縫的存在使得巖石的抗張強度降低，儲層可壓裂性越高。

需要注意的是，由于剪切錯動的存在，天然裂縫的存在可能會造成一定程度的機械傷害。剪切錯動的大小受地應力狀態、天然裂縫的方位和壓裂施工參數的控制，這種傷害雖然較小，但卻是永久性的。若水力壓裂裂縫周圍存在天然裂縫，水力裂縫可能在地層中產生附加應力，導致天然裂縫的滲透率相應的降低。其附加應力與縫寬成正比：

式中：Δσ——應力與基準壓力之差，MPa；

ω——縫寬，μm；

E——楊氏模量，MPa；

H——裂縫高度，μm；

γ——泊松比，無量綱。

1.6 地層壓力的影響

地層壓力的高低反映出地層能量的總體水平，若地層壓力較低，將會造成儲層供液能力變差，同時，對部分油井來說，過低的地層壓力將會導致地層原油脫氣，流體粘度增大，滲流阻力變大，導致壓裂整體效果變差，采用合理的注采井網及時補充地層能量是十分重要的。

1.7 其他因素影響

壓裂層位附近若存在含水層需要注意壓裂施工過程中縫高的控制，若施工過程中壓開了鄰近水層，發生竄槽，將會導致壓后見水，不但不能達到增產的目的，還會導致壓后產量下降甚至無法使油氣采出；儲層受斷層遮擋，物質基礎變差，也會導致壓后效果較差[3]。

2 工藝因素分析

壓裂施工過程中的工藝因素是壓裂效果的關鍵，其主要影響因素包括鉆完井及壓裂施工過程中對儲層的損害，支撐劑類型，前置液、排量、壓后作業及壓后生產等因素的影響。

2.1 鉆完井及壓裂施工中工作液對儲層損害

工作液對儲層的損害程度對壓裂施工效果的影響較為明顯。儲層的損害主要來自鉆完井過程中的損害以及壓裂工程中的損害。

2.1.1 鉆井過程中的儲層損害

在鉆完井過程中所使用的鉆井液若與儲層不配伍，工作液中的固相顆粒將會進入儲層誘發堵塞，導致滲流阻力增大，同時容易發生水敏、水鎖等危害，引起粘土的膨脹、運移，形成賈敏效應，造成有效滲透率急劇下降，在這種情況下，即使后期采用水力壓裂等增產措施，其壓后產量依然處于較低的水平，嚴重影響壓裂施工效果[4]。

2.1.2 壓裂施工中的儲層損害

壓裂液對壓裂施工的影響主要包括壓裂液配伍性的影響及濾失的影響2個方面。

壓裂液的配伍性主要包括壓裂液自身的配伍性及與儲層的配伍性。若壓裂液自身配伍性較差，在井下溫度、壓力條件下，壓裂液體系中各化學成分發生反應產生沉淀，將會影響儲層的滲透性；若壓裂液與儲層物性不匹配，同樣也會堵塞儲層，造成水敏、水鎖等現象[5]，同時，若壓裂液中某些活性添加劑若改變儲層的潤濕性，也會對儲層造成較大的危害，嚴重降低儲層的滲透率。

壓裂過程中的濾失現象也會對壓裂效果造成一定的影響。在壓裂過程中，若壓裂液大量濾失形成濾餅，將會消除支撐縫內沿壁面的流動。對于低滲氣層，濾失系數具有較強的壓力敏感特性，濾失系數與壓力的0.5或1.0次冪成正比。對于低滲裂縫性氣層，其壓力敏感性特征更為復雜，下式可以描述這一特征：

式中：k——任意應力狀態下的天然裂縫滲透率,mD；

k0——原始應力狀態下的地層滲透率,mD；

c——由現場資料確定的常數；

σ——作用于天然裂縫的垂向應力，MPa；

σ*——參考應力,MPa；

p——孔隙壓力；MPa。

2.2 支撐劑的影響

支撐劑的類型是影響壓裂效果的一個主要因素。隨著儲層深度增加，巖石越致密，上覆壓力增大，在較高地應力的作用下，強度較低的支撐劑可能會被壓碎，降低支撐劑的導流能力；同時，儲層較高的溫度，會加劇支撐劑的應力集中破壞，導致壓裂效果不佳。通過對支撐劑的合理選擇，采用適當強度和抗破碎能力的支撐劑，才能有效提高支撐劑的導流能力[6]。

2.3 壓裂施工因素

壓裂施工因素具體包括前置液量、加砂量、砂比、排量、注入時間等因素的影響[7]，其中最主要的3個關鍵因素是前置液量、加砂量及排量的合理設計。

2.3.1 前置液的影響

前置液的主要目的是用來造成一定幾何尺寸的裂縫以備后面的攜砂液進入，形成具有一定導流能力的裂縫。前置液量過少，容易在寬度窄的裂縫區誘發橋塞；前置液過多則會導致在泵注停止后，裂縫的端部附近產生較大的未支撐區，壓后裂縫內的殘余塑性流動使支撐劑被攜帶至端部，并最終形成較差的支撐劑分布。

2.3.2 排量的影響

壓裂施工中若排量過小，易造成較大濾失，容易導致早期砂堵；若排量過大，雖然可以形成較大的壓裂規模，但是難以對縫高進行有效控制，若目的層鄰近存在水層時，較大的排量容易壓開水層導致壓裂失敗。

2.3.3 加砂量的影響

加砂量影響著填充裂縫的導流能力。采用較小的加砂量，則在壓裂施工中難以得到較高導流能力的支撐剖面，若采用較高的加砂量，則容易形成砂堵，合理的加砂量將會獲得較好的壓裂效果。

2.4 壓后作業的影響

壓后作業對壓裂效果影響較大，壓裂后要及時排液，防止工作液殘留在儲層中對儲層造成危害，返排效果越好，壓裂效果越明顯[8]。

2.5 壓后生產的影響

隨著壓裂施工后生產的進行，井底流壓不斷下降，當采用高產量進行生產，勢必會導致井底流壓過低，過低的井底流壓將會導致支撐劑承受的閉合壓力增大，過大的閉合壓力容易使支撐劑產生破碎，使壓裂縫發生閉合，減小壓裂后的有效增產時間，作用于支撐劑上的有效閉合壓力為：

式中：ΔPc——有效閉合壓力,MPa；

sz——垂向壓力,MPa；

st——構造應力,MPa；

pwf——井底流壓,MPa。

3 結論

（1）儲層物性特征及地質情況是壓裂施工的基本條件，在壓裂前應對預選目標層位進行充分認識，合理地選井選層是取得較好壓裂效果的基礎。

（2）壓裂施工中的參數設計及施工質量是取得有效壓裂效果的關鍵，應合理設計施工參數，把握施工流程，注意防止鉆完井及壓裂施工過程中對儲層的危害，同時對壓后生產進行合理管理以保證較長的有效壓裂期。

（3）壓裂效果影響因素較多，既有地層本身的構造因素及物性特征，也有壓裂過程中的相關因素，充分認識這些影響因素及其作用機理，對高效開采低滲致密氣藏具有重要意義。

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TE357.1

A

1004-5716(2015)03-0048-03

2014-09-09

鄧粞文（1990-），男（漢族），四川蒼溪人，西南石油大學石油工程學院在讀碩士研究生，研究方向：試井解釋及生產動態分析。