水力壓裂設計的新模型和新方法

翁定為　付海峰　梁宏波

1.中國石油勘探開發研究院廊坊分院壓裂酸化中心　2.國家能源致密油氣研發中心儲層改造部

水力壓裂設計的新模型和新方法

翁定為1,2付海峰1,2梁宏波1,2

1.中國石油勘探開發研究院廊坊分院壓裂酸化中心2.國家能源致密油氣研發中心儲層改造部

翁定為等. 水力壓裂設計的新模型和新方法.天然氣工業，2016,36(3):49-54.

壓裂設計是水力壓裂技術的核心，由于非常規儲層的特殊性，使得壓裂設計面臨一系列的挑戰。為此，梳理了國內外壓裂設計各環節的新模型和新方法，并分析了其發展方向。壓裂設計的新模型和方法主要分布在儲層描述、水力裂縫刻畫、水力裂縫優化以及水力裂縫模擬等4個方面，其中儲層描述主要是在創新參數獲取基礎上建立新的地質力學模型；水力裂縫刻畫主要體現在開發新方法，并結合物理模擬實驗認識，提高現有監測手段的準確性；水力裂縫優化方面主要進展是挖掘儲層與流體的相互作用，并通過規律性描述，形成新型的油氣藏數值模擬軟件；水力裂縫模擬主要通過方法創新，研發新型的適用于水平井分段多簇壓裂的裂縫數值模擬器。因此，建議國內同行在堅持工具、設備等硬件投入的基礎上，加強基礎研究，力爭在各種評價模型和軟件方面取得突破，從而提高壓裂設計的科學性，進而實現非常規油氣藏的高效經濟開發。

水力壓裂 壓裂設計 儲層描述 裂縫刻畫 水力裂縫優化 裂縫模擬 數學模型 國內外

壓裂設計是水力壓裂技術的核心，是水力壓裂施工的靈魂，也是非常規儲層經濟高效開發的關鍵之一。水力壓裂設計技術經過近70年的發展，取得了許多認識，并建立了廣為接受的設計方法[1-3]：在儲層評價的基礎上，一方面建立水力壓裂油藏數值模擬模型，模擬不同裂縫參數下的油氣井產量，建立裂縫參數與產量和經濟收入的相關關系；另一方面建立壓裂裂縫模型，模擬不同施工參數下的裂縫參數，建立裂縫參數與水力壓裂施工參數和經濟投入的關系；綜合兩者則可建立裂縫參數與凈收益的相關關系，從而得到油氣田生產所需的水力裂縫參數，制訂水力壓裂實施方案。壓裂設計的目的是通過優化確定匹配儲層需求的水力裂縫，設計出可執行的實施方案，并最終在儲層中“制造”出需要的水力裂縫。但由于非常規儲層的特殊性，造成壓裂設計面臨著一些挑戰，主要有以下4個方面[4-5]：①準確描述需改造儲層的難度大，包括儲層的縱橫向分布、物性、巖性、巖石力學性質、應力等；②準確刻畫水力裂縫形態的難度大，包括對裂縫長度、寬度、高度、分支縫、復雜裂縫的刻畫；③適用于各種非常規儲層的壓裂油氣藏工程模型及軟件；④適用于各種非常規儲層的裂縫模擬模型軟件以及各種施工配套技術。但近年來，國內外研究在以上4個方面取得較大突破，特別是國外大型服務公司，針對非常規儲層的開發都推出了一體化的增產設計理念，從最初的地質研究、盆地模擬到鉆井、儲層評估、壓裂等各個環節緊密相連，各種模型可以實現無縫對接，從而最大限度地認識儲層，提高油氣開發效果。

1　儲層評價新進展

1.1認識儲層的新工具與新方法

對于非常規儲層而言，儲層評價一方面是評價每口井井筒附近的儲層特征；而另一方面，評價儲層在整個平面上的分布，以及平面上各關鍵特征參數的分布。為此，一方面是研發新的工具和設備來評價各關鍵參數，如方位聚焦電阻率（AFR）工具和方位深度讀取電阻率（ADR）工具用來研究在3 000 m水平井中的天然裂縫聚集區和巖石力學性質的變化[6]，AFR成像測井在美國Bakken油田應用，證實超過839段裂縫在4個裂縫聚集區內，而通過ADR工具證實大約40%的水平段在產層甜點區。而對于第二方面，目前，多位學者嘗試通過微地震與地震數據疊合解釋儲層的巖石力學性質、天然裂縫分布等[7]，并建立與產量的相關性，取得了不錯的應用效果。

1.2評價儲層的新模型

目前，由于在非常規儲層特別頁巖氣以及富含液態烴的頁巖開發中，出現了大量經典理論模型與現場實際開采不一致的情況，許多研究機構推出了許多新的更接近儲層實際的模型。如地應力場模型，巖石力學參數和地應力場評估是壓前儲層評估最為重要的方面，在常規儲層中地應力場模型常用的是各向同性模型，而在非常規儲層特別是頁巖儲層由于其強烈的非均質性。因此在計算應力時多采用垂向非均質平面均質應力場模型（VTI）[8-9]或者各向異性模型。其中各向異性模型由于需求解的參數太多，難以根據現有測井數據計算地層應力，實用性較差，應用相對較少。VTI模型由于考慮了縱向上的非均質性，且能根據現有測井資料求解，因此應用較為廣泛。如圖1所示，在該模型中，需要5個獨立的聲波速度，一般是垂向橫波速度、垂向縱波速度、平面橫波速度、平面縱波速度和45o方向的縱波速度，來求解得到5個彈性參數，如式(1)所示，其中C12=C11－C66。得到彈性參數后，再根據式（2）～（4）求取巖石的平面模量、泊松比以及垂向楊氏模量、泊松比。最后再根據公式（5）求解得到儲層的最小水平主應力。

圖1　垂向非均質平面均質應力場模型示意圖

式中σij當i=j時表示正應力，MPa，當i≠j時表示為剪應力；εij當i=j時表示正應變，當i≠j時表示剪應變；Cij表示彈性系數；Eh和Ev分別表示水平和垂直方向的楊氏模量，MPa；vh和vv分別表示水平和垂直方向的泊松比；σh表示水平方向的最小主應力，MPa；σv表示垂向主應力，MPa；pp表示孔隙壓力，MPa；α表示孔隙彈性系數；σt表示構造應力，MPa。

實際應用中，由于測井通常獲取的聲波速度只是垂向即井筒方向的縱波和橫波速度。因此常用的辦法是用垂向的橫波和縱波速度，根據經驗公式計算得到其他兩個方向的3個聲波速度，再計算各彈性參數、垂向楊氏模量、泊松比以及平面巖石模量、泊松比，最后得到連續的最小主應力剖面。在此過程中，需要根據巖心實驗數據對經驗公式進行校正。

2　裂縫認識新進展

2.1認識裂縫的新工具與新方法

行業內已開發了多種壓裂監測方法用于刻畫水力裂縫，包括測斜儀、微地震、測井技術（放射性追蹤、溫度測井、生產測井、井眼成像、井下電視）、試井、生產分析等。表1給出了目前常用的水力壓裂直接監測方法能夠描述的裂縫參數，由表1可知，采用現有方法，可以對水力裂縫在儲層內的范圍、裂縫發育的方向、大小進行追蹤和定位，但同時也應該注意到，各種方法的監測結果常出現無法統一的局面，說明這些直接監測方法仍需完善。

表1　現有壓裂監測方法解釋參數對比表

目前壓裂監測的發展方向主要有兩個：一是開發新的設備或者將已有設備聯合起來提高裂縫反演的準確度，如干涉合成孔徑雷達（InSAR）與微地震的聯合使用監測裂縫形態以及裂縫長期形態的變化[10]；而另一方面則更為重要，即對于各種已有監測方法，研發或者完善解釋模型，提高已有監測手段對裂縫刻畫的準確性。

微地震方面，把微地震結果和地質構造、裂縫聯系起來，利用微地震精確定位和矩張量反演，可深化對水力壓裂裂縫的形態和特征的認識。可利用的微地震信息包括：微地震特征參數（如能量、事件數、G-R統計的b值、發震時間等參數）、全波形信息（可進行定位、利用波形獲得的源參數，即矩張量反演）。通過微地震定位能實時監測裂縫發展，微地震波形、振幅信息可以提供破裂機制[11-13]。

微形變方面，通過對等效裂縫容積與施工液量、水力裂縫系統中水平分量與垂直分量大小和所占比例的相對關系分析，建立了注容比、分量體積差異率、裂縫復雜指數3個新的參數表征裂縫的復雜程度，采用新參數計算的等效裂縫體積結果與壓裂壓力分析和微地震監測結果有較好的一致性，與壓降速率、延伸梯度正相關程度較高。

在井溫測井方面，采用分布式光纖（DAS）監測，可以實現對裂縫起裂位置和裂縫的相對大小有比較直觀的認識，在此基礎上，通過建立模型，擬合連續溫度剖面，實現對裂縫形態（縫長和導流能力）的認識[14]。

2.2認識裂縫的物理模擬實驗

物理模擬實驗是認識裂縫的重要手段，國內外研究機構一直高度重視相關研究[15]。但物理模擬實驗研究也面臨邊界效應影響、相似性不高等挑戰，為此開發了大尺度的物理模擬實驗裝置。國內大型物理模擬裝置的實驗巖樣尺寸為762 mm×762 mm×914mm，最高加載圍壓69 MPa，最大孔隙壓力20 MPa，同時可采用24通道實時聲發射監測裂縫擴展。近年來通過大量實驗取得了較好的規律性認識。如針對致密砂巖儲層，認識到裂縫形態主要取決于天然裂縫、應力場和凈壓力匹配關系，其中形成復雜裂縫最重要的影響因素是天然裂縫或者膠結弱面。如圖2所示，在天然裂縫發育巖樣，水平主應力差為0的情況下，壓裂呈網狀裂縫形態；而在天然裂縫不發育巖樣，水平主應力差為0的情況下，壓裂裂縫是單一裂縫，但裂縫有轉向和彎曲；而對于天然裂縫不發育巖樣，水平主應力差為7 MPa情況下，壓裂為平面裂縫。

同時，圖2-a中巖樣的縫內凈壓力為5～26 MPa；而對于裂縫不發育巖樣，縫內凈壓力一般為1～3 MPa。

綜上可知，天然裂縫是形成復雜裂縫形態的核心因素，而凈壓力是評價裂縫復雜參數的有效參數。

圖2　不同類型致密砂巖巖樣大型物理模擬實驗結果圖

3　新型的油氣藏數值模擬模型及軟件

非常規油氣藏數值模擬的主要挑戰有：①如何將地質力學對水力裂縫認識輸入到油氣藏模型中；②如何根據儲層認識建立雙孔雙滲模型；③如何考慮復雜介質中的多相流；④如何考慮滲析、滲吸、吸附、克努森效應等[16]；⑤非達西效應[17]。目前，有學者建立了針對頁巖儲層的三重孔隙—裂縫—基質模型，模型中有機和無機物質充填在相互連通的裂縫網絡內，同時考慮基質潤濕性、毛細管壓力、相對滲透率和滲吸壓等，模擬了部分頁巖氣儲層存在壓裂后關井產氣量增加的現象[18]。

4　新型的水力裂縫模型軟件及施工配套技術

4.1新的水力裂縫模型

非常規儲層特別是頁巖油氣儲層，水力裂縫模擬的難點主要有：三相介質（巖石基質、干酪根和流體），有機質中連通孔的保存，巖石力學和巖石物理的新模型，巖石/流體的相互作用（水為何不傷害儲層滲透率），水平井多條裂縫擴展時的應力場變化等[19]。因此新型的水力裂縫擴展軟件，需要具備的功能主要有：①儲層各參數如楊氏模量、泊松比、應力、斷裂韌性、孔隙壓力、濾失系數等的非均質描述；②多種液性的注入，并且考慮支撐劑濃度、溫度和時間的流體流變性；③水力裂縫間的應力干擾；④沿射孔眼分布的流體分配井筒力學等。目前新出現的代表有FrackOptima軟件，該軟件采用邊界元方法，其非平面的三維數值模擬器可用于模擬層狀非常規油氣藏中，分段多簇水力壓裂施工的裂縫擴展過程[20]。圖3所示是該軟件模擬了由于產層隔層應力差異以及縫間間距小而形成的非均勻擴展的裂縫形態和裂縫間的相互干擾彎曲結果。圖4所示是水平井加載微地震監測結果的裂縫形態分析，一種顏色的點代表一段的微地震事件分布。

此外，通過對有限元方程組改造，大大減少網格單元數量，從而實現對水力裂縫擴展的模擬。由于有限元方法在迭代過程中即實現了對動態應力場的描述，因而在水力裂縫擴展路徑，特別是多條裂縫同時擴展水力裂縫的相互干擾方面具有極大的優越性[21]。

圖3　水平井單段多簇模擬裂縫形態圖

圖4　微地震監測結果與裂縫形態的疊合分析圖

4.2新的施工配套技術

為了提高非常規儲層水平井分段多簇改造的有效性和改造效果，常采用提高井底和縫內壓力的方法，具體做法是采用某種封堵劑或者多種封堵劑的組合，如纖維、大粒徑支撐劑、封堵球等，封堵射孔孔眼或者橋堵裂縫，人為造成流動困難，強迫流體轉向，以打開新的射孔簇或者形成分支裂縫，代表技術有寬帶（Broadband）技術等。

許多施工配套技術在持續研發中，如脈沖壓裂，即以高功率脈沖技術為基礎，利用液電效應原理，在井筒有限的區域形成極端的物理環境，以點源方式產生強沖擊波，直接或穿透套管作用于儲層。經室內試驗證實，脈沖的峰值壓力足以破裂巖石[22]。此外，爆燃壓裂等技術近年來也取得較大進展。

其他工藝技術如CO2壓裂技術在國內也處在進一步探索階段[23-25]，該類技術除了能增加地層能量之外，還能降低對儲層的傷害，具有較好的應用前景。

5　結論與啟示

1）水力壓裂是非常規儲層開發的關鍵技術，而壓裂設計是水力壓裂的核心，壓裂設計的任務是在認識儲層和裂縫形態的基礎上，實現裂縫與儲層的匹配，并通過現場實施將需要的裂縫“放置”到儲層中。

2）儲層評價模型如層狀非均質平面均質模型，油氣藏數值模擬模型以及水力裂縫模型是壓裂設計的重要組成部分。

3）國內除了要堅持開發工具、設備來進一步評價儲層和刻畫裂縫外，更應該加大基礎研究，在地質力學模型、水力裂縫模型以及油氣藏數值模擬模型等各方面取得突破，從而提高壓裂設計的科學性，實現非常規儲層的高效經濟開發。

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New models and methods for hydraulic fracturing design

Weng Dingwei1,2, Fu Haifeng1,2, Liang Hongbo1,2
(1. Fracturing and Acidizing Center, Langfang Branch of PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Langfang, Hebei 065007, China; 2. Stimulation Department of National Energy Tight Oil and Gas R&D Center, Beijing 100083, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 3, pp.49-54, 3/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Fracturing design is the core of hydraulic fracturing technologies. The particularity of unconventional reservoirs brings about challenges to the fracturing design. In this paper, the development direction of fracturing design was analyzed after new models and methods for fracturing design all over the world were investigated. These new models and methods mainly involve reservoir description, and fracture depiction, optimization and simulation. Reservoir description mainly involves a new geomechanical model built based on the acquisition of innovation parameters. Fracture depiction focuses on new method development to increase the accuracy of the existing monitoring means based on physical simulation experimental results. Progress in fracture optimization focuses on the interaction between reservoirs and fluids and the development of new numerical reservoir simulation models on the basis of law description. Hydraulic fracture stimulation involves the research and development of new numerical fracture simulators suitable for multi-stages and multi-clusters fracturing in horizontal wells by means of innovative methods. It is strongly recommended to strengthen basic research and try to realize breakthroughs in terms of various evaluation models and software so as to improve the quality of fracturing design and develop unconventional resources efficiently and economically in China while the investment on tools and equipments are guaranteed.

Hydraulic fracturing; Fracturing design; Reservoir description; Fracture depiction; Hydraulic fracture optimization; Fracture simulation; Mathematical model; Domestic and overseas

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.03.007

國家科技重大專項“低滲、特低滲油氣儲層高效改造關鍵技術”（編號:2011ZX05013-003）。

翁定為，1981年生，高級工程師，博士；從事壓裂工藝方面的研究工作。地址:（065007）河北省廊坊市44號信箱。電話: （010）69213147。ORCID:0000-0003-3482-449X。E-mail:wendw69@petrochina.com.cn

2015-10-14編 輯韓曉渝)