人工裂縫復雜程度的壓裂液返排表征方法及應用

才博畢國強何春明沈華程曉東

1.中國石油集團科學技術研究院；2.中國石油華北油田公司

人工裂縫復雜程度的壓裂液返排表征方法及應用

才博1畢國強1何春明1沈華2程曉東2

1.中國石油集團科學技術研究院；2.中國石油華北油田公司

為評價非常規儲層體積壓裂后人工裂縫的復雜化程度，基于儲層基質與壓裂液存在離子交換現象，分析返排液中鹽濃度差異的表示方法，建立了體積改造后返排液中鹽濃度的飽和度分布數學模型，分析了不同返排液中鹽濃度與裂縫復雜化特征關系。結果表明：壓后返排液中鹽濃度變化主要表現出“平穩型”和“升高-平穩型”，返排液初期流體主要以人工裂縫內的單相流為主，返排液中鹽的濃度隨著返排量的增加而增加，達到一定返排率后，出現2種特征：一是平緩型特征，即返排液中鹽的濃度逐漸趨于平穩，表明儲層改造后的人工裂縫與儲層基質中的離子交換較少，人工裂縫趨向于單一裂縫為主的特征；二是升高-平穩型特征，即返排液中鹽的濃度仍存在增加趨勢，表明改造后人工裂縫與儲層基質產生大量離子交換，并且交換的體積較大，鹽濃度隨返排液量增大而增加的時間越長，表明人工裂縫的復雜化程度越高。經現場應用并結合微地震等試驗手段驗證表明，該方法可判別非常規油氣井壓后人工裂縫的復雜化程度，為進一步優化體積壓裂設計提供參考。

體積壓裂；致密油氣藏；人工裂縫網絡；返排液；氯離子濃度；單相流；壓裂液

2006年，國外學者Mayerhofer第1次提出油藏的改造體積（Stimulated Reservoir Volume，簡稱SRV）這一概念［1］，2011年國內學者吳奇對其進行了進一步的分析，提出體積改造新內涵［2］。水平井多段體積改造技術促進了非常規致密油氣資源工業化開發并發揮出革命性的作用［3-4］，形成復雜人工裂縫網絡已成為體積壓裂技術的關鍵因素［5-7］，如何印證體積壓裂后的裂縫網絡成為國內外學者關注的熱點，目前普遍采用的微地震手段存在著信噪比低、干擾強、工況受限及費用高等缺點。長期以來，壓裂液的返排一直是人們判斷地層壓后出油、出水液性特征關系的重要手段之一，返排液體中鹽的摩爾濃度的變化往往能夠反映儲層的一些特性，國內外頁巖氣改造中，隨著時間推移，返排液中的鹽濃度往往差別較大，這些變化多因為壓裂液與巖石中礦物成分產生離子交換，而壓裂液與巖石直接接觸的人工裂縫就顯得更為重要，這也說明壓裂液礦化度的變化與人工壓裂裂縫的復雜程度存在一定的相關性。2005年Fisher等人利用映射技術創建網絡裂縫中各種人工裂縫參數和生產數據之間的相關性［8］；2008年Medeiros采用生產數據分析來表征裂縫網絡特征［9］，2010年又采用產量穩態分析（RTA）和壓力穩態分析（PTA）的方法分析裂縫的特征［10］；2013年Ghanbari提出一種利用返排過程中返排液礦化度的變化分析裂縫變化的簡化方法［11］。筆者在前人研究的基礎上，建立人工裂縫和基質中液體鹽濃度（氯離子濃度，下同）與壓裂液累計返排量數學公式，得出不同鹽濃度與人工裂縫寬度變化關系，通過人工裂縫、基質流動與鹽濃度變化特征分析，建立返排過程中的人工裂縫寬度的表征數學模型。利用模型對現場施工井的壓后返排液進行分析，結合微地震技術得出裂縫復雜化的影響因素，為認識復雜裂縫特征及工藝優化提供參考。

1 壓裂液返排特征分析

Flowback characteristics of fracturing fluid

非常規的致密油和頁巖氣一般采用水平井開發，每口井都采用大液量液體進行改造，以形成復雜裂縫系統提高壓后的產量［12-13］。而在非常規壓裂改造模式下，由于人工裂縫網絡系統中分支裂縫的存在，流體在壓裂后的流動增加了由分支裂縫向主裂縫流動的線性滲流模式，因此體積改造形成的復雜人工裂縫網絡的滲流模式應為三線性流動模式，即對于形成復雜裂縫系統的流動［14］，在返排及生產中首先是主裂縫中的液體先返排出來，再由與主縫溝通較大的分支裂縫流出，隨著以上兩種裂縫的產出，微細裂縫及基質的流動開始發揮作用，但如果形成的網絡裂縫中分支裂縫較少，那么流體的返排流動只表現出主裂縫和基質向主裂縫的流動特征。上述原因導致通常每口井中壓裂返排液中鹽濃度的變化特征都不一樣，大量的實驗證實壓裂液返排中鹽濃度變化主要是由于壓裂液與巖石礦物成分存在大量的離子交換，因此壓裂液中鹽的濃度和累計產水量提供了與裂隙網絡體系結構相關的重要信息，返排液體中鹽濃度的變化在一定程度上可以反映出裂縫的不同特征，對于不同的體積改造模式下的裂縫形態其流動的特征也不相同，反映地層流體產出特征的鹽的濃度的變化就能表示不同裂縫形態下的流動特性。

2 數學模型

Mathematical model

2.1 假設條件

Assumed conditions

假定流體流動滿足應力-滲流耦合連續性方程、運動方程和狀態方程［15］。裂縫的擴展與延伸模型符合經典的Perkins，Kern 和Norgren （PKN）與Khristianovic，Geertsma和Dekerk（KGD）理論模型，具體假設條件為：（1）油氣藏為均質無限大且各向同性；（2）流動流體為牛頓流體；（3）不考慮地層溫度對裂縫內流體的影響；（4）暫不考慮裂縫系統內啟動壓力的影響；（5）流體流動中滿足達西定律，不考慮非達西效應；（6）巖石的變形為彈性變形，不考慮巖石蠕變；（7）假設流體中鹽的運移是由基質到裂縫，儲層中鹽的礦化度遠大于壓裂液的礦化度。

2.2 模型建立

Model establishment

利用Fick流體擴散定律來表示由基質到裂縫流動方程一般認為儲層基質中鹽的濃度是一個常數，而裂縫中鹽的濃度Cf遠遠低于基質中鹽的濃度Cm，因此基質與人工裂縫中鹽的濃度差可以利用下式近似處理。

因此式（1）可以簡化為

假設流體為兩相流體，含油飽和度方程為So=1-Sw，引入人工裂縫縫寬計算函數f（W），則人工裂縫內的含水飽和度分布為

方程中右邊是個常數，因此方程的結果為

把式（7）代入式（5）中

因此人工裂縫寬度與返排液體中鹽濃度函數關系為

2.3 模型分析

Model analysis

利用上面模型，以第i條、i+1條和i+2條裂縫為單元分析裂縫尺寸與累計含水中鹽濃度的關系。由圖1可以得出第i條裂縫時，累產水為Wf，iAf，i，隨著第i+1級裂縫的產出，由于裂縫的寬度變小，單位體積內鹽的濃度將增加，總產的水量表示為Wf，iAf，i+ Wf，i+1Af，i+1，第i+2級裂縫的產出，裂縫的寬度變得更窄，單位體積內鹽的濃度增加幅度加大（圖2），因此，壓后返排液中鹽濃度變化主要表現出“平穩型”和“升高-平穩型”兩種主要特征，返排液初期流體主要以人工裂縫內的單相流為主，返排液中鹽的濃度隨著返排量的增加而增加，達到一定返排率后，出現上述2種特征：（1）若返排液中鹽的濃度逐漸趨于平穩即平穩型特征，表明儲層改造后的人工裂縫與儲層基質中的離子交換較少，人工裂縫趨向于單一裂縫特征為主；（2）若返排液中鹽的濃度仍存在增加趨勢即“升高-平穩型”，則表明改造后人工裂縫與儲層基質產生大量離子交換，并且交換的體積較大，鹽的濃度隨返排液量增大而增加的時間越長，表明人工裂縫的復雜化程度越高。因此累產水與鹽濃度變化可有效反映裂縫的復雜程度及裂縫的寬度變化情況，進而反映出裂縫的不同網絡特征。

圖1 三級裂縫體系示意圖Fig. 1 Schematic map of third-order fracture system

圖2 累計產水量與鹽濃度關系Fig. 2 Relationship of cumulative water production vs. salt concentration

3 礦場試驗

Field test

以X區塊低孔低滲致密儲層A、B兩口直井儲層改造為例，表1為儲層基本參數及施工數據。由于2口井屬同一區塊，因此儲層的基本參數相差不大；A井采用常規的改造方式，B井則采用大排量+縫內暫堵轉向的改造技術，通過不同的施工方法壓后產量差別較大，B井的改造效果是A井的2.45倍。利用文中的模型對返排液進行分析對比，同時結合了2口井的微地震監測結果，微地震表明B井的微地震范圍是A井2.4倍。2口井返排液中鹽濃度變化特征分析表明，A井返排液鹽濃度增加到一定值后呈現平穩的趨勢，屬“平穩型”，而B井的返排液鹽濃度呈現臺階式的上升特征，屬“升高-平穩型”，說明B井出現了一定程度的縫網裂縫，改造的體積與范圍增大，效果更為突出（圖3），這與微地震的結論完全吻合，進一步證明本方法的可靠性。

表1 儲層基本參數和施工參數Table 1 Basic reservoir parameters and construction parameters

圖3 A井與B井返排液量與氯離子濃度變化關系Fig. 3 Relationship of chloride ion concentration vs. flowback volume of Wells A and B

4 結論與認識

Conclusions and understandings

（1）基于儲層基質與壓裂液存在離子交換的普遍現象，分析了不同返排液中鹽濃度與裂縫復雜化特征關系，建立了人工裂縫返排液中鹽濃度的飽和度分布數學模型，提出了壓裂液返排過程中具有“平穩型”和“升高-平穩型”兩種類型特征。“平穩型”表明人工裂縫與儲層基質中的離子交換較少，反映人工裂縫趨向于單一裂縫特征為主；“升高-平穩型”表明改造后人工裂縫與儲層基質產生的離子交換較強，變化趨勢越多，裂縫特征越為復雜。

（2）通過現場返排液中鹽濃度（主要是氯離子濃度）變化對比了同一區塊2口井：結果表明采用不同的改造方式壓后返排液中氯離子濃度變化差異加大：采用常規的改造方式氯離子變化主要以平穩型為主，裂縫較為單一；采用大排量+縫內暫堵轉向的改造技術，呈現“升高-平穩型”，反映裂縫較為復雜。該結果得到微地震監測結果證實，對進一步優化體積壓裂設計具有一定指導意義。

（3）利用壓裂液返排液中鹽濃度變化特征分析人工裂縫形態特征的方法是一個新的研究方向。本文初步建立了該類研究的基本方法和提出研究思路，并采用氯離子濃度變化來表征裂縫復雜特征，該方法更適用于儲層中鹽的礦化度遠大于壓裂液礦化度及油氣藏原始不含水的儲層，該類儲層鹽中氯離子濃度受壓裂液及地層水等影響少，濃度變化與返排率關系較為明顯，但對于低礦化度和含水率較高儲層，壓裂液與地層中離子交換后變化特征仍不明顯，采用氯離子濃度變化的表征方法存在一定多解性和不確定性，建議開展儲層礦物成分和其他排除干擾因素等的微量離子示蹤劑等探索研究，以不斷完善體積壓裂中人工裂縫復雜化程度的表征方法。

符號說明：

Symbol description:

Af，i為基質與第i個裂縫的接觸面積，m2；Cf為裂縫中鹽的濃度，mol/m3；Cm為基質中的鹽濃度，mol/m3；Cf，i為第i條裂縫中的鹽濃度，mol/m3；D為鹽的擴散系數，m2/s；f（Wf）為裂縫寬度分布函數；J為流體的擴散速率，mol/s；Lm為人工裂縫縫寬與基質中某一點的距離，反映鹽濃度梯度變化特征，m；Np，w為壓裂液的返排率，%；Qw為累計產水量，m3；So為含油飽和度，%；Sw為含水飽和度，%；Vf為裂縫的總體積，m3；Wf為裂縫寬度，m；Δt為人工裂縫內不同含水飽和度變化下的時間差，s。

References:

［1］ MAYERHOFER M J, LOLON E P, YOUNGBLOOD J E, HEINZE J R. Integration of microseismic-fracture-mapping results with numerical fracture network production modeling in the barnett shale［R］. SPE 102103, 2006.

［2］ 吳奇，胥云，王騰飛，王曉泉. 增產改造理念的重大變革——體積改造技術概論［J］. 天然氣工業，2011，31（4）： 7-12. WU Qi, XU Yun, WANG Tengfei, WANG Xiaoquan. The revolution of reservoir stimulation: An introduction of volume fracturing［J］. Natural Gas Industry, 2011, 31（4）: 7-12.

［3］ 吳奇，胥云，王曉泉，王騰飛，張守良. 非常規油氣藏體積改造技術——內涵、優化設計與實現［J］. 石油勘探與開發，2012，33（3）：352-358. WU Qi, XU Yun, WANG Xiaoquan, WANG Tengfei, ZHANG Shouliang. Volume fracturing technology of unconventional reservoirs: Connotation, optimization design and implementation［J］. Petroleum Exploration and Development 2012, 33（3）: 352-358.

［4］ 白曉虎，齊銀，陸紅軍，段鵬輝，顧燕凌，吳甫讓. 鄂爾多斯盆地致密油水平井體積壓裂優化設計研究［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（4）：83-86. BAI Xiaohu, QI Yin, LU Hongjun, DUAN Penghui, GU Yanling, WU Purang. Optimization design for volume fracturing of horizontal wells in tight oil reservoir of Ordos Basin［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2015, 37（4）: 83-86.

［5］ 蔣廷學，賈長貴，王海濤，孫海成. 頁巖氣網絡壓裂設計方法研究［J］. 石油鉆探技術，2011，39（3）：36-40. JIANG Tingxue, JIA Changgui, WANG Haita, SUN Haicheng. Study on network fracturing design method in shale gas［J］. Petroleum Drilling Techniques, 2011, 39（3）: 36-40.

［6］ 李川，杜現飛，殷桂琴，王建麾，李建山，向奎.井下丟手式分層體積壓裂工藝研究與現場試驗［J］. 石油機械，2015，43（6）：80-83. LI Chuan，DU Xianfei, YIN Guiqin, WANG Jianhui, LI Jianshan, XIANG Kui. Research on and field test of downhole release-type separate layer volumetric fracturing technology［J］. China Petroleum Machinery, 2015, 43（6）: 80-83.

［7］ 趙崇鎮.新場氣田須五致密氣藏縫網壓裂技術［J］.石油鉆探技術，2015，43（6）：70-75. ZHAO Chongzhen. Network fracturing technology applied to Xu 5 tight gas reservoirs in the Xinchang Gas Field［J］. Petroleum Drilling Techniques, 2015, 43(6): 70-75.

［8］ FISHER M K, WRIGHT C A, DAVIDSON B M, GOODIN A K, FIELDER E O, BUCKLER W S, STEINSBERGER N P. Integrating fracture mapping technologies to improve stimulations in the barnett shale［R］. SPE 77441, 2002.

［9］ MEDEIROS F, OZKAN E, KAZEMI H. Productivity and drainage area of fractured horizontal wells in tight gas reservoirs［R］. SPE 108110, 2008.

［10］ MEDEIROS F, KURTOGLU B, OZKAN E, KAZEMI G. Analysis of production data from hydraulically fractured horizontal wells in shale reservoirs［R］. SPE 110848, 2010.

［11］ GHANBARI E, ABBASI M, DEHGHANPOUR H, BEARING D N. Flowback volumetric and chemical analysis for evaluating load recovery and its impact on early-time production［R］. SPE 167165, 2013.

［12］ 劉立峰，冉啟全，王欣，李冉. 致密儲層水平井體積壓裂段間距優化方法［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（3）：84-87. LI Feng, RAN Qiquan, WANG Xin, LI Yan. Method of optimizing the spacing between volumetric fracturing stages in horizontal wells in tight reservoir［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2015, 37（3）: 84-87.

［13］ 孟凡坤，蘇玉亮，魯明晶，任龍，崔靜.長6特低滲透油藏重復壓裂復雜縫網參數優化［J］.石油鉆采工藝，2015，37（4）：87-91. MENG Fankun, SU Yuliang, LU Mingjing, REN Long, CUI Jing. Parameters optimization of complex fracture network under repeated fracturing for Chang 6 ultralow-permeability oil reservoir［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2015, 37(4): 87-91.

［14］ 才博，丁云宏，盧擁軍，金鳳鳴，楊振周，劉哲.復雜人工裂縫網絡系統流體流動耦合研究［J］.中國礦業大學學報，2014，43（3）： 470-474. CAI Bo, DING Yunhong, LV Yongjun, JIN Fengming, YANG Zhenzhou, LIU Zhe. Optimizing flow coupling in complex artificial fracture network systems［J］. Journal of China University of Mining & Technology, 2014, 43（3）: 470-474.

［15］ CAI Bo, BI Guoqiang, XU Jiangwen, HE Chunming, GAO Yuebin, CHEN Jin, CHENG Ning, WANG Jia. Damage appraisal of massive hydraulic fracture stimulation in unconventional oil and gas reservoirs［R］. SPE 182370, 2016.

（修改稿收到日期 2016-12-14）

〔編輯 朱 偉〕

A characterization method on complexity degree of artificial fractures based on fracturing fluid flowback and its application

CAI Bo1, BI Guoqiang1, HE Chunming1, SHEN Hua2, CHENG Xiaodong2
1. CNPC Science and Technology Research Institute, Beijing 100083, China; 2. CNPC Huabei Oilfield Company, Renqiu 062552, Hebei, China

To evaluate the complexity degree of artificial fractures in unconventional reservoirs after volume fracturing, the method for representing the difference of salt concentration in flowback fluids was analyzed based on the phenomenon of ion exchange between reservoir matrix and fracturing fluids. Then, the mathematical model on the saturation distribution of salt concentration in flowback fluids after volume fracturing stimulation was developed. Finally, the relationships between the salt concentration of different flowback fluids and the complexity characteristics of fractures were analyzed. It is indicated that the salt concentration of flowback fluids after fracturing varies mainly in two patterns, i.e., steady type and rising-steady type. At the early stage, flowback fluids are dominantly existed in artificial fractures in the form of single phase flow, and the concentration of salt in flowback fluids increases with the increasing of flowback rate. When the flowback ratio reaches a certain number, two characteristics occur. One is the characteristic of steady type, i.e., the characteristic of artificial fractures tending to be simple fractures. In this pattern, the concentration of salt in flowback fluids approaches gradually to the steady value, indicating that the ion exchange between artificial fractures and reservoir matrix after reservoir fracturing stimulation decreases. The other is the characteristic of rising-steady type. And in this pattern, the concentration of salt in flowback fluidsstill rises, indicating that the ion exchange between artificial fractures and reservoir matrix is abundant after reservoir fracturing stimulation and the exchange volume is larger. The salt concentration rising period gets longer as the volume of flowback fluids increases, indicating that artificial fractures are more complex. Field application, combined with microseismic tests, demonstrates that this method can be used to discriminate the complexity degree of artificial fractures after the fracturing stimulation of unconventional oil and gas wells, and it provides the reference for optimizing the volume fracturing design further.

volume fracturing; tight oil and gas reservoir; artificial fracture network; flowback fluid; concentration of chloride ion; single phase flow; fracturing fluid

才博，畢國強，何春明，沈華，程曉東.人工裂縫復雜程度的壓裂液返排表征方法及應用［J］ .石油鉆采工藝，2017，39（1）：20-24.

TE357.1

A

1000 – 7393（ 2017 ） 01 – 0020 – 05

10.13639/j.odpt.2017.01.004

:CAI Bo, BI Guoqiang, HE Chunming, SHEN Hua, CHENG Xiaodong. A characterization method on complexity degree of artificial fractures based on fracturing fluid flowback and its application［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(1): 20-24.

國家科技重大專項“儲層改造關鍵技術及裝備”（編號：2016ZX05023）。

才博（1979-），2013年畢業于中國地質大學（北京）油氣田開發專業，獲博士學位，現從事水力壓裂工藝技術研究與現場應用工作，高級工程師。通訊地址：（065007）河北省廊坊市萬莊44號信箱。 E-mail：boocai123@126.com