臨興致密砂巖氣藏直井縫網壓裂可行性定量分析

張紅杰(中聯煤層氣有限責任公司，北京 100011)

王鵬(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

張林強，趙俊(中聯煤層氣有限責任公司，北京 100011)

非常規油氣藏，尤其是頁巖氣的大規模成功開發，為致密砂巖氣藏的開發提供了重要的參考。美國頁巖油氣的高效開發，主要取決于水平井分段壓裂和縫網體積改造技術，使得單井油氣產量大幅度增加[1～3]。通過借鑒國外技術，國內涪陵頁巖氣也得到快速開發，已經達到年產能100億方的生產規模[4,5]。由于頁巖氣采取縫網壓裂技術，生產效果較為顯著，因此，在致密砂巖儲層中也嘗試利用該技術進行增產。針對致密砂巖儲層，國內各大油田正在積極進行縫網體積壓裂的探索，如蘇里格氣藏和長慶油田的鎮北區塊等都進行了前期的理論研究，多方面論證縫網壓裂的可行性和適應性[6,7]。另外，大慶油田早在2012年就對葡333、州6、樹2等長垣外圍的8個低效開發區塊開展了直井縫網壓裂試驗。壓后產量分析認為，縫網壓裂初期單井日增油是常規壓裂的5.3倍；縫網壓裂后采油速度明顯提高，初期采油速度在2%以上，為常規注水開發采油速度的4倍[8]。這些油田在致密砂巖儲層體積壓裂方面所取得的成績，為致密砂巖氣藏的開發壓裂工作指明了方向，也提供了重要的參考。

鄂爾多斯盆地是華北地區次級構造部分，該部分可分為6個次一級構造部分：西緣沖斷帶、天環坳陷、伊盟隆起、陜北斜坡、渭北隆起、晉西撓褶帶(見圖1)。臨興區塊位于晉西撓褶帶中北部，位于鄂爾多斯盆地東北部，山西與陜西的相鄰處，以西是鄂爾多斯盆地，以東是呂梁山。臨興致密砂巖氣區塊地層整體向西傾斜。地層從東往西逐漸變新，其主要的地層分布有中奧陶統馬家溝組、上石炭統本溪組、下二疊統太原組、山西組、上三疊統延長組、新生界第四系等，其中的本溪組、太原組以及山西組為氣層。

臨興致密砂巖氣藏儲層巖石性質比較復雜、物性比較差，具有低孔、低滲、低壓、低豐度的特征。經過水力壓裂投產后，不同井的產量差異比較大，且大多數井的氣量低于預期，因此，目前所采用的壓裂技術并不能對該區塊進行高效且經濟性的開發，迫切需要新的增產改造技術。國內外砂巖儲層壓裂的成功經驗和技術為臨興致密砂巖氣藏的下步開發提供新的思路，因此，筆者對該區塊內的直井縫網壓裂技術進行探索和積極實踐。

1 縫網形成的理論

根據國內外的頁巖氣縫網壓裂的設計要求和成功經驗，縫網形成主要是由儲層自身特征和壓裂施工控制2個方面決定的。儲層自身特征包括天然裂縫發育程度和分布、水平地應力差、巖石礦物組分等。壓裂施工控制主要包括排量、加砂濃度、轉向控制等方面。

1.1 脆性指數

脆性特征可以用脆性指數來表示，脆性指數越高，頁巖可壓性越好。只有當頁巖儲層的脆性指數大于40或以上時，才有可能形成復雜裂縫，同時，脆性指數越高越容易形成縫網。可以利用礦物組分來計算脆性指數[10]：

(1)

式中，BI為脆性指數；Cquartz為頁巖中石英質量分數；Cclay為頁巖中黏土礦物質量分數；Ccarbonate為頁巖中碳酸鹽礦物質量分數。

1.2 應力差異系數

水平應力差異系數是評價頁巖氣儲層可壓性的主要指標。水平應力差異系數越大，越難以產生復雜裂縫，在產生主裂縫的同時往往還會產生有很多分枝的裂縫；水平應力差異系數越小，水力裂縫易于溝通隨機的天然裂縫，溝通裂縫為不規則的復雜結構，形成裂縫網絡。水平應力差系數的大小，直接影響壓裂裂縫的幾何形態。

水平應力差對裂縫形態的影響可以用水平應力差異系數來表示[11]：

(2)

式中，Kh為水平應力差異系數；σH為最大水平主應力，MPa；σh為最小水平主應力，MPa。

根據美國頁巖氣壓裂的施工經驗，當應力差異系數小于0.3時，較容易形成裂縫網格，并且當應力差異系數越小的時候，越易于裂縫網絡的形成。

1.3 應力干擾

在壓裂施工過程中，由于地層裂縫的張開，裂縫周圍的地應力會隨之發生改變。通過人為對施工過程中的凈壓力的控制，可以改變局部地應力，使裂縫轉向，進而實現縫網壓裂。裂縫在垂直于最小水平主應力的方向上張開，所產生的誘導應力分布如圖2所示。

根據Sneddon和Elliot等所提出的理論，無限長裂縫在均質彈性體中所產生的誘導應力計算[12，13]如下：

(3)

(4)

(5)

Δσx=υ(Δσy+Δσz)

(6)

2 可行性定量分析

圖2 裂縫在ZY平面內產生的誘導應力

根據縫網形成的理論條件，對照臨興致密砂巖氣區塊的地質儲層特征和地應力條件，分析直井縫網壓裂的可行性。

2.1 天然裂縫

致密砂巖儲層中的微裂縫可分為2大類：一類是受外力作用形成的破裂裂縫，沿著地應力方向分布(圖3(a))，一般小于50μm；另一類是受溶蝕作用形成的溶蝕裂縫，其大小以及形狀等各不相同。在溶蝕邊緣有呈齒狀或有櫛狀排列的微粒，且常被后期充填(圖3(b))，較構造裂縫小。因此，臨興區塊儲層中的天然裂縫總體不太發育，太原組儲層微裂縫基本不發育，山西組和本溪組儲層微裂縫面孔率分別為0.06%和0.05%，占總孔隙的0.84%和0.65%，但其能連通微小孔隙，在很大程度上可以改善儲層的物性和滲流能力[14]。盡管儲層自身沒有比較發育的天然裂縫，但仍具有一定的裂縫張開或溝通條件，在壓裂施工過程通過增大裂縫內凈壓力來盡可能地溝通微裂縫，使得微裂縫與主裂縫大范圍地溝通，進而可以形成復雜的裂縫網絡系統，獲得較大的儲層改造體積。

圖3 儲層天然裂縫發育情況

2.2 地應力差異

根據臨興致密砂巖氣區塊地應力測試結果(見表1)，計算得到水平主應力差的范圍為7.3～11.7MPa，水平應力差異系數在0.16～0.20之間。在頁巖氣藏中，應力差異系數普遍在0.3左右，因此，臨興致密砂巖氣藏相對于頁巖氣藏來說，儲層在壓裂時更容易產生多裂縫，進而更易形成裂縫網絡或產生復雜裂縫形態。

表1 臨興致密砂巖氣區塊水平應力測試結果

2.3 巖石礦物組分

利用X衍射全巖測試方法得到臨興致密砂巖氣區塊巖石礦物成分，結果如表2所示。根據脆性指數計算公式，得到山西組、太原組和本溪組的脆性指數分別為73.8、77.3和84.4。美國Barnett頁巖的脆性指數為77.3～87.1，并且經過壓裂實踐證明，該區塊比較容易產生裂縫網絡[15]。通過將臨興致密砂巖氣區塊3個層位的脆性指數與美國Barnett頁巖對比后，可看到，臨興致密砂巖氣區塊的脆性指數較高，比較適合縫網壓裂改造。

表2 臨興致密砂巖氣區塊巖石礦物成分X衍射全巖定量測試結果

2.4 縫內暫堵轉向

在壓裂施工過程中，通過向壓裂液內添加縫內暫堵劑，以控制壓裂裂縫內的凈壓力，可以實現裂縫周圍局部地應力的改變，進而達到裂縫轉向的目的。縫內暫堵技術在重復壓裂中應用較多，但隨著致密砂巖儲層實現縫網體積改造的需要，這項技術將會在致密砂巖中得到廣泛推廣和應用，也將成為砂巖儲層縫網壓裂的關鍵技術。利用應力干擾公式，可以計算不同凈壓力所造成的應力改變值，結果如圖4所示。

圖4 不同凈壓力下的誘導應力差

由圖4可看到，當裂縫內的凈壓力為15MPa時，就能在裂縫壁面垂直距離為40m的范圍內產生10MPa以上的誘導應力差。臨興致密砂巖氣區塊3個層位的水平應力差在7.3～11.7MPa，因此，可以實現裂縫周圍局部地應力的翻轉，達到縫網壓裂的施工目的。

3 結論與認識

1)根據美國頁巖氣縫網壓裂施工的經驗，總結出實現縫網改造所應具備的儲層物理特征和力學條件，為臨興致密砂巖氣區塊的直井縫網壓裂提供參考。

2)通過對臨興致密砂巖氣區塊的天然裂縫發育情況、巖石礦物組成和地應力差異等儲層物理特征分析，認為該區塊具備縫網形成的客觀條件和先決基礎。

3)臨興致密砂巖氣區塊的水平主應力測試結果表明，只要對裂縫內的凈壓力大小進行控制，就可以實現直井的縫網壓裂改造。

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