基于誘導應力的頁巖氣“井工廠”壓后效果評價

肖 暉， 劉 洪， 廖如剛， 古佳月， 李小斌， 胡昌權， 胡峰超

(1重慶科技學院 2中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發有限公司 3中國石油西南油氣田分公司重慶氣礦 4中國石油青海油田分公司安全監督中心)

由于低孔、低滲特征，頁巖氣藏必須通過大規模水力壓裂方能獲得經濟產量[1]。與常規油氣藏壓裂不同，通過水平井和大規模體積壓裂在頁巖儲層中形成的水力裂縫不再是簡單的對稱雙翼裂縫，而是形成了極為復雜的空間裂縫網絡[2]。由于壓裂裂縫的復雜性，使得頁巖氣壓裂效果評價難度極大。目前，國內外主要從壓裂施工曲線[3]、裂縫監測[4-5]、壓后返排試氣情況[5]和壓后產量分析[6-7]等方面開展頁巖氣壓裂效果評價。其中，裂縫監測特別是微地震監測尤其得到廣泛應用，通過微地震實時監測可以獲得水力裂縫縫長、縫高和方位的空間展布參數[8-12]。即便如此，依舊難以全面評價頁巖氣壓裂效果，利用單一評價手段更是難以有效評價。本文結合微地震監測結果和地應力場模擬，提出一種新的頁巖氣壓后效果評價技術，以涪陵頁巖氣平臺數據為基礎進行了分析。

一、“井工廠”壓裂應力場模型1.模型假設

對頁巖氣壓裂后應力場模擬模型做假設如下：①巖石為均質各向同性；②頁巖巖石僅發生張性破裂；③破壞準則為摩爾庫倫屈服準則；④壓裂段均射開，忽略造縫過程，縫長與縫高之比無窮大，縫高恒定；⑤水力裂縫均垂向延伸；⑥裂縫壁面無濾失。

2.“井工廠”壓裂后的縫長和位置

本文以JY48號頁巖氣平臺3口井壓裂實際數據為基礎進行建模，開展壓后效果分析。該平臺在壓裂過程中采用了微地震實時監測，根據監測結果可獲得3口井裂縫位置和裂縫長度數據。3口井裂縫監測情況見表1(此處僅列出單段平均數據)。

3.有限元模型

為確保收斂并加快運算速度，假設每一段僅形成一條裂縫。注入排量12 m3/min，施工凈壓力4 MPa；彈性模量47 GPa，泊松比0.25，巖石密度2 600 kg/m3，地層壓力38 MPa，最大(σH)、最小(σh)水平主應力49 MPa和45 MPa。

二、壓后應力場分析

1.壓后主應力分析

誘導應力模擬結果見圖1、圖2，從中發現壓裂后的誘導應力發生了較大幅度變化。壓裂后裂尖附近均出現應力集中，壓后在最大、最小水平主應力方向上的誘導應力值見表2，從中可見“井工廠”壓裂后出現較大的誘導應力。同時發現，由于水平段上裂縫長度多變導致裂縫附近的誘導應力差異較大、誘導應力云圖復雜。

圖1 最小水平主應力方向的誘導應力云圖

圖2 最大水平主應力方向的誘導應力云圖表2 壓后最大、最小主應力方向上的誘導應力值

方向最大拉應力/MPa最大壓應力/MPa裂縫中部壓應力/MPaσH1682σh12.98.42

圖3和圖4分別為水力壓裂前后最小、最大水平主應力矢量圖。從中發現，水力壓裂后最小、最大水平主應力均發生了偏轉，裂縫越長偏轉角度越大(縫長最長的JY48-1HF井第21條縫尖應力最大)。

圖3 壓裂前后σh矢量圖

圖4 壓裂前后σH矢量圖

2.縫長對誘導應力影響

上述模擬發現，縫長的不均勻分布對誘導應力有較大影響，為此特分析縫長對誘導應力的影響。此處以縫長變化相對較大的JY48-2HF井12段～17段為例進行說明。如圖5所示為局部裂縫放大后的誘導應力云圖和最小水平主應力矢量圖。第12段和第13段裂縫較長，緊接著的第14段突然變短使得其裂尖受誘導壓應力，進一步限制了第14段縫長延伸和裂縫復雜性。在第15段縫長突然增加之后，接下來壓裂的第16段裂縫長度由于設計和地質因素突然變短，使得第16段出現了與第14段相同的情況。第12、13、15、17段縫長差異不大、應力偏轉相對較大，有助于縫網形成。分析表明，如果前一段壓裂裂縫明顯較長，則下一段裂縫由于設計或者地質或者施工等因素影響下較短時，短裂縫裂尖誘導壓應力較大，并降低該裂縫區域內最小主應力的偏轉程度，不僅會進一步抑制該短縫的縫長延伸，也會降低該裂縫的復雜程度。因此，同一水平井中降低各壓裂段的縫長差異，有助于提高所有壓裂段縫長延伸和形成復雜裂縫網絡，這為壓裂優化設計和施工工藝優化提供了理論依據。

圖5 JY48-2HF井第11～17段誘導應力云圖及最小水平主應力矢量圖

3.段間距對誘導應力的影響

選擇段間距分別為60 m、83 m和78 m的典型值來分析段間距對裂縫中心誘導應力場的影響，分析路徑見圖6(以便于提取對應路徑上的誘導應力值進行定量對比分析)。不同路徑下的誘導應力值幾乎維持2 MPa不變。因此，段間距對壓后誘導應力場基本沒有影響。

三、壓后效果綜合對比分析

為驗證本文提出方法的可靠性，將壓后誘導應力分析結果與微地震監測和產剖測試結果進行對比分析。圖7為JY48-2HF井各壓裂段壓后誘導應力、微地震監測(油藏增產體積SRV)和產剖測試(分段產量)結果對比圖。

圖6 JY48-2HF井分析路徑示意圖

圖7 JY48-2HF井各壓裂段壓后誘導應力、微地震監測和產剖測試結果對比圖

從圖7可以看出：①縫長差異較大的14、16壓裂段裂縫誘導應力值為負值(壓應力)，使得SRV相對較低、測試產量較差；②第3～6壓裂段，縫長差異較小，裂尖出現較大的誘導拉應力，使得儲層得到充分改造、SRV較大，最終產量相對較高；③壓后誘導應力場計算得到的裂縫尖端誘導應力值為負(壓應力)的壓裂段SRV和壓后產量均較低。因此，本文提出的壓后誘導應力場分析結果與微地震監測和產剖測試結果具有較好的一致性，有利于頁巖氣“井工廠”壓后效果分析評價，是頁巖氣壓后評價方法的重要補充。

四、結論

裂縫條數增加、裂縫長度不均勻將大幅改變最大、最小水平主應力方向上的誘導應力大小。鄰近裂縫過長將導致短裂縫尖端產生誘導壓應力，不利于裂縫擴展從而限制了縫長，即長裂縫將抑制中間短裂縫的擴展。“井工廠”壓裂時，各條裂縫縫長差異不大時有利于裂縫擴展，也有利于裂縫附近應力場發生偏轉而增加裂縫復雜程度。段間距對裂縫中心產生的誘導應力場大小沒有影響。裂縫尖端誘導應力為壓應力時裂縫延伸受限，SRV相對較小、壓后產量較低。壓后誘導應力場分析結果與微地震監測和產剖測試結果具有較好的一致性。