非均質厚儲層多級射孔壓裂裂縫擴展規律

趙振峰 唐梅榮 王成旺

中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司油氣工藝研究院, 陜西 西安 710018

0 前言

在低滲透油氣藏非均質厚儲層的開發過程中,采用傳統集中射孔壓裂技術開發效果不明顯,裂縫模擬及監測表明:儲層縱向難以動用,改造效果有待提高。近年來針對致密厚層采用多級射孔壓裂的增產改造手段,取得了較好的試油效果[1-3]。

國內外學者圍繞裂縫延伸機理開展了大量研究,研究表明層間彈性模量差[4-5]、層間應力差[6-10]、巖性差異[11]及施工情況[10-12]影響了水力壓裂裂縫的擴展。大量物理模擬實驗在分析裂縫擴展規律的影響因素時并未充分考慮真實厚儲層的非均質性程度,同時對多級射孔分段壓裂的增產機理及增產效果的闡述不夠詳盡[10,13-20]。因此本文結合某油田真實儲層非均質條件,以裂縫與儲層接觸面積為指標,自主設計并開展了常規集中射孔壓裂與多級射孔分段壓裂物理模擬實驗,研究了常規集中射孔壓裂與多級射孔分段壓裂兩種不同改造方式條件下的裂縫擴展規律及增產機理。本實驗研究結果為解釋多級射孔壓裂增產機理、論證理論研究、指導現場壓裂施工提供參考。

1 試樣準備及實驗方案

1.1 試樣制備

在模擬某油田實際儲層條件下多級射孔分段壓裂過程時,需要根據力學參數相似、地應力相似、幾何參數相似、排量相似原理計算出多級射孔分段壓裂實驗室物理模型參數。本實驗條件下實驗室物理模型參數與儲層參數對應關系見表1。

表1 實驗室物理模型參數與儲層參數對應表

參數名稱實驗室模型參數儲層參數參數名稱實驗室模型參數儲層參數彈性模量/GPa13/17.315/20模型高/m0.630泊松比0.210.21模型長/m0.3無限大抗張強度/MPa4.2/5.24.2/5.2模型寬/m0.3無限大地應力/MPa8-9-1132-36-45排量/(mL·min-1)306×106

為了獲得能夠模擬實際儲層巖石力學性質的巖樣,首先開展了不同配方條件下巖石試樣制備及其力學性能測試。以水泥、石膏、細石英砂為骨料,按不同比例配方制備試樣模擬材料,將每種比例的澆鑄塊制備成Φ 25 mm×50 mm的圓柱形巖心試樣并進行相關力學測試,使模擬材料的強度、彈性模量及泊松比接近實際地層,最終確定水泥和石英砂的比例為1∶2和1∶1.88。試樣測試結果為:抗張強度4.2 MPa、彈性模量13 GPa、泊松比0.21和抗張強度5.2 MPa、彈性模量17.3 GPa、泊松比0.21共兩組配方。

其次,按照所獲得的配方制備水泥并利用實驗模具加工制備不同類型模擬巖樣。對于均質巖樣的制備,直接用配置好的水泥砂漿澆鑄,澆鑄過程見圖1。對于非均質巖樣的制備,需要將不同層位進行分隔,避免不同類型水泥砂漿混合,因此加工了相應的隔板,在模具不同空間內灌注不同的水泥砂漿,澆鑄過程見圖2。澆鑄完成后,使用橡皮錘敲打模具四周,排出氣泡。凝固24 h后,拆除模具,對試樣澆水并用塑料膜包裹,進行一周時間的養護,以保證模擬材料有最好的效果。

圖1 均質巖樣制備模具

圖2 兩層非均質巖樣制備模具

1.2 實驗方案

為了研究非均質厚儲層多級射孔分段壓裂裂縫擴展規律及增產機理，共設計了6組物理模擬實驗方案。

1.2.1 方案1

均質模型+集中射孔+籠統注入。模擬射孔距離上邊界13.5 cm、射孔段長度3 cm、距離下邊界13.5 cm、射孔相位90度、射孔孔徑0.3 cm、射孔深度2.5 cm、孔間距離0.25 cm。采用籠統注入方式+注入速度30 mL/min+注入液體總量2.0 L+觀察裂縫擴展規律并測量擴展面積。

1.2.2 方案2

均質模型+兩級射孔+籠統注入。模擬射孔距離上邊界9 cm、射孔段長度1.5 cm、中間隔層距離9 cm、射孔段長度1.5 cm、距離下邊界9 cm、射孔相位90度、射孔孔徑0.3 cm、射孔深度2.5 cm、孔間距離0.25 cm。采用籠統注入方式+注入速度30 mL/min+注入液體總量2.0 L+觀察裂縫擴展規律并測量擴展面積。

1.2.3 方案3

非均質模型+兩級射孔+籠統注入。模型上下兩層彈性模量、泊松比、抗壓強度不同,采用兩級射孔,模擬射孔距離上邊界9 cm、射孔段長度1.5 cm、中間隔層距離9 cm、射孔段長度1.5 cm、距離下邊界9 cm、射孔相位90度、射孔孔徑0.3 cm、射孔深度2.5 cm、孔間距離0.25 cm。采用籠統注入方式+注入速度30 mL/min+注入液體總量2.0 L+觀察裂縫擴展規律并測量擴展面積。

1.2.4 方案4

非均質模型+兩級射孔+分段注入。模型上下兩層彈性模量、泊松比、抗壓強度不同,采用兩級射孔,模擬射孔距離上邊界9 cm、射孔段長度1.5 cm、中間隔層距離9 cm、射孔段長度1.5 cm、距離下邊界9 cm、射孔相位90度、射孔孔徑0.3 cm、射孔深度2.5 cm、孔間距離0.25 cm。采用分段注入方式+注入速度30 mL/min+注入液體總量2.0 L+觀察裂縫擴展規律并測量擴展面積。

1.2.5 方案5

非均質模型+三級射孔+籠統注入。模型上下兩層彈性模量、泊松比、抗壓強度不同,采用三級射孔,模擬射孔距離上邊界6.75 cm、射孔段長度1.0 cm、中間隔層距離6.75 cm、射孔段長度1.0 cm、中間隔層距離6.75 cm、射孔段長度1.0 cm、距離下邊界6.75 cm、射孔相位30度、射孔孔徑0.3 cm、射孔深度2.5 cm、孔間距離0.25 cm。采用籠統注入方式+注入速度30 mL/min+注入液體總量2.0 L+觀察裂縫擴展規律并測量擴展面積。

1.2.6 方案6

非均質模型+三級射孔+分段注入。模型上下兩層彈性模量、泊松比、抗壓強度不同,采用三級射孔,模擬射孔距離上邊界6.75 cm、射孔段長度1.0 cm、中間隔層距離6.75 cm、射孔段長度1.0 cm、中間隔層距離6.75 cm、射孔段長度1.0 cm、距離下邊界6.75 cm、射孔相位90度、射孔孔徑0.3 cm、射孔深度2.5 cm、孔間距離0.25 cm。采用分段注入方式+注入速度30 mL/min+注入液體總量2.0 L+觀察裂縫擴展規律并測量擴展面積。

2 實驗結果與分析

2.1 集中與多級射孔裂縫擴展對比

對比分析圖3～4可知，兩級射孔籠統壓裂方式比集中射孔籠統壓裂方式的裂縫面積更大,因此同等條件下兩級射孔籠統壓裂比集中射孔籠統壓裂增產效果更好。同時可以發現多級射孔籠統壓裂時縱向應力均質情況下,巖石在射孔位置同時起裂,產生的兩條裂縫在垂直方向同時擴展,擴展的裂縫會在裂縫尖端周圍產生局部應力,從而彼此干擾,所以會出現復雜裂縫情況。

a) 集中射孔管柱

b) 籠統壓裂效果

a) 兩級射孔管柱

b) 籠統壓裂效果

2.2 籠統與分段壓裂裂縫擴展對比

圖5為非均質模型+兩級射孔+籠統注入條件裂縫擴展及裂縫面積情況。圖6為非均質模型+兩級射孔+分段注入條件裂縫擴展及裂縫面積情況。圖7為非均質模型+三級射孔+籠統注入條件裂縫擴展及裂縫面積情況。圖8為非均質模型+三級射孔+分段注入條件裂縫擴展及裂縫面積情況。

a) 兩級射孔管柱

b) 籠統壓裂效果

a) 兩級射孔管柱

b) 分段壓裂效果

a) 三級射孔管柱

b) 籠統壓裂效果

a) 三級射孔管柱

b) 分段壓裂效果

3 結論與認識

1)本文設計并開展了定點多級壓裂物理模擬實驗研究,通過室內實驗模擬,觀測和分析了致密儲層常規射孔壓裂、多級射孔籠統壓裂和多級射孔分段壓裂裂縫的起裂和擴展特征,從實驗角度直觀論證定點多級壓裂增產機理。

2)在籠統壓裂方式條件下,分級射孔比集中射孔獲得的裂縫面積更大,壓裂增產效果更好。在施工規模和射孔級數相同條件下,非均質儲層多級射孔分段壓裂比籠統壓裂獲得的裂縫面積大,即多級射孔分段壓裂比籠統壓裂效果好。在施工規模和注入方式相同條件下,射孔級數越多,裂縫越復雜,裂縫與儲層接觸面積越大,壓裂效果越好。

3)針對低滲透非均質厚儲層而言,基于多級射孔壓裂裂縫擴展規律及增產機理,推薦采用多級射孔、分段注入方式進行壓裂。