薄互層砂體中層理縫對壓裂裂縫擴展認識與實踐

尹虎琛，黃建寧，董時正

（1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710018；3.中國石油長慶油田分公司工程技術管理部，陜西西安 710018）

1 南梁長4+5 儲層地質(zhì)特征

該區(qū)塊屬于南梁油田，南梁三疊系延長組長4+5層構造比較簡單，總體為一平緩的西傾單斜，該區(qū)塊長4+5 層油藏平均埋深1 760 m，小層長4+51平均砂層厚度22.4 m，油層厚度15.1 m。孔隙度主要分布于7.24 %～15.21 %，平均孔隙度為10.43 %，滲透率分布在19.81×10-3μm2～0.05×10-3μm2，平均滲透率0.6 mD。顯示長4+5 層段均屬于低孔、特低滲儲層。

通過在S 井長4+51層取心發(fā)現(xiàn)，在巖性、含油性出現(xiàn)變化，且只有2 m～6 m 薄夾層遮擋的交界面處，微細水平層理發(fā)育，存在裂縫滑移可能性，巖心裂縫未在縱向繼續(xù)延伸，從成像測井解釋分析表明該區(qū)長4+5層隔夾層發(fā)育，厚度1 m～2 m 以下砂巖儲層與泥巖呈薄互層方式，水平層理縫清晰，且未發(fā)育高角度裂縫，以層理水平縫為主。天然裂縫發(fā)育程度較低（小于0.5條/米），包括構造縫、層理縫等2 種裂縫類型，其中層理縫最為發(fā)育，構造縫次之。這種巖性變化的特征可以認為是控制縫高擴展的又一重要因素。

2 儲層開發(fā)難點

W86 區(qū)塊自2010 年開發(fā)以來，采用自然能量開發(fā)，2012 年起實施超前注水政策，隨著儲層認識程度增加，致密薄砂泥互層占比逐年增加，開發(fā)過程中出現(xiàn)以下難點：

（1）儲層物性差、砂體平面變化快、非均質(zhì)性強，主力優(yōu)勢層不明顯；（2）縱向上多期砂體疊置發(fā)育、砂泥層共生、隔夾層多，多薄層特征顯著；（3）儲層縱向上砂體分布不均，受泥巖與砂巖薄互層巖性控制，導致油層段砂體充分動用難度大，急需探索新型壓裂技術。

3 層理狀砂體的裂縫縱向擴展規(guī)律

考慮水力裂縫可能對層理縫等裂縫的影響，對多裂縫的儲層進行了水力裂縫擴展機理的試驗，結(jié)果表明影響水力裂縫走向的主要因素是水力裂縫與層理縫之間的水平方向的主應力差和水力裂縫受到的干擾力的角度，注入水或流體會順層理界面逐漸滲透，這種情況會發(fā)生在水力裂縫垂直于非均質(zhì)巖體時；當注入水在層理界面擴展?jié)B透一定的時間和距離后，水力裂縫仍然會以原方向為主要方向繼續(xù)擴展[1]。

構造應力場下，天然裂縫會左右水力裂縫的方向，層理縫的存在會影響水力裂縫的擴展，使得水力裂縫轉(zhuǎn)向?qū)永砜p界面擴展或穿過層理縫界面之間進入隔層。層理面的弱膠結(jié)作用使其斷裂韌性較小，阻止裂縫擴展的能力較弱，而垂直層理方向，斷裂韌性較大，阻止裂紋擴展的能力較強，因此，水力壓裂過程中，水力裂縫垂直層理擴展時，會在弱層理面處發(fā)生分叉、轉(zhuǎn)向，且在繼續(xù)延伸的過程中會進一步溝通天然裂縫或弱層理面而形成復雜的裂縫網(wǎng)絡。這說明結(jié)構弱面的大量存在是誘導復雜網(wǎng)狀裂縫的主要因素，而壓裂形成裂縫網(wǎng)絡的難易程度與天然裂縫、層理等結(jié)構面密切相關[2]。

儲層縱向遮擋性驗證：以該區(qū)一口井為例，在S1井長4+51層，兩個射孔段間距10 m，在長4+51層兩個射孔段進行分壓，從分壓數(shù)據(jù)看出，兩段破裂壓力分別為32.3 MPa 以及32.9 MPa，均有明顯破壓，表明兩段并沒有壓竄；從分求試油產(chǎn)量可以看出，兩個射孔段對產(chǎn)能均有獨立貢獻（見表1）。

從該區(qū)另一口井的試驗效果可以看出，S2 井長4+51層，在5 m 夾層條件下分壓分求，兩段均破壓明顯，分求結(jié)果也表明兩段沒有壓竄（見表2）。

通過以上案例分析表明，對于W86 區(qū)塊長4+5 層這種縱向非均質(zhì)性強，薄夾層發(fā)育、多層段疊合砂體的儲層特征下的壓裂方案制定，應該充分考慮薄夾層引起的界面滑移對縫高擴展的影響，對壓裂工藝方案優(yōu)化至關重要[3-5]。

表1 S1 井施工參數(shù)及試油產(chǎn)量統(tǒng)計表

表2 S2 井施工參數(shù)及試油產(chǎn)量統(tǒng)計表

4 精細多級分段壓裂工藝

根據(jù)前期分析，總結(jié)出W86 區(qū)主要的壓裂地質(zhì)特征是巖性界面變化對縫高擴展的主控作用，采用“精細多級分段壓裂”的儲層改造思路[6]，并且層間的分層壓裂應與層內(nèi)的分段壓裂相結(jié)合，以提高儲層縱向動用程度，提高單井產(chǎn)量。

4.1 定點多級壓裂工藝（層內(nèi)分段壓裂）

針對該區(qū)儲層砂體規(guī)模小、單層厚度薄、隔夾層發(fā)育，多薄層顯著壓裂地質(zhì)特征，借鑒水平井改造思路，突破傳統(tǒng)認識，以“縱向多級、井間成網(wǎng)”為改造目標，探究增產(chǎn)方向、優(yōu)化設計方法、創(chuàng)新壓裂工藝、推進現(xiàn)場試驗，實現(xiàn)直井壓裂技術的升級換代。

以“定點射孔、多級壓裂、脈沖加砂”為核心的定點多級壓裂工藝，該種工藝實現(xiàn)了三種壓裂思路的升級轉(zhuǎn)變，（1）從集中射孔轉(zhuǎn)變?yōu)槎c射孔，實現(xiàn)裂縫起裂不確定向定點受控起裂的提升；（2）從常規(guī)壓裂轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗉墘毫眩瑢崿F(xiàn)厚層籠統(tǒng)壓裂向薄層精細分壓的轉(zhuǎn)變；（3）從楔形連續(xù)加砂向脈沖式加砂轉(zhuǎn)變、并且配套纖維攜砂和新型自懸浮支撐劑等技術手段有效提高了支撐劑輸送距離。

4.2 層內(nèi)暫堵分隔壓裂技術工藝

層內(nèi)暫堵分隔壓裂技術[7]是針對于泥質(zhì)隔夾層在5 m 以內(nèi)，無法實現(xiàn)機械分隔的情況下，通過加入特制的暫堵劑，將層內(nèi)的下段炮眼暫時封堵，利用該區(qū)儲層隔夾層發(fā)育，上下隔層應力差能夠形成有效遮擋等條件，對層內(nèi)上段同樣具有開采價值、物性與含油性較好的砂巖小層進行分隔壓裂，該項工藝能夠更大程度動用層內(nèi)多處甜點區(qū)，達到縱向上精細改造儲層的目的。實現(xiàn)層內(nèi)精確選擇性壓裂，有效提高壓裂措施效果。

層內(nèi)暫堵分隔壓裂技術的優(yōu)點在于可以一次作業(yè)實現(xiàn)多級壓裂的目的，節(jié)約了作業(yè)成本。其次大幅度減少井下分段工具的使用，大大降低了井下的復雜程度，大幅度減少作業(yè)事故發(fā)生的可能性。

以N1 井為例，該井油層測井解釋結(jié)果表明（見表3），原改造層位1 968.8 m～1 980.1 m，聲波時差234.81 μs/m 儲層物性較好，孔滲飽參數(shù)均較高，儲能系數(shù)達到0.757，地層系數(shù)14.69 mD·m。但初次改造后初期試油產(chǎn)量不理想，決定對1 956 m～1 967.9 m 的上段儲層進行補孔，該層物性較好，電阻率92.77 Ω·m。儲能系數(shù)達到0.633，地層系數(shù)7.35 mD·m，高電阻特性也表明該層具有出油潛力。由于兩個射孔段僅間隔4 m，無法機械封隔，采用投加暫堵劑進行射孔段封隔是有效辦法。

現(xiàn)場應用過程中層內(nèi)第一段破壓30.7 MPa，施工壓力14.1 MPa，暫堵分隔后第二段破壓34 MPa，施工壓力20 MPa，兩段破壓相差3.3 MPa，施工壓力相差5.9 MPa，壓力有明顯變化，說明第二次分隔效果明顯，選擇性的壓開了上段新裂縫，實現(xiàn)了工藝目的（見圖1，圖2，表4）。

投產(chǎn)初期日產(chǎn)液9.2 m3，日產(chǎn)油4.6 t，含水41.3 %，從投產(chǎn)數(shù)據(jù)明顯得出，暫堵分隔多級壓裂技術措施效果顯著，實現(xiàn)了層內(nèi)疊合砂體的充分動用。

表3 N1 井長8 油層測井解釋數(shù)據(jù)表

圖1 N1 井下段壓裂施工曲線

圖2 N1 井上段壓裂施工曲線

表4 N1 井長8 層上、下段施工參數(shù)表

4.3 不動管柱機械分段壓裂技術（層間分層壓裂）

對于該區(qū)儲層厚度大，多簇射孔，簇間距在8 m～10 m 的儲層，可以進行不動管柱機械分層壓裂，該項工藝是借助K344 型封隔器與滑套開關、直咀子等壓裂工具組合將目的層與其上下層段分隔出來成為一個獨立的壓裂單元，該項技術主要有不動管柱、不壓井、不放噴一次施工分壓多層，降低油層二次污染，同時操作簡單，費用低等技術特點。該項工藝適用于一段厚砂體內(nèi)發(fā)育多套小砂體，且縱向非均質(zhì)性強，疊合砂體的巖性變化及膠結(jié)類型滿足分壓條件。

通過不斷優(yōu)化不動管柱多級壓裂工具，提高施工能力和效率。實現(xiàn)了以下幾種方式轉(zhuǎn)變：（1）優(yōu)化了整體式滑套開關替換瓦片式滑套開關，級差尺寸由6 mm減小到3 mm；（2）設計了K344-112 封隔器，性能強度更高、內(nèi)通徑由55 mm 變?yōu)?2 mm；（3）設計了KDB114-60 水力錨，單個錨爪內(nèi)通徑由48 mm 變?yōu)?0 mm。

5 應用效果

W86 區(qū)塊以提高單井產(chǎn)量為目的，借助“精細多級分段壓裂”儲層改造思路，以“多層、多級”為提產(chǎn)手段，推廣定點多級壓裂工藝69 口，平均單井壓裂2.6 段，去年平均單井壓裂1.9 段，較去年相比，單井平均改造段數(shù)增加0.7 段/井次，單井改造段數(shù)的增加，增大儲層縱向改造程度，單井產(chǎn)量得到了明顯提升。全年投產(chǎn)51 口，平均單井日產(chǎn)液5.5 m3，單井日產(chǎn)油2.6 t，較去年同期相比，單井日產(chǎn)液3.9 m3，單井日產(chǎn)油1.8 t，單井產(chǎn)量提高0.8 t。應用層內(nèi)暫堵分隔壓裂2 口井，平均單井日產(chǎn)液6.3 m3，單井日產(chǎn)油3.6 t。精細多級分段改造思路改造效果良好[8]。

6 認識

（1）對南梁油田長4+5 油藏壓裂地質(zhì)特征形成新的認識：對于儲層埋深2 000 m 的層理狀砂體，發(fā)現(xiàn)存在巖性界面滑移的現(xiàn)象，該現(xiàn)象也是控制壓裂縫高的另一種因素，利用此因素可以實現(xiàn)該區(qū)從厚油層段合壓向精細化改造、層內(nèi)分段改造的工藝思路創(chuàng)新，為該區(qū)儲層改造工藝上提供新思路，并取得了良好的試驗效果。

（2）精細多級分段壓裂工藝針對不同厚度的儲層，可選擇不同工藝，其中層內(nèi)暫堵分隔壓裂工藝應用效果最好，二次封堵后壓力與一次封堵破壓相比提高了3.3 MPa，施工壓力提高了5.9 MPa，表明二次暫堵成功，在層內(nèi)低滲透部位成功造新縫。

（3）針對于W86 區(qū)塊儲層厚度大，隔夾層發(fā)育，多套砂體疊合等儲層特點，建立了儲層“精細多級分段改造”的思路，充分改造富油層段，平均單井改造段數(shù)達到2.6 段，較前期增加0.7 段/井次，并且提出縫高擴展特性新見解，為精細多級分段改造提供新思路。