頁巖氣水平井體積壓裂分段分簇方法研究

鐘亞軍，羅攀，張磊，劉銀山

（陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，陜西西安 710065）

水平井體積壓裂工藝是當前石油開采一項非常重要的工藝，尤其對于低滲透油氣藏，分段定簇優化是壓裂設計的前提。準確選擇工程甜點，即合理選取壓裂段射孔簇，可以有效提高單井產量，控制施工成本。目前水平井壓裂分段定簇中，往往只重視對儲層地質因素如物性、孔隙度、含油氣性等的評價，而忽視了工程因素的影響，容易帶來的問題有：施工破裂壓力高、改造難度大；簇間壓力不平衡，裂縫延伸能力不足，縫網發育不充分；射孔簇選擇不合理，很多射孔簇不生產，經濟利益低下。為了解決上述問題，本文提出在設計壓裂段及射孔簇時，除地層含油氣性等地質因素外，同時評價儲層可壓裂性、縫網形成能力等工程因素，各參數綜合建立分段定簇模型。

1 儲層可壓性指數評價

利用單一脆性指數進行儲層可壓裂性評價存在較大誤差，本文擬結合線彈性斷裂力學理論，分析基于巖石斷裂韌性的裂縫形成機理[1]，從而優化致密氣儲層可壓裂性測井評價效果。

1.1 脆性指數

一般來說，楊氏模量越高，泊松比越小的地層，越容易被壓裂。巖石脆性指數根據的是楊氏模量與泊松比的大小，分別取0.5 的權值進行計算。因為楊氏模量和泊松比量綱不同，需要對其先進行歸一化處理。脆性指數Br計算公式如下：

式中：ES-靜態楊氏模量；μS-靜態泊松比；Br-脆性指數。將計算出的脆性指數值與施工破裂壓力作對比，見圖1。

圖1 YSP1 井破裂壓力與脆性指數對比圖

由圖1 可以看出，脆性指數值高，對應的破裂壓力值低，如第1 段脆性指數最高，Br值為0.57，對應的破裂壓力也最低，第3 段脆性指數值低，對應的破裂壓力值高。同時也可以看出，單純利用脆性指數評價儲層可壓裂性存在較大的誤差，如第3 段與第2、4 段脆性指數相近，破裂壓力相差較大，表現出很大的脆性差別。

1.2 斷裂韌性

在線彈性斷裂力學中，根據其位移形態可將裂縫分為3類，張開型（Ⅰ型）、錯開型（Ⅱ型）和撕開型（Ⅲ型）。任何一種裂縫狀態均可以由這3 種基本形態疊加得到，疊加的裂縫統稱為復合型裂縫或混合型裂縫[2]。在頁巖氣儲層體積壓裂中形成的最常見的是Ⅰ型與Ⅱ型裂縫。

式中：St-單軸抗拉強度，MPa；-斷裂韌性，MPa。

圍壓下斷裂韌性（KⅠC）：

Ⅱ型裂縫（KⅡC）：

KⅡC=0.095 6σn+0.013 83St-0.082 0

1.3 可壓裂性指數

根據以上分析，頁巖氣儲層的可壓裂性指數值顯然與脆性指數值正相關，而與斷裂韌性值呈反比。為此可用下式評定頁巖氣儲層的可壓裂性指數Frac，表征儲層壓裂難易程度：

將計算出的可壓裂性指數值與施工破裂壓力大小作對比，見圖2。

圖2 YSP1 井破裂壓力與可壓裂性指數對比圖

由圖2 可以看出，可壓裂性指數越高，巖石的破裂壓力越低，呈反比關系，如第1 段可壓裂性指數最高值為2.10，破裂壓力最低，第3 段計算出的可壓裂性指數最低值為1.56，對應的破裂壓力最高。相對于僅依靠脆性指數評價巖石可壓裂性，結合斷裂韌性評價出來的結果更加準確可靠。

2 縫網形成能力

地層水平主應力是影響壓裂施工壓力大小的重要因素之一。差異系數代表最大水平主應力與最小水平主應力的差異大小，其值對裂縫的形態特征影響十分明顯。如果致密儲層的水平應力差小，壓裂過程中壓裂液易于在多個方向上進入微裂縫，并形成新的裂縫。其原因在于較小的水平主應力差有利于壓裂縫的轉向和彎曲，并可產生眾多的張性裂縫和剪切裂縫，構建成較為發達的滲流網絡，達到體積壓裂改造的效果[3]。反之，僅產生若干條主裂縫，難以實現體積壓裂和復雜的網絡裂縫系統。

本文采用地應力組合彈簧模型（斯倫貝謝模型）來求取水平應力差異值，計算公式如下：

式中：μ－泊松比；α－biots 系數；E－巖石彈性模量；εH、εh－沿最大主應力方向與最小主應力方向構造應變系數；Pp－地層孔隙壓力；H0－測井起始點深度；ρ0(h)－未測井段深度為h 點的密度；ρ(h)－深度為h 點的測井密度；g－重力加速度；Kh－應力差異系數。

3 建立分段定簇模型

對地層含油氣性G、可壓裂性Frac、縫網形成能力Kh綜合考慮，根據模糊數學評價原理，結合研究區儲層特征和以往開發工作經驗，分配相應權值系數，評價綜合指標，計算公式如下：

BZ=aG＋bFrac+cKh

式中：a、b、c-經驗系數，分別代表含油氣性G、可壓裂性Frac、縫網形成能力Kh的權值系數。

4 模型應用

將建立的分段定簇模型應用于LTP1 井壓裂，計算BZ值，選取BZ值高的進行分段，對同一壓裂段中選取可壓裂性指數Frac值相近點定簇，優選壓裂改造段的同時保障了各簇間壓力平衡，最后得到分段定簇方案圖見圖3。

圖3 LTP1 井分段定簇設計圖

根據計算綜合評價指標BZ值，將L1TP1 井分了6個壓裂段。各壓裂段中，為使各簇施工壓力平衡，根據計算的破裂壓力值確定射孔簇位置。2021 年7月，按照基于該模型得到的分段定簇方案對LTP1 水平井進行體積壓裂，施工過程順利，采用FSI 成產測井儀對LTP1 井壓裂試氣效果進行評價，各壓裂段產量豐富穩定，有效射孔簇在全井段分布較均勻，射孔效率達到90.5%，表明新的分段定簇模型有力提升了壓裂施工改造效果。

5 結論

（1）脆性指數越高，儲層越容易破壓。但脆性指數相近層段，破裂壓力有時相差較大，表現出很大的脆性差別。引入斷裂韌性的可壓性指數評價，與現場施工各段參數比較符合，可用于綜合計算儲層破裂壓力。

（2）差異系數在評價儲層可壓性方面，主要表征的是儲層體積壓裂效果、形成縫網能力的參數，和破裂壓力之間的聯系不緊密，對壓裂改造效果有很大提升。

（3）壓裂分段分簇時，地質因素和工程因素綜合評價可以有效降低施工作業難度，提升壓裂效率，提高單井產量。