頁(yè)巖水平井壓裂裂縫復(fù)雜性指數(shù)研究

頁(yè)巖水平井壓裂裂縫復(fù)雜性指數(shù)研究

1裂縫復(fù)雜性指數(shù)目前，大多數(shù)應(yīng)用于擠壓板的壓力損失。即使在壓裂技術(shù)應(yīng)用成熟的美國(guó)地區(qū)，網(wǎng)絡(luò)裂縫和體積裂縫的發(fā)生概率也很低。目前,由國(guó)內(nèi)已有的數(shù)量不多的水平井分段壓裂實(shí)踐及后評(píng)估分析結(jié)果可知,網(wǎng)絡(luò)裂縫或體積裂縫出現(xiàn)的概率非常小。既然網(wǎng)絡(luò)裂縫或體積裂縫只是壓裂設(shè)計(jì)追求的理想目標(biāo),因此,如何在現(xiàn)有成本和技術(shù)條件下,最大限度地提高頁(yè)巖油氣水平井分段壓裂的效果?很明顯,只有盡可能增加裂縫的復(fù)雜性,才能在壓裂裂縫波及范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)用體積的最大化,提高分段壓裂的效果和后續(xù)開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)性。要提高裂縫的復(fù)雜性,必須充分利用各種有利的地質(zhì)條件,如脆性好、水平主應(yīng)力差異小、天然裂縫發(fā)育等條件,同時(shí)在縫間距和壓裂工藝參數(shù)上進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,盡可能增加凈壓力。直井頁(yè)巖壓裂裂縫復(fù)雜性指數(shù)的定義為微地震監(jiān)測(cè)的縫寬與縫長(zhǎng)之比,理想情況下裂縫復(fù)雜性指數(shù)為1,裂縫為常規(guī)單一裂縫時(shí)接近于0。該概念顯然難以適應(yīng)頁(yè)巖水平井分段壓裂的需要。為此,筆者對(duì)此進(jìn)行了探索研究,建立了頁(yè)巖氣水平井分段壓裂裂縫復(fù)雜性指數(shù)計(jì)算公式,提出了裂縫復(fù)雜性指數(shù)最大化控制方法。2裂縫復(fù)雜性指數(shù)法2008年,C.L.Cipolla等人將壓裂裂縫復(fù)雜性指數(shù)定義為微地震裂縫監(jiān)測(cè)的縫寬與縫長(zhǎng)之比:式中:FCI為裂縫復(fù)雜性指數(shù);W為垂直縫長(zhǎng)方向壓裂液波及范圍的一半,m;L為壓裂造縫半長(zhǎng),m。由式(1)可見(jiàn),常規(guī)直井壓裂的單一裂縫,裂縫復(fù)雜性指數(shù)接近0,網(wǎng)絡(luò)裂縫的復(fù)雜性指數(shù)為1,介于二者之間的為復(fù)雜裂縫,且指數(shù)越高,裂縫復(fù)雜程度越高。由于頁(yè)巖壓裂裂縫非平面擴(kuò)展的特殊性與普遍性,水力壓裂裂縫長(zhǎng)度內(nèi)的裂縫仍能提供一定的導(dǎo)流能力。式(1)包含2個(gè)假設(shè)條件:一是造縫高度可以垂向上貫穿整個(gè)頁(yè)巖;二是主縫造縫半長(zhǎng)沒(méi)有受到天然裂縫的影響,一直理想化延伸到設(shè)計(jì)預(yù)期值。而在水平井分段壓裂中有以下4種情況:1)通常采用簇射孔方式,加上水平層理發(fā)育,縫高延伸往往受限,難以穿透厚度幾十米甚至上百米的頁(yè)巖;2)一旦凈壓力控制不好,過(guò)早將天然裂縫張開(kāi),則主裂縫長(zhǎng)度很難達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期值;3)水平井多段壓裂相鄰裂縫間如果不發(fā)生滲流干擾和/或應(yīng)力干擾,則上述裂縫復(fù)雜性指數(shù)的概念仍然適用,一旦發(fā)生縫間干擾,則裂縫復(fù)雜性指數(shù)會(huì)增加;4)絕大多數(shù)條件下裂縫會(huì)呈非平面擴(kuò)展模式,裂縫寬度變化較大,即使沒(méi)有支撐劑支撐,也具有一定的導(dǎo)流能力?？紤]以上水平井分段壓裂的特殊性,為了更準(zhǔn)確地描述裂縫復(fù)雜性指數(shù),引入縫高垂向延伸因子Ih、縫長(zhǎng)延伸因子Il、縫間應(yīng)力干擾因子Ifi、縫寬非平面擴(kuò)展因子Iw等參數(shù)對(duì)式(1)進(jìn)行修正,可得:其中Ih=Hh(3)式中:h為實(shí)際的造縫高度,m;H為貫穿整個(gè)頁(yè)巖的造縫高度,m;l為實(shí)際的造縫半長(zhǎng),m;Ld為設(shè)計(jì)預(yù)期的主裂縫造縫半長(zhǎng),m;d為水平井相鄰裂縫間的誘導(dǎo)應(yīng)力高于原始水平應(yīng)力差時(shí)的傳播距離(一側(cè)裂縫算起),m;D為水平井相鄰裂縫間段間距的一半,m;σw為裂縫半縫寬的均方差,m;w為裂縫平均半縫寬,m。水平井分段壓裂裂縫如圖1所示。由式(2)可見(jiàn),對(duì)于頁(yè)巖水平井分段壓裂裂縫,在極端情況下(如縫高和/或縫長(zhǎng)為0),則裂縫復(fù)雜性指數(shù)為0。與直井單縫不同,垂直縫長(zhǎng)方向的壓裂液最大波及范圍為相鄰裂縫段間距的一半,可能遠(yuǎn)比縫長(zhǎng)要小得多。而縫高垂向延伸因子及縫長(zhǎng)延伸因子的最大值為1,縫間應(yīng)力干擾因子最大值為2。因此,水平井分段壓裂裂縫復(fù)雜性指數(shù)由相鄰裂縫段間距之半與造縫半長(zhǎng)之比決定(見(jiàn)表1)。上述參數(shù)中,最難求的是誘導(dǎo)應(yīng)力傳播距離,目前已有模型可計(jì)算得出結(jié)果。誘導(dǎo)應(yīng)力的傳播距離取決于裂縫內(nèi)凈壓力及脆性。凈壓力越高,脆性越好,誘導(dǎo)應(yīng)力傳播的距離越遠(yuǎn)。真正起作用的誘導(dǎo)應(yīng)力應(yīng)大于原始水平應(yīng)力差,此時(shí),誘導(dǎo)應(yīng)力作用區(qū)域內(nèi)可能實(shí)現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向或網(wǎng)絡(luò)裂縫效果。當(dāng)原始水平應(yīng)力差為6.7MPa、裂縫凈壓力達(dá)10~15MPa時(shí),真正有意義的誘導(dǎo)應(yīng)力傳播距離為20~30m(見(jiàn)圖2)。而目前在普遍情況下,簇射孔的間距大于這一距離,因此,復(fù)雜縫或網(wǎng)絡(luò)縫形成的概率相對(duì)較小?？刹捎萌S形貌儀對(duì)裂縫面掃描處理后獲得裂縫寬度的非平面擴(kuò)展數(shù)據(jù)。圖3為某巖心裂縫擴(kuò)展物模試驗(yàn)后的裂縫面三維掃描形貌。由圖3可知,裂縫寬度大多凸凹不平。重慶彭水地區(qū)頁(yè)巖露頭的大量擴(kuò)展物模試驗(yàn)結(jié)果表明,只要采用低黏度滑溜水進(jìn)行壓裂,裂縫寬度剖面基本是凸凹不平的,即使沒(méi)有支撐劑支撐,裂縫仍具有一定的導(dǎo)流能力。3裂縫復(fù)雜性指數(shù)最大化的控制方法從裂縫復(fù)雜性指數(shù)定義可知,實(shí)現(xiàn)裂縫復(fù)雜性指數(shù)的最大化方法有以下幾種。3.1凈壓力的控制由于頁(yè)巖一般含有各種天然裂縫,且天然裂縫與主裂縫存在一定的夾角,因此,如果壓裂過(guò)程中使天然裂縫過(guò)早張開(kāi),近井筒地層會(huì)產(chǎn)生較多裂縫,主裂縫長(zhǎng)度就難以達(dá)到預(yù)期要求。一般地,壓開(kāi)天然裂縫所需要的最小裂縫凈壓力為:式中:pn為張開(kāi)天然裂縫的臨界張開(kāi)壓力,MPa;σH,σh分別為最大與最小水平主應(yīng)力,MPa;ν為巖石泊松比。由式(7)可知,泊松比越小(頁(yè)巖越脆)、原始水平應(yīng)力差越小,則張開(kāi)天然裂縫所需的最小凈壓力越小,主裂縫半長(zhǎng)越達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。因此,在主縫長(zhǎng)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期值之前,必須控制好凈壓力,使之低于天然裂縫張開(kāi)的臨界低值。當(dāng)主裂縫長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期值后,盡可能提升裂縫凈壓力,促使裂縫轉(zhuǎn)向甚至多處轉(zhuǎn)向。影響凈壓力的地質(zhì)因素主要有頁(yè)巖與上下各層的應(yīng)力差和頁(yè)巖本身的巖石斷裂韌性。儲(chǔ)隔層上下應(yīng)力差越小,縫高越容易失控,凈壓力越建立不起來(lái);頁(yè)巖層巖石斷裂韌性越小,裂縫越易向前延伸,凈壓力也不容易建立起來(lái)。影響凈壓力的施工參數(shù)有排量、液量和施工砂液比等。一般而言,三者越高,凈壓力越高,但控制施工砂液比是控制凈壓力的最佳措施。端部脫砂壓裂技術(shù)就是利用高濃度砂漿,在裂縫四周產(chǎn)生砂堵效應(yīng),最終形成很寬的裂縫和很高的凈壓力。3.2縫長(zhǎng)和壓裂液讓裂縫成為一種最大的分辨率,這也是確定微地震信號(hào)傳播區(qū)域的主要影響因素主縫長(zhǎng)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)值后,在寬度方向盡可能提高波及范圍是提高壓裂改造體積和改造效果的唯一途徑。常規(guī)裂縫復(fù)雜性指數(shù)公式中,簡(jiǎn)單地認(rèn)為微地震信號(hào)波及范圍就是壓裂液波及范圍。其實(shí),微地震信號(hào)有的可能是回音效果,而且微地震信號(hào)傳播的區(qū)域不一定對(duì)最終產(chǎn)量有貢獻(xiàn)。為了增加垂直縫長(zhǎng)方向的壓裂液波及范圍,可采取以下措施:一是盡可能采用低黏度滑溜水做為壓裂液,因其黏度低,可運(yùn)移到天然裂縫的深處,同時(shí),低黏度液體所造縫的表面凸凹不平,即使沒(méi)有支撐劑支撐,也同樣具有一定的導(dǎo)流能力;二是適當(dāng)提高施工砂液比,增大攜砂液的進(jìn)縫摩阻,在縫中產(chǎn)生局部砂堵效應(yīng),促使液體轉(zhuǎn)向;三是如果原始水平應(yīng)力差大,或斷裂韌性小,靠施工參數(shù)調(diào)整難以大幅度提升凈壓力,可以嘗試應(yīng)用暫堵劑或大粒徑支撐劑進(jìn)行縫內(nèi)人工轉(zhuǎn)向技術(shù)。3.3縫高延伸井頁(yè)巖厚度往往是幾十米甚至上百米,水平層理發(fā)育,普遍應(yīng)用的水平井分段壓裂簇射孔技術(shù)雖然施工排量很高,但由于簇射孔的分流效應(yīng)及水平層理的遏制效應(yīng),縫高的延伸一般有限。研究理想的縫高延伸規(guī)律時(shí),可采用國(guó)外常用的直井導(dǎo)眼井技術(shù),在導(dǎo)眼井上進(jìn)行壓裂后井溫或示蹤劑測(cè)井等工作。一般而言,脆性好的頁(yè)巖可采用簇射孔技術(shù),如果頁(yè)巖塑性較強(qiáng),應(yīng)減少射孔簇?cái)?shù),甚至采用單簇射孔技術(shù)。為了盡量擴(kuò)展并溝通不同的層理,確保形成的垂向裂縫貫通整個(gè)頁(yè)巖,同時(shí)在不同層理面形成有裂縫延伸的復(fù)雜裂縫甚至網(wǎng)絡(luò)裂縫,可采取變排量的施工方案。3.4壓裂液黏度試驗(yàn)裂縫寬度變化越劇烈,裂縫的復(fù)雜性程度越強(qiáng),即使沒(méi)有支撐劑支撐也能形成一定的導(dǎo)流能力。重慶彭水地區(qū)頁(yè)巖裂縫擴(kuò)展物模試驗(yàn)結(jié)果表明,壓裂液黏度越低,裂縫寬度變化越劇烈。因此,在可能的情況下,應(yīng)盡可能采取全程滑溜水或大比例滑溜水施工。3.5裂縫傳播的部位裂縫復(fù)雜性程度主要取決于相鄰裂縫間誘導(dǎo)應(yīng)力的干擾程度。一般而言,頁(yè)巖越脆,裂縫凈壓力越高,段間距越小,則誘導(dǎo)應(yīng)力干擾程度越大,出現(xiàn)復(fù)雜裂縫的概率也越大。相鄰裂縫間干擾因子最小為0,最大為2。這是因?yàn)?誘導(dǎo)應(yīng)力很高,其傳播距離會(huì)很遠(yuǎn),但最多傳到相鄰的裂縫就會(huì)被裂縫吸收,穿過(guò)相鄰裂縫繼續(xù)傳播的可能性較小。脆性頁(yè)巖的裂縫凈壓力難以建立并維持在一個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)原始水平應(yīng)力差的水平。頁(yè)巖脆性較強(qiáng)時(shí),裂縫易破裂并向前延伸;而縫寬則難以進(jìn)一步提高,這也是國(guó)外脆性好的Barnett頁(yè)巖地層采用大液量滑溜水和低砂比施工的重要原因。此時(shí),可以采用提高射孔簇?cái)?shù)來(lái)降低段間距,以增加縫間干擾。為了增加應(yīng)力干擾因子,可中途停泵或采取同步壓裂或拉鏈?zhǔn)綁毫鸭夹g(shù),人為增加應(yīng)力干擾程度,促使復(fù)雜裂縫或網(wǎng)絡(luò)裂縫的形成。4裂縫的脆性和復(fù)雜性四川盆地及周緣4口水平井壓裂施工參數(shù)見(jiàn)表2。每口井分段壓裂10~22段,共實(shí)施65段140簇壓裂,單段最大加砂量126m3,最大用液量4.5×104m3,滑溜水最高施工砂液比19%,最大排量15.5m3/min,最大井深4985m,最高閉合壓力92MPa。壓后效果較好,尤其在焦石壩獲得了重大商業(yè)性發(fā)現(xiàn),日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在10×104m3以上。用破裂壓力的峰值下降幅度表示脆性的高低。下降幅度越大,脆性越好;破裂不明顯或無(wú)下降,說(shuō)明塑性較強(qiáng)。由脆性的判斷可感知裂縫的復(fù)雜性程度。C井第5段為低地應(yīng)力漏失層,在升排量過(guò)程中及較大排量下,地層共發(fā)生3次明顯破裂(見(jiàn)圖4,其中(b)是(a)的局部放大)。其中大排量保持在14.4m3/min時(shí),縫內(nèi)憋壓明顯,有2處分別達(dá)9和22MPa,促使裂縫明顯轉(zhuǎn)向。破裂后壓力降幅較大,降速較快,說(shuō)明地層脆性好,易形成復(fù)雜縫。在施工參數(shù)基本恒定的前提下,地層按壓力波數(shù)和平均壓力波動(dòng)幅度(見(jiàn)圖5)綜合考慮分為4類:第1類壓力波數(shù)較大、平均壓力波幅最大;第2類壓力波數(shù)最大、平均壓力波幅較大;第3類壓力波數(shù)和波幅均最小,地層塑性強(qiáng),易形成單一縫;第4類整體壓力波動(dòng)情況差于第1類和第2類。第1類和第2類地層裂縫發(fā)育程度較好、分布范圍較大,壓裂后易形成天然層理縫與水力裂縫相交的復(fù)雜裂縫;第4類地層不易形成復(fù)雜縫(見(jiàn)表3)。B井和C井最終的裂縫復(fù)雜性評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。5水平井分段壓裂裂縫復(fù)雜性指數(shù)的確定筆者提出的水平井分段壓裂裂縫復(fù)雜性指數(shù),僅將裂縫簡(jiǎn)單劃分為單一裂縫、復(fù)雜裂縫和網(wǎng)絡(luò)裂縫3類。其中,當(dāng)裂縫復(fù)雜性指數(shù)在某一特定范圍時(shí)將裂縫籠統(tǒng)判定為復(fù)雜裂縫。實(shí)際上,復(fù)雜裂縫可進(jìn)一步細(xì)分,復(fù)雜性指數(shù)越高,裂縫復(fù)雜性程度越高;反之越低。壓裂設(shè)計(jì)以追求裂縫復(fù)雜性指數(shù)最大化為目標(biāo),壓后評(píng)估的一個(gè)重要作用就是指導(dǎo)后續(xù)的壓裂施工,使形成的裂縫復(fù)雜化,甚至形成網(wǎng)絡(luò)裂縫及體積裂縫,進(jìn)一步提高裂縫復(fù)雜性指數(shù)。直井裂縫復(fù)雜性指數(shù)研究有待深化:首先,對(duì)稱兩翼的垂直縫模式,如設(shè)計(jì)及實(shí)施控制得當(dāng),裂縫復(fù)雜性指數(shù)完全可能大于1;其次,垂直縫長(zhǎng)方向的分支縫如何盡最大可能延長(zhǎng)轉(zhuǎn)彎半徑并二次或多次轉(zhuǎn)向?同時(shí),分支縫的間距應(yīng)小到至少滲流干擾區(qū)能相互疊加為宜。水平井分段壓裂裂縫復(fù)雜性指數(shù)的相關(guān)參數(shù)研究:1)可通過(guò)小管徑連續(xù)油管沿縫長(zhǎng)方向進(jìn)行遠(yuǎn)井水力噴射壓裂的方法,輔助實(shí)現(xiàn)縫長(zhǎng)延伸因子最大化;2)為了實(shí)現(xiàn)縫高垂向延伸因子最大化,需要就如何實(shí)現(xiàn)千層餅式并能貫穿整個(gè)頁(yè)巖的裂縫系統(tǒng),開(kāi)展不同排量條件下水力裂縫穿透不同水平層理地層的試驗(yàn)研究;3)縫寬非平面擴(kuò)展因子方面,從地質(zhì)條件而言,非均質(zhì)性(礦物組分、地應(yīng)力、巖石力學(xué)等)越強(qiáng),裂縫寬度變化越大;從壓裂工藝而言,排量越低、壓裂液黏度越低,則裂縫面粗糙度越大,這也是脆性好的頁(yè)巖地層采用大比例滑溜水及簇射孔壓裂的主要原因;4)縫間應(yīng)力干擾影響因子主要與頁(yè)巖的脆性(脆性越好,誘導(dǎo)應(yīng)力傳播距離越遠(yuǎn))、段間距、主裂縫凈壓力(與斷裂韌性、排量、液量有關(guān))及現(xiàn)場(chǎng)工藝措施(施工中途停泵、多井同步壓裂及交叉壓裂)等因素有關(guān)。應(yīng)用水平井分段壓裂裂縫復(fù)雜性指數(shù)指導(dǎo)壓裂設(shè)計(jì)與施工、最大限度地提高裂縫復(fù)雜程度是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,是充分利用各種有利的地質(zhì)條件、優(yōu)化壓裂工藝參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)施工工藝等的協(xié)同配合,必須從系統(tǒng)工程的角度,整體優(yōu)化,分步實(shí)施與控制,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及后評(píng)估,不斷提高頁(yè)巖水平井分段壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)及施工水平,最終實(shí)現(xiàn)裂縫復(fù)雜性指數(shù)的最大化,以取得預(yù)期的生產(chǎn)效果。6提高裂縫復(fù)雜性指數(shù)的設(shè)計(jì)及施工效果依1)將常規(guī)直井壓裂裂縫復(fù)雜性指數(shù)拓展到水平井分段壓裂中,考慮了縫高垂向延伸因子、縫長(zhǎng)延伸因子、縫間應(yīng)力干擾因子及縫寬非平面擴(kuò)展因子等