李浩

（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

清水壓裂儲(chǔ)層篩選方法研究

李浩

（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

清水壓裂技術(shù)在低滲透油氣田勘探開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)效益顯著，但由于受到儲(chǔ)層地應(yīng)力、滲透率、巖石的粗糙度、強(qiáng)度等限制，并非所有低滲透地層都適合。目前，對(duì)于適合清水壓裂儲(chǔ)層的篩選，國(guó)內(nèi)外都是通過(guò)對(duì)實(shí)際壓裂施工數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)而得到，這種方法缺乏理論支撐和實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)，不具有普遍的指導(dǎo)意義。因此，文中利用McGuire-Sikora增產(chǎn)倍數(shù)圖版，分析了裂縫導(dǎo)流能力和縫長(zhǎng)對(duì)增產(chǎn)效果的影響規(guī)律及清水壓裂適應(yīng)的儲(chǔ)層條件；并利用巖石力學(xué)參數(shù)、地層滲透率、裂縫壁面抗壓強(qiáng)度、閉合壓力等參數(shù)，建立了預(yù)測(cè)清水壓裂自支撐裂縫導(dǎo)流能力的計(jì)算方法；同時(shí)利用室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)，模擬裂縫剪切滑移，建立了清水壓裂裂縫導(dǎo)流能力室內(nèi)測(cè)試方法，為篩選適合清水壓裂的儲(chǔ)層提供了一種可行手段。

清水壓裂；McGuire-Sikora圖版；導(dǎo)流能力;儲(chǔ)層篩選

水力壓裂工藝作為油水井增產(chǎn)增注的主要措施，已廣泛應(yīng)用于低滲透油氣田的開發(fā)中，通過(guò)水力壓裂可有效改善井底附近的滲流條件，提高油井產(chǎn)能。由于我國(guó)絕大多數(shù)油田已進(jìn)入中高含水開發(fā)階段，穩(wěn)產(chǎn)和挖潛難度愈來(lái)愈大，因此，近年來(lái)非常規(guī)儲(chǔ)層的開發(fā)受到極大關(guān)注，而清水壓裂是動(dòng)用這部分儲(chǔ)層的一種重要方法［1-4］；但使用清水壓裂受到儲(chǔ)層地應(yīng)力、滲透率、巖石力學(xué)性質(zhì)等限制，并不是所有低滲透地層都適合。目前，對(duì)于適合清水壓裂儲(chǔ)層的篩選還缺乏深入研究，導(dǎo)致許多壓裂施工失敗或見效甚微，成為清水壓裂推廣應(yīng)用的技術(shù)瓶頸［5-6］。針對(duì)上述問(wèn)題，本文繪制了增產(chǎn)效果與裂縫導(dǎo)流能力及縫長(zhǎng)的關(guān)系圖版，分析了適合清水壓裂的裂縫導(dǎo)流能力范圍，并建立了清水壓裂自支撐裂縫導(dǎo)流能力的理論計(jì)算模型和室內(nèi)評(píng)價(jià)方法，為清水壓裂儲(chǔ)層篩選提供了一種有效手段。

1 清水壓裂適應(yīng)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)指標(biāo)

水力壓裂是油氣井增產(chǎn)、水井增注的一種有效措施，也是解除儲(chǔ)集層傷害、恢復(fù)油井產(chǎn)能的重要手段。評(píng)價(jià)壓裂效果的一個(gè)重要指標(biāo)是增產(chǎn)倍數(shù)比，該指標(biāo)是指相同生產(chǎn)條件下壓裂后和壓裂前的日產(chǎn)水平或采油指數(shù)之比，可采用典型曲線法、近似解析法或數(shù)值模擬法求解。本文主要對(duì)McGuire-Sikora增產(chǎn)倍數(shù)圖版進(jìn)行變換，建立了評(píng)價(jià)方法。McGuire-Sikora圖版的縱坐標(biāo)是無(wú)量綱增產(chǎn)倍數(shù)，橫坐標(biāo)是無(wú)因次導(dǎo)流能力。曲線的擬合方程為

式中：J0，Jf分別為壓裂前后采油指數(shù)，m3/（d·MPa-1）；re，rw分別為泄油半徑和完井半徑為泄油半徑和井徑的修正因子；M為過(guò)渡參數(shù)；Lfe為裂縫半長(zhǎng)，m；Kf為裂縫滲透率，μm2；Wf為裂縫寬度，cm；KfWf為裂縫導(dǎo)流能力，μm2·cm；K為地層滲透率，μm2；F為泄油面積，m2。

設(shè)K=0.001 6 μm2，re=200 m，以KfWf為橫坐標(biāo)、（修正增長(zhǎng)倍數(shù)）為縱坐標(biāo)繪制McGuire-Sikora圖版（見圖1）。圖版中的0.2，0.3，…，1.0，為裂縫半長(zhǎng)和泄油半徑之比。

圖1 McGuire-Sikora矢量化圖版

圖版體現(xiàn)了壓裂后不同裂縫導(dǎo)流能力與縫長(zhǎng)對(duì)增產(chǎn)效果的影響。根據(jù)圖版曲線的變化規(guī)律，從左至右將圖版依次劃為3個(gè)區(qū)間：第1區(qū)間，當(dāng)無(wú)因次縫長(zhǎng)（Lf/ re）超過(guò)0.2時(shí)，增加裂縫長(zhǎng)度Lf，只提供一個(gè)很小的追加量，對(duì)于提高產(chǎn)量沒(méi)有明顯效果。在此區(qū)間內(nèi)，不適合清水壓裂，可通過(guò)使用支撐劑提高壓裂后裂縫的導(dǎo)流能力，以達(dá)到增產(chǎn)目的。第2區(qū)間，有可能出現(xiàn)較高的增產(chǎn)，增加縫長(zhǎng)和裂縫的導(dǎo)流能力都會(huì)使產(chǎn)量增加，此時(shí)使用清水壓裂需要攜帶一定量的支撐劑。第3區(qū)間，導(dǎo)流能力增加不會(huì)使增長(zhǎng)倍數(shù)明顯變化，而縫長(zhǎng)成為控制增產(chǎn)的主要變量，此時(shí)裂縫的縫長(zhǎng)愈長(zhǎng)，增產(chǎn)效果愈顯著，適合大規(guī)模清水不加砂壓裂。

通過(guò)上述分析可知，儲(chǔ)層是否適合清水壓裂，主要取決于自支撐裂縫能否為油氣輸運(yùn)提供足夠的導(dǎo)流能力，因此，建立清水壓裂裂縫導(dǎo)流能力的預(yù)測(cè)和室內(nèi)評(píng)價(jià)方法非常重要。

2 清水不加砂壓裂裂縫導(dǎo)流能力預(yù)測(cè)

清水壓裂過(guò)程中，裂縫壁面產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，在泄壓返排過(guò)程中，起伏粗糙的裂縫壁面不能完全嚙合，形成具有一定張開度的裂縫。清水壓裂自支撐裂縫壁面組合形態(tài)及法線方向受力變形如圖2所示。

圖2 自支撐裂縫壁面組合形態(tài)及法向變形

在閉合壓力作用下，裂縫壁面的凸起容易被壓碎和碾平，產(chǎn)生明顯的法向變形，但隨著閉合變形量的增大，壁面接觸面積逐漸增大，變形速率逐步減小，閉合壓力和法向變形呈明顯的非線性關(guān)系。Bandis等人通過(guò)試驗(yàn)研究，提出雙曲線型法向應(yīng)力σn與法向變形δn的關(guān)系式為

式中：σn為閉合壓力，MPa；δn，δnmax分別為法向變形（壁面閉合量）和壁面最大可能閉合量，μm；Kn0為結(jié)構(gòu)面的初始剛度，N/m。

基于Goodman的研究，裂縫壁面初始剛度為

式中：JCS為結(jié)構(gòu)面抗壓強(qiáng)度，MPa；JRC為結(jié)構(gòu)面的粗糙性系數(shù)；δn0為裂縫壁面初始張開度，μm。

裂縫壁面的最大可能閉合量δnmax與JCS，JRC，δn0的關(guān)系，采用經(jīng)驗(yàn)公式為

式中：A0，B0，C0，D為常數(shù)，取決于結(jié)構(gòu)面受載歷史，由多元回歸得出。

在壓裂過(guò)程中，對(duì)巖體進(jìn)行第1次循環(huán)荷載，上述參數(shù)可取值如下［7］：

裂縫面初始張開度是上下2個(gè)粗糙裂縫壁面在無(wú)閉合應(yīng)力作用下的壁面厚度之和，即

式中：aj為裂縫粗糙面厚度，μm。

aj與JCS，JRC和σc的關(guān)系式為

式中：σc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

Axel Makurat通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為，裂縫粗糙壁面由于錯(cuò)動(dòng)及部分凸起部分被壓碎，裂縫壁面厚度平均下降14%，修正式（5）得

裂縫力學(xué)殘余寬度為裂縫初始寬度和裂縫法向閉合量之差：

Witherspoon提出的“立方定律”認(rèn)為，實(shí)際的裂縫力學(xué)寬度與水力壓裂裂縫導(dǎo)流裂縫寬度不相等，二者的關(guān)系式為

式中：e是因裂縫不規(guī)則等效得來(lái)的水力導(dǎo)流裂縫寬度（裂縫平整光滑時(shí)，e=Wf），μm。

裂縫滲透率與導(dǎo)流裂縫寬度的平方成正比，其計(jì)算公式為

裂縫導(dǎo)流能力為

式中：C為裂縫導(dǎo)流能力，μm2·cm。

3 清水壓裂裂縫導(dǎo)流能力室內(nèi)測(cè)試

清水壓裂過(guò)程中，裂縫轉(zhuǎn)向、剪切滑移和裂縫壁面粗糙性，造成泄壓返排時(shí)裂縫面不能完全嚙合，形成殘余空隙空間［8-10］。筆者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M了這一過(guò)程，并建立了清水壓裂裂縫導(dǎo)流能力室內(nèi)評(píng)價(jià)方法。

首先將φ50 mm×100 mm的圓柱形試件劈裂，獲得粗糙裂縫壁面，并將粗糙的裂縫壁面滑移，然后將錯(cuò)動(dòng)巖心端面研磨平整，制備剪切滑移后自支撐非嚙合的裂縫壁面組合（見圖3）。

將試樣2個(gè)端面均勻涂抹AB膠，待凝24 h，放在導(dǎo)流儀里，模擬地下賦存的壓力環(huán)境，測(cè)試其導(dǎo)流能力。計(jì)算公式為

式中：μ為流體的黏度，Pa·s；q為流過(guò)巖心的流量，cm3/s；L為巖心長(zhǎng)度，cm；B為巖石端面直徑，cm；Δp為巖心室兩端的壓差，MPa。

圖3 巖心非嚙合裂縫壁面組合

4 應(yīng)用實(shí)例

齊421井E層位最小水平地應(yīng)力為30 MPa，彈性模量為13.29 GPa，泊松比為0.23，地層滲透率為0.016 μm2，測(cè)試該層清水壓裂自支撐裂縫導(dǎo)流能力（見圖4）。

圖4 不同閉合壓力下自支撐裂縫導(dǎo)流能力

由圖4可知：隨著閉合壓力增加，自支撐裂縫導(dǎo)流能力值減小，并且存在一個(gè)臨界值；當(dāng)閉合壓力大于臨界值時(shí)，裂縫導(dǎo)流能力急劇下降，最后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值11.2 μm2·cm，位于McGuire-Sikora矢量化圖版第3區(qū)域，適合清水不加砂壓裂。

5 結(jié)論

1）建立了壓裂后產(chǎn)能評(píng)價(jià)方法，并繪制出McGuire-Sikora矢量化圖版。圖版體現(xiàn)了壓裂后裂縫不同導(dǎo)流能力和縫長(zhǎng)對(duì)產(chǎn)能的影響。

2）McGuire-Sikora圖版分為3個(gè)區(qū)間，其中：第1，2區(qū)間通過(guò)增加裂縫的導(dǎo)流能力增產(chǎn)效果顯著，適合攜砂壓裂；第3區(qū)間通過(guò)增加縫長(zhǎng)增產(chǎn)效果顯著，適合清水不加砂壓裂。

3）建立了清水壓裂自支撐裂縫導(dǎo)流能力理論計(jì)算方法和室內(nèi)測(cè)試方法，結(jié)合McGuire-Sikora矢量化圖版，為清水壓裂儲(chǔ)層篩選提供了可靠依據(jù)。

［1］王素兵，郭靜，尹叢彬.清水壓裂技術(shù)及其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2005，28（4）：49-51. Wang Subing，Guo Jing，Yin Congbin.Waterfracs technology and application on site［J］.Drilling&Production Technology，2005，28（4）：49-51.

［2］陳遠(yuǎn)林，郭建春，魏星，等.清水壓裂技術(shù)增注機(jī)理及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2008，15（2）：116-117. Chen Yuanlin，Guo Jianchun，Wei Xing，et al.Mechanism and field application of waterfrac treatment technique for increasing injection rate［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2008，15（2）：116-117.

［3］Michael J Mayerhofe，Nathan Meehan D.Waterfracs results from 50 cotton valley wells［J］.SPE 49104，1998.

［4］李小剛，楊兆中，伍曉妮，等.油井水力壓裂后產(chǎn)量變化的混沌特征分析［J］.斷塊油氣田，2009，16（1）：63-65. Li Xiaogang，Yang Zhaozhong，Wu Xiaoni，et al.Chaos analysis of oil production rate variation of hydraulically-fractured well［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2009，16（1）：63-65.

［5］Mathis Stephen P.Waterfrac provide cost-effective well stimulation alternative in san joaquin valley wells［J］.SPE 62521，2000.

［6］勞斌斌，劉月田，屈亞光，等.水力壓裂影響因素的分析與優(yōu)化［J］.斷塊油氣田，2010，17（2）：225-228. Lao Binbin，Liu Yuetian，Qu Yaguang，et al.Analysis and optimization of factors affecting hydraulic fracturing［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2010，17（2）：225-228.

［7］Ouyang Zhihua，Elsworth D.Characterization of hydraulic fracture with inflated dislocation moving within a semi-infinite medium［J］.Journal of China University of Mining&Technology，2007，17（2）：220-225.

［8］趙益忠，程遠(yuǎn)方，曲連忠，等.水力壓裂動(dòng)態(tài)造縫的有限元模擬［J］.石油學(xué)報(bào)，2007，28（6）：103-106. Zhao Yizhong，Cheng Yuanfang，Qu Lianzhong，et al.Finite element simulation of dynamic fracture in hydraulic fracturing［J］.Acta Petrolei Sinica，2007，28（6）：103-106.

［9］王騰飛，胥云，蔣建方，等.變尺度分析方法在水力壓裂壓力診斷中的應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，2009，37（6）：84-86. Wang Tengfei，Xu Yun，Jiang Jianfang，et al.The application of variable metric method in pressure distribution analysis in hydraulic fracturing［J］.Petroleum Drilling Techniques,2009，37（6）：84-86.

［10］李士斌，陳波濤，張海軍，等.清水壓裂自支撐裂縫面閉合殘留寬度數(shù)值模擬［J］.石油學(xué)報(bào)，2010，31（4）：680-683. Li Shibin，Chen Botao，Zhang Haijun，et al.Numerical simulation on residual width of fractures in wells with clear water fracturing without proppant［J］.Acta Petrolei Sinica，2010，31（4）：680-683.

（編輯 李宗華）

Research on screening rservoir method for riverfrac treatment

Li Hao
(College of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

Riverfrac treatment is widely applied in exploration and development of low permeability oil-gas filed,and great economic benefit has been gained.But owing to the restriction of reservoir stress,permeability,roughness and intensity of rock,all the low permeability reservoirs are not suitable for riverfrac treatment.Now,the reservoirs,being fit for riverfrac treatment,are selected by actual fracturing operation data,which is lack of support from the theory and lab tests and has not universal guide.Through the use of McGuire-Sikora chart,this paper analyzes the effect rule of fracture conductivity and fracture length on stimulation effect and the reservoir condition for riverfrac treatment.Considering the rock mechanics parameters,formation permeability,compression strength and closure stress,a mathematical model of forecasting the residual fracture width is established.According to lab core experiment, shear slip is simulated and a test model of fracture conductivity of riverfrac treatment in laboratory is also established.That provides a set of reliable methods for reservoir selection during riverfrac treatment.

waterfrac treatment;McGuire-Sikora chart;flow conductivity;screening rservoir

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“清水壓裂增產(chǎn)機(jī)理及適應(yīng)儲(chǔ)層條件研究”（E201015）

TE357.1+1

：A

1055-8907（2012）02-0253-04

2011-07-11；改回日期：2012-01-15。

李浩，男，1991年生，在讀本科生。E-mail：zhangligang529 @126.com。

李浩.清水壓裂儲(chǔ)層篩選方法研究［J］.斷塊油氣田，2012，19（2）：253-256. Li Hao.Research on screening rservoir method for riverfrac treatment［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（2）：253-256.