朱新春

（中國石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006）

涇河油田分段多簇壓裂起裂機理分析及參數(shù)設(shè)計

朱新春

（中國石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006）

涇河油田的大多數(shù)儲層屬于低孔低滲致密儲層，壓裂水平井是獲得產(chǎn)能的主要方法。采用常規(guī)單段壓裂工藝，產(chǎn)量較低，因此開展了多簇壓裂工藝研究。文中對多簇壓裂起裂機理分析發(fā)現(xiàn)，在誘導(dǎo)應(yīng)力作用下，破裂壓力發(fā)生改變。在地層破裂階段，迅速提高排量，能夠?qū)崿F(xiàn)2簇同時破裂。通過分析多簇壓裂影響因素，確定了涇河油田多簇壓裂設(shè)計參數(shù)，包括簇間距、凈壓力、施工排量等?，F(xiàn)場試驗表明，涇河油田產(chǎn)量明顯提高，多簇壓裂增產(chǎn)效果顯著。

水平井；多簇壓裂；破裂壓力；簇間距

0　引言

涇河油田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡南部，2014年上半年采用常規(guī)工藝壓裂17口水平井，試油期間平均產(chǎn)量僅為2.1 t/d，增產(chǎn)效果不明顯。借鑒國內(nèi)外致密低滲油氣藏開發(fā)經(jīng)驗［1-2］及體積壓裂［3-5］工藝技術(shù)思路，開展了固井完井水平井多簇壓裂工藝技術(shù)研究及現(xiàn)場試驗。主要采用可鉆橋塞［6］多簇射孔壓裂工藝和連續(xù)油管帶底封水力噴射多簇射孔壓裂工藝［7］，截至2015 年11月，該油田共壓裂35口水平井，試油平均產(chǎn)量為7.5 t/d，增產(chǎn)效果明顯。

與常規(guī)單簇壓裂工藝相比，由于誘導(dǎo)應(yīng)力的作用，多簇壓裂能夠增大形成復(fù)雜縫網(wǎng)的幾率，增大裂縫泄流體積。同時采用多簇射孔，能夠增大儲層打開程度，利于油藏穩(wěn)產(chǎn)，在低油價形勢下具有較高的經(jīng)濟和技術(shù)價值。

1　多簇壓裂起裂機理

1.1多簇壓裂應(yīng)力預(yù)測模型

模型假設(shè)：1）水平井采用固井完井，井眼方位與最小主應(yīng)力方位一致［8］；2）采用多簇射孔，簇數(shù)為2；3）采用套管注入壓裂，壓裂液不可壓縮，裂縫延伸符合PKN模型，僅考慮裂縫形成初期的變化特征［9］；4）采用涇河油田常用巖石力學(xué)、地應(yīng)力［10］等工程地質(zhì)參數(shù)，其平均巖石泊松比約為0.22，最大水平主應(yīng)力梯度為0.023 2 MPa/m，最小水平主應(yīng)力梯度為0.016 9 MPa/m（見圖1，L為簇間距）。

圖1　多簇壓裂模型示意

在理想情況下，若忽略儲層非均質(zhì)性，簇間地應(yīng)力分布應(yīng)該一致，且具有同樣的破裂壓力。在相同射孔參數(shù)條件下，由于2簇距離較近，簇間井筒摩阻可以忽略不計，于是有pA=pB，即2簇井底壓力相同。根據(jù)限流壓裂原理［11-12］，2簇應(yīng)該同時破裂。然而，在實際情況下，2簇間是存在物性差異的，其巖石力學(xué)性質(zhì)不同。破裂壓力的差異，導(dǎo)致物性較好的一簇先破裂、物性較差的另一簇后破裂的現(xiàn)象。由于破裂后的裂縫延伸，先破裂的點會產(chǎn)生一定的誘導(dǎo)應(yīng)力［13-14］，進而增大了另一簇的破裂壓力［15］。

采用涇河油田常用泵注程序，通過FracPRO PT軟件模擬，可以得知施工過程中不同時刻A點的井底壓力及裂縫延伸狀態(tài)，再結(jié)合誘導(dǎo)應(yīng)力計算模型，可以得出不同時刻B點的破裂壓力（見圖2，L=20 m）。

圖2　裂縫延伸過程中不同壓力的變化

由圖2可以看出，在壓裂施工開始后，A點井底壓力迅速升高，在井底壓力達到A點破裂壓力（43 MPa）后，地層發(fā)生破裂，井底壓力有所降低，在延伸壓力作用下，人工裂縫得到擴展，縫長及縫高逐漸增加。

根據(jù)破裂壓力及誘導(dǎo)應(yīng)力計算結(jié)果，B點破裂壓力在壓裂施工開始初期與A點破裂壓力一樣，均為43 MPa。當(dāng)A點破裂后，在裂縫內(nèi)的凈壓力（p）及誘導(dǎo)應(yīng)力的共同作用下，B點的破裂壓力值逐漸升高，由原始的43 MPa增加至最高時的55 MPa，增加幅度接近30%。根據(jù)壓力平衡原理，B點井底壓力與A點井底壓力相同，A點裂縫延伸過程中，在沒有特別明顯的壓力變化條件下，井底壓力無法達到B點破裂壓力值，即B點是不會破裂的。

對于涇河油田水平井，當(dāng)采用分段多簇壓裂時，各簇的最好破裂時機在施工初期，此時誘導(dǎo)應(yīng)力較小，2簇破裂壓力較為接近。此時通過快速提高施工排量，使井底壓力達到2簇的破裂壓力，可以實現(xiàn)2簇同時破裂。若不能達到同時破裂，在施工后期若沒有明顯的壓力上升條件，另一簇很難破裂。

1.2多簇壓裂影響因素分析

通過對誘導(dǎo)應(yīng)力模型的分析發(fā)現(xiàn)，影響多簇起裂的主要因素包括儲層各簇的巖石力學(xué)應(yīng)力差、裂縫延伸狀態(tài)（裂縫高度）、p和L等。通過模型計算表明：

1）2簇間應(yīng)力差值越大，破裂壓力差值也越大，2簇越不容易同時起裂。

2）降低各簇破裂壓力最好的射孔方位角為0，而射孔深度至少要達到3倍井眼半徑的有效距離。

3）L對破裂壓力存在2方面影響：一方面，2簇距離越近，其破裂壓力增加的數(shù)值越高，在2簇間距約4 m時，破裂壓力增加值（△pf）有1個明顯的低點；另一方面，當(dāng)L大于10 m后，△pf隨L的增大而減小，當(dāng)L大于20 m后，p為5 MPa時，△pf小于2 MPa（見圖3）。

4）p與誘導(dǎo)應(yīng)力成正比，p越大，△pf就越大。

5）當(dāng)?shù)?簇剛破裂時，裂縫高度非常小，其對另一簇的破裂壓力影響遠小于裂縫形成一定高度之后。

圖3　不同p時△pf與L的關(guān)系

2　壓裂工藝參數(shù)優(yōu)化

2.1確定合理簇間距

分段多簇壓裂的核心，是通過各簇間的應(yīng)力干擾，使人工裂縫產(chǎn)生復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在2簇間形成具有一定導(dǎo)流能力的縫網(wǎng)體積［16］。能否達此目的，水平應(yīng)力差異系數(shù)起著最主要的作用［17］。

式中：Kh為水平應(yīng)力差異系數(shù)；σmax，σmin分別為水平最大和最小主應(yīng)力，MPa。

Kh越小，越容易形成復(fù)雜裂縫。通過計算不同簇間距條件下的Kh值發(fā)現(xiàn)，2簇距離較近時，L對Kh的影響較大，當(dāng)L為8 m左右時，有1個應(yīng)力的集中點，此處Kh有1個高點，之后隨著L的增大而減小。當(dāng)L大于20 m后，Kh逐漸增大，當(dāng)L大于40 m后，其對Kh的影響逐漸減弱（見圖4）。從形成縫網(wǎng)的條件方面考慮，需要盡可能小的Kh，因此最優(yōu)的L有2個范圍，一個為0～8 m；另一個為12～20 m，最低點為15～17 m。

圖4　不同p時Kh與L的關(guān)系

根據(jù)破裂壓力與簇間距的關(guān)系（見圖3）可以看出，簇間距在20 m以上時，破裂壓力增加值較小。綜合圖3和圖4，確定合理的L范圍為15～25 m，對應(yīng)的破裂壓力增大幅度為2～4 MPa。

2.2確定合理p值

p越大，誘導(dǎo)應(yīng)力越大。根據(jù)Kh及Δpf與p的關(guān)系（見圖5，圖中紅、藍、綠分別表示L為15 m，20 m，25 m）可以看出：要形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，需要盡可能地提高p值，以降低Kh（實線）；而要保證2簇同時起裂，則又要求p盡可能的低，以降低另一簇破裂壓力的增大量（虛線）。

綜合考慮同時破裂和形成復(fù)雜縫網(wǎng)2個方面的影響，認為p在5～8 MPa時比較合適，同時，L在15～20 m時更為有利。

2.3確定合理施工排量

通過FracPRO PT軟件模擬，得出了涇河油田常用泵注程序條件下不同施工排量對應(yīng)的p值，在p為 5～8 MPa時，合適的施工排量為4～8 m3/min（見圖6）。

圖5　Kh及Δpf與p的關(guān)系

圖6　縫長和縫高及凈壓力與施工排量的關(guān)系

2.4多簇壓裂參數(shù)

綜合以上討論結(jié)果，得出涇河油田多簇壓裂設(shè)計參數(shù)：簇數(shù)為2，L為15～20 m，p為5～8 MPa，排量為4～8 m3/min。需要注意的是，施工開始時，應(yīng)迅速提高排量以保證2簇同時破裂。

3　現(xiàn)場應(yīng)用及分析

涇河油田多簇壓裂應(yīng)用效果對比見表1。

涇河油田于2014年開始試驗固井完井水平井分段多簇壓裂工藝，主要采用可鉆橋塞和連續(xù)油管帶底封2種工藝。其中：可鉆橋塞分段多簇壓裂工藝應(yīng)用14口井，試油期間平均產(chǎn)油9.2 t/d；連續(xù)油管帶底封分段多簇壓裂工藝應(yīng)用16口，試油期間平均產(chǎn)油8.1 t/d。

通過對比常規(guī)單簇壓裂效果，可以看出，采用多簇壓裂工藝，儲層打開程度有所提高，水平井產(chǎn)液能力上升。同時通過多簇壓裂形成縫網(wǎng)，增大了儲層改造程度，日產(chǎn)油量是常規(guī)單簇壓裂的2～3倍，3個月遞減率為常規(guī)單簇的78%，增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)效果明顯。

表1　涇河油田多簇壓裂應(yīng)用效果對比

4　結(jié)論

1）由于誘導(dǎo)應(yīng)力作用，多簇壓裂增大了第2簇的破裂壓力，在裂縫延伸過程中，壓力未發(fā)生明顯變化的情況下，第2簇不會發(fā)生破裂。

2）在地層破裂階段，通過迅速提高排量，能夠?qū)崿F(xiàn)2簇同時破裂。

3）影響多簇起裂的主要因素包括儲層各簇的巖石力學(xué)應(yīng)力差、凈壓力、裂縫延伸狀態(tài)、簇間距等。

4）涇河油田多簇壓裂設(shè)計參數(shù)：簇間距L為15～20 m，凈壓力p為5～8 MPa，施工排量為4～8 m3/min。

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（編輯高學(xué)民）

Mechanism and parameter design of segmented multi-cluster fracturing in Jinghe Oilfield

ZHU Xinchun
（Research Institute of Engineering Technology，Huabei Company，SINOPEC，Zhengzhou 450006，China）

Most reservoirs of Jinghe Oilfield are of low porosity and low permeability；the horizontal well fracturing is the main method to obtain the capacity of the field.The output of the well is low with conventional single stage fracturing，so multi-cluster fracturing research based on multi-cluster fracturing mechanism was carried out in the field.This article proves that with the influence of induced stress，the fracture pressure will change.In the formation fracture stage，rapidly increasing displacement can cause two clusters to rupture simultaneously.Analyzing the factors of multi-cluster fracturing，the fracture design parameters of Jinghe Oilfield，including cluster spacing，net pressure，and construction displacement，are determined in this article.Field application shows that the production of the field is increased obviously by multi-cluster fracturing.

horizontal well；multi-cluster fracturing；fracture pressure；cluster spacing

中國石化科技部項目“致密砂巖油藏有效開采關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究”（P14076-1）

TE357.1+4

A

10.6056/dkyqt201602021

2015-09-28；改回日期：2016-01-07。

朱新春，男，1987年生，助理工程師，碩士，2012年畢業(yè)于成都理工大學(xué)能源學(xué)院油氣田開發(fā)工程專業(yè)，現(xiàn)從事增產(chǎn)測試工作。E-mail：512523970@qq.com。

引用格式：朱新春.涇河油田分段多簇壓裂起裂機理分析及參數(shù)設(shè)計［J］.斷塊油氣田，2016，23（2）：226-229. ZHU Xinchun.Mechanism and parameter design of segmented multi-cluster fracturing in Jinghe Oilfield［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（2）：226-229.