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1、1致密砂岩油藏直井体积压裂技术研究与实践林海霞（中国石油吉林油田公司采油工艺研究院）摘要 本文借鉴国内外体积压裂理念与改造经验，在大安北扶杨和高台子油层开展了体积压裂探索研究与实践，分析了体积压裂改造机理、对储层条件的要求和在大安北致密砂岩油藏开展体积压裂改造的可行性，探索了体积压裂选井原则、压裂技术措施，在现场成功应用并取得好的改造效果和压后投产效果，为同类致密砂岩油藏改造提供了有益的借鉴。主题词 致密砂岩 体积压裂 滑溜水压裂 扶杨油层0.引言吉林油田大安北地区扶杨和高台子油层储层特征为物性差（4.6-14%；k0.01-1.2md） 、中等偏强水敏、塑性强（平均模量39366MPa，平均
2、水平两项主应力差7.7MPa，平均泥质含量16.93%） ，采用常规压裂改造措施难以满足生产需求，需通过技术创新改变开发现状，这就使得直井体积压裂技术应用成为可能。1.体积压裂作用机理吴奇等人结合国外研究给出了“体积压裂”的定义及作用 1。通过压裂的方式对储层实施改造，在形成一条或者多条主裂缝的同时，通过分段多簇射孔、高排量、大液量、低粘液体以及转向材料和技术的应用，实现对天然裂缝、岩石层理的沟通，以及在主裂缝的侧向强制形成次生裂缝，并在次生裂缝上继续分枝形成二级次生裂缝，以此类推，尽最大可能增加改造体积，让主裂缝与多级次生裂缝交织形成裂缝网络系统，将可以进行淋巴液的有效储集体“打碎” ，使裂
3、缝壁面与储层基质的接触面积最大，极大地提高储层整体渗透率，实现对储层在长、宽、高三维方向的全面改造，增大渗流面积及导流能力，广义的体积压裂包括以下 3 种模式 2：使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络，将可以渗流的有效储层打碎，使裂缝壁面与储层基质的接触面积最大。采用多种方法在有限的井段内增加水力裂缝条数和密度（天然裂缝也可能开启） ，这些裂缝累积控制的泄流面积随裂缝的条数、缝长、缝宽、缝高等因素变化而变化。利用储层水平两向应力差与裂缝延伸净压力的关系，实现裂缝延伸净压力大于两个水平主应力差值与岩石抗张强度之和，形成以主缝和分支裂缝相组合的枝状裂缝
4、。2.实现体积压裂的条件2.1 岩石的脆性指数储层岩性具有显著的脆性特征，是实现体积改造的物质基础。大量研究及现场试验表明：不同区域，储层岩石矿物组分差异较大，富含石英或者碳酸盐岩等脆性矿物的储层有利于产生复杂缝网，粘土矿物含量高的塑性地层不易形成复杂缝网 2。脆性指数越高，岩石越容易形成复杂裂缝。一般来说，要形成复杂的网络系统，岩石的脆性指数要不低于 50%。目前，岩石脆性指数的计算有几种方法，一种方法是根据岩石矿物组成判断 3，即取岩石中石英含量与岩石中石英、碳酸盐及粘土总含量的比值作为该岩石脆性指数。一般石英含量超过 30%便数据库认为岩石具有较高的脆性指数。岩石脆性指数的计算第二种方法
5、则是根据岩石力学特性判断，由杨氏模量及泊松比计算得到。2见公式（1） 。（1）其中，Br 为脆性指数，E 为杨氏模量，Pr 为泊松比，a 和 b 为常数，a=1，b=0.4。综合脆性指数即泊松比、均一化杨氏模量（无量纲）和脆性矿物的平均值，可综合反应岩石力学特征以及岩石矿物特征对岩石脆性的影响。以往计算表明，砂岩段的综合脆性指数明显高于页岩段，更有利于形成复杂裂缝。对红 87 区块 59 层储层数据进行计算，得到扶杨油层和高台子油层脆性指数分别为 53.12%和51.79%，岩石脆性指数可以满足体积压裂对储层特征的要求。表 1 红 87 区块致密砂岩储层岩石力学特征层位 井段(m)静态泊松比（
6、无因次）静态杨氏模量(Mpa)脆性指数(%)扶杨 2274.6-2288.5 0.22 23266 53.12高台子 2184.8-2195.5 0.22 22203 51.792.2 天然裂缝发育状况储层发育良好的天然裂缝及层理是实现体积压裂改造的前提条件。压裂形成缝网的难易程度与天然裂缝和水平层理的自然状态（天然裂缝发育程度，是否为潜在缝或张开缝，裂缝内是否有填充物等）密切相关 3。天然裂缝的开启所需要的缝内净压力与施工排量及压裂液的粘度密切相关。通过成像测井分析，储层以垂直裂缝为主，纵向延伸长度 3-8m，一般不穿层。裂缝倾角大，近于直立，与东西向夹角一般小于 12 度，分析裂缝性质为潜
7、在缝。通过岩心观察，红岗北扶杨油层裂缝密度 0.92 条/米，天然裂缝发育,有利于形成缝网系统。图 1 红 97 井泉四段成像测井图2.3 地应力分析 两向应力差小，有利于裂缝的转向和弯曲，进而可能形成复杂的缝网系统。对于裂缝较发育油藏，形成缝网压裂的力学条件可在天然裂缝扩展基础上分析，缝网示意图如力 2 所示。图 2 缝网示意图3根据 W 和 T 的破裂准则及二维线弹性理论，发生张性断裂所需裂缝缝内净压力按式（2）计算。发生剪切断裂所需裂缝缝内净压力按式（3）计算。（2）发生张性断裂所需裂缝缝内净压力为（3）式中，p net为裂缝内净压力，Mpa； H和 h分别为水平最大和最小主应力，Mpa
8、； 为天然裂缝与人工主裂缝的夹角，（）； 为天然裂缝内岩石的粘聚力，Mpa；K f为天然裂缝面的摩擦因数，无因次。在压裂过程中,当主裂缝内净压力满足式（2）、式（3）时，才能形成缝网系统。而根据式（2）得到，当 =/2 时有最大值，最大值为 H- h。同理，根据式（3）得到，当 =/2 时有最大值，最大值为 pmax= /Kf+( H- h。)，天然裂缝一般 =0。因此，天然裂缝或地层弱面发生张性断裂和剪切断裂的最大值均为水平主应力差值 H- h。即当主裂缝内的净压力大于 H- h时，便可以形成缝网系统。因此，储层两向水平主应力差值越小，越有利于形成缝网系统。表 2 红 87 区块岩石力学参数
9、及地应力计算层位 顶(m) 底(m)声波时差(us/m)泥质含量(%)静态泊松比（无因次）静态杨氏模量(Mpa)抗张强度(Mpa)垂向应力(Mpa)水平最大(Mpa)水平最小(Mpa)水平应力差(Mpa)FY 2288.5 2274.6 219.23 16.65 0.22 23266 3.6 52.5 49.6 41.6 8.0G 2195.5 2184.8 223.61 18.20 0.22 22203 3.3 50.4 47.7 39.9 7.73.红岗北砂岩油藏体积压裂实践3.1 选井原则通过对体积压裂机理和实现体积压裂条件的分析，结合红岗北致密砂岩储层特点，认为红岗北直井体积压裂选井就
10、遵循以下原则：储层渗透率越低，单井可采储量采出程度低、剩余油资源量大，常规压裂效果差；在平面上，井距、排距越大越有利于开展体积压裂技术； 在纵向上，砂岩厚度大于 3.0m，且夹层厚度要小于 1.0m，采用体积压裂可有效提高动用程度； 在含石英高的脆性储层开展体积压裂，有利于产生复杂缝网，岩石的脆性指数要不低于 50%；储层天然裂缝越发育，越有利于缝网形成；改造井岩石水平主应力差值越小，越容易形成复杂裂缝网络； 避开水区且目的层纵向可能扩展范围内上下无水层；固井质量好，无套损，套管钢级高，使排量提高成为可能。3.2 技术措施根据体积压裂实现条件，针对致密油藏以“提高净压力，开启和支撑次生裂缝，进
11、而形成树形网络裂缝”为关键点，在脆性指数、微裂缝发育程度、三向应力分析、抗张抗剪切强度研究基础上，在红岗北红扶杨和高台子油层有针对性地开展体积压裂实践。43.2.1 大排量、大液量、低砂比压裂工艺对于天然裂缝发育的储层，大量高滤失液体的注入有利于天然裂缝的开启，低砂比加砂可以支撑压开的天然裂缝。大量高滤失液体的注入同时使近井应力场重新分布，使水平两向应力差减小，应用大排量提高缝内净压力，一旦净压力大于水平两向应力差和岩石抗张强度之和，新的压裂裂缝就有可能产生。红岗北体积压裂研究模式为：排量 10-17m3/min 注入滑溜水，单层滑溜水用量1200-2900m3，平均 1616m3，单层总液量
12、 1220-3776m3，平均 1959m3，单层砂量 20-70m3，平均35m3。3.2.2 采用低粘、低伤害液体体系造复杂缝网当液体类型为牛顿流体时，压裂液粘度越小，缝内压力变化越小，压力传导越远，能沟通更多的天然裂缝，且易使微裂缝产生错位和滑移，有效地增加缝网的波及面积，而小粒径支撑剂则更易进入到细小的裂缝中起到支撑作用，也会提高裂缝导流能力。由于致密砂岩储层特点和体积压裂入地液量巨大的特点，要求压裂液要具有较低伤害、高返排能力的特点。在压裂的不同阶段分别采用滑溜水、线性胶、交联胍胶作为工作液，具有较低伤害、低粘度特点，同时采用了高性能的助排剂和粘土稳定剂，达到了强化排液的目的。滑溜水
13、配方由清水添加 0.10%减阻剂 、0.2%粘土稳定剂和 0.2%破乳助排剂组成。滑溜水综合性能：减阻剂的清水减阻率 60.12%,粘土稳定剂防膨率 41.18-58.26%,破乳助排剂的表面张力24.41mN/m，界面张力 0.08mN/m。表 3 滑溜水体系性能指标评价（数据来自实验中心）实验温度（20） 滑溜水性能 标准表面张力（mN/m） 24.41 28界面张力（mN/m） 0.08 2接触角（） 32.9 -防膨率（%） 41.18-58.26 -减阻率（%） 60.12 -3.2.3 组合粒径低密度陶粒支撑缝网系统在前置液阶段先采用大排量注入滑溜水，开启天然裂缝，采用段塞方式加入
14、 40-70 目陶粒支撑天然裂缝；之后以线性胶携带部分 40-70 目陶粒，较高砂比阶段注入胍胶和 20-40 目低密度陶粒支撑主裂缝，表 4 低密度陶粒性能指标表产品规格 20-40 目低密度覆膜陶粒 20-40 目陶粒项目 技术指标 实测指标范围1180m，% 0.1 0 0850-425m，% 90 94 95425m 上，% 10 0.01 0.0120-40 目筛析425m 2 0.01 0.0152MPa 破碎率，% / 1.6 4.369MPa 破碎率，% / 4.6 6.25圆度 0.80 0.9 0.9球度 0.80 0.9 0.9酸溶解度，% 8 4.3 7.6浊度，FTU
15、 100 5 82体积密度，g/cm / 1.3 1.55视密度，g/cm / 1.98 2.333.2.4 高强度水溶性裂缝转向剂利用裂缝转向剂可以产生新的主裂缝和次生裂缝。高强度水溶性裂缝转向剂不但具有很好的封堵效果，并且溶解性好，不会对地层造成新的伤害。这种水溶性裂缝转向剂封堵强度18MPa/m，在地层中 22-30 小时可以完全溶解。根据使用目的不同，有两种粒径类型，粒径 5-8mm 的用于缝口转向，粒径 1-2mm 的用于缝内转向。表 5 高强度水溶性裂缝转向剂性能指标序号 性能 值1 粒径，mm 1-2,5-82 60溶胀时间，h 0.5-1.53 封堵强度，MPa/m 184 5
16、04mm 裂缝突破压力，MPa 0.9-2.25 60完全溶解时间，h 22-306 60完全溶解粘度，mPa.s 1007 61完全溶解表面张力，mN/m 703.2.5 研发丢手式大通径分层压裂工具，实现套管压裂满足大排量注入表 6 大通径封隔器技术参数编 号 Y445 压裂封隔器 Y341 压裂封隔器 1 号过球滑套 2 号过球滑套最大刚体外径（mm） 114 114 108 108最小内通径（mm） 丢手前 30，丢手后60 65 53（投 56 球） 56 （投 59 球）最小内通径长度（mm）1000 1043 300 300工作套管内径（mm） 124 124 124 124工作压力 70Mpa 70Mpa 70Mpa 70Mpa工 作 温 度 90 90 90 90工具长度 1300 15
