夹层型致密储层密切割压裂多裂缝同步扩展机制_张军.pdf

断块油气田2023年5月收稿日期：2022-11-25；改回日期：2023-03-08。第一作者：张军，男，1989年生，副教授，博士，从事岩石力学和非常规储层压裂机理方面的研究。E-mail：。夹层型致密储层密切割压裂多裂缝同步扩展机制张军1，余前港1，李玉伟2，李玮1，严茂森1，白明涛3，王阳4（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江 大庆163318；2.辽宁大学环境学院，辽宁 沈阳110036；3.中国石油大庆油田有限责任公司井下作业分公司，黑龙江 大庆163318；4.中国石油大庆油田有限责任公司第二采油厂，黑龙江 大庆163000）基金项目：国家自然科学基金青年基金项目“基于岩屑纳米压痕页岩微观脆性表征及对储层可压裂性控制机理研究”（52004065）；东北石油大学人才引进科研启动经费资助项目“基于局部脆性演化的页岩地层压裂裂缝穿层/转向扩展规律研究”（1305021857）摘要松辽盆地夹层型致密储层天然裂缝不发育且储层脆性较低，复杂缝网难以形成，同时储层纵向上砂层发育、泥岩夹层薄、隔层遮挡能力弱，裂缝纵向扩展受限，储层改造效果较差。针对以上问题，利用三维晶格方法建立夹层型致密砂岩储层多裂缝扩展模型，模拟不同地质因素和工程因素条件下的多裂缝同步扩展规律。结果表明：垂向应力差、夹层弹性模量以及界面强度与多裂缝纵向扩展能力正相关；15.0 m的簇间距既能保证多裂缝在纵向上穿透夹层沟通产层，又能保证多裂缝在横向上的充分扩展。相比8，12 m3/min的泵注排量所形成的多裂缝，虽然总长度略微减小，但能够保证3簇裂缝都有比较理想的纵向扩展能力，从而提高了裂缝沟通面积。压裂液黏度与裂缝纵向扩展能力正相关，与横向扩展能力负相关。因此，建议现场前期采用高黏度压裂液（21 mPas以上），促使裂缝垂向扩展，后期采用低黏度压裂液（1 mPas左右）使多裂缝尽可能向远端扩展，提高压裂效果。关键词多簇压裂；纵向扩展；三维晶格方法；裂缝沟通面积；松辽盆地中图分类号：TE822文献标志码：AMulti-fracture synchronous propagation mechanism of dense cutting fracturing ininterlayer tight reservoirZHANG Jun1,YU Qiangang1,LI Yuwei2,LI Wei1,YAN Maosen1,BAI Mingtao3,WANG Yang4(1.School of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China;2.School of Environment,LiaoningUniversity,Shenyang 110036,China;3.Downhole Operation Branch,Daqing Oilfield Co.,Ltd.,PetroChina,Daqing 163318,China;4.No.2 Oil Production Plant,Daqing Oilfield Co.,Ltd.,PetroChina,Daqing 163000,China)Abstract:TheinterlayertightreservoirinSongliaoBasinischaracterizedbyundevelopednaturalfracturesandlowreservoirbrittleness,soitisdifficulttoformacomplexfracturenetwork.Andthesandstoneisdevelopedverticallyinthereservoir,mudstoneinterlayeristhin,and the barrier shielding ability is weak.The verticalexpansion of fractures is limited,so the effect of reservoir reconstruction is poor.Inview of these problems,the multi-fracture propagation model of interlayer tight sandstone reservoir is established by using the three-dimensionallatticemethod,andthemulti-fracturesynchronouspropagationlawunderdifferentgeologicalfactorsandengineeringfactorsissimulated.Theresultsshowthattheverticalstressdifference,interlayerelastic modulusandinterfacestrengtharepositivelyrelatedtothe vertical propagation ability of multi-fracture.The cluster spacing of 15 m not only ensures that the multi-fractures penetrate theinterlayerintheverticaldirectiontocommunicatewithmultiplepayzones,butalsoensuresthefullexpansioninthetransversedirection.Compared to the multi-fractures formed by 8 and 12 m3/min pumping displacement,although the total length is slightly reduced,it canensurethatthethreeclustersofartificialfractureshaveidealverticalexpansioncapacity,thusimprovingtheconnectedfracturearea.Theviscosity of fracturing fluid is positively correlated with the vertical propagation ability,but negatively correlated with the lateralpropagationability.Therefore,itisrecommendedtousehighviscosityfracturingfluid(above21mPas)attheearlystageto promotethefractures expanding vertically,and use low viscosity fracturingfluid(about 1mPas)at the later stage to make multi-fracturesexpand to the far end as much as possible and improve thefracturingeffect.引用格式：张军，余前港，李玉伟，等.夹层型致密储层密切割压裂多裂缝同步扩展机制J.断块油气田，2022，30（3）：480-487.ZHANG Jun，YU Qiangang，LI Yuwei，et al.Multi-fracture synchronous propagation mechanism of dense cutting fracturing in interlayer tightreservoirJ.Fault-Block Oil&Gas Field，2023，30（3）：480-487.doi:10.6056/dkyqt202303016断块油气田FAULT-BLOCK OIL GAS FIELD第30卷第3期第30卷第3期松辽盆地北部致密油资源勘探开发潜力巨大，但其储层天然裂缝不发育，脆性较低，水力裂缝在延伸过程中无法有效激活天然裂缝，复杂裂缝网络难以形成，同时储层纵向上砂岩、泥岩交替叠置，泥岩夹层薄且遮挡能力弱，水力裂缝在纵向上扩展受限，难以获得较大的压裂改造体积。“密切割”压裂技术，可以获得密集的横向扩展人工裂缝，大幅度缩短基质中流体向裂缝渗流的距离，能有效提高塑性较强、难以形成复杂缝网的储层的压裂效果。然而，在应力阴影的影响下，加密射孔簇后缝间干扰会加剧，从而进一步限制段内多裂缝的纵向扩展，使得部分裂缝无法有效沟通更多砂层从而提高薄夹层资源利用率。目前，对于夹层型地层水力裂缝纵向扩展行为，许多学者开展了相应的研究。这些研究基于室内物理实验和理论计算，探究了界面胶结强度和界面摩擦系数对于水力裂缝是否穿过岩性界面的影响规律1-4。同时，部分学者发现了储-隔层剪切模量与裂缝表面能乘积的比值以及夹层弹性模量的夹层对裂缝垂向扩展能力的影响规律5-8。此外，一些学者也通过数值模拟研究了多岩层条件下各因素对于裂缝扩展的影响规律9-11，发现即使在界面强度较小的情况下，当应力差和界面夹角足够大时，水力裂缝也能穿过界面。在水力裂缝和界面夹角为45的条件下，当产层和夹层的抗拉强度比小于0.3时，无论垂向应力差有多大，水力裂缝都不能穿过界面12-13。Jiang等14的砂岩-煤岩组合体水力压裂试验结果表明，只有垂直应力达到一定阈值，裂缝才能直接穿透界面，但随着界面摩擦系数的减小，阈值逐渐增大。Qin等15的研究表明，当地应力差较小（小于2.5 MPa）时，界面两侧岩石的强度比（断裂能比）是影响界面附近裂缝扩展模式的主要因素，而当地应力差较大（大于10 MPa）时，刚度比（模量比）是主要因素。除了地质因素，压裂施工参数也会显著影响水力裂缝纵向扩展模式。侯冰等16-18的一系列水力压裂模拟试验表明，压裂液黏度和注入速率对裂缝传播和穿透行为有显著影响。周彤等19研究发现，提高压裂液黏度，可以显著降低层理对缝高扩展的限制作用，但同时也会大幅降低层理缝的开启程度，降低裂缝复杂性。然而，上述研究主要聚焦于单一裂缝缝高控制，并未考虑多裂缝同步扩展时的横向和纵向竞争扩展机制，同时较少涉及裂缝形态差异的研究而多集中在判断裂缝是否穿层。针对夹层型致密砂岩储层密切割压裂过程中的多裂缝的横向和纵向扩展问题，本文基于离散格子方法建立三维多裂缝扩展模型，探究不同夹层力学性质、界面力学性质以及应力状态下的多裂缝扩展规律，揭示簇间距、压裂液泵注速率以及黏度等工程参数对裂缝穿层扩展行为的控制作用。1多裂缝扩展模型1.1模拟方法及理论模型三维晶格模型采用综合岩体网格算法编制，既能模拟岩体的细观损坏，也能模拟不连续面上岩石基质的相对滑移。三维晶格由一系列准随机分布的节点通过弹性体相连（见图1）。节点的连接方式类似于颗粒胶结算法，但计算效率更高。当节点之间的距离相对于整个模型尺寸较小时，模型为连续体，用来表征岩石基质。同时，任何尺寸和方向的节理均可插入到模型中。节理处的节点采用光滑节理模型进行计算，当节点之间的弹簧受力超过其强度时发生断裂形成裂纹。节点间的间隙被定义为“管道”，用于计算流体的微观流动，并将流体压力作用于岩石基质，基质的变形又会引起孔隙压力和孔径的变化。图1离散格点模型原理示意Fig.1Schematic diagram of discrete lattice model principle弹簧的法向力和切向力的变化可以用节点的相对位移来计算20，即：FiNFiN+u?iNkNt（1）FiSFiS+u?iSkSt（2）式中：FiN，FiS分别为t时刻i分量（i=1，2，3）的法向力与切向力，N；u?iN，u?iS分别为t时刻i分量（i=1，2，3）的法向速度和切向速度，m/s；kN，kS分别为弹簧法向