CN103953323A - 一种水平井产生缝网的水力压裂工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平井产生缝网的水力压裂工艺，依次包括下列步骤：（1）根据现场资料，计算由主裂缝及相邻裂缝导致的应力差值；（2）根据主裂缝及相邻裂缝导致的应力差值，计算裂缝发生转向所需的压力；（3）根据裂缝发生转向所需的压力，确定暂堵剂的强度，并计算对应的施工排量；（4）根据上述设计参数，对储层同时应用分段多簇压裂和脉冲式暂堵增压技术。本发明主要是根据主裂缝与邻近裂缝造成的水平应力差下降值，同时应用分段多簇压裂和脉冲式暂堵增压技术，迫使裂缝发生转向，突破了天然裂缝不发育的高应力差地层难以形成缝网的技术瓶颈，填补了现有技术的空白。

Description

一种水平井产生缝网的水力压裂工艺

技术领域

本发明涉及一种油气井水力压裂增产改造措施，尤其涉及一种可显著提高天然裂缝不发育的高应力差地层有效改造体积的缝网压裂工艺技术。

背景技术

近年来，缝网压裂技术广泛应用于非常规油气藏的增产改造。随着勘探开发难度的增加，此类压裂技术的推广应用逐渐受到限制，主要原因：无天然裂缝发育储层难以形成多分支裂缝；高水平主应力差储层无法实现裂缝的转向；部分工艺如层内爆炸压裂技术可操作性差、危险性高。因此，水平井分段压裂、端部脱砂等压裂工艺难以实现在天然裂缝不发育、高应力差地层中产生缝网。

针对天然裂缝发育地层，国内外主要研究如何利用缝间干扰开启并沟通天然裂缝(SPE127986；曾凡辉,郭建春,刘恒等.致密砂岩气藏水平井分段压裂优化设计与应用[J].石油学报,2013,34(5):959-968)。也有学者提出水平井水力喷射分段多簇压裂的方法(CN201210375941)、双水平井分段多簇同步体积压裂工艺技术(CN201210070293)和水平井分布分段压裂技术，这些技术核心思想是同一段内压多条裂缝，利用缝间干扰形成的附加应力场改变新裂缝的起裂位置并沟通天然裂缝，从而形成复杂缝网。但这些技术都仅适用于天然裂缝发育，且地应力差较小的地层。

针对天然裂缝不发育储层，有学者提出适合低孔隙度、低渗透、天然裂缝不发育储层的缝网压裂技术(雷群,胥云,蒋廷学等.用于提高低-特低渗透油气藏改造效果的缝网压裂技术[J].石油学报,2009,30(2):237-241)。此类技术主要采用蜡球和粒径较大的支撑剂作为封堵剂迫使主裂缝转向形成分支缝，该类方法相比传统方法效果有所提高，但只适用于水平应力差小于7MPa的地层。可降解纤维缝内暂堵压裂工艺(CN201310610753)采用可降解聚酯纤维+线性胶+支撑剂及水溶液进行压裂可实现缝内转向，但实验室模拟发现当应力差高于10MPa时，所需施工排量大于12.9m³/min，现场设备几乎不可能达到该要求，并且连续注入纤维剂容易造成砂堵导致压裂失败。

迄今为止，尚未见到针对天然裂缝不发育的高应力差地层有效形成缝网的方法。目前勘探发现的很多致密气藏天然裂缝不发育且地层水平应力差大于10MPa，为实现这类气藏的有效改造，有必要提出一种减小应力差迫使裂缝强制转向的方法，使缝网压裂工艺在更多类型油气藏推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水平井产生缝网的水力压裂工艺，主要是根据主裂缝与邻近裂缝造成的水平应力差下降值，同时应用分段多簇压裂和脉冲式暂堵增压技术，迫使裂缝发生转向，突破了天然裂缝不发育的高应力差地层难以形成缝网的技术瓶颈，填补了现有技术的空白。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案：一种水平井产生缝网的水力压裂工艺，依次包括下列步骤：

(1)根据现场资料，计算由主裂缝及相邻裂缝导致的应力差值；

(2)根据主裂缝及相邻裂缝导致的应力差值，计算裂缝发生转向所需的压力；

(3)根据裂缝发生转向所需的压力，确定暂堵剂的强度，并计算对应的施工排量；

(4)根据上述设计参数，对储层同时应用分段多簇压裂和脉冲式暂堵增压技术。

在本发明中，所述步骤(1)中计算由主裂缝及相邻裂缝导致的应力差值，包括以下步骤：

1)根据测井获得的岩石泊松比、现场施工净压力以及储层高度，据文献(WarpinskiNR,BranaganPT.Altered-stressfracturing[J].Journalofpetroleumtechnology,1989,41(9):990-997)，通过下式计算主裂缝诱导产生的应力差值Δσ_诱导1：

式中：

p_net——现场施工净压力，MPa；

c——c＝h/2，h为储层高度，m；

ν——泊松比，无量纲。

2)根据现场分段多簇压裂设计的裂缝间距(即现场射孔间隔距离)，据文献(WarpinskiNR,BranaganPT.Altered-stressfracturing[J].Journalofpetroleumtechnology,1989,41(9):990-997)，通过下式计算邻近裂缝诱导产生的应力差值Δσ_诱导2：

式中：

s——裂缝间距，m。

在本发明中，所述步骤(2)计算裂缝发生转向所需的压力，与常规计算方法有所不同，计算方法考虑了应力差下降产生的影响，主要计算步骤为：

推导暂堵后裂缝发生转向所需压力的计算式，据文献(顿志林,高家美.弹性力学及其在岩土工程中的应用[M].煤炭工业出版社,2003:184-190)，缝内壁面上的结构有效应力σ_eff为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{eff}}=-\frac{1-3m^2+2m\cos 2\mathrm{\θ}}{1+m^2-2m\cos 2\mathrm{\θ}}p+\frac{1-m^2-2m+2\cos 2\mathrm{\θ}}{1+m^2-2m\cos 2\mathrm{\θ}}{\mathrm{\σ}}_h+\frac{1-m^2+2m+2\cos 2\mathrm{\θ}}{1+m^2+2m\cos 2\mathrm{\θ}}{\mathrm{\σ}}_H---\left(3\right)$

式中：

σ_H——最大水平主应力，MPa；

σ_h——最小水平主应力，MPa；

θ——缝边界上任意一点与O点连线和x正半轴的夹角，rad；

L_f——裂缝长度，m；

w——裂缝宽度，m。

其中由于L_f>>w，因此m≈1，代入上式，得：σ_eff＝p+(σ_H-σ_h)。根据最大张应力理论，若不考虑其他因素，当结构有效应力达到岩石的拉伸应力强度σ_t时，岩石即产生裂缝，此时σ_eff＝-σ_t，令Δσ＝σ_H-σ_h，则上述表达式化简为：

-σ_t＝p+Δσ              (4)

式中：

σ_t——岩石的拉伸应力强度(从该井的测井资料获得)，MPa；

p——裂缝发生转向所需的压力，MPa；

Δσ——水平主应力差，MPa。

考虑到式(1)、式(2)计算的应力差下降的影响，那么Δσ为：

Δσ＝σ_H0-σ_h0-Δσ_诱导1-Δσ_诱导2                  (5)

式中：

σ_H0——初始最大水平主应力，MPa；

σ_h0——初始最小水平主应力，MPa。

将式(5)代入式(4)可得裂缝发生转向所需的压力：

p＝-[σ_t+(σ_H0-σ_h0-Δσ_诱导1-Δσ_诱导2)]              (6)

式中：

Δσ_诱导1——主裂缝诱导产生的应力差值，MPa；

Δσ_诱导2——邻近裂缝诱导产生的应力差值，MPa。

根据测井获得的σ_t、σ_H0、σ_h0的值以及式(6)，可计算暂堵后裂缝发生转向所需的压力。

在本发明中，所述步骤(3)确定暂堵剂的强度，并计算对应的施工排量，包括：

1)为实现能有效封堵，暂堵剂的强度应略高于裂缝的转向压力，根据现场经验与室内实验，暂堵剂的强度应为裂缝转向压力的1.1～1.4倍；

2)根据压裂液的粘度、微地震监测的平均裂缝半长与高度、测井获得的剪切模量以及储层高度，据文献(王鸿勋,张士诚.水力压裂设计数值计算方法[M].石油工业出版社,1998:105-106.)，通过下式计算暂堵后使裂缝转向的施工排量：

$Q=\frac{\mathrm{\π}}{256}\frac{{\mathrm{pw}}_{\max }^{3}H}{\mathrm{\μL}}{(1-\frac{x}{L})}^{-1/4}---\left(7\right)$

其中： $w_{\max }=2.52{\left[\frac{(1-v)\mathrm{Q\μL}}{G}\right]}^{1/4}$

式中：

Q——施工排量，m³/s；

μ——液体粘度，mPa.s；

L——裂缝半长，m；

x——距裂缝端部距离，m，一般取0；

G——剪切模量，GPa；

H——裂缝高度，m；

ν——泊松比，无量纲；

p——裂缝发生转向所需的压力，MPa；

w_max——最大缝宽，mm。

根据计算获得的施工排量进行施工，可使暂堵后的裂缝发生转向产生分支缝。

在本发明中，所述步骤(4)中根据上述设计参数，对储层同时应用分段多簇压裂和脉冲式暂堵增压技术，包括：在现场实施过程中，按现场设计的裂缝间距s射孔，先在同一段内压裂2条人工裂缝产生邻近裂缝诱导应力Δσ_诱导2。随后，压裂第3条裂缝时施工排量为步骤(3)的计算值，注入前置液压开主裂缝，产生主裂缝诱导应力Δσ_诱导1。再泵入带有支撑剂的携砂液，在泵入携砂液的过程中按两分钟一次的频率混合泵入暂堵剂，暂堵剂的强度应满足步骤(3)的计算值，6～10次间断泵入暂堵剂能实现主裂缝与分支裂缝的多次转向，从而形成复杂缝网。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

利用本发明可以在常规水平井分段多簇压裂技术的基础上，通过间歇性泵注纤维暂堵剂增大缝内压力并解除裂缝尖端的应力集中，利用主裂缝诱导产生的应力差值与邻近裂缝诱导产生的应力差值降低裂缝重新延伸的破裂条件，促使主裂缝与分支缝多次转向，互相交错形成复杂缝网。本发明适用于天然裂缝发育及天然裂缝不发育地层，同时也适用于低、中、高应力差地层，克服现有压裂技术的不足，显著提高各种复杂构造条件下储层形成复杂缝网的几率。

附图说明

图1为本发明方法原理示意图。

图2为微地震监测结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

基于裂缝诱导应力场机理与最大张应力理论，在国内外首次提出了分段多簇压裂与暂堵增压技术联作应用的理论与方法。该工艺原理是二维垂直裂缝诱导应力场将影响裂缝的延伸轨迹与重新起裂的力学条件。此外，施工阶段间断地泵入纤维暂堵剂，暂堵剂能与支撑剂搅合形成不规则封堵团，封堵团在动态缝宽较小处滞留并形成桥塞，解除了裂缝尖端的应力集中，从而限制了主裂缝的继续延伸，缝内压力不断升高，当达到新缝开启的破裂压力时，主裂缝将转向形成分支缝(见图1)。实例分析表明应用该技术后气井产量大幅增加，印证了该理论方法的现场实用性。

某气藏受构造、岩性双重控制，属超高压构造—岩性复合型气藏类型，储层非均质性严重，天然裂缝不发育，水平主应力差12MPa。

具体工艺步骤如下：

1、岩石泊松比为0.22，现场施工净压力为7.5MPa，储层高度为35m，采用式(1)计算主裂缝诱导产生的应力差值Δσ_诱导1为3.28MPa。

2、现场分段多簇压裂设计的裂缝间距为40m，根据式(2)计算邻近裂缝诱导产生的应力差值Δσ_诱导2为4.26MPa。

3、抗张强度为4MPa，初始最大水平主应力为23MPa，初始最小水平主应力为11MPa，根据式(6)计算暂堵后裂缝发生转向所需的压力为8.45MPa，暂堵剂的强度取1.2倍裂缝转向压力，则暂堵剂强度为10.14MPa。根据室内实验评价，当水溶性纤维暂堵剂质量浓度达到2％时能达到该强度要求。压裂液粘度为36mPa.s，裂缝半长为120m，裂缝高度35m，剪切模量为13.8GPa，根据式(6)计算施工排量为5.79m³/min。

4、在现场实施过程中，同一段按裂缝间距40m射孔，先在同一段内压裂2条人工裂缝作为诱导裂缝，产生邻近裂缝诱导应力。随后压第3条缝时施工排量为5.79m³/min，注入前置液压开主裂缝，产生主裂缝诱导应力。再泵入带有支撑剂的携砂液，在泵入携砂液的过程中按两分钟一次的频率混合泵入质量浓度为2％的水溶性纤维(泵注程序参数见表1)，6～10次间断泵入暂堵剂能实现主裂缝与分支裂缝的多次转向，从而形成复杂缝网。

表1加砂压裂施工设计参数表(纤维浓度可结合施工现场微调)

级数	第1级	第2级	第3级	第4级	第5级
						前置液(m3)	35	35	50	50	35
携砂液(m3)	106	141	186	167.3	141
						支撑剂量(m3)	15	20	28	25	20
纤维(Kg)	102	139	182	164	148

按照本发明所述工艺方法成功完成现场实施，微地震监测结果(见图2)表明该水平井形成了缝网，压后获得天然气日产量7万方，取得了良好的增产效果。

Claims (5)

1.一种水平井产生缝网的水力压裂工艺，依次包括下列步骤：

(1)根据现场资料，计算由主裂缝及相邻裂缝导致的应力差值；

(2)根据主裂缝及相邻裂缝导致的应力差值，计算裂缝发生转向所需的压力；

(3)根据裂缝发生转向所需的压力，确定暂堵剂的强度，并计算对应的施工排量；

(4)根据上述设计参数，对储层同时应用分段多簇压裂和脉冲式暂堵增压技术。

2.如权利要求1所述的水平井产生缝网的水力压裂工艺，其特征在于，所述步骤(1)中计算由主裂缝及相邻裂缝导致的应力差值，包括：

1)根据测井获得的岩石泊松比、现场施工净压力以及储层高度，通过下式计算主裂缝诱导产生的应力差值Δσ_诱导1：

式中：

p_net——现场施工净压力，MPa，

c——c＝h/2，h为储层高度，m，

ν——泊松比，无量纲；

2)根据现场分段多簇压裂设计的裂缝间距，通过下式计算邻近裂缝诱导产生的应力差值Δσ_诱导2：

式中：

s——裂缝间距，m。

3.如权利要求1所述的水平井产生缝网的水力压裂工艺，其特征在于，所述步骤(2)计算裂缝发生转向所需的压力为：

式中：

p——裂缝发生转向所需的压力，MPa，

σ_t——岩石的拉伸应力强度，MPa，

σ_H0——初始最大水平主应力，MPa，

σ_h0——初始最小水平主应力，MPa，

Δσ_诱导1——主裂缝诱导产生的应力差值，MPa，

Δσ_诱导2——邻近裂缝诱导产生的应力差值，MPa。

4.如权利要求1所述的水平井产生缝网的水力压裂工艺，其特征在于，所述步骤(3)确定暂堵剂的强度，并计算对应的施工排量，包括：

1)暂堵剂的强度为裂缝转向压力的1.1～1.4倍；

2)通过下式计算暂堵后使裂缝转向的施工排量：

$Q=\frac{\mathrm{\π}}{256}\frac{{\mathrm{pw}}_{\max }^{3}H}{\mathrm{\μL}}{(1-\frac{x}{L})}^{-1/4}$

其中： $w_{\max }=2.52{\left[\frac{(1-v)\mathrm{Q\μL}}{G}\right]}^{1/4}$

式中：

Q——施工排量，m³/s，

μ——液体粘度，mPa.s，

L——裂缝半长，m，

x——距裂缝端部距离，m，一般取0，

G——剪切模量，GPa，

H——裂缝高度，m，

ν——泊松比，无量纲，

p——裂缝发生转向所需的压力，MPa，

w_max——最大缝宽，mm。

5.如权利要求1所述的水平井产生缝网的水力压裂工艺，其特征在于，所述步骤(4)中对储层同时应用分段多簇压裂和脉冲式暂堵增压技术，包括：按现场设计的裂缝间距s射孔，先在同一段内压裂2条人工裂缝产生邻近裂缝诱导应力Δσ_诱导2，随后压裂第3条裂缝时注入前置液压开主裂缝，产生主裂缝诱导应力Δσ_诱导1；再泵入携砂液，在泵入携砂液的过程中按两分钟一次的频率混合泵入暂堵剂，实现主裂缝与分支裂缝的多次转向，形成复杂缝网。