胥云 ，雷群 ，陳銘，吳奇, ，楊能宇，翁定為 ，李德旗，蔣豪

（1. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2. 中國石油油氣藏改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北廊坊 065007；3. 中國石油大學(xué)（北京），北京 102249；4. 中國石油勘探與生產(chǎn)分公司，北京 100007；5. 中國石油浙江油田公司，杭州 310023）

0 引言

水平井體積改造已成為非常規(guī)油氣實(shí)現(xiàn)有效開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)[1-3]，深入理解體積改造技術(shù)理論對(duì)壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。為此，筆者結(jié)合體積改造技術(shù)的理論研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐最新進(jìn)展，進(jìn)一步闡釋體積改造技術(shù)理論內(nèi)涵，總結(jié)分析體積改造理論體系研究成果與關(guān)鍵技術(shù)，展望未來發(fā)展方向，旨在推動(dòng)該技術(shù)在更加廣泛的領(lǐng)域上應(yīng)用。

1 體積改造技術(shù)發(fā)展概述

1.1 技術(shù)的緣起與核心理論

Maxwell[4]在 2002年通過微地震監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)水平井分段壓裂中，裂縫平面和縱向上呈復(fù)雜網(wǎng)狀擴(kuò)展形態(tài)，而不是傳統(tǒng)壓裂理論表述的雙翼對(duì)稱裂縫，這個(gè)發(fā)現(xiàn)成為體積改造技術(shù)啟蒙的節(jié)點(diǎn)。Mayerhofer[5]在 2006年首次提出“油藏改造體積（SRV）”的概念，2010年針對(duì) SRV進(jìn)行深入分析但并不包括技術(shù)層面的闡釋[6]。2008年筆者研究團(tuán)隊(duì)在業(yè)內(nèi)提出“縫網(wǎng)”壓裂技術(shù)構(gòu)想，通過1年研究與實(shí)踐，于2009年發(fā)表文章[7]闡述了該技術(shù)與試驗(yàn)應(yīng)用效果；2009年1月在中國石油正式提出“體積改造”技術(shù)理念，經(jīng)過 1年多研究總結(jié)于2011年發(fā)表第1篇文章[1]，明確提出體積改造技術(shù)是儲(chǔ)集層改造的重大變革，2013年[2-3]初步建立了體積改造技術(shù)理論和設(shè)計(jì)方法。

總體上講，體積改造技術(shù)是現(xiàn)代理論下的壓裂技術(shù)總論，“縫網(wǎng)”是體積改造追求的裂縫形態(tài)，“縫網(wǎng)壓裂”技術(shù)是體積改造技術(shù)的一種表達(dá)形式。筆者研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的體積改造技術(shù)，是在非常規(guī)油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域以不同視角對(duì)經(jīng)典達(dá)西定律的詮釋，其核心理論是：①1個(gè)方法：“打碎”儲(chǔ)集層，形成網(wǎng)絡(luò)裂縫，人造滲透率；②3個(gè)內(nèi)涵：裂縫壁面與儲(chǔ)集層基質(zhì)的接觸面積最大，儲(chǔ)集層流體從基質(zhì)流至裂縫的距離最短，基質(zhì)中流體向裂縫滲流所需壓差最小；③3個(gè)作用：提高單井產(chǎn)量，提高采收率，儲(chǔ)量動(dòng)用最大化。國內(nèi)外學(xué)者的研究表明[8-10]，非常規(guī)油氣的基質(zhì)滲流無論考慮非達(dá)西流動(dòng)、啟動(dòng)壓力流動(dòng)還是多尺度流動(dòng)等，非達(dá)西流動(dòng)特征的表述模型仍是達(dá)西定律的表達(dá)形式，只是用不同參數(shù)進(jìn)行修正，其滲流特征仍受滲流面積、流動(dòng)距離、驅(qū)動(dòng)壓差控制。這些研究從理論上證實(shí)了用“最大、最短、最小”詮釋體積改造技術(shù)核心理論內(nèi)涵的合理性。因此，可以說達(dá)西定律是構(gòu)建體積改造技術(shù)的理論基礎(chǔ)，“最大、最短、最小”是達(dá)西定律在儲(chǔ)集層改造領(lǐng)域的全新表現(xiàn)。體積改造技術(shù)不僅可以在非常規(guī)儲(chǔ)集層廣泛應(yīng)用，在低飽和度油藏、稠油油藏，甚至常規(guī)油氣藏的開發(fā)中均可應(yīng)用。體積改造技術(shù)對(duì)于深層非常規(guī)儲(chǔ)集層同樣適用，其主要的技術(shù)瓶頸是深井作業(yè)技術(shù)能力與作業(yè)水平，井口與設(shè)備的耐高壓能力以及更大的投入，如何降本增效是深層頁巖氣有效開發(fā)的重要研究方向。

自體積改造技術(shù)提出以來，不僅在中國石油領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，國外學(xué)者[11]也認(rèn)為通過多簇大規(guī)模壓裂來“打碎”井筒附近區(qū)域巖石是壓裂技術(shù)未來發(fā)展方向。Pearson等[12]對(duì)比分析了巴肯盆地采用不同工具及工藝技術(shù)方法取得的效果，實(shí)踐證明橋塞分段、分簇射孔、滑溜水、大規(guī)模、大排量的體積改造技術(shù)效果最佳。Romanson等[13]通過巴肯盆地體積改造后形成復(fù)雜裂縫的微地震圖（見圖1），驗(yàn)證了體積改造技術(shù)的普適性。

圖1 巴肯盆地水平井體積改造微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果

1.2 體積改造新進(jìn)展的理論實(shí)質(zhì)

近年來體積改造技術(shù)新進(jìn)展在于業(yè)內(nèi)研究者對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)集層體積改造技術(shù)的深入理解與發(fā)展，主要體現(xiàn)在井距與簇間距不斷縮小，對(duì)多層或厚層油氣藏采用立體式體積改造，以及超長(zhǎng)水平井大幅降低成本并提高最終可采儲(chǔ)量（EUR）。

微地震監(jiān)測(cè)和試井分析表明[14-15]水力裂縫實(shí)際縫長(zhǎng)遠(yuǎn)小于微地震事件分布范圍，在較大井距條件下（如400 m），人工裂縫長(zhǎng)度不足以實(shí)現(xiàn)對(duì)井間儲(chǔ)集層的全覆蓋，儲(chǔ)量動(dòng)用率受限，改造效率未能實(shí)現(xiàn)最大化。為此，北美采用了縮小井距[16-18]的技術(shù)對(duì)策，將井距從2009年的400 m縮小到200 m以內(nèi)，最小井距已達(dá)76 m[19]。縮小井距可減小壓裂設(shè)計(jì)縫長(zhǎng)，有助于現(xiàn)場(chǎng)施工，加強(qiáng)支撐劑對(duì)遠(yuǎn)井裂縫的支撐，使裂縫對(duì)兩井間的儲(chǔ)量實(shí)現(xiàn)“全”控制并且大幅減少遠(yuǎn)井未改造油藏體積。此外，縮小井距的同時(shí)，通常需縮小簇間距，這兩者密切相關(guān)。目前北美非常規(guī)儲(chǔ)集層水平井分段改造的簇間距從20～30 m[20]縮小到5～10 m[21]。在小簇間距條件下，簇間形成網(wǎng)絡(luò)裂縫已不是必要條件，兩條裂縫切割的基質(zhì)中油氣與裂縫間滲流距離僅為數(shù)米；對(duì)于微、納達(dá)西級(jí)滲透率儲(chǔ)集層，基質(zhì)中的流體流動(dòng)至裂縫所需的驅(qū)動(dòng)壓差已極大減小，基質(zhì)中的油氣動(dòng)用基本無阻礙。“全”可采是該技術(shù)內(nèi)核與終極目標(biāo)。

提高層狀或厚層非常規(guī)儲(chǔ)集層的縱向剖面有效動(dòng)用程度一直是儲(chǔ)集層改造領(lǐng)域的重要研究課題，直井封隔器滑套分層壓裂、連續(xù)油管水力噴砂分層壓裂、多分支水平井壓裂都是有效的技術(shù)方法。隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，鉆井速度大幅度提高，如在Eagle Ford區(qū)塊，典型井井深4 853 m，水平段長(zhǎng)度2 198 m，從一開到鉆完僅用 6.02 d。鉆井成本從早期占完井成本的60%～80%下降到21%～34%。鉆井提速促使立體式體積改造技術(shù)出現(xiàn)（見圖 2）[22]，即針對(duì)每一個(gè)目標(biāo)層單獨(dú)鉆一口水平井，不再采用多分支水平井。多層水平井與多分支井相比，作業(yè)簡(jiǎn)單、效率高、風(fēng)險(xiǎn)小、綜合成本低。該技術(shù)將體積改造“打碎”儲(chǔ)集層的理念從平面發(fā)展到縱向進(jìn)行應(yīng)用，參照平臺(tái)模式下的水平井開發(fā)，縱向上多層疊置布井，交錯(cuò)布縫，利用裂縫高度擴(kuò)展在縱向上產(chǎn)生的有效應(yīng)力干擾形成網(wǎng)絡(luò)裂縫，大幅提高縱向剖面的儲(chǔ)量動(dòng)用率。Farhan等[22]發(fā)現(xiàn)在Wolfcamp區(qū)塊采用3層疊置的多層水平井進(jìn)行開發(fā)時(shí)，有產(chǎn)量的井中 78%屬于多層模式完井。Eagle Ford、Niobrara等區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，原先測(cè)井解釋為無動(dòng)用經(jīng)濟(jì)價(jià)值的差儲(chǔ)集層，采用該技術(shù)進(jìn)行改造后與好儲(chǔ)集層的開發(fā)效果相近[23]。

圖2 立體式開發(fā)獨(dú)立水平井布井示意圖

北美從 2013年開始探索應(yīng)用超長(zhǎng)水平井壓裂技術(shù)，至2016年水平段由1 900 m發(fā)展到5 700 m，如Eclipse公司在Utica 區(qū)塊的Purple Hayes 1H井成功實(shí)施超長(zhǎng)水平井壓裂[24]。該井井深 8 244 m，水平段長(zhǎng)5 652 m，垂深2 307 m，鉆井17.5 d，23.5 d完成壓裂，分壓124段，每段45.72 m，每天5.3段，每段5簇。該井壓裂后天然氣產(chǎn)量為14.16×104m3/d，凝析油190.8 m3/d，根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)3年EUR可達(dá)2.76×108m3。超長(zhǎng)水平井能夠減少每米鉆完井成本并提高井的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，使壓裂和鉆井成本降低 20%～30%，相比短水平段井利潤(rùn)提高 35%～70%。超長(zhǎng)水平井增加切割基質(zhì)的壓裂裂縫條數(shù)以及裂縫與基質(zhì)的接觸面積，能夠最大化水平段的儲(chǔ)量動(dòng)用能力，延緩產(chǎn)量遞減速度，大幅提高EUR，實(shí)現(xiàn)降本增效。

“密切割、立體式、超長(zhǎng)水平井”是北美對(duì)體積改造技術(shù)理解與應(yīng)用的新突破，其核心是進(jìn)一步縮短基質(zhì)中的流體向裂縫滲流的距離，大幅降低驅(qū)動(dòng)壓差，增大基質(zhì)與裂縫的接觸面積。立體式體積改造從平面發(fā)展到立體，突破了體積改造在平面上“打碎”儲(chǔ)集層的思路。吐哈油田根據(jù)體積改造技術(shù)理論在其他類型的油藏進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用均見到效果，也是對(duì)其核心理論“最大、最短、最小”的實(shí)踐與印證。

2 體積改造實(shí)現(xiàn)方法

2.1 水平井分簇限流技術(shù)

分簇射孔是體積改造技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，每一個(gè)壓裂段采用多簇射孔（3簇或更多）時(shí)，在恒定排量下確保每簇開啟的關(guān)鍵是限制壓裂段內(nèi)的射孔數(shù)，如果總孔數(shù)能夠確保每簇開啟有足夠的節(jié)流阻力，就可實(shí)現(xiàn)射孔簇的全部開啟[3]，而不必采用段內(nèi)暫堵技術(shù)打開未能開啟的簇。由于儲(chǔ)集層非均質(zhì)性和射孔孔眼相位等因素的影響，對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)各簇均衡改造問題，需要從多裂縫擴(kuò)展方面（見圖3）進(jìn)行研究分析。

圖3 多簇裂縫擴(kuò)展示意圖

裂縫擴(kuò)展時(shí)，注入液體的能量轉(zhuǎn)化為巖石應(yīng)變能和斷裂能、克服遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力和應(yīng)力干擾的能量、射孔摩阻和縫內(nèi)流體流動(dòng)消耗的能量[25]?？紤]一段壓裂N簇裂縫的情況，每條裂縫的能量平衡方程為：

假設(shè)i裂縫受到j(luò)裂縫產(chǎn)生的應(yīng)力干擾大小為σI,i,j，同時(shí)考慮到礦場(chǎng)壓裂裂縫為黏性主導(dǎo)裂縫[26]，可忽略，因此（1）式可簡(jiǎn)化為：

對(duì)于多簇水力裂縫擴(kuò)展，根據(jù)（2）式可知，存在應(yīng)力干擾主導(dǎo)和射孔摩阻主導(dǎo)的情況。當(dāng)應(yīng)力干擾作用遠(yuǎn)大于射孔摩阻時(shí)，應(yīng)力干擾主導(dǎo)能量消耗，（2）式轉(zhuǎn)化為：

受縫間應(yīng)力干擾作用影響，簇內(nèi)裂縫需要克服更多來自其他裂縫的應(yīng)力做功。由于水力裂縫會(huì)按照能量消耗最少的方式擴(kuò)展，因此內(nèi)側(cè)裂縫進(jìn)液量減少，注入流量會(huì)更多地分配到外側(cè)裂縫。該情況下各簇裂縫進(jìn)液量不均衡，相對(duì)外側(cè)裂縫，內(nèi)側(cè)裂縫擴(kuò)展不充分。

當(dāng)射孔摩阻遠(yuǎn)大于應(yīng)力干擾作用時(shí)，射孔摩阻主導(dǎo)能量消耗，則（2）式轉(zhuǎn)化為：

根據(jù)（4）式可以看出，各簇裂縫的能量耗散不再存在差別，注入液量可以均勻地分配到各簇裂縫，從而實(shí)現(xiàn)各簇裂縫均衡擴(kuò)展。

以上分析表明，水平井體積改造采用分簇限流技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各簇均衡改造，Lecampion和 Wu等[27-28]通過多簇裂縫擴(kuò)展數(shù)值模擬研究也證實(shí)了該結(jié)論。Somanchi等[29]提出的極限限流壓裂技術(shù)即通過更大程度地分簇限流達(dá)到多簇同時(shí)開啟和均勻擴(kuò)展的目的。該技術(shù)在Montany區(qū)塊試驗(yàn)，每段3簇壓裂，每簇射孔數(shù)2～3個(gè)，施工排量5 m3/min，射孔節(jié)流阻力8.3 MPa。通過光纖診斷顯示，相對(duì)于常規(guī)限流壓裂，極限限流壓裂每簇進(jìn)砂量更加均衡，射孔簇效率提高33%。Weddle等[30]報(bào)道了Bakken區(qū)塊極限限流壓裂效果，水平段長(zhǎng)度4 313 m，分壓40～50段，每段12～15簇，180°相位角等孔徑射孔，每簇2孔，砂量0.98～1.51 t/m，排量12.7 m3/min，射孔節(jié)流阻力10～14 MPa。壓后伽馬測(cè)井表明極限限流射孔簇效率為80%～90%，而常規(guī)限流的簇效率僅為 30%～80%。但是該技術(shù)的排量較低，主要是因?yàn)闃O限限流技術(shù)的孔數(shù)太少，會(huì)導(dǎo)致節(jié)流阻力過高，大幅增加井口使用壓力，限制了排量的提升。而較低的排量往往會(huì)使得縫內(nèi)凈壓力較低，對(duì)形成復(fù)雜裂縫以及增大SRV不利。

通常施工過程中射孔孔眼受攜砂液沖蝕會(huì)導(dǎo)致孔徑增大、射孔摩阻減小，因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)中要根據(jù)計(jì)算的節(jié)流阻力適度減少孔數(shù)來確保每簇有效開啟，同時(shí)在施工中快速提升排量，迅速建立井底壓力來確保每簇開啟有足夠的節(jié)流阻力，保證各簇裂縫均勻進(jìn)液，實(shí)現(xiàn)多簇裂縫的有效擴(kuò)展。

2.2 近井和遠(yuǎn)井裂縫復(fù)雜性控制技術(shù)

體積改造的主要目的是增加遠(yuǎn)井裂縫復(fù)雜性[31]。近井裂縫起裂形態(tài)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單以避免迂曲，或產(chǎn)生多裂縫使裂縫寬度不夠?qū)е驴籽厶幓蚪畮岸?。因此，通過定向射孔、等孔徑射孔等技術(shù)使射孔相位盡量與最大主應(yīng)力方向一致，能夠有效避免近井裂縫發(fā)生迂曲[32-33]。水平井分段壓裂時(shí)，同一射孔簇的射孔間距一般應(yīng)小于 4倍井筒直徑[34]，以保證不同孔眼處的裂縫為單一裂縫。

Beugelsdijk等[35]研究了天然裂縫地層壓裂的近井起裂形態(tài)，指出Qμ乘積是影響天然裂縫擴(kuò)展以及裂縫擴(kuò)展形態(tài)的關(guān)鍵。Qμ乘積為 8.3×10-8N·m，液體沿天然裂縫流動(dòng)，無主裂縫；Qμ乘積為8.3×10-6N·m，形成主縫，天然裂縫不開啟。研究同時(shí)表明，排量速度變化率對(duì)裂縫起裂影響明顯，緩慢提高排量，壓力曲線無破壓顯示，注入液體沿天然裂縫濾失，近井形成多裂縫開啟（見圖4a）；快速提高排量，壓力曲線出現(xiàn)明顯破壓，天然裂縫不開啟，形成單一水力裂縫（見圖4b）。付海峰等[36]的物理模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Qμ乘積的作用；Lecampion等[37]也發(fā)現(xiàn)，針對(duì)近井發(fā)育天然裂縫的儲(chǔ)集層，快速提高排量建立井底壓力可避免多裂縫起裂，減小近井裂縫復(fù)雜度。

圖4 不同Qμ乘積條件下裂縫擴(kuò)展形態(tài)剖面圖

Beugelsdijk等[35]研究了主裂縫轉(zhuǎn)向與天然裂縫開啟難易程度問題，認(rèn)為人工裂縫轉(zhuǎn)向能力應(yīng)通過無因次凈壓力（凈壓力與水平應(yīng)力差比值）確定，無因次凈壓力越大，壓裂裂縫越容易偏離主裂縫方向，形成復(fù)雜裂縫。同時(shí)引入無因次水平應(yīng)力差異系數(shù)表征天然裂縫開啟能力：

相同應(yīng)力差條件下，最小水平主應(yīng)力越大，kh越小，天然裂縫開度越小，流體濾失進(jìn)入天然裂縫難度越大，因此無因次水平應(yīng)力差異系數(shù)反映流體進(jìn)入天然裂縫的能力，與水力壓裂裂縫轉(zhuǎn)向能力無關(guān)。

遠(yuǎn)井裂縫擴(kuò)展形態(tài)主要受遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力、縫間應(yīng)力干擾和天然裂縫影響[38]。現(xiàn)場(chǎng)施工中可通過分簇射孔，利用簇間應(yīng)力干擾的疊加與縫內(nèi)轉(zhuǎn)向技術(shù)[7]提高遠(yuǎn)井裂縫復(fù)雜性；還可縮小簇間距使多簇壓裂裂縫相互背離偏轉(zhuǎn)，增大裂縫復(fù)雜度，擴(kuò)大橫向改造范圍[39]。天然裂縫發(fā)育且近井帶易砂堵儲(chǔ)集層，可考慮采用“凍膠破巖+滑溜水?dāng)y砂”的組合技術(shù)來降低砂堵風(fēng)險(xiǎn)，提高遠(yuǎn)井帶裂縫復(fù)雜度。

2.3 小粒徑支撐劑與滑溜水?dāng)y砂技術(shù)

從支撐劑運(yùn)移角度分析，支撐劑粒徑越小，沉降速度越慢；在縫內(nèi)的運(yùn)移距離越遠(yuǎn)，越能提高支撐劑的鋪置效果。支撐劑在縫內(nèi)沉降的公式為：

根據(jù)（6）式可知，支撐劑粒徑減小為常規(guī)粒徑的1/2，沉降速度則減小為常規(guī)粒徑支撐劑沉降速度的1/4。目前水平井體積改造由3簇向10簇以上發(fā)展[30]，每簇裂縫的分流量大幅下降，由于不能無限提高排量來增大縫寬，且不發(fā)生砂堵的極限動(dòng)態(tài)縫寬是支撐劑粒徑的2～3倍[40]，因此選擇小粒徑支撐劑降低砂堵風(fēng)險(xiǎn)，提高支撐劑在裂縫內(nèi)的運(yùn)移距離。

由于滑溜水體積壓裂易形成復(fù)雜裂縫，小粒徑支撐劑不僅在主裂縫內(nèi)沉降鋪置，更易進(jìn)入分支縫與微細(xì)裂縫中，且以轉(zhuǎn)角支撐、單顆粒支撐的形態(tài)出現(xiàn)。這種鋪置形態(tài)符合早期“單層鋪置導(dǎo)流能力最好”的研究共識(shí)[41]，是復(fù)雜縫網(wǎng)有較好導(dǎo)流能力的重要原因。Ely等[42]總結(jié)對(duì)比了Eagle Ford和Bakken區(qū)塊的產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)小粒徑石英砂比大粒徑石英砂應(yīng)用效果好。目前北美在德克薩斯Grassland區(qū)塊等[43-44]開展了加入更小粒徑支撐劑的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，11口水平井，采用分段多簇壓裂，每段3簇，平均排量8.6 m3/min，0.150 mm（100目）和0.425/0.212 mm（40/70目）支撐劑的加砂濃度為300 kg/m3，0.045 mm（325目）的微粒徑粉砂的加砂濃度為12 kg/m3，此組合方式生產(chǎn)210 d單井累計(jì)產(chǎn)氣量提高20%～30%。Dahl等[43]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬指出，注入小粒徑支撐劑能提高頁巖微裂縫滲透率而增加產(chǎn)量。

體積改造技術(shù)應(yīng)用中，普遍利用滑溜水的低黏度特點(diǎn)來擴(kuò)大波及體積，以大液量實(shí)現(xiàn)能量補(bǔ)充，以大排量實(shí)現(xiàn)攜砂并促使支撐劑向裂縫遠(yuǎn)端運(yùn)移。在使用滑溜水施工時(shí)，后續(xù)支撐劑在裂縫中的運(yùn)移與鋪置如圖 5所示，支撐劑隨著液體運(yùn)移不斷發(fā)生連續(xù)沉降，逐漸從裂縫底部沿高度方向鋪置，形成對(duì)動(dòng)態(tài)裂縫的支撐。施工結(jié)束后不追求快速返排或直接悶井，較低的液體返排率使縫內(nèi)壓裂液支撐裂縫不閉合，繼續(xù)沉降的支撐劑在已堆積鋪置的裂縫寬度條件下僅增加砂堤高度，使得大排量產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)縫寬基本為支撐縫寬，這是滑溜水壓裂可以不追求高砂濃度的機(jī)理。若選擇小粒徑支撐劑或小粒徑低密度支撐劑，就能夠使支撐劑在裂縫中運(yùn)移更遠(yuǎn)，對(duì)提高改造效果更有利。

圖5 滑溜水段塞壓裂攜砂沉降鋪置模式

3 體積改造設(shè)計(jì)模型

3.1 傳統(tǒng)壓裂模型

水力壓裂設(shè)計(jì)依賴其理論模型與計(jì)算方法。早期經(jīng)典模型為 PKN、GDK模型等[45]，后來由 Settari和Palmer等[46-47]發(fā)展為擬三維模型。該模型考慮了層間應(yīng)力差，但縫高方程沒有考慮垂向流動(dòng)和層間力學(xué)性質(zhì)差異，薄互層、射孔段為高地應(yīng)力層時(shí)縫高預(yù)測(cè)誤差較大。Lee和Carter等[48-49]建立了全三維模型，該模型未引入縫高方程，通過縫內(nèi)流體二維流動(dòng)方程與三維線彈性力學(xué)模型耦合求解縫寬和縫內(nèi)流體壓力，通過離散網(wǎng)格單元的應(yīng)力強(qiáng)度因子來判斷裂縫邊界，進(jìn)而確定裂縫長(zhǎng)度和高度。

3.2 非常規(guī)壓裂模型

近年來，體積改造技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)了非常規(guī)壓裂模型的發(fā)展。盡管非常規(guī)壓裂模型仍以線彈性斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)，但解決的問題更加復(fù)雜，如：多簇裂縫擴(kuò)展、剪切裂縫與層理弱面擴(kuò)展、人工裂縫與天然裂縫的相互作用等。非常規(guī)壓裂模型主要解決兩大關(guān)鍵問題：①地層天然裂縫描述，包括天然裂縫幾何特征、巖石物理和力學(xué)參數(shù)等；②復(fù)雜裂縫擴(kuò)展模擬，包括人工裂縫遇到天然裂縫后的擴(kuò)展形態(tài)，張性裂縫和剪切滑移裂縫的擴(kuò)展。目前復(fù)雜裂縫擴(kuò)展模擬解法主要有4種：有限元、擴(kuò)展有限元、邊界元和離散元。

Hossain等[50]最早提出了基于分形理論反演天然裂縫網(wǎng)絡(luò)的方法。模型考慮了剪切裂縫擴(kuò)展，可用于滑溜水在天然裂縫發(fā)育地層的壓裂設(shè)計(jì)分析，并通過微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了模型準(zhǔn)確性。

Robert等[51]提出基于離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型（DFN）和產(chǎn)能數(shù)據(jù)反演地層天然裂縫網(wǎng)絡(luò)的方法，該模型主要用于壓后裂縫形態(tài)解釋，不適合壓裂前的設(shè)計(jì)分析。

Olson[52]建立了多簇壓裂和天然裂縫地層壓裂的邊界元模型，模型考慮了天然裂縫的剪切和張性破裂，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力干擾作用下復(fù)雜裂縫擴(kuò)展模擬，后來 Wu等[53]將該模型拓展，可以同時(shí)考慮射孔和井筒摩阻。Dahi-Taleghani等[54]基于擴(kuò)展有限元方法研究了水力裂縫與單條天然裂縫的相互作用，建立了采用能量釋放率評(píng)價(jià)天然裂縫和巖石基質(zhì)擴(kuò)展難易程度的方法；研究了壓裂裂縫在不同長(zhǎng)度或角度天然裂縫均勻分布的地層中的擴(kuò)展形態(tài)[55]。該模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)天然裂縫發(fā)育儲(chǔ)集層的壓裂模擬。

Meyer等[56]采用正交裂縫模型描述天然裂縫網(wǎng)絡(luò)，模型限定了壓裂裂縫形態(tài)只能為正交裂縫橢球體，與實(shí)際存在偏差。同年，Maxwell等[57]提出根據(jù)微地震校正裂縫擴(kuò)展模型，反演地層天然裂縫形態(tài)的方法。該方法將水平井壓裂中監(jiān)測(cè)獲得的微地震事件與地質(zhì)建模、三維地震資料相結(jié)合，開創(chuàng)了地質(zhì)工程一體化研究的先河。

Kresse等[58]提出了非常規(guī)裂縫模型（UFM）。該模型在擬三維模型基礎(chǔ)上，根據(jù)Gu等[59]建立的水力裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)判斷水力裂縫與天然裂縫相交形態(tài)。后來模型引入考慮注入排量和黏度的半解析相交準(zhǔn)則[60]。目前 UFM 模型考慮了多簇裂縫擴(kuò)展的應(yīng)力干擾和支撐劑在縫內(nèi)的傳輸，并與微地震監(jiān)測(cè)結(jié)合來校正裂縫擴(kuò)展結(jié)果，能實(shí)現(xiàn)多層油氣藏的分段多簇壓裂裂縫擴(kuò)展數(shù)值模擬[61]。

Xu等[62-63]提出水平井分段多簇壓裂擴(kuò)展模型。模型考慮縫間應(yīng)力干擾和變摩阻影響，實(shí)現(xiàn)多層油氣藏三維裂縫擴(kuò)展的流固耦合模擬。但未考慮天然裂縫，無法模擬天然裂縫地層的裂縫擴(kuò)展。

Nassir等[64]提出了天然裂縫性油氣藏水力壓裂的流固耦合模型。該模型采用彈塑性本構(gòu)方程描述天然裂縫的剪切和張性變形特征，基于三維空間的張性破裂和摩爾庫侖剪切破壞準(zhǔn)則預(yù)測(cè)改造體積。模型考慮了地層非均質(zhì)性和天然裂縫彈塑性變形，可用于天然裂縫發(fā)育地層的裂縫擴(kuò)展數(shù)值模擬。

Profit等[65]研發(fā)了致密氣儲(chǔ)集層分段多簇壓裂模擬器。該模擬器通過自適應(yīng)網(wǎng)格模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)力學(xué)與流體流動(dòng)的全耦合，考慮了裂縫張性、剪切或混合破壞模式，能夠?qū)崿F(xiàn)地層流體的多相流動(dòng)模擬。

Alfataierge[66]提出分析水力裂縫有效性的 4D/9C（四維/九分量）微地震解釋方法，在2018年提出4D延時(shí)多分量地震技術(shù)、微地震解釋與3D水力裂縫模擬技術(shù)相結(jié)合的地質(zhì)工程一體化仿真方法，該方法將3D地質(zhì)力學(xué)模型與3D裂縫擴(kuò)展模擬器結(jié)合，并通過地震技術(shù)、微地震解釋校正裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果[67]。針對(duì)科羅拉多Wattenberg氣田Niborara地層的研究發(fā)現(xiàn)，裂縫有效長(zhǎng)度為60～180 m，與微地震事件點(diǎn)位置有一定差距。因此，作者認(rèn)為 Niborara地層初次改造程度不足，縫間距、井間距等需通過地質(zhì)工程一體化模型進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

此外，國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了裂縫擴(kuò)展模型等方面的研究。陳勉[68]推導(dǎo)了三維空間中水力裂縫激活和轉(zhuǎn)向控制方程，并建立了二維天然裂縫擴(kuò)展模型。曾慶磊等[69]建立了多簇?cái)U(kuò)展流固耦合有限元算法，模型考慮了射孔摩阻和井筒摩阻。王理想等[70]提出二維水力裂縫擴(kuò)展的有限元和離散元混合方法，并模擬了天然裂縫發(fā)育地層的水平井多簇壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)。Guo等[71]引入孔彈性黏結(jié)單元，建立了二維流固耦合有限元裂縫擴(kuò)展模型，研究了天然裂縫對(duì)水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)的作用規(guī)律。Zou等[72]開發(fā)了考慮地層天然裂縫隨機(jī)分布的有限元/離散元模型，并研究了層理發(fā)育頁巖地層的裂縫擴(kuò)展形態(tài)。胥云等[39]建立了多簇裂縫擴(kuò)展的邊界元模型，重點(diǎn)研究了多簇裂縫擴(kuò)展的偏轉(zhuǎn)規(guī)律，陳銘等[73-74]進(jìn)一步研究了控制裂縫偏轉(zhuǎn)因素和平臺(tái)布井模式下的多裂縫布縫方式。趙金洲等[75]提出了擬三維多簇水力裂縫擴(kuò)展邊界元模型和基于PKN模型的射孔優(yōu)化方法。吳奇等[76]闡述了地質(zhì)工程一體化技術(shù)在頁巖氣開發(fā)中的應(yīng)用，展示了該技術(shù)的良好應(yīng)用前景。但目前國內(nèi)以二維裂縫擴(kuò)展模擬為主，缺少實(shí)際應(yīng)用的三維模型，地質(zhì)工程一體化研究基于國外軟件進(jìn)行。筆者的研究團(tuán)隊(duì)正在借助國家攻關(guān)項(xiàng)目開展相關(guān)研究，有望加強(qiáng)國內(nèi)非常規(guī)儲(chǔ)集層地質(zhì)工程一體化的體積改造優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)建設(shè)，推動(dòng)中國非常規(guī)儲(chǔ)集層改造技術(shù)的進(jìn)步。

綜合國內(nèi)外研究進(jìn)展，體積改造設(shè)計(jì)模型既要能實(shí)現(xiàn)對(duì)天然裂縫地層的準(zhǔn)確描述，表征人工裂縫與天然裂縫的關(guān)系，保證主縫、分支縫、網(wǎng)絡(luò)縫之間的匹配，又要高效準(zhǔn)確計(jì)算復(fù)雜裂縫張性-剪切擴(kuò)展。綜合地震建模、微地震監(jiān)測(cè)、水力裂縫模擬的地質(zhì)力學(xué)一體化是未來模型研究的重要發(fā)展方向；而分形損傷力學(xué)則是研究裂縫起裂、構(gòu)建新型壓裂力學(xué)理論的基礎(chǔ)。

4 體積改造技術(shù)新進(jìn)展與關(guān)鍵問題

4.1 大幅提高儲(chǔ)量動(dòng)用率的體積改造方法

4.1.1 密切割模式與壓裂規(guī)模優(yōu)化

早期研究[77]認(rèn)為，在水平井分段壓裂中使用分簇射孔模式，通常最佳簇間距為20～30 m，若采用3簇射孔則每個(gè)壓裂段的長(zhǎng)度一般在 60～90 m。而Mayerhofer等[5]認(rèn)為當(dāng)儲(chǔ)集層滲透率低至0.000 1×10-3μm2時(shí)，如果裂縫間距為8 m，仍可大幅度增加產(chǎn)量，提高采收率。Zhu等[21]研究表明，縮小簇間距能夠大幅提高儲(chǔ)集層的最終采收率。經(jīng)過多年現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，采用縮小簇間距的密切割壓裂技術(shù)，能夠大幅縮短基質(zhì)中流體向裂縫滲流的距離，對(duì)塑性較強(qiáng)、應(yīng)力差較大、難以形成復(fù)雜縫網(wǎng)的儲(chǔ)集層實(shí)現(xiàn)體積改造。目前北美已將簇間距從20 m逐漸縮小到4.6 m[78]，且廣泛應(yīng)用于各非常規(guī)儲(chǔ)集層的水平井分段壓裂中，不局限于難以形成縫網(wǎng)的儲(chǔ)集層。

密切割與井間距的合理匹配是平臺(tái)井組體積改造的關(guān)鍵。如2017年P(guān)ioneer公司[78]水平井壓裂簇間距和段長(zhǎng)與以往相比均縮小；對(duì)于相同長(zhǎng)度水平井，若井間距不變，密切割會(huì)導(dǎo)致單井注液量和加砂量不斷增大（見圖 6）。盡管單井注液量和加砂規(guī)模增大，但支撐劑與注入液量之比變化不大，為 95.4～110.9 kg/m3。以每段 2簇壓裂為例，注液量為 2 000 m3，則每條裂縫注入液量為 1 000 m3；若增加簇?cái)?shù)為 4簇，則每條裂縫的液量為 500 m3，導(dǎo)致裂縫長(zhǎng)度不夠，使兩口井之間產(chǎn)生大量未波及區(qū)，儲(chǔ)量動(dòng)用效果降低，違背了密切割實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)量全動(dòng)用的初衷。因此密切割模式需要縮短井間距、部署加密井或者增大液量規(guī)模。

圖6 Pioneer公司水平井體積改造施工參數(shù)

同樣，增加簇?cái)?shù)將導(dǎo)致單段支撐劑量的增加，假設(shè)一個(gè)壓裂段長(zhǎng)度60 m，3簇壓裂，簇間距20 m，注入支撐劑120 t，每條裂縫40 t支撐劑；采用密切割每段增加為6簇壓裂，簇間距10 m，根據(jù)算術(shù)對(duì)比，這一段壓裂需240 t支撐劑，由此看來這是目前國外每段壓裂支撐劑量大幅增加的主要原因。但當(dāng)簇間距從20 m縮小到10 m，每條裂縫所控制基質(zhì)中的油氣減少一半，所需裂縫導(dǎo)流能力應(yīng)有所變化，至于每簇支撐劑用量40 t還是50 t需通過模擬研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐來優(yōu)化確定。盡管北美用石英砂替代陶粒實(shí)現(xiàn)大幅降本，但過度增加砂量同樣會(huì)增加材料費(fèi)和運(yùn)輸費(fèi)，甚至增大對(duì)設(shè)備的損耗。筆者認(rèn)為學(xué)習(xí)北美不能簡(jiǎn)單用倍數(shù)關(guān)系計(jì)算每米增加了多少砂量，而是要考慮簇?cái)?shù)增加、井距縮小等各種因素進(jìn)行優(yōu)化，具體問題具體分析，用每簇加砂量來表述壓裂規(guī)模比每米加砂量更科學(xué)。

密切割可概括為：①井距不變，簇?cái)?shù)增加，所需裂縫長(zhǎng)度不變：液量增加，砂量增加；②井距縮小，簇?cái)?shù)不變，所需裂縫長(zhǎng)度變短：液量減少，砂量減少；③井距縮小，簇?cái)?shù)增加，所需裂縫長(zhǎng)度變短：液量減少（或不變），砂量增大。井距和簇?cái)?shù)的變化是確定液量與砂量增減的基本要素，準(zhǔn)確理解北美“少液多砂”的實(shí)質(zhì)是應(yīng)用密切割技術(shù)的關(guān)鍵。

4.1.2 縫高控制與立體式體積改造

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與研究表明，水力裂縫與層理面的相交形態(tài)（見圖7）包括：穿過、終止、滑移、溝通高角度裂縫等?；剖菍永砜刂屏芽p高度擴(kuò)展的主要機(jī)理。壓裂液沿層理面濾失則縫內(nèi)壓力降低，層理滑移使液體流動(dòng)摩阻增大，均會(huì)導(dǎo)致人工裂縫無法穿過層理，使裂縫在高度上的擴(kuò)展受限。同樣在滑溜水壓裂時(shí)，支撐劑沿裂縫高度方向不斷沉降，并在裂縫底部快速堆積鋪置，阻擋裂縫向下擴(kuò)展。修乃嶺等[14]利用測(cè)斜儀對(duì)頁巖氣水平井進(jìn)行的監(jiān)測(cè)表明，垂直裂縫占總裂縫體積最高達(dá) 90%，但不少井段的垂直裂縫體積占比僅為 50%～60%，人工裂縫系統(tǒng)由垂直縫與水平縫交織構(gòu)成，說明壓裂裂縫具有在水平層理中延伸擴(kuò)展的特征。中國石油頁巖氣現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)（見表1）表明，水平井段的軌跡在優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層中的位置與改造效果密切相關(guān)，裂縫在高度方向上的擴(kuò)展有限，打破了傳統(tǒng)壓裂理論認(rèn)為縫高不受限的觀點(diǎn)，促使人們研究思考水平層理、弱面對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響[79-80]。尋求新方法提高縱向剖面有效動(dòng)用率已成為當(dāng)下與未來的重要研究課題。

圖7 水力裂縫與層理面的相交形態(tài)

表1 四川盆地長(zhǎng)寧區(qū)塊頁巖氣水平井巷道位置與壓后效果

北美鉆井提速引起成本大幅下降，不少公司開始探索試驗(yàn)立體式體積改造開發(fā)模式，尋求突破井眼軌跡與縫高限制的方法，提高縱向剖面改造效果。Carrizo公司在Niobrara地層實(shí)施立體式體積改造[23]，水平段長(zhǎng)度1 426 m，水平段間距90～100 m，3層47口井，圖8為A、B、C 3層水平井疊置布井側(cè)視圖（即每口水平井水平段趾端位置）。A層與C層的井在垂向上處于同一個(gè)立面，B層錯(cuò)位布井，采用立體交錯(cuò)拉鏈?zhǔn)綁毫鸭夹g(shù)。壓裂順序從左到右為：C1—C2—B1—A1—C3—B2—A2—A3—……。該方法能夠使先壓裂井在底部產(chǎn)生一個(gè)外加應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)合不同層位錯(cuò)位壓裂產(chǎn)生的附加應(yīng)力能夠增加臨近層系改造的裂縫復(fù)雜性，提高縱向各小層的改造效果。

圖8 Niobrara地層水平井壓裂段示意圖

Energen公司[81]在 Delaware和 Midland盆地的Wolfcamp地層同樣采用交錯(cuò)疊置水平井的立體式體積改造技術(shù)，2017年第 2季度在 Delaware盆地的Wolfcamp地層的縱向兩小層分別布井8和 10口，每段長(zhǎng)度45 m，簇間距9 m，水平段長(zhǎng)為2 281～3 210 m，支撐劑用量2.5～3.0 t/m，注入液量6.4～7.1 m3/m。18口井壓后30 d內(nèi)最高產(chǎn)量達(dá)300 t/d。

盡管目前國內(nèi)鉆井鉆速較低，成本高，立體式體積改造還難以實(shí)施，但該技術(shù)是四川、長(zhǎng)慶、新疆多層系致密儲(chǔ)集層開發(fā)的有效手段，是未來發(fā)展方向。特別在礦權(quán)區(qū)限制以及新的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)量尚未發(fā)現(xiàn)的背景下，該技術(shù)是在已有探明儲(chǔ)量區(qū)塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)量挖潛、提高動(dòng)用率的最佳選擇。新疆油田在瑪湖致密油開展了建產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)示范區(qū)先導(dǎo)性試驗(yàn)，設(shè)計(jì)為 2層立體式開發(fā)井網(wǎng)模式，這將為中國進(jìn)一步探索推廣應(yīng)用該技術(shù)提供有益經(jīng)驗(yàn)。

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素

4.2.1 剪切裂縫可大幅提高裂縫導(dǎo)流能力

國內(nèi)外大量學(xué)者研究了剪切裂縫與導(dǎo)流能力的關(guān)系。Ramurthy等[82]的研究表明，每米裂縫條數(shù)與滲透率的增加倍數(shù)呈對(duì)數(shù)關(guān)系，高硬度巖石會(huì)維持較高的自支撐裂縫導(dǎo)流能力；在形成自支撐裂縫的基礎(chǔ)上，水力壓裂應(yīng)追求裂縫高復(fù)雜度而不是主縫高導(dǎo)流能力。Sharma等[83]通過對(duì)濾失特征、井間壓力和產(chǎn)能等分析認(rèn)為，非常規(guī)儲(chǔ)集層壓裂會(huì)形成大量剪切自支撐裂縫。剪切裂縫使納達(dá)西儲(chǔ)集層具有足夠?qū)Я髂芰?，有助于提高產(chǎn)量。Weng等[84]通過數(shù)值模擬研究了水力裂縫誘導(dǎo)形成剪切裂縫的滲透率，發(fā)現(xiàn)剪切作用可顯著提高天然裂縫導(dǎo)流能力，剪切裂縫導(dǎo)流能力可達(dá)600×10-3μm2·cm。Wu 等[85]對(duì) Eagle Ford 巖樣進(jìn)行了剪切裂縫導(dǎo)流實(shí)驗(yàn)，閉合應(yīng)力為28 MPa時(shí)剪切裂縫導(dǎo)流能力為 3×10-3μm2·cm。Wang 等[86]通過裂縫診斷測(cè)試得到自支撐裂縫導(dǎo)流能力在 15 MPa閉合應(yīng)力下為（10～70）×10-3μm2·cm。同時(shí)，Sierra 等[87]研究表明，增大滲流面積的作業(yè)方式是基質(zhì)滲透率小于500×10-9μm2的頁巖氣儲(chǔ)集層提高產(chǎn)能的關(guān)鍵。

近年來，中國石油勘探開發(fā)研究院的導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)表明（見圖 9）：同等條件下，張性裂縫導(dǎo)流能力最低且受閉合應(yīng)力影響最為明顯，剪切裂縫由于裂縫粗糙面的支撐作用具有較高導(dǎo)流能力；在20 MPa閉合應(yīng)力下，剪切裂縫的導(dǎo)流能力比張性裂縫高出約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。若以滲透率表征，在閉合應(yīng)力為50 MPa時(shí)，無支撐劑剪切裂縫滲透率為25.18×10-3μm2，該滲透率與頁巖納達(dá)西級(jí)滲透率相比大幅提高，因此無支撐劑裂縫仍是有效裂縫。同樣，在加入支撐劑的裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)中，我們得到類似結(jié)論，加入相同濃度支撐劑，剪切裂縫導(dǎo)流能力最佳。

圖9 不同裂縫導(dǎo)流能力與閉合應(yīng)力關(guān)系

如果儲(chǔ)集層3應(yīng)力條件滿足剪切裂縫形成條件（σH>σv>σh），或通過大排量滑溜水壓裂促使裂縫產(chǎn)生剪切滑移，同時(shí)考慮低返排率下壓裂液對(duì)裂縫的支撐作用，在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)適度降低支撐劑量，可以實(shí)現(xiàn)降本增效。

4.2.2 體積改造不需追求主縫高導(dǎo)流能力

非常規(guī)儲(chǔ)集層有效開發(fā)的難題是基質(zhì)滲透率極低，儲(chǔ)集層改造的主要目的是降低基質(zhì)滲流阻力。Cipolla等[88]研究表明，儲(chǔ)集層滲透率低于0.01×10-3μm2時(shí)，次生裂縫網(wǎng)絡(luò)對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)率約為40%；儲(chǔ)集層滲透率低于0.000 1×10-3μm2時(shí)，次生裂縫網(wǎng)絡(luò)對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)率約為80%，可見微納達(dá)西級(jí)滲透率儲(chǔ)集層的產(chǎn)能受裂縫形態(tài)控制，而不是受主縫導(dǎo)流能力控制。通常研究認(rèn)為致密儲(chǔ)集層的臨界無因次導(dǎo)流能力一般為10～50[89]，頁巖氣在30左右[90]，Gu等[90]指出壓裂裂縫存在分支縫時(shí)，頁巖或致密氣儲(chǔ)集層無因次導(dǎo)流能力降低15～25，進(jìn)一步說明復(fù)雜縫網(wǎng)形態(tài)可減小對(duì)導(dǎo)流能力的需求。

經(jīng)典研究表明[91]，當(dāng)水力壓裂井無因次導(dǎo)流能力高于臨界無因次導(dǎo)流能力時(shí)，繼續(xù)增大無因次導(dǎo)流能力不會(huì)提高產(chǎn)能。無因次導(dǎo)流能力為：

根據(jù)支撐裂縫滲透率計(jì)算公式，可知：

聯(lián)立（7）式和（8）式得到裂縫寬度與無因次導(dǎo)流能力關(guān)系為：

假設(shè)半縫長(zhǎng)為200 m，支撐裂縫孔隙度為5%，支撐裂縫迂曲度為2，計(jì)算達(dá)到不同臨界無因次導(dǎo)流能力所需的裂縫寬度（見圖10）。研究表明，對(duì)于基質(zhì)滲透率為（100～1 000）×10-9μm2的儲(chǔ)集層，無因次導(dǎo)流能力達(dá)到30僅需0.13 mm縫寬，達(dá)到50僅需0.16 mm縫寬。由此可見，體積改造不需太高加砂量就能滿足非常規(guī)儲(chǔ)集層有效開發(fā)需要。

圖10 不同無因次導(dǎo)流能力和基質(zhì)滲透率所需的裂縫寬度

針對(duì)目前國內(nèi)出現(xiàn)的“少液多砂”概念，本文重點(diǎn)闡述優(yōu)化設(shè)計(jì)中兩個(gè)關(guān)鍵因素，為了強(qiáng)調(diào)非常規(guī)儲(chǔ)集層體積改造的最終目的是獲得最大 SRV，通過形成復(fù)雜縫網(wǎng)或密切割大幅降低基質(zhì)中流體的滲流距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)量的最大程度控制和“全”可采。研究表明剪切裂縫、復(fù)雜裂縫在適度加砂條件下均能獲得開發(fā)所需導(dǎo)流能力，而追求主縫高導(dǎo)流能力的“多砂”模式（如傳統(tǒng)凍膠壓裂的“少液多砂”模式）不符合體積改造基本內(nèi)涵。

4.3 子井與母井最佳井距優(yōu)化

北美非常規(guī)油氣開發(fā)由于受租賃區(qū)塊面積限制，采用加密井方式來保持或提高區(qū)塊產(chǎn)量，目前 Eagle Ford、Bakken、Haynesville等多個(gè)盆地加密井已超過新區(qū)塊布井井?dāng)?shù)[92]。根據(jù)平臺(tái)鄰近井的投產(chǎn)時(shí)間先后關(guān)系，北美定義子井為投產(chǎn)時(shí)間晚于鄰井1年的新井，母井為投產(chǎn)時(shí)間不少于 1年的老井[92]。通常子井以兩種形式出現(xiàn)：一是加密井，原平臺(tái)井距偏大時(shí)中間打加密井，這種模式會(huì)使加密井的兩側(cè)形成壓力降落區(qū)；二是新平臺(tái)布井，后續(xù)平臺(tái)緊鄰母井平臺(tái)，新布平臺(tái)的外側(cè)井對(duì)母井平臺(tái)的相鄰?fù)鈧?cè)井而言成為子井，壓力降落是單側(cè)模式，對(duì)子井壓裂會(huì)出現(xiàn)裂縫的非對(duì)稱擴(kuò)展，甚至被母井“牽引”，導(dǎo)致另外一側(cè)改造不充分[93]。

Gakhar等[94]研究表明Eagle ford子井與母井井距為243 m時(shí)才能保持其累計(jì)產(chǎn)量與母井相同（見圖11）。該結(jié)果由水平段長(zhǎng)度與支撐劑量進(jìn)行歸一化而得，并未結(jié)合完井方式、壓裂段數(shù)、液體類型與規(guī)模、排量、井眼軌跡上傾或下傾等分析。Gakhar認(rèn)為子井壓裂效果不佳是子井壓裂規(guī)模以及裂縫長(zhǎng)度不足所致。

圖11 子母井井距與產(chǎn)量效果對(duì)比

若兩井分段壓裂為交錯(cuò)布縫，穿透比0.85，裂縫長(zhǎng)度207 m；對(duì)稱布縫的穿透比0.45，裂縫長(zhǎng)度109 m，此時(shí)子母井產(chǎn)量相當(dāng)說明母井壓裂縫長(zhǎng)未達(dá)到通常微地震解釋的幾百米，兩井間的儲(chǔ)量動(dòng)用不充分，該井距（243 m）僅反應(yīng)母井壓裂狀態(tài)及壓降波及范圍，并不一定是最優(yōu)井距。若井距為122 m，子井產(chǎn)量?jī)H為母井的70%，假設(shè)裂縫沿井筒兩側(cè)對(duì)稱擴(kuò)展，母井人工裂縫對(duì)子井側(cè)翼的儲(chǔ)量動(dòng)用率僅為 30%，這說明在如此短的裂縫（裂縫半長(zhǎng)61 m）控制下的基質(zhì)滲流依然不充分，仍有大量?jī)?chǔ)量未動(dòng)用。因此，優(yōu)化井距應(yīng)以縮小井距為主導(dǎo)，再通過評(píng)估母井壓裂規(guī)模及累計(jì)產(chǎn)量造成的壓降波及范圍，母井與子井在壓裂模式、規(guī)模等方面的差別等來對(duì)比子母井開發(fā)效果，進(jìn)而確定最優(yōu)井距。

筆者認(rèn)為，縮小井距是體積改造大幅提高儲(chǔ)量動(dòng)用率的必然選擇，也是非常規(guī)儲(chǔ)集層實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)的技術(shù)方向。鑒于目前國內(nèi)頁巖氣平臺(tái)開發(fā)、致密油氣開發(fā)井網(wǎng)的井距普遍偏大，為避免部署加密井，可暫且忽略北美井距優(yōu)化研究中的不足，借鑒其經(jīng)驗(yàn)推動(dòng)發(fā)展縮小井距的理念，配合密切割，用一次開發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)量的全動(dòng)用，大幅降低開發(fā)成本。

4.4 水平井重復(fù)壓裂的3個(gè)“重構(gòu)”

通常，母井生產(chǎn)一段時(shí)間后，會(huì)在裂縫波及范圍內(nèi)逐漸形成壓降區(qū)，能量虧空會(huì)使地應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，甚至發(fā)生應(yīng)力反轉(zhuǎn)，使得母井重復(fù)壓裂的人工裂縫向壓降區(qū)靠近并發(fā)生偏轉(zhuǎn)[95-96]。子井壓裂同樣會(huì)受反轉(zhuǎn)應(yīng)力的“牽引”，向母井已壓裂改造區(qū)靠近甚至發(fā)生裂縫“碰撞”（見圖12a），導(dǎo)致改造效果不理想。為避免子井壓裂裂縫靠近流體虧空區(qū)域（母井已改造區(qū)域），北美提出了母井保護(hù)性壓裂措施[97]。在子井壓裂前，首先對(duì)母井進(jìn)行重復(fù)壓裂且不立即返排（見圖12b），對(duì)初次裂縫蓄能增壓，增大流體虧空區(qū)域地應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的重構(gòu)，避免子井裂縫向已改造區(qū)域偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)新平臺(tái)井組及加密井的有效增產(chǎn)[84]。

圖12 平臺(tái)井組子井裂縫擴(kuò)展形態(tài)

由于流動(dòng)遵循最小阻力原理，當(dāng)壓降區(qū)使應(yīng)力發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)，也會(huì)改變流體主流方向，使得兩井間基質(zhì)中的油氣向低應(yīng)力區(qū)流動(dòng)。特別是主流通道形成之后，滲流場(chǎng)的改變尤為明顯。如長(zhǎng)慶王窯油田注水開發(fā)20年，側(cè)向50 m打檢測(cè)井，取心分析為原始含油飽和度，分析未水淹儲(chǔ)集層占比達(dá) 48%。因此，通過老井重復(fù)壓裂對(duì)未動(dòng)用儲(chǔ)量進(jìn)行挖潛，要確保子井壓裂注入液體能夠在子井水平段兩側(cè)均勻擴(kuò)展，重構(gòu)滲流場(chǎng)尤為重要。壓裂母井時(shí)采用大排量、大液量的蓄能重復(fù)壓裂，以及多輪次注水吞吐補(bǔ)充地層能量，或同時(shí)采用縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)；壓裂子井時(shí)采用注水和體積改造等都是再次改變主滲流方向并提高未波及區(qū)改造效果的技術(shù)方法。吐哈三塘湖馬 56-101H井區(qū)采用井群模式，發(fā)揮井群協(xié)同效應(yīng)，使老區(qū)井群壓裂井高產(chǎn)、相鄰井受效，開發(fā)效果顯著。壓后產(chǎn)油63 t/d，比鄰井提高3.5倍，井組內(nèi)4口老井受效，日產(chǎn)量增加1倍（由13.8 t上升到25.8 t）。因此，根據(jù)母井累計(jì)產(chǎn)量，計(jì)算儲(chǔ)量虧空體積和壓降波及范圍，確定蓄能液體規(guī)模，并采用相應(yīng)技術(shù)對(duì)策重構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)，可以降低母井對(duì)子井裂縫的“牽引”作用，保護(hù)母井并提高子井改造效果。

如何實(shí)現(xiàn)有效分段是目前水平井重復(fù)壓裂的最大問題。雙封單卡工具、連續(xù)油管定點(diǎn)壓裂由于難以提高排量限制了作業(yè)范圍，很難達(dá)到體積改造需要的效果，而投球或暫堵劑重復(fù)壓裂不能達(dá)到有效封堵，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)改造對(duì)象的重構(gòu)，總體上屬于籠統(tǒng)壓裂范疇。目前能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井筒再造的主要方法是膨脹管技術(shù)[98]，通過膨脹管對(duì)水平段進(jìn)行全封隔，然后重新分段射孔，具有一定先進(jìn)性。但該技術(shù)仍然存在新縫向老縫擴(kuò)展的問題。為此，筆者提出改造對(duì)象再造構(gòu)想：一是通過蓄能方式改變滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)，使得新縫擴(kuò)展方向不受老縫影響；二是先向地層內(nèi)注入可降解的高強(qiáng)度暫堵劑，整體封堵老縫，實(shí)現(xiàn)井筒再改造，當(dāng)重新開啟的擴(kuò)展裂縫遇到老縫時(shí)，由于老縫被高強(qiáng)度高塑性材料封堵，裂縫則尋找新的開啟與延伸的路徑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫未波及區(qū)域的改造。此外，國內(nèi)高含水油田可借鑒類似技術(shù)思路實(shí)施重復(fù)壓裂。

以體積改造為手段的重復(fù)壓裂就是通過重構(gòu)滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、改造對(duì)象來實(shí)現(xiàn)對(duì)老井儲(chǔ)量挖潛，對(duì)平臺(tái)井組壓裂增效。

5 結(jié)語

從體積改造技術(shù)的正式提出至今已歷經(jīng)近10年發(fā)展與實(shí)踐，本文結(jié)合最新理論研究進(jìn)展和技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，以及筆者多年的研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐心得，進(jìn)一步闡釋了水平井體積改造核心理論的實(shí)質(zhì)，深刻理解“最大、最短、最小”的增產(chǎn)機(jī)理是體積改造技術(shù)的關(guān)鍵，更是該技術(shù)能夠在更廣泛領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。而密切割和立體式體積改造則是對(duì)體積改造技術(shù)應(yīng)用思路的拓展與升華。未來通過密切割、縮小井距等技術(shù)方法建立“縫控”可采儲(chǔ)量開發(fā)模式，突破傳統(tǒng)井控儲(chǔ)量計(jì)算與開發(fā)的固有思路，指導(dǎo)體積重復(fù)壓裂技術(shù)的有效應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)未動(dòng)用儲(chǔ)量的挖潛，將是體積改造技術(shù)未來發(fā)展與應(yīng)用的重要方向，更是中國石油實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)保障。

符號(hào)注釋：

C——修正系數(shù)，取值范圍為 0.56～0.89；Di——i裂縫對(duì)應(yīng)的射孔直徑，mm；dp——支撐劑顆粒直徑，m；FCD——無因次導(dǎo)流能力；g——重力加速度，m/s2；Kf，Km——裂縫和基質(zhì)滲透率，mm2；kh——無因次水平應(yīng)力差異系數(shù)；Lf——裂縫半長(zhǎng)，m；N——裂縫數(shù)量；ni——i裂縫的射孔數(shù)；pw,i——i裂縫的井底壓力，Pa；Q0——施工排量，m3/min；Qi——i裂縫的注入排量，m3/min；U˙——單位注入時(shí)間的巖石應(yīng)變能，J/min；v——支撐劑沉降速度，m/s；——單位時(shí)間的巖石斷裂能，J/min；——單位時(shí)間的縫內(nèi)流動(dòng)摩阻消耗的能量，J/min；——單位時(shí)間克服其他裂縫產(chǎn)生的附加應(yīng)力的能量，J/min；——單位時(shí)間的射孔摩阻消耗的能量，J/min；——單位時(shí)間克服遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力的能量，J/min；wf——裂縫寬度，mm；x，y——直角坐標(biāo)系，m；μ——流體黏度，Pa·s；ρ——液體或攜砂液密度，kg/m3；ρf——流體密度，kg/m3；ρp——支撐劑密度，kg/m3；σH、σh——最大、最小水平主應(yīng)力，Pa；σv——上覆巖石壓力，Pa；σI,i,j——i裂縫受到j(luò)裂縫產(chǎn)生的應(yīng)力干擾，Pa；τ——支撐劑充填裂縫迂曲度，無因次；φf——裂縫孔隙度，%。