肖 暉， 劉 洪， 廖如剛， 古佳月， 李小斌， 胡昌權(quán)， 胡峰超

(1重慶科技學(xué)院 2中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司 3中國石油西南油氣田分公司重慶氣礦 4中國石油青海油田分公司安全監(jiān)督中心)

由于低孔、低滲特征，頁巖氣藏必須通過大規(guī)模水力壓裂方能獲得經(jīng)濟產(chǎn)量[1]。與常規(guī)油氣藏壓裂不同，通過水平井和大規(guī)模體積壓裂在頁巖儲層中形成的水力裂縫不再是簡單的對稱雙翼裂縫，而是形成了極為復(fù)雜的空間裂縫網(wǎng)絡(luò)[2]。由于壓裂裂縫的復(fù)雜性，使得頁巖氣壓裂效果評價難度極大。目前，國內(nèi)外主要從壓裂施工曲線[3]、裂縫監(jiān)測[4-5]、壓后返排試氣情況[5]和壓后產(chǎn)量分析[6-7]等方面開展頁巖氣壓裂效果評價。其中，裂縫監(jiān)測特別是微地震監(jiān)測尤其得到廣泛應(yīng)用，通過微地震實時監(jiān)測可以獲得水力裂縫縫長、縫高和方位的空間展布參數(shù)[8-12]。即便如此，依舊難以全面評價頁巖氣壓裂效果，利用單一評價手段更是難以有效評價。本文結(jié)合微地震監(jiān)測結(jié)果和地應(yīng)力場模擬，提出一種新的頁巖氣壓后效果評價技術(shù)，以涪陵頁巖氣平臺數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行了分析。

一、“井工廠”壓裂應(yīng)力場模型1.模型假設(shè)

對頁巖氣壓裂后應(yīng)力場模擬模型做假設(shè)如下：①巖石為均質(zhì)各向同性；②頁巖巖石僅發(fā)生張性破裂；③破壞準(zhǔn)則為摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則；④壓裂段均射開，忽略造縫過程，縫長與縫高之比無窮大，縫高恒定；⑤水力裂縫均垂向延伸；⑥裂縫壁面無濾失。

2.“井工廠”壓裂后的縫長和位置

本文以JY48號頁巖氣平臺3口井壓裂實際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行建模，開展壓后效果分析。該平臺在壓裂過程中采用了微地震實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可獲得3口井裂縫位置和裂縫長度數(shù)據(jù)。3口井裂縫監(jiān)測情況見表1(此處僅列出單段平均數(shù)據(jù))。

3.有限元模型

為確保收斂并加快運算速度，假設(shè)每一段僅形成一條裂縫。注入排量12 m3/min，施工凈壓力4 MPa；彈性模量47 GPa，泊松比0.25，巖石密度2 600 kg/m3，地層壓力38 MPa，最大(σH)、最小(σh)水平主應(yīng)力49 MPa和45 MPa。

二、壓后應(yīng)力場分析

1.壓后主應(yīng)力分析

誘導(dǎo)應(yīng)力模擬結(jié)果見圖1、圖2，從中發(fā)現(xiàn)壓裂后的誘導(dǎo)應(yīng)力發(fā)生了較大幅度變化。壓裂后裂尖附近均出現(xiàn)應(yīng)力集中，壓后在最大、最小水平主應(yīng)力方向上的誘導(dǎo)應(yīng)力值見表2，從中可見“井工廠”壓裂后出現(xiàn)較大的誘導(dǎo)應(yīng)力。同時發(fā)現(xiàn)，由于水平段上裂縫長度多變導(dǎo)致裂縫附近的誘導(dǎo)應(yīng)力差異較大、誘導(dǎo)應(yīng)力云圖復(fù)雜。

圖1 最小水平主應(yīng)力方向的誘導(dǎo)應(yīng)力云圖

圖2 最大水平主應(yīng)力方向的誘導(dǎo)應(yīng)力云圖表2 壓后最大、最小主應(yīng)力方向上的誘導(dǎo)應(yīng)力值

方向最大拉應(yīng)力/MPa最大壓應(yīng)力/MPa裂縫中部壓應(yīng)力/MPaσH1682σh12.98.42

圖3和圖4分別為水力壓裂前后最小、最大水平主應(yīng)力矢量圖。從中發(fā)現(xiàn)，水力壓裂后最小、最大水平主應(yīng)力均發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，裂縫越長偏轉(zhuǎn)角度越大(縫長最長的JY48-1HF井第21條縫尖應(yīng)力最大)。

圖3 壓裂前后σh矢量圖

圖4 壓裂前后σH矢量圖

2.縫長對誘導(dǎo)應(yīng)力影響

上述模擬發(fā)現(xiàn)，縫長的不均勻分布對誘導(dǎo)應(yīng)力有較大影響，為此特分析縫長對誘導(dǎo)應(yīng)力的影響。此處以縫長變化相對較大的JY48-2HF井12段～17段為例進行說明。如圖5所示為局部裂縫放大后的誘導(dǎo)應(yīng)力云圖和最小水平主應(yīng)力矢量圖。第12段和第13段裂縫較長，緊接著的第14段突然變短使得其裂尖受誘導(dǎo)壓應(yīng)力，進一步限制了第14段縫長延伸和裂縫復(fù)雜性。在第15段縫長突然增加之后，接下來壓裂的第16段裂縫長度由于設(shè)計和地質(zhì)因素突然變短，使得第16段出現(xiàn)了與第14段相同的情況。第12、13、15、17段縫長差異不大、應(yīng)力偏轉(zhuǎn)相對較大，有助于縫網(wǎng)形成。分析表明，如果前一段壓裂裂縫明顯較長，則下一段裂縫由于設(shè)計或者地質(zhì)或者施工等因素影響下較短時，短裂縫裂尖誘導(dǎo)壓應(yīng)力較大，并降低該裂縫區(qū)域內(nèi)最小主應(yīng)力的偏轉(zhuǎn)程度，不僅會進一步抑制該短縫的縫長延伸，也會降低該裂縫的復(fù)雜程度。因此，同一水平井中降低各壓裂段的縫長差異，有助于提高所有壓裂段縫長延伸和形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，這為壓裂優(yōu)化設(shè)計和施工工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

圖5 JY48-2HF井第11～17段誘導(dǎo)應(yīng)力云圖及最小水平主應(yīng)力矢量圖

3.段間距對誘導(dǎo)應(yīng)力的影響

選擇段間距分別為60 m、83 m和78 m的典型值來分析段間距對裂縫中心誘導(dǎo)應(yīng)力場的影響，分析路徑見圖6(以便于提取對應(yīng)路徑上的誘導(dǎo)應(yīng)力值進行定量對比分析)。不同路徑下的誘導(dǎo)應(yīng)力值幾乎維持2 MPa不變。因此，段間距對壓后誘導(dǎo)應(yīng)力場基本沒有影響。

三、壓后效果綜合對比分析

為驗證本文提出方法的可靠性，將壓后誘導(dǎo)應(yīng)力分析結(jié)果與微地震監(jiān)測和產(chǎn)剖測試結(jié)果進行對比分析。圖7為JY48-2HF井各壓裂段壓后誘導(dǎo)應(yīng)力、微地震監(jiān)測(油藏增產(chǎn)體積SRV)和產(chǎn)剖測試(分段產(chǎn)量)結(jié)果對比圖。

圖6 JY48-2HF井分析路徑示意圖

圖7 JY48-2HF井各壓裂段壓后誘導(dǎo)應(yīng)力、微地震監(jiān)測和產(chǎn)剖測試結(jié)果對比圖

從圖7可以看出：①縫長差異較大的14、16壓裂段裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力值為負值(壓應(yīng)力)，使得SRV相對較低、測試產(chǎn)量較差；②第3～6壓裂段，縫長差異較小，裂尖出現(xiàn)較大的誘導(dǎo)拉應(yīng)力，使得儲層得到充分改造、SRV較大，最終產(chǎn)量相對較高；③壓后誘導(dǎo)應(yīng)力場計算得到的裂縫尖端誘導(dǎo)應(yīng)力值為負(壓應(yīng)力)的壓裂段SRV和壓后產(chǎn)量均較低。因此，本文提出的壓后誘導(dǎo)應(yīng)力場分析結(jié)果與微地震監(jiān)測和產(chǎn)剖測試結(jié)果具有較好的一致性，有利于頁巖氣“井工廠”壓后效果分析評價，是頁巖氣壓后評價方法的重要補充。

四、結(jié)論

裂縫條數(shù)增加、裂縫長度不均勻?qū)⒋蠓淖冏畲?、最小水平主?yīng)力方向上的誘導(dǎo)應(yīng)力大小。鄰近裂縫過長將導(dǎo)致短裂縫尖端產(chǎn)生誘導(dǎo)壓應(yīng)力，不利于裂縫擴展從而限制了縫長，即長裂縫將抑制中間短裂縫的擴展?！熬S”壓裂時，各條裂縫縫長差異不大時有利于裂縫擴展，也有利于裂縫附近應(yīng)力場發(fā)生偏轉(zhuǎn)而增加裂縫復(fù)雜程度。段間距對裂縫中心產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力場大小沒有影響。裂縫尖端誘導(dǎo)應(yīng)力為壓應(yīng)力時裂縫延伸受限，SRV相對較小、壓后產(chǎn)量較低。壓后誘導(dǎo)應(yīng)力場分析結(jié)果與微地震監(jiān)測和產(chǎn)剖測試結(jié)果具有較好的一致性。