雷群，楊戰(zhàn)偉，翁定為，劉洪濤，管保山，才博，付海峰，劉兆龍，段瑤瑤，梁天成，馬澤元

（1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司油氣藏改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北廊坊 065007；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；3.中國(guó)石油塔里木油田公司，新疆庫(kù)爾勒 841000）

0 引言

庫(kù)車山前超深碎屑巖儲(chǔ)集層為塔里木油田天然氣主要?dú)庠磧?chǔ)集層，勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)區(qū)帶包括克拉蘇構(gòu)造帶、秋里塔格構(gòu)造帶、北部構(gòu)造帶。根據(jù)第 4次油氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果，塔里木盆地超深層（大于6 000 m）天然氣資源量為5.98×1012m3，其中庫(kù)車山前克拉蘇構(gòu)造帶鹽下已探明萬(wàn)億立方米天然氣儲(chǔ)量[1]?？死K構(gòu)造帶主力產(chǎn)層為白堊系巴什基奇克組，儲(chǔ)集層埋深5 500～8 200 m，屬典型深—超深儲(chǔ)集層。由于強(qiáng)烈的壓實(shí)作用，儲(chǔ)集層普遍較致密，基質(zhì)孔隙度主要分布在3.5%～7.5%。在燕山期至喜馬拉雅晚期劇烈造山運(yùn)動(dòng)影響下，區(qū)塊最高儲(chǔ)集層壓力超過(guò) 150 MPa，最高地應(yīng)力梯度超過(guò)0.03 MPa/m，天然裂縫較發(fā)育，膠結(jié)狀態(tài)復(fù)雜多樣，非均質(zhì)性較強(qiáng)[2-3]。儲(chǔ)集層“三超（超深、超高溫、超高壓）”及致密特征明顯，高效儲(chǔ)集層改造對(duì)該類儲(chǔ)集層效益勘探開(kāi)發(fā)的作用日益突出[4-5]。

塔里木油田早期深井改造以直井單層或大段籠統(tǒng)酸化、酸壓，或小規(guī)模加砂壓裂為主。超深井的壓裂改造始于1995年，在近6 000 m的東河塘等區(qū)塊成功實(shí)施水力加砂壓裂，突破了超深井加不進(jìn)砂的技術(shù)難題，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好[6]。2002年提出加重液體思路，柯深101井首次應(yīng)用加重酸化，酸壓井深6 354～6 389 m/2層，加重酸密度1.34 g/cm3，施工壓力主要為90～98 MPa，最高 100.1 MPa，井底壓力 163.82 MPa，壓后產(chǎn)油94.78 t/d、產(chǎn)氣22.4×104m3/d，探索形成了異常高應(yīng)力超深井改造的新技術(shù)思路[5]。2005年首次在野云2井實(shí)現(xiàn)加重壓裂，井深 5 965.0～6 087.5 m，溫度152 ℃，采用傳統(tǒng)壓裂方式井口壓力將超過(guò)140 MPa，現(xiàn)有設(shè)備難以實(shí)施，采用密度1.15 g/cm3的氯化鉀加重液體使施工壓力降低了 9 MPa，施工排量 2.5～2.7 m3/min，施工壓力90～123 MPa，成功加入支撐劑28.5 m3，首次實(shí)現(xiàn)超過(guò)110 MPa壓力下的壓裂施工，為超深井改造提供了新手段[7]。2010年大北 301井首次實(shí)現(xiàn)136 MPa壓力下的加砂壓裂，超深井的壓裂技術(shù)應(yīng)用達(dá)到一個(gè)新高度[5]。中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院與塔里木油田多年合作，針對(duì)“三超”井埋藏深、壓力高、溫度高的技術(shù)難點(diǎn)，攻關(guān)形成優(yōu)化設(shè)計(jì)、液體加重、大通徑管柱、井筒完整性評(píng)價(jià)、超深層射孔、安全施工等 6項(xiàng)核心技術(shù)，研發(fā)了溴鹽加重、氯化鉀加重、硝酸鈉加重等 3套加重壓裂液體系，支撐塔里木油田突破8 000 m以深油氣資源勘探禁區(qū)。其中研發(fā)的硝酸鈉加重壓裂液體系，密度可達(dá) 1.35 g/cm3，耐溫180 ℃，成本僅為國(guó)外溴鹽加重體系的 25%，相同密度下每立方米節(jié)約0.7萬(wàn)元[5,8-10]。隨著勘探區(qū)域的不斷拓展，儲(chǔ)集層條件逐漸變差，傳統(tǒng)壓裂技術(shù)的局限性日益凸顯。2010年以后，針對(duì)塔里木“三超”致密儲(chǔ)集層的壓裂酸化逐漸開(kāi)始借鑒非常規(guī)油氣儲(chǔ)集層體積改造技術(shù)理念[11-12]，以構(gòu)建復(fù)雜縫網(wǎng)體系[13-14]為目標(biāo)，探索試驗(yàn)不同工藝技術(shù)并見(jiàn)到顯著效果[4-5,15]。

隨著塔里木超深層勘探區(qū)域的不斷拓展，鉆遇的儲(chǔ)集層地質(zhì)條件發(fā)生變化，高施工壓力限制了壓裂工藝技術(shù)的應(yīng)用，使得部分改造井（占比約 30%）仍達(dá)不到經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)產(chǎn)量。本文通過(guò)分析改造井低產(chǎn)低效原因，研究天然裂縫與地應(yīng)力場(chǎng)的匹配關(guān)系，確定天然裂縫開(kāi)啟條件及人工裂縫與天然裂縫耦合機(jī)制，明確形成復(fù)雜縫網(wǎng)的轉(zhuǎn)向條件，結(jié)合大物模實(shí)驗(yàn)成果，借鑒體積改造技術(shù)以滲流力學(xué)為基礎(chǔ)的“最大、最短、最小”核心理論[16]，以“縫控”壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)為指導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)裂縫控藏能力最大化為目標(biāo)[17]，研究提高縫控改造體積的工藝技術(shù)方法，為超深裂縫性致密儲(chǔ)集層的高效改造提供借鑒。

1 影響縫控改造體積的關(guān)鍵因素

庫(kù)車前陸沖斷帶受北側(cè)天山造山帶向南的強(qiáng)烈逆沖推覆擠壓，區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育的前陸沖斷構(gòu)造決定了天然裂縫的發(fā)育狀態(tài)。天然裂縫在構(gòu)造高點(diǎn)及背斜長(zhǎng)軸方向的轉(zhuǎn)折端最發(fā)育，在翼部或背斜之間鞍部發(fā)育相對(duì)較弱，縱向主力層段巴什基奇克組 3個(gè)層段均有發(fā)育[18-19]。天然裂縫以斜交縫和高角度縫為主，傾角在35°～70°，低角度縫較少，水平縫不發(fā)育，80.7%為剪切縫，15.7%為張剪縫，張性縫最少。天然裂縫密度為0.5～3.0條/m，視延伸長(zhǎng)度在0.1～1.5 m范圍內(nèi)分布不均，寬度為0.15～1.50 mm，裂縫被方解石、泥質(zhì)充填或半充填，未充填裂縫較少。超過(guò) 50%的天然裂縫走向與最大水平主應(yīng)力方向夾角較大（大于 45°）。該區(qū)塊天然裂縫發(fā)育非均質(zhì)性較強(qiáng)，對(duì)其發(fā)育及分布特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析，認(rèn)為天然裂縫可分為大尺度裂縫（Ⅰ類）、小尺度裂縫（Ⅱ類）、微細(xì)裂縫（Ⅲ類）、基質(zhì)裂縫（Ⅳ類），如表1所示。有關(guān)天然裂縫對(duì)產(chǎn)能貢獻(xiàn)的研究表明：裂縫對(duì)單井產(chǎn)能的影響主要表現(xiàn)為對(duì)滲透率的改善，可使?jié)B透率提升2～4個(gè)數(shù)量級(jí)；只有天然裂縫有足夠的開(kāi)啟度，支撐劑才能有效進(jìn)入天然裂縫并形成支撐，從而提高產(chǎn)能；酸化與壓裂改造技術(shù)結(jié)合，充分開(kāi)啟充填、閉合裂縫是提高單井產(chǎn)能的關(guān)鍵。

表1 庫(kù)車山前超深層碎屑巖儲(chǔ)集層天然裂縫分類

盡管超深層的壓裂酸化技術(shù)取得了顯著效果，但改造后產(chǎn)量低于30×104m3/d的低產(chǎn)低效井約占30%，其中超過(guò) 20%的井解釋為含天然裂縫的非干層。通過(guò)對(duì)相關(guān)地質(zhì)、測(cè)井等資料的分析，結(jié)合對(duì)施工壓力曲線的評(píng)價(jià)，認(rèn)為存在 3個(gè)主要原因：①部分酸液體系解除油基鉆井液造成的天然裂縫污染的效果不明顯。②縫網(wǎng)酸壓井酸蝕裂縫在高閉合應(yīng)力作用下導(dǎo)流能力低，存在部分無(wú)效酸蝕裂縫。③對(duì)于部分縫網(wǎng)壓裂井，前置液階段采用低黏滑溜水形成復(fù)雜縫網(wǎng)，由于施工排量低，裂縫寬度不夠，后期凍膠攜砂在縫寬小的裂縫中輸送困難，難以進(jìn)入已經(jīng)開(kāi)啟的天然裂縫或剪切縫中，導(dǎo)致裂縫難以獲得有效支撐，形成的縫網(wǎng)亦為無(wú)效縫網(wǎng)，影響改造效果與增產(chǎn)有效期。針對(duì)塔里木盆地庫(kù)車山前超深儲(chǔ)集層在現(xiàn)有技術(shù)條件下難以實(shí)施水平井開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀，在直井壓裂中充分利用儲(chǔ)集層天然裂縫發(fā)育的特點(diǎn)，通過(guò)體積改造技術(shù)的優(yōu)化與應(yīng)用，使主縫匹配分支縫、連通天然裂縫，構(gòu)建有效支撐縫網(wǎng)系統(tǒng)，提高天然裂縫的有效利用率，是提高縫控改造體積與改造效果的關(guān)鍵[20-22]。

研究表明，超深致密儲(chǔ)集層改造中提高縫網(wǎng)有效性的技術(shù)難點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：①天然裂縫中的充填物成分復(fù)雜，依靠單一酸液溶蝕天然裂縫中的充填物來(lái)開(kāi)啟天然裂縫難度較大。②單純的酸化或酸壓技術(shù)，酸液有效酸蝕作用距離有限[23]，在控制濾失獲得長(zhǎng)的主縫與利用濾失溝通天然裂縫這兩個(gè)目的中難以建立“雙贏”技術(shù)平衡點(diǎn)，往往人工裂縫長(zhǎng)度不夠，溝通天然裂縫也不足。③高施工壓力限制了施工規(guī)模與排量的提升，傳統(tǒng)凍膠壓裂以控制濾失造主縫為主，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)天然裂縫的開(kāi)啟與溝通，并形成有效的縫網(wǎng)系統(tǒng)。用單純滑溜水實(shí)施體積壓裂，對(duì)開(kāi)啟天然裂縫有利，但排量受限仍然會(huì)使縫內(nèi)凈壓力難以滿足有效攜砂和支撐劑高效鋪置的要求，高閉合應(yīng)力會(huì)大幅縮短裂縫導(dǎo)流能力的有效期，造成壓后產(chǎn)量的快速遞減。因此，解決排量與液體類型匹配的問(wèn)題，研究多種技術(shù)的有效組合模式，尋找使裂縫復(fù)雜化的工藝技術(shù)方法，成為提高超深致密儲(chǔ)集層天然裂縫系統(tǒng)有效性的關(guān)鍵。

研究表明（見(jiàn)表 2）[21,24]，庫(kù)車山前天然裂縫發(fā)育非均質(zhì)性強(qiáng)，天然裂縫的走向與最大水平主應(yīng)力方向的關(guān)系復(fù)雜。分析天然裂縫的走向、幾何尺度、密度、充填狀態(tài)等，確定天然裂縫走向與最大水平主應(yīng)力方向的夾角，是優(yōu)選儲(chǔ)集層改造技術(shù)模式的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)改造井施工停泵壓力的G函數(shù)分析（一種壓降曲線分析方法，G為無(wú)因次時(shí)間函數(shù)）及測(cè)井綜合解釋分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域天然裂縫較發(fā)育的井占比近60%，天然裂縫溝通程度決定了改造效果。當(dāng)天然裂縫與最大水平主應(yīng)力方向一致時(shí)，易產(chǎn)生剪切滑移，在壓裂時(shí)通常最初是 1條或幾條天然裂縫作為主裂縫開(kāi)啟，會(huì)使得近井帶裂縫復(fù)雜，裂縫寬度不足，導(dǎo)致加砂難甚至砂堵。同時(shí)，由于天然裂縫與人工裂縫方向趨于一致，人工裂縫在延伸過(guò)程中要溝通或開(kāi)啟更多側(cè)向天然裂縫則更難。對(duì)于這種情況，通常需采用多級(jí)暫堵技術(shù)等來(lái)提高裂縫復(fù)雜度，同時(shí)，為了避免近井帶的裂縫復(fù)雜增大施工風(fēng)險(xiǎn)，宜采用凍膠破巖技術(shù)。當(dāng)天然裂縫與最大水平主應(yīng)力方向接近垂直時(shí)，人工裂縫通常穿過(guò)天然裂縫，使用低黏滑溜水易開(kāi)啟人工裂縫側(cè)翼的天然裂縫，形成縫網(wǎng)系統(tǒng)。此時(shí)，可以考慮不使用暫堵技術(shù)，降低壓裂成本。而庫(kù)車山前天然裂縫中高角度裂縫占優(yōu)，在采用滑溜水壓裂時(shí)，有利于人工裂縫在延伸過(guò)程中通過(guò)開(kāi)啟高角度天然裂縫增大縱向上的縫控改造體積。

表2 庫(kù)車山前天然裂縫與地應(yīng)力方位的關(guān)系

2 提高縫控改造體積的關(guān)鍵問(wèn)題

研究表明[16]，體積改造技術(shù)是大幅提高油氣藏改造效果的關(guān)鍵，其核心理論為“打碎”儲(chǔ)集層，形成網(wǎng)絡(luò)裂縫，使裂縫壁面與儲(chǔ)集層基質(zhì)的接觸面積“最大”，儲(chǔ)集層流體從基質(zhì)滲流到裂縫的距離“最短”，基質(zhì)中流體向裂縫滲流所需壓差“最小”，進(jìn)而大幅提高單井產(chǎn)量，使儲(chǔ)量動(dòng)用最大化，提高油氣采收率。其技術(shù)特征主要體現(xiàn)在大排量、大液量、低黏滑溜水、小簇間距等。利用低黏滑溜水液體易于滲濾的特點(diǎn)，促使天然裂縫有效開(kāi)啟并擴(kuò)大波及體積[25]。近年來(lái)，針對(duì)地應(yīng)力差大、塑性特征強(qiáng)等不易“打碎”的儲(chǔ)集層，發(fā)展了縮小簇間距的“密切割”水平井“縫控”壓裂技術(shù)[17]。水平井縫控壓裂技術(shù)的內(nèi)涵是通過(guò)縮小簇間距來(lái)實(shí)現(xiàn)接觸面積的最大化，縮短基質(zhì)中流體滲流到裂縫的距離，不再著眼于是否“打碎”儲(chǔ)集層，這是與體積改造技術(shù)理念的最大區(qū)別，可以說(shuō)是體積改造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。針對(duì)庫(kù)車山前超深層的直井壓裂，體積改造技術(shù)的“最大、最短、最小”仍然可作為優(yōu)化設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)選的指南。平面上充分利用天然裂縫走向與最大水平主應(yīng)力方向呈近垂直的特點(diǎn)，通過(guò)使用低黏滑溜水增大人工裂縫的側(cè)向帶寬，采用多級(jí)暫堵與二次加砂等工藝構(gòu)建“人工主裂縫+多尺度天然裂縫”的縫網(wǎng)系統(tǒng)；縱向上充分利用天然裂縫以高角度縫為主的特征，通過(guò)凍膠破巖提高縱向上的天然裂縫開(kāi)啟程度，通過(guò)“軟”、“硬”分層的多層壓裂構(gòu)建“立體縫網(wǎng)”。

2.1 天然裂縫開(kāi)啟機(jī)制與條件

研究天然裂縫的開(kāi)啟，首先需研究壓裂過(guò)程中水力裂縫在儲(chǔ)集層巖石中的起裂與延伸機(jī)制。對(duì)于張性裂縫，通常認(rèn)為當(dāng)裂縫尖端表面的應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)臨界值（斷裂韌度）時(shí)，裂縫將開(kāi)啟并延伸。當(dāng)天然裂縫成為影響裂縫起裂與擴(kuò)展的主要因素時(shí)，需要研究建立三維空間中水力裂縫穿透天然裂縫的判別準(zhǔn)則[26-27]，確定人工裂縫與天然裂縫的耦合條件及形成的縫網(wǎng)形態(tài)。原地條件下的天然裂縫除受復(fù)雜多樣的內(nèi)在特征影響外，其開(kāi)啟主要與受力狀態(tài)和裂縫走向與最大水平主應(yīng)力方向夾角相關(guān)，夾角為 0～90°。天然裂縫面上受力可以分解為法向正應(yīng)力、剪應(yīng)力及裂縫內(nèi)部流體壓力，天然裂縫能否發(fā)生剪切或張性激活是 3種力相互作用的結(jié)果[26-28]。

根據(jù)耶格單弱面理論[29]，巖體中存在裂縫面、節(jié)理等弱面時(shí)，作用于弱面的有效正應(yīng)力和剪應(yīng)力按下式計(jì)算：

由（1）式、（2）式可知，弱面上的有效正應(yīng)力和剪應(yīng)力與最大、最小水平主應(yīng)力有關(guān)，并且隨弱面傾角的變化而變化。作用于天然裂縫處弱面的有效正應(yīng)力和剪應(yīng)力滿足破壞的臨界強(qiáng)度條件時(shí)，此弱面處于臨界受力平衡狀態(tài)，即達(dá)到力學(xué)上開(kāi)始破壞的條件。根據(jù)莫爾強(qiáng)度理論，儲(chǔ)集層天然裂縫處弱面的臨界強(qiáng)度條件表達(dá)式為：

（3）式為天然裂縫發(fā)生剪切破壞的臨界條件。在裂縫性儲(chǔ)集層改造施工過(guò)程中，人工裂縫與天然裂縫交會(huì)后，人工裂縫內(nèi)的高壓液體濾失到天然裂縫內(nèi)，天然裂縫內(nèi)流體壓力開(kāi)始升高，作用在天然裂縫上的有效正應(yīng)力減小，莫爾圓向左移動(dòng)，當(dāng)與臨界線相交時(shí)發(fā)生剪切破壞（見(jiàn)圖1）。根據(jù)克深134井的地應(yīng)力狀態(tài)（垂向應(yīng)力154 MPa、最大水平主應(yīng)力165 MPa、最小水平主應(yīng)力 134 MPa）和巖石力學(xué)典型參數(shù)（摩擦系數(shù)0.45，內(nèi)聚力4.0 MPa），采用（3）式計(jì)算天然裂縫發(fā)生剪切的臨界剪應(yīng)力，結(jié)果如圖 1所示。在初始地層壓力條件下，莫爾圓與臨界線未相交，即天然裂縫未發(fā)生剪切。施工過(guò)程中，天然裂縫內(nèi)流體壓力至少達(dá)到最小水平主應(yīng)力數(shù)值，取流體壓力達(dá)到最小水平主應(yīng)力時(shí)的莫爾圓（圖 1中紅色圓）進(jìn)行分析，此時(shí)莫爾圓與臨界線相交，因此目標(biāo)儲(chǔ)集層天然裂縫在施工過(guò)程中容易發(fā)生剪切。

圖1 庫(kù)車克深區(qū)塊施工改造過(guò)程中天然裂縫的應(yīng)力狀態(tài)變化

依據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則[30-31]研究得到了庫(kù)車山前天然裂縫動(dòng)態(tài)開(kāi)啟條件。以井深7 700 m為例，井底施工壓力達(dá)到151.7 MPa時(shí)，天然裂縫開(kāi)啟；井底施工壓力達(dá)到161.7 MPa時(shí)，天然裂縫開(kāi)啟率達(dá)到100%?？紤]人工裂縫延伸對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響，大部分天然裂縫在壓裂施工的縫內(nèi)凈壓力達(dá)到 8～12 MPa（井深6 000～8 000 m）時(shí)都被剪切激活，水力裂縫與天然裂縫能夠共同形成裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過(guò)人工裂縫與天然裂縫耦合模擬研究，得到了庫(kù)車山前超深儲(chǔ)集層改造形成復(fù)雜縫網(wǎng)的理論判識(shí)圖版（見(jiàn)圖 2）。涉及的關(guān)鍵參數(shù)如下：最大水平主應(yīng)力為135～150 MPa，應(yīng)力差為25～35 MPa，天然裂縫傾角為50°～80°，天然裂縫走向與最大水平主應(yīng)力方向的夾角為 25°～60°。以裂縫受到的剪應(yīng)力與有效正應(yīng)力之比作為裂縫開(kāi)啟形態(tài)的判據(jù)，當(dāng)其值與天然裂縫內(nèi)摩擦系數(shù)的比值大于0.45時(shí)，表示裂縫易產(chǎn)生剪切破壞。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究[16,32]，判斷主裂縫轉(zhuǎn)向與天然裂縫開(kāi)啟難易程度時(shí)，可引入無(wú)因次水平應(yīng)力差異系數(shù)（Kh）進(jìn)行表征，如（4）式所示。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(kāi)度越小，流體濾失進(jìn)入天然裂縫難度越大，天然裂縫開(kāi)啟的難度就越大。當(dāng)Kh值大于0.25時(shí)，通常形成主縫，天然裂縫開(kāi)啟難。根據(jù)庫(kù)車山前的應(yīng)力數(shù)據(jù)計(jì)算得到該區(qū)域水平應(yīng)力差異系數(shù)為 0.21，因此天然裂縫具有較好的開(kāi)啟能力。

圖2 庫(kù)車山前超深儲(chǔ)集層形成復(fù)雜縫網(wǎng)理論判識(shí)圖版

2.2 人工裂縫與天然裂縫耦合延伸規(guī)律

研究表明[27,33]，人工裂縫與天然裂縫的關(guān)系主要有3種類型5種形態(tài)：①人工裂縫接近但未達(dá)到天然裂縫就中止；②人工裂縫接觸到天然裂縫，分為達(dá)到天然裂縫就中止、開(kāi)啟天然裂縫并沿天然裂縫延伸兩種形態(tài)；③人工裂縫穿過(guò)天然裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，分為被穿過(guò)的天然裂縫仍保持閉合、開(kāi)啟并沿天然裂縫繼續(xù)延伸兩種形態(tài)。最后 1種形態(tài)是形成復(fù)雜縫網(wǎng)的最佳模式。但庫(kù)車山前的天然裂縫形態(tài)復(fù)雜，壓裂產(chǎn)生的人工裂縫與天然裂縫之間的關(guān)系可能是多種形態(tài)并存。

為研究人工裂縫與天然裂縫耦合交織形態(tài)和擴(kuò)展規(guī)律，開(kāi)展大型物理模擬實(shí)驗(yàn)，巖心樣品為庫(kù)車山前白堊系巴什基奇克組的巖心露頭，巖心露頭天然裂縫發(fā)育，與克深 134井區(qū)儲(chǔ)集層基本類似，三應(yīng)力狀態(tài)為走滑型，有利于形成剪切滑移裂縫。在編號(hào)為B1的巖樣上預(yù)置聲發(fā)射監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)全過(guò)程。實(shí)驗(yàn)設(shè)置三向地應(yīng)力值為：最大水平主應(yīng)力25 MPa，垂向應(yīng)力15 MPa，最小水平主應(yīng)力10 MPa，與庫(kù)車山前白堊系碎屑巖儲(chǔ)集層三向應(yīng)力關(guān)系一致，即垂向應(yīng)力介于最大、最小水平主應(yīng)力之間。實(shí)驗(yàn)用液為基液+凍膠（暫堵轉(zhuǎn)向）+基液，設(shè)計(jì)排量為30～390 mL/min，設(shè)計(jì)用液9 000 mL。實(shí)施4次壓裂（見(jiàn)圖3）：①逐級(jí)提排量基液壓裂 1次，停泵測(cè)壓降；②快速提排量基液壓裂1次，停泵測(cè)壓降；③注入凍膠+暫堵轉(zhuǎn)向劑壓裂1次；④注入基液實(shí)施第4次壓裂。從圖3可以看出，第 1次壓裂過(guò)程中，采用逐級(jí)提排量模式，壓力呈緩慢上升趨勢(shì)，體現(xiàn)了天然裂縫開(kāi)啟的特征，但在排量達(dá)到150 mL/min時(shí)，有人工裂縫開(kāi)啟的特征，與國(guó)外實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論一致[33]。第 2次壓裂快速提排量建立井底壓力，在排量達(dá)到150 mL/min時(shí)第2條人工裂縫開(kāi)啟，后續(xù)繼續(xù)提排量，壓力并沒(méi)隨排量上升而增加，只是出現(xiàn)小幅波動(dòng)，在忽略實(shí)驗(yàn)管路與縫內(nèi)摩阻影響的前提下，這是人工裂縫延伸與多級(jí)天然裂縫開(kāi)啟的結(jié)果。后續(xù)低排量注入凍膠壓裂液與暫堵劑，壓力與排量基本匹配，暫堵劑逐漸進(jìn)入井筒，尚未形成有效封堵。第4次壓裂排量為150 mL/min，壓力出現(xiàn)大幅增加并大幅波動(dòng)，這是暫堵劑壓實(shí)對(duì)液體進(jìn)入裂縫造成阻力以及多裂縫開(kāi)啟的結(jié)果。壓力響應(yīng)曲線充分體現(xiàn)了天然裂縫激活的特點(diǎn)。

圖3 巖樣B1裂縫擴(kuò)展模擬實(shí)驗(yàn)壓力響應(yīng)曲線

巖心切片觀測(cè)結(jié)果（見(jiàn)圖4）驗(yàn)證了壓力響應(yīng)曲線分析結(jié)果，可以看出，壓裂產(chǎn)生了 2條人工裂縫，并激活了很多天然裂縫，形成了有效的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。滲濾帶比較大，體現(xiàn)了在縫網(wǎng)作用下的面積驅(qū)替特征，說(shuō)明縫控體積得到大幅增加，也是對(duì)直井縫控壓裂可以形成較大波及帶寬的驗(yàn)證。對(duì)壓力響應(yīng)曲線進(jìn)行的G函數(shù)分析也體現(xiàn)了天然裂縫滲濾帶的上述特征，限于篇幅，不再詳述。

圖4 巖樣B1裂縫擴(kuò)展模擬實(shí)驗(yàn)后的切片剖面

2.3 天然裂縫導(dǎo)流能力

為評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層改造過(guò)程中天然裂縫不同激活模式及支撐劑濃度對(duì)其導(dǎo)流能力的影響，開(kāi)展了天然裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為剪切導(dǎo)流能力測(cè)試儀器，巖心樣品取自克深區(qū)塊某井并制作剪切巖心[34]。根據(jù)不同改造方式設(shè)計(jì)4種實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)表3）：①天然裂縫原始導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)；②天然裂縫剪切滑移導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)；③天然裂縫酸處理的導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)，共 2組；④天然裂縫張性開(kāi)啟+支撐劑支撐的導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)，設(shè)置不同支撐劑鋪置濃度，共 3組。人工制作剪切滑移裂縫，使用10%酸液，選用380/212 μm（40/70目）的高強(qiáng)度陶粒，模擬現(xiàn)場(chǎng)10%的砂比。設(shè)計(jì)的4種實(shí)驗(yàn)涵蓋庫(kù)車山前超深層儲(chǔ)集層改造主要工藝類型，可模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

表3 天然裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 5所示?？梢钥闯?，僅靠天然裂縫的開(kāi)啟難以提供足夠的裂縫導(dǎo)流能力，當(dāng)閉合應(yīng)力加載到 20 MPa后，導(dǎo)流能力下降明顯，在高閉合應(yīng)力（70 MPa）時(shí)，導(dǎo)流能力極低。剪切滑移裂縫比原始天然裂縫的導(dǎo)流能力高近 3個(gè)數(shù)量級(jí)。酸蝕裂縫比剪切滑移裂縫的導(dǎo)流能力提高10倍以上，天然裂縫發(fā)育的酸蝕縫比天然裂縫不發(fā)育的酸蝕縫導(dǎo)流能力更好。支撐裂縫的導(dǎo)流能力與支撐劑鋪置濃度成正相關(guān)，但高鋪置濃度裂縫的導(dǎo)流能力在高應(yīng)力下的優(yōu)勢(shì)不明顯。本文實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力的升高具有正常的遞減趨勢(shì)，但與使用鋼板評(píng)價(jià)支撐劑性能的常規(guī)實(shí)驗(yàn)相比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有明顯的波動(dòng)現(xiàn)象，這是因?yàn)樵诓煌]合應(yīng)力下巖板中天然裂縫開(kāi)啟程度不同，增加了研究含天然裂縫巖板導(dǎo)流能力的難度，需進(jìn)一步開(kāi)展更多實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行深入評(píng)價(jià)。

圖5 不同改造方式下天然裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

張開(kāi)型天然裂縫或者通過(guò)壓裂激活的天然裂縫在較低閉合應(yīng)力下具有一定的滲流能力，但對(duì)于庫(kù)車山前超深儲(chǔ)集層，高閉合應(yīng)力使得無(wú)支撐的張性裂縫導(dǎo)流能力極低（見(jiàn)圖5中實(shí)驗(yàn)1），難以具備有效滲流能力。如果壓裂能夠使天然裂縫及人工裂縫以剪切滑移模式開(kāi)啟，則具備較好的導(dǎo)流能力（見(jiàn)圖5中實(shí)驗(yàn)2）。在開(kāi)啟的天然裂縫中加入支撐劑獲得的導(dǎo)流能力最佳（見(jiàn)圖5中實(shí)驗(yàn)3—5）。庫(kù)車山前超深井特征限制了水平井的應(yīng)用，直井壓裂是必然的選擇，由于該區(qū)域兩向應(yīng)力差大，形成復(fù)雜縫網(wǎng)難度大。因此，需充分利用天然裂縫與人工裂縫之間的夾角關(guān)系，以及三應(yīng)力狀態(tài)決定的人工裂縫主要為剪切滑移縫的特點(diǎn)，采取相應(yīng)的技術(shù)對(duì)策，即：酸化溶蝕天然裂縫中的充填物，降低天然裂縫開(kāi)啟所需凈壓力；利用低黏滑溜水的側(cè)向滲濾能力激活天然裂縫；通過(guò)優(yōu)化排量與黏度的乘積[32]并結(jié)合凍膠組合多級(jí)暫堵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人工主縫與天然裂縫的交織溝通；優(yōu)選小粒徑支撐劑使其能夠進(jìn)入到更多的縫網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)支撐劑的有效鋪置，形成具有“主縫+支縫”的多級(jí)支撐有效縫控體積。

3 提高縫控改造體積的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 縫內(nèi)暫堵與二次壓裂技術(shù)

根據(jù)庫(kù)車山前儲(chǔ)集層天然裂縫產(chǎn)狀特征及大型物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該區(qū)域有通過(guò)壓裂酸化形成復(fù)雜縫網(wǎng)的基礎(chǔ)，但高應(yīng)力差提高了形成復(fù)雜縫網(wǎng)的難度。針對(duì)該區(qū)域多以直井壓裂為主的現(xiàn)狀，提出多級(jí)暫堵技術(shù)思路，力求通過(guò)暫堵來(lái)改變壓裂液在地層中的滲流方式。為此，選取庫(kù)車山前白堊系含天然裂縫露頭開(kāi)展縫內(nèi)暫堵已開(kāi)啟天然裂縫的物理模擬實(shí)驗(yàn)。該區(qū)域天然裂縫較發(fā)育，密度為 0.5～3.0條/m，以半充填—全充填裂縫為主，與最大水平主應(yīng)力方向夾角為45°～60°，裂縫傾角為 50°～70°，高角度裂縫普遍發(fā)育，能夠通過(guò)儲(chǔ)集層改造開(kāi)啟天然裂縫，縱向溝通更多小層，加強(qiáng)超深巨厚儲(chǔ)集層縱向動(dòng)用。因此，用該區(qū)域的巖心露頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)具有代表性。

利用中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司油氣藏改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大型物理模擬裝置開(kāi)展相關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)。庫(kù)車山前砂巖露頭樣品（編號(hào) A12）參數(shù)如下：彈性模量10～22 GPa，泊松比 0.22～0.23，巖石體積壓縮系數(shù)（2～5）×10-4MPa-1，抗壓強(qiáng)度 91～160 MPa，露頭含有多條不規(guī)則天然裂縫，裂縫開(kāi)度0.1～0.2 mm，有泥質(zhì)或方解石充填。實(shí)驗(yàn)加載最大水平主應(yīng)力30 MPa，最小水平主應(yīng)力10 MPa，垂向應(yīng)力20 MPa，滿足產(chǎn)生剪切裂縫的三應(yīng)力條件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，采用兩種壓裂液，即基液（0.3%胍膠，加入紅色示蹤劑）和暫堵凍膠壓裂液（0.3%胍膠+1%纖維+交聯(lián)劑，加入綠色示蹤劑）。裂縫診斷技術(shù)為熒光示蹤劑跟蹤和巖心樣品切割分析。先注入基液壓裂 1條主裂縫，再注入暫堵壓裂液，停泵測(cè)壓降，然后實(shí)施二次壓裂，驗(yàn)證二次壓裂是否具有轉(zhuǎn)向作用。

從圖6可以看出，第1次注入基液壓裂液，注液排量從10 mL/min提高到30 mL/min，并穩(wěn)定在30 mL/min，壓力上升曲線斜率大，建立井底壓力明顯，在16.89 MPa時(shí)巖石破裂，并形成第1條主縫。然后壓力迅速下降到5.95 MPa，延伸壓力在5.95～6.37 MPa，壓力略有上升，反映裂縫正常延伸，計(jì)算井底凈壓力為12.5 MPa，停泵第1次測(cè)壓降。注入凍膠壓裂液20 min，壓力基本保持穩(wěn)定，主要體現(xiàn)纖維暫堵劑逐漸沉降堆積的過(guò)程，但尚未實(shí)現(xiàn)封堵。然后換基液壓裂將攜帶暫堵劑的凍膠壓裂液推進(jìn)裂縫，可以看到壓力逐漸上升的過(guò)程，體現(xiàn)纖維暫堵劑被逐漸壓實(shí)的過(guò)程，暫堵逐漸見(jiàn)效。壓力達(dá)到35.13 MPa時(shí)巖石產(chǎn)生破裂，與第1次巖石破裂相比，破裂壓力提升了18.24 MPa，說(shuō)明暫堵劑對(duì)第1條裂縫的封堵效果明顯。隨后壓力下降，第1條轉(zhuǎn)向裂縫開(kāi)啟，然后迅速二次憋壓，壓力上升到38.57 MPa時(shí)開(kāi)啟了第2條轉(zhuǎn)向裂縫，裂縫閉合的縫內(nèi)凈壓力為14.31 MPa，比主縫開(kāi)啟時(shí)高約7.8 MPa，這個(gè)增高的壓力是多裂縫的特征。第2次停泵測(cè)壓降后，注入基液壓裂液，壓力上升到43.55 MPa時(shí)地層再次破裂，開(kāi)啟第3條轉(zhuǎn)向縫。在壓裂液的后續(xù)注入過(guò)程中，壓力產(chǎn)生多次波動(dòng)并逐漸下降，這是因?yàn)樵诘?3條轉(zhuǎn)向縫開(kāi)啟之后，有更多裂縫系統(tǒng)不斷被打開(kāi)，濾失不斷加大?？p內(nèi)凈壓力及停泵壓力的逐漸增加，主要反映了纖維暫堵劑增加的有效封堵阻力以及多裂縫開(kāi)啟增加的縫內(nèi)凈壓力。實(shí)驗(yàn)壓力響應(yīng)曲線充分體現(xiàn)了暫堵轉(zhuǎn)向多天然裂縫開(kāi)啟的特征。由圖 7可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)后的切割巖樣與熒光示蹤劑分布形態(tài)證實(shí)了圖 6曲線所反映的結(jié)果。主裂縫剖面的紅色示蹤劑顯示出全剖面開(kāi)啟的形態(tài)，后續(xù)注入的暫堵凍膠（綠色）也進(jìn)入了主裂縫，3條轉(zhuǎn)向裂縫清晰可見(jiàn)。特別在近井眼帶綠色示蹤劑體現(xiàn)出多天然裂縫開(kāi)啟的特征，驗(yàn)證了暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向，形成復(fù)雜縫網(wǎng)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了形成小間距、密集裂縫的可能性，也驗(yàn)證了小簇間距多裂縫延伸并匯聚成1條裂縫的現(xiàn)象，驗(yàn)證了水平井多簇壓裂中1簇就是1條裂縫的觀點(diǎn)。對(duì)于第1條轉(zhuǎn)向縫，在近井眼帶有2條近平行的裂縫，然后合并成1條裂縫，與北美水力壓裂試驗(yàn)場(chǎng)壓后鉆井取心看到的“裂縫群”現(xiàn)象[35-36]一致。“裂縫群”的形成機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

圖6 巖樣A12壓裂暫堵轉(zhuǎn)向壓力響應(yīng)曲線

圖7 巖樣A12壓裂暫堵轉(zhuǎn)向多裂縫開(kāi)啟效果

對(duì)巖樣B1也進(jìn)行了暫堵轉(zhuǎn)向與微地震監(jiān)測(cè)結(jié)合的大型物理模擬實(shí)驗(yàn)。由于壓力曲線大幅波動(dòng)（見(jiàn)圖3），在微地震監(jiān)測(cè)中見(jiàn)到了很好的轉(zhuǎn)向效果（見(jiàn)圖8）。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的最大水平主應(yīng)力方向?yàn)槟媳毕颍慈斯ち芽p擴(kuò)展方向），第1次壓裂采用逐級(jí)提排量的模式，圖8a中用不同顏色的微地震事件對(duì)應(yīng)相應(yīng)的施工階段，綠色點(diǎn)為第1個(gè)提排量階段，藍(lán)色點(diǎn)為逐級(jí)提排量到最高階段，紅色點(diǎn)為停泵后的壓力下降階段，可以看出微地震事件基本在井眼周圍出現(xiàn)，不遵循人工裂縫沿最大水平主應(yīng)力方向延伸的力學(xué)特征，驗(yàn)證了采用逐級(jí)提排量方式僅能開(kāi)啟近井帶天然裂縫、沒(méi)有人工裂縫產(chǎn)生的研究認(rèn)識(shí)[32]。第 2次壓裂后，采用快速提排量模式，圖8b中用兩種顏色標(biāo)識(shí)微地震事件，紅色點(diǎn)為正常實(shí)驗(yàn)階段，綠色點(diǎn)為停泵后壓力下降階段，微地震事件呈南北向分布，裂縫擴(kuò)展以井眼的南區(qū)為主，反映人工裂縫受巖石天然裂縫影響，向南延伸更易，還說(shuō)明有明顯的人工裂縫產(chǎn)生，驗(yàn)證了快速建立井底壓力形成人工裂縫的研究認(rèn)識(shí)[33]。加入暫堵劑實(shí)施壓裂（第3、4次壓裂）后，微地震事件分布區(qū)域明顯改變，可以分為4個(gè)階段：①第3次壓裂，注入暫堵劑時(shí)，排量較低（60 mL/min），微地震事件（圖8c中綠色點(diǎn)）基本還是在井眼周圍，往西有一定程度的擴(kuò)展，這是天然裂縫的作用；②第4次壓裂，以排量150 mL/min注入基液，壓力曲線逐漸升高，并達(dá)到最高值，這段時(shí)間的微地震事件（圖 8c中藍(lán)色點(diǎn)）既有向西的擴(kuò)展，也有向正北與東北方向偏轉(zhuǎn)，反映出纖維暫堵了原裂縫起裂方向，裂縫開(kāi)始轉(zhuǎn)向，圖 8c可以看到明顯的兩條裂縫帶的微地震事件（藍(lán)色點(diǎn)），與圖4巖心切片看到的2條人工裂縫有一致性；③壓力從最高值經(jīng)過(guò)幾次波動(dòng)下降到11.32 MPa時(shí)，微地震事件（圖8c中粉紅色點(diǎn)）呈多方位分布，反映出多方位下的天然裂縫開(kāi)啟或新的裂縫產(chǎn)生，但主要是在第 2次壓裂起裂（以射孔孔眼為基點(diǎn)往南）的北邊區(qū)域擴(kuò)展（正北與東北方向?yàn)橹鳎?，說(shuō)明第2次壓裂及本次暫堵壓裂向南邊擴(kuò)展的裂縫被有效封堵；④壓力從11.32 MPa升高到19.48 MPa，后續(xù)呈小幅波動(dòng)，微地震事件（圖8c中紅色點(diǎn)）分布反映出在③階段裂縫擴(kuò)展的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)向裂縫在孔眼北區(qū)呈現(xiàn)近東西向的擴(kuò)展形態(tài)，且擴(kuò)大了東北方向的波及體積。

圖8 巖樣B1聲發(fā)射監(jiān)測(cè)事件響應(yīng)俯視圖（不同顏色點(diǎn)代表不同壓裂階段微地震事件）

對(duì)比第2次壓裂時(shí)主縫在井眼南區(qū)且呈南北向延伸的特征，以及第3次壓裂（加暫堵劑實(shí)施封堵）與第4次壓裂（暫堵劑封堵后的壓裂）的微地震形態(tài)，并結(jié)合圖4等分析可以得到以下認(rèn)識(shí)：①在人工裂縫沿最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展的同時(shí)，巖樣的天然裂縫走向影響人工裂縫擴(kuò)展方向（并不一定以射孔孔眼為原點(diǎn)形成對(duì)稱裂縫）；②發(fā)育的天然裂縫增大了人工裂縫在側(cè)向的波及帶寬，人工裂縫與天然裂縫有效耦合可以形成復(fù)雜縫網(wǎng)體系；③大型物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了暫堵轉(zhuǎn)向與二次壓裂技術(shù)對(duì)形成復(fù)雜縫網(wǎng)的作用，證實(shí)了北美相關(guān)研究結(jié)論，即：逐級(jí)提排量開(kāi)啟近井帶天然裂縫系統(tǒng)，快速提排量在近井帶形成人工主裂縫。

3.2 提高縫控體積與支撐效率的液體技術(shù)

3.2.1 加重壓裂液技術(shù)

加重壓裂液技術(shù)始于塔里木的超深井壓裂酸化，破解了井口施工壓力受限的工程難題。如果超深井的垂深以7 000 m計(jì)，采用加重壓裂液技術(shù)，相同施工排量下（小于5 m3/min），可降低井口壓力8～20 MPa，提高井底凈壓力10～20 MPa，有利于提高激活并開(kāi)啟天然裂縫的概率，增加縫網(wǎng)復(fù)雜程度。

針對(duì)塔里木油田“三超”井壓裂難題，中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院與塔里木油田公司于2002年開(kāi)始合作研究加重壓裂液技術(shù)，先后研發(fā)了耐溫180 ℃的氯化鉀（最大密度1.17 g/cm3）、溴化鈉（最大密度1.50 g/cm3）、硝酸鈉（最大密度1.35 g/cm3）等3套加重壓裂液體系。盡管硝酸鈉加重壓裂液具有高性能低成本的優(yōu)勢(shì)，并得到廣泛應(yīng)用，但隨著塔里木油田安全與環(huán)保要求的提高，硝酸鈉加重壓裂液體系的應(yīng)用受到限制。為此，研發(fā)了以氯化鈣為加重材料的新型綠色環(huán)保低成本加重壓裂液[37]，最大密度1.42 g/cm3，同時(shí)研發(fā)了配套的耐鹽聚合物稠化劑、新型耐鹽交聯(lián)劑，使得該體系具有良好的耐高溫流變剪切性能，最高耐溫200 ℃（見(jiàn)圖9，攜砂能力強(qiáng)，破膠徹底、傷害低。特別是該體系突破了工業(yè)氯化鈣難以形成耐溫性能良好的壓裂液、破膠難等技術(shù)瓶頸。研發(fā)了配套的耐鹽緩蝕劑，解決了高鹽溶液在高溫下對(duì)完井管柱的應(yīng)力腐蝕問(wèn)題。該新型加重壓裂液在塔里木油田超深井進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)并取得成功。

圖9 氯化鈣加重壓裂液200 ℃下流變曲線

3.2.2 低黏高彈壓裂液技術(shù)

天然裂縫激活理論、大型物理模擬實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐均證實(shí)[8,31-32]，低黏壓裂液更易進(jìn)入天然裂縫弱面，提高天然裂縫內(nèi)流體壓力，使天然裂縫開(kāi)啟，并形成復(fù)雜縫網(wǎng)。凍膠壓裂就是利用液體高黏特征，控制液體在裂縫壁面的濾失，使壓裂液沿主縫延伸，實(shí)現(xiàn)造長(zhǎng)縫的目的。因此，塔里木“三超”井壓裂難以像頁(yè)巖油氣一樣實(shí)現(xiàn)大排量的體積改造。在有限的排量范圍內(nèi)，應(yīng)該利用低黏液體易滲濾特征，建立足夠開(kāi)啟天然裂縫的縫內(nèi)凈壓力，并使支撐劑能夠運(yùn)移較遠(yuǎn)的距離，進(jìn)入主縫及各級(jí)分支裂縫中。超深井壓裂難以提高排量，用凍膠攜砂提高壓裂液的懸砂性又會(huì)加大形成復(fù)雜縫的難度，為兼顧擴(kuò)大波及體積與高效攜砂，研發(fā)低黏高彈壓裂液體系是最佳途徑。中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院研發(fā)了高溫低黏高彈壓裂液，該體系耐溫180 ℃，170 s-1下剪切 120 min，黏度大于 50 mPa·s。該液體的黏彈性測(cè)試數(shù)據(jù)為：120 ℃配方，儲(chǔ)能模量為30.77 Pa，耗能模量為7.55 Pa；170 ℃配方，儲(chǔ)能模量為41.32 Pa，耗能模量為8.73 Pa。該數(shù)據(jù)明顯高于其他一些壓裂液體系，體現(xiàn)了該體系具有較好的攜砂性能。使用0.5%乳液，壓裂液初始黏度75 mPa·s，加入550/270 μm（30/50目）陶粒，砂比18%，在140 ℃高溫下放置20，60，120 min，支撐劑的沉降高度分別為0，5，12 cm，表現(xiàn)出該液體具有較強(qiáng)的耐高溫靜態(tài)攜砂能力，有利于將支撐劑輸送到裂縫更遠(yuǎn)處。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，還可以進(jìn)一步降低液體黏度，同時(shí)采用212/109 μm（70/140目）小粒徑支撐劑，可以兼顧提高波及體積和使支撐劑進(jìn)入微細(xì)天然裂縫，提高縫網(wǎng)支撐效果，有利于提高縫控改造體積。

4 提高縫控改造體積的工藝技術(shù)及應(yīng)用效果

4.1 多級(jí)縫網(wǎng)酸壓技術(shù)

針對(duì)天然裂縫極發(fā)育的儲(chǔ)集層，形成多級(jí)縫網(wǎng)復(fù)合酸壓改造技術(shù)。液體體系為滑溜水、線性膠、土酸體系、高溫膠凝酸，采用多級(jí)復(fù)合改造工藝模式。多層一次射孔，射孔厚度達(dá)到小層厚度的 70%。采用投球暫堵分層工藝，暫堵分層材料為可降解、多尺度（直徑1，3，6，8 mm）組合顆粒暫堵小球，絲狀、粉末狀可降解暫堵劑等，140 ℃、5 h降解率大于95%。單井施工液量800～1 500 m3，排量4.0～6.5 m3/min。

典型井克深907井，射孔井段7 487.5～7 577.0 m，跨度89.5 m，射孔厚度41.5 m/10層，并根據(jù)鉆井漏失與天然裂縫分布狀況，將10個(gè)射孔小層分2級(jí)實(shí)施多級(jí)暫堵酸壓。該儲(chǔ)集層三應(yīng)力狀態(tài)為垂向應(yīng)力居中，裂縫開(kāi)啟形態(tài)為剪切滑移裂縫。暫堵轉(zhuǎn)向壓力上升16.26 MPa，轉(zhuǎn)向效果明顯。酸壓后測(cè)試產(chǎn)氣 94.8×104m3/d（9 mm油嘴，油壓93.8 MPa），效果顯著。

4.2 多級(jí)暫堵縫網(wǎng)加砂壓裂技術(shù)

針對(duì)天然裂縫較發(fā)育的儲(chǔ)集層，形成多級(jí)暫堵縫網(wǎng)加砂復(fù)合壓裂改造技術(shù)。采用滑溜水與耐高溫加重凍膠壓裂液復(fù)合壓裂，最大化提高施工排量，力求近井帶建立高導(dǎo)流人工裂縫，遠(yuǎn)井帶溝通并開(kāi)啟天然裂縫，形成“人工裂縫+天然裂縫”的縫網(wǎng)系統(tǒng)。加重液體分別為硝酸鈉加重壓裂液（密度1.35 g/cm3，耐溫180 ℃）和氯化鉀加重壓裂液（含25% KCl，密度1.15 g/cm3，耐溫 160 ℃）。采用分簇射孔技術(shù)（8～12簇），射孔厚度占凈儲(chǔ)集層厚度的 30%～40%，根據(jù)多簇限流模式優(yōu)化射孔厚度與射孔數(shù)。采用“可降解絲狀纖維+陶?！睍憾罗D(zhuǎn)向與二次加砂壓裂技術(shù)。單井施工液量800～3 500 m3，砂量 28～160 m3，排量 5.0～12.0 m3/min。

典型井博孜104井，射孔井段6 757.0～6 850.0 m，射孔厚度36.0 m，按分簇射孔模式分為2簇8小層射孔。采用“纖維+陶?！睍憾录岸螇毫鸭夹g(shù)提高裂縫復(fù)雜程度，技術(shù)組合模式為凍膠破巖形成主縫從而建立足夠縫內(nèi)凈壓力開(kāi)啟裂縫+滑溜水激活側(cè)向天然裂縫并擴(kuò)大波及體積+線性膠攜砂提高支撐劑運(yùn)移距離和有效支撐能力。施工液量1 110.81 m3，加砂量50.0 m3，最高施工壓力105.7 MPa，最大排量5.7 m3/min，壓后測(cè)試產(chǎn)氣58.5×104m3/d，產(chǎn)油20.8 t/d（7 mm油嘴，油壓82.0 MPa）。博孜104井儲(chǔ)集層物性在本區(qū)屬中等，壓裂后產(chǎn)量明顯高于鄰井。

典型井博孜9井，射孔層段7 677.0～7 760.5 m，射孔厚度68.5 m/5層，發(fā)育20條天然裂縫，且天然裂縫走向與最大水平主應(yīng)力方向之間夾角為85°，有利于人工裂縫與天然裂縫相交形成復(fù)雜縫網(wǎng)。彈性模量25 509～26 693 MPa，泊松比0.25～0.28，三應(yīng)力狀態(tài)為垂向應(yīng)力居中，壓裂易產(chǎn)生剪切滑移縫，有利于采用體積改造技術(shù)。根據(jù)天然裂縫與物性特征分為 2級(jí)暫堵分壓，采用“層間投球暫堵分層+縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向”組合工藝，液體類型為滑溜水+加重胍膠壓裂液，優(yōu)化組合小粒徑支撐劑（212/109 μm（70/140目）+380/212 μm（40/70目）+550/270 μm（30/50目）），施工排量 4.5～5.3 m3/min，施工壓力 100～116 MPa，施工液量 898 m3，砂量53 m3，壓后測(cè)試產(chǎn)油167 t/d，產(chǎn)氣70.5×104m3/d（8 mm油嘴，油壓94 MPa）。該井壓裂取得成功，實(shí)現(xiàn)了近8 000 m儲(chǔ)集層的體積改造，為庫(kù)車山前博孜9區(qū)塊獲得超過(guò)千億立方米天然氣資源量做出了貢獻(xiàn)。

4.3 縱向多級(jí)分層改造技術(shù)

對(duì)于天然裂縫欠發(fā)育的巨厚儲(chǔ)集層，采用機(jī)械多級(jí)分層，分層數(shù)多，施工風(fēng)險(xiǎn)大，研發(fā)形成單一工具大段分層，段內(nèi)投球暫堵實(shí)現(xiàn)細(xì)分小層的“軟、硬”結(jié)合多級(jí)分層改造技術(shù)，在縱向上提高裂縫控藏能力，實(shí)現(xiàn)連續(xù)巨厚儲(chǔ)集層的全剖面動(dòng)用。

典型井克深1002井，改造井段6 805.0～7 020.0 m，厚度215 m，溫度154 ℃，壓力103 MPa，用投球滑套工具分2層，層內(nèi)轉(zhuǎn)向球+大顆?？v向暫堵，分7簇，施工排量3.0～6.5 m3/min，施工壓力110～118 MPa，液量 2 560 m3，支撐劑 159 m3，其中 380/212 μm（40/70目）高強(qiáng)度陶粒150 m3，尾追550/270 μm（30/50目）覆膜砂9 m3，壓后測(cè)試產(chǎn)氣74×104m3/d（9 mm油嘴，油壓77 MPa）。該技術(shù)已累計(jì)應(yīng)用26井次，單井平均無(wú)阻流量提高4.92倍，產(chǎn)氣剖面測(cè)試表明儲(chǔ)集層的改造動(dòng)用程度更加充分，體現(xiàn)了建立“立體縫網(wǎng)”提高縱向裂縫控藏能力的效果。

4.4 加重液重復(fù)壓裂技術(shù)

利用加重液降低井口施工壓力，使難以實(shí)施加砂壓裂改造的井實(shí)現(xiàn)壓裂改造，提高有效裂縫長(zhǎng)度與波及體積?？松?3井（7 430 m）早期采用酸壓改造，施工排量1.2～4.3 m3/min，施工壓力48.3～117.5 MPa，酸壓后測(cè)試產(chǎn)量為 6.45×104m3/d（4 mm油嘴，油壓43.91 MPa），酸壓效果未達(dá)到預(yù)期要求。后采用硝酸鈉加重液實(shí)施重復(fù)壓裂，排量提高到4.0～5.0 m3/min，施工壓力99.0～115.0 MPa，在排量提高的情況下施工壓力略有下降。壓后測(cè)試產(chǎn)量達(dá)到34.38×104m3/d（6 mm油嘴，油壓74.22 MPa），壓后油壓比酸壓后油壓增加69%，可以看出遠(yuǎn)端儲(chǔ)集層供氣能力大幅增加，說(shuō)明加重液重復(fù)壓裂獲得了更好的裂縫系統(tǒng)與更大的波及體積，使得儲(chǔ)集層裂縫控藏能力大幅提升。該技術(shù)在克深 13井控制的構(gòu)造區(qū)塊落實(shí)天然氣資源量超200×108m3，為此，該區(qū)塊2020年規(guī)劃布井12口，規(guī)劃產(chǎn)能10×108m3，2021年底完成布井計(jì)劃，區(qū)塊穩(wěn)產(chǎn)460×104m3/d，實(shí)際建產(chǎn)16.5×108m3，加重液重復(fù)壓裂技術(shù)起到了重要作用。

4.5 總體應(yīng)用效果

塔里木油田“三超”井的儲(chǔ)集層改造不斷挑戰(zhàn)工程極限，酸壓改造深度從2011年的8 023 m（克深7井）提高到2019年的8 882 m（輪探1井），加砂壓裂的改造深度從2010年的6 930 m（大北301井）提高到2019年的7 800 m（博孜9井），儲(chǔ)集層溫度從150 ℃提高到190 ℃。塔里木盆地庫(kù)車前陸沖斷帶埋深跨度大（5 500～8 500 m），受壓實(shí)作用影響，儲(chǔ)集層基質(zhì)較致密，天然裂縫較發(fā)育，傳統(tǒng)壓裂工藝難以滿足儲(chǔ)集層改造的需求。中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院與塔里木油田通過(guò)多年共同研究與實(shí)踐，以大幅提升裂縫控藏能力與波及體積為目標(biāo)，形成了縫網(wǎng)酸壓、多級(jí)暫堵轉(zhuǎn)向與二次壓裂工藝相結(jié)合的縫網(wǎng)壓裂、縱向上“軟、硬”結(jié)合的“立體縫網(wǎng)”多級(jí)分壓、加重液重復(fù)壓裂等適合庫(kù)車山前的縫控改造技術(shù)與配套工藝，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用近150井次，改造后單井無(wú)阻流量增加3～6倍。截止到 2021年底，庫(kù)車山前天然氣年產(chǎn)量（270～280）×108m3，平均單井產(chǎn)量45×104m3/d，部分區(qū)塊應(yīng)用該技術(shù)后解決了探井低產(chǎn)、區(qū)塊儲(chǔ)量無(wú)法落實(shí)、開(kāi)發(fā)無(wú)效益的難題，支撐了勘探突破及儲(chǔ)量升級(jí)?？p控改造技術(shù)成為落實(shí)庫(kù)車前陸盆地萬(wàn)億立方米氣田群儲(chǔ)量規(guī)模與提升開(kāi)發(fā)效果的重要技術(shù)手段。

5 結(jié)論及建議

庫(kù)車山前“三超”井的儲(chǔ)集層條件有利于大面積應(yīng)用體積改造技術(shù)。本區(qū)三應(yīng)力狀態(tài)屬于垂向應(yīng)力居中，壓裂產(chǎn)生裂縫以剪切滑移裂縫為主，為實(shí)施體積改造提高裂縫控藏能力提供了良好的條件。主力層段天然裂縫發(fā)育，其中剪切縫占比 80%，高角度（大于60°）裂縫占比超過(guò)50%，有利于利用高角度天然裂縫提高縱向剖面動(dòng)用率。天然裂縫走向與最大水平主應(yīng)力方向近垂直，利用體積改造低黏液體有利濾失的技術(shù)理念，通過(guò)低黏壓裂液激活主裂縫側(cè)向的天然裂縫系統(tǒng)并使其延伸，可以增大側(cè)向波及帶寬，提高波及體積。

庫(kù)車山前“三超”井部分儲(chǔ)集層致密，天然裂縫不發(fā)育，或者改造技術(shù)應(yīng)用不到位，導(dǎo)致改造后中低產(chǎn)井占比在40%左右。大型物理模擬實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，對(duì)該類儲(chǔ)集層須采用體積改造技術(shù)，優(yōu)化技術(shù)對(duì)策與設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)暫堵轉(zhuǎn)向及二次壓裂等人工干預(yù)技術(shù)來(lái)提高縫控改造體積，提高對(duì)該類儲(chǔ)集層的改造效果。

庫(kù)車山前超深層的三應(yīng)力條件滿足剪切應(yīng)力與有效正應(yīng)力之比大于摩擦系數(shù)（0.45）的條件，剪切裂縫成為裂縫開(kāi)啟的主要特征。大部分天然裂縫在壓裂施工時(shí)的縫內(nèi)凈壓力達(dá)到 8～12 MPa，具備形成多尺度復(fù)雜縫網(wǎng)的力學(xué)條件。應(yīng)力差異系數(shù) 0.21，遠(yuǎn)小于僅形成主縫的條件（大于0.25），天然裂縫具有良好的開(kāi)啟能力。這些條件為該區(qū)域?qū)嵤┨岣呖p控改造體積的壓裂技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。

大型物理模擬與微地震結(jié)合實(shí)驗(yàn)表明，采用的暫堵轉(zhuǎn)向、二次壓裂可以實(shí)現(xiàn)多次裂縫轉(zhuǎn)向，為現(xiàn)場(chǎng)采用相關(guān)應(yīng)用技術(shù)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。從巖樣上觀測(cè)到沿主裂縫的側(cè)向滲濾帶寬與有效滲濾帶現(xiàn)象，體現(xiàn)了人工裂縫與天然裂縫具有有效耦合作用，驗(yàn)證了直井體積改造利用低黏壓裂液能夠增加裂縫側(cè)向帶寬的理論推斷，為直井實(shí)施體積改造提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

結(jié)合大型物理模擬實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，形成了 4套適合庫(kù)車山前不同類型儲(chǔ)集層提高縫控改造體積的工藝技術(shù)，即：縫網(wǎng)酸壓技術(shù)、多級(jí)暫堵轉(zhuǎn)向與二次壓裂工藝相結(jié)合、縱向“軟、硬”結(jié)合的多層分壓技術(shù)、加重液重復(fù)壓裂技術(shù)。形成了相應(yīng)的工藝方法與液體，即：直井多簇射孔優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、多級(jí)暫堵+二次壓裂組合方法、“凍膠破巖+滑溜水?dāng)y砂+小粒徑支撐劑”的逆混合體積改造工藝以及低黏高彈壓裂液、新型環(huán)保加重壓裂液等。

建議開(kāi)展超低摩阻機(jī)制及超低摩阻壓裂液體系的研究，深化研究加重壓裂液的降阻機(jī)制，提高降阻能力，開(kāi)展超深層超高溫分壓工具攻關(guān)，豐富超深儲(chǔ)集層體積改造技術(shù)手段，為萬(wàn)米特深領(lǐng)域油氣儲(chǔ)集層高效勘探開(kāi)發(fā)儲(chǔ)備儲(chǔ)集層改造技術(shù)。

致謝：本文撰寫過(guò)程得到中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院胥云教授悉心指導(dǎo)，中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院徐敏杰、王麗偉、修乃嶺、韓秀玲、王遼、高瑩等參與了部分工作，在此一并表示感謝。

符號(hào)注釋：

Kh——水平應(yīng)力差異系數(shù)，無(wú)因次；pp——孔隙壓力，MPa；β——弱面傾角，（°）；μ——摩擦系數(shù)，無(wú)因次；σH，σh——最大、最小水平主應(yīng)力，MPa；σn——有效正應(yīng)力，MPa；τ——剪應(yīng)力，MPa；τ0——內(nèi)聚力強(qiáng)度，MPa；τc——臨界剪應(yīng)力，MPa。