裂縫性油氣藏水力裂縫與天然裂縫的干擾機(jī)理

裂縫性油氣藏水力裂縫與天然裂縫的干擾機(jī)理

裂縫砂巖和碳酸鹽巖油藏的水力壓裂儲(chǔ)層存在非連續(xù)體，主要是天然裂縫的完全發(fā)育，這往往對(duì)裂縫的擴(kuò)張和裂縫形狀的形成有重要影響。國外一些研究人員的研究表明,天然裂縫的存在影響了水壓裂縫的擴(kuò)展。Blanton認(rèn)為水力裂縫與天然裂縫之間的逼近角和水平主應(yīng)力差是影響水力裂縫走向的主要因素,但是在他的研究中忽略了流體濾失的影響。Warpinski和Teufe認(rèn)為水力裂縫與天然裂縫發(fā)生干擾時(shí),天然裂縫容易發(fā)生剪切破壞。Renshaw和Blair的研究表明,水力裂縫垂直非連續(xù)體擴(kuò)展時(shí),流體首先會(huì)沿著界面滲透;在界面上滲透一定距離之后,水力裂縫會(huì)突破界面沿著原方向擴(kuò)展。Beugelsdiji的研究表明,除了水平主應(yīng)力差的影響之外,在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)下,水力裂縫更加容易與天然裂縫干擾。金衍的研究考慮了天然裂縫走向和傾角的影響,提出了水力裂縫在井壁處三種起裂方式,并建立了相應(yīng)的起裂壓力計(jì)算模型;張廣清進(jìn)行研究了水平井水力裂縫非平面擴(kuò)展機(jī)理。筆者采用大尺寸真三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)物理模擬,研究了天然裂縫和地應(yīng)力對(duì)水力裂縫擴(kuò)展及裂縫形態(tài)的影響。1試驗(yàn)材料和方法1.1現(xiàn)場(chǎng)模型材料由經(jīng)典壓裂理論得知,水力裂縫在遠(yuǎn)場(chǎng)沿著垂直于最小水平主地應(yīng)力方向擴(kuò)展。試驗(yàn)中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的模型做了簡化。假設(shè):水力裂縫從直井裸眼井壁起裂,在沿著最大水平主應(yīng)力方向與一條中等程度的閉合天然裂縫干擾相交。人造巖樣平面示意圖見圖1。其中:θ為逼近角;σH和σh分別為水平最大主應(yīng)力和水平最小主應(yīng)力(圖1)。1.2巖樣的壓裂試驗(yàn)檢測(cè)試樣為0.3m×0.3m×0.3m的立方體,材質(zhì)為人造混凝土巖樣,由專用模具來制作。在澆鑄試樣的過程中,將模擬井筒(特制鋼管)預(yù)置在試樣中,在井筒的下部接有長為50mm的特制硬紙短管,以便試樣凝固后在其中部形成一裸眼井段。模擬壓裂時(shí),由于該部分井筒強(qiáng)度較小,將在該井段形成初始裂縫。預(yù)置的裂縫為長19.5cm、寬10cm的普通A4打印紙。水力裂縫與天然裂縫的逼近角分別為30°、60°和90°(圖1)。試驗(yàn)測(cè)定巖樣的彈性模量E為8.402GPa,泊松比ν為0.23,單軸抗壓強(qiáng)度σc為28.34MPa,滲透率K為0.08×10-3μm2,孔隙度?為1.85%。用胍膠溶液作為壓裂液,壓裂液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%,壓裂液的粘度為135mPs·s(600r/min)。此外,壓裂液中添加了紅色示蹤劑,實(shí)驗(yàn)排量為4.2×10-9m3/s。1.3地應(yīng)力的大小和分布水力壓裂模擬試驗(yàn)要求模擬地層條件,其中最主要的因素之一是地應(yīng)力的大小和分布。本次試驗(yàn)總共分為兩組,第一組為常規(guī)地應(yīng)力狀態(tài)(表1),第二組為構(gòu)造地應(yīng)力狀態(tài)(表2)。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1試驗(yàn)結(jié)果主要表現(xiàn)為kh值且沿邊界線的擴(kuò)展方式水平主應(yīng)力差對(duì)水力裂縫擴(kuò)展方向的影響可以歸結(jié)為水平應(yīng)力差系數(shù)kh(無因次),將其定義為kh=σΗ-σhσh(1)kh=σH?σhσh(1)式中σH和σh分別為水平最大主應(yīng)力和水平最小主應(yīng)力,MPa。在第一組試驗(yàn)中,kh值最低為0.6,最高為3.3(圖2)。kh值越大,水力裂縫趨于沿著預(yù)想的裂縫平面擴(kuò)展,越容易從干擾點(diǎn)直接穿過天然裂縫;而逼近角θ越大,水力裂縫也越容易直接穿過天然裂縫(圖3);反之,水力裂縫則沿著天然裂縫擴(kuò)展(圖4)。由于試樣尺寸的限制,試驗(yàn)結(jié)果主要表現(xiàn)為上述兩種擴(kuò)展方式。在其他條件相同的情況下,存在著一條判別天然裂縫發(fā)生破壞邊界線(圖2)。在邊界線上方,水力裂縫易從干擾點(diǎn)直接穿過天然裂縫沿原方向擴(kuò)展;在邊界線下方,天然裂縫發(fā)生膨脹,水力裂縫將首先從干擾點(diǎn)沿著天然裂縫延伸,其走向由施工現(xiàn)場(chǎng)的主客觀因素所決定。由于地應(yīng)力和天然裂縫發(fā)育帶的走向和傾角是客觀決定的,所以稱之為宏觀影響因素。2.2界面摩擦系數(shù)a、b段由于天然裂縫界面摩擦系數(shù)對(duì)裂縫走向影響很大,摩擦剪應(yīng)力τ為τ=μfσn(2)τ=μfσn(2)式中σn為作用于界面上的有效法向應(yīng)力,MPa;μf為天然裂縫界面摩擦系數(shù),無因次。因此,在遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力場(chǎng)和逼近角不變的情況下,摩擦系數(shù)μf越小,剪切滑移越可能發(fā)生,水力裂縫越容易沿著天然裂縫擴(kuò)展。在圖5上標(biāo)注了A、B和E3個(gè)峰值以及C和D2個(gè)拐點(diǎn)。AB段曲線代表水力裂縫從井壁處起裂,水力主縫不斷擴(kuò)展,在B點(diǎn)與水力裂縫干擾相交;A點(diǎn)為起裂點(diǎn),B點(diǎn)為干擾點(diǎn)。BC段曲線斜率為負(fù)值,表示壓裂液迅速濾失到天然裂縫當(dāng)中,同時(shí)縫內(nèi)流體不斷向近縫區(qū)滲透。CD段斜率為正,表示天然裂縫開始膨脹,開度增加。在DE段,斜率變大,隨著流體大量進(jìn)入天然裂縫,天然裂縫的流體容量在不斷變大;在E點(diǎn)達(dá)到容量極限。E點(diǎn)以后,水力裂縫從天然裂縫端部擴(kuò)展出去,壓力陡降。從上述曲線可以看出,界面摩擦系數(shù)的影響主要在BC段。而且隨著壓裂液在天然裂縫界面濾失量的不斷加大,近界面區(qū)巖石力學(xué)效應(yīng)不斷弱化(酸壓尤其明顯),界面摩擦系數(shù)會(huì)不斷變小,從而造成水力裂縫沿天然裂縫擴(kuò)展或者是造成分枝縫及形成多裂縫,界面摩擦系數(shù)從微觀上影響了發(fā)生干擾后水力裂縫的走向。在其他條件不變的情況下,界面摩擦系數(shù)越低,水力裂縫越容易沿著天然裂縫延伸。界面摩擦系數(shù)的影響因素有很多,如裂縫界面膠結(jié)強(qiáng)度、裂縫開度及填充物質(zhì)、近裂縫面的巖性等。2.3縫內(nèi)流體凈壓力和裂縫擴(kuò)展方向Renshaw等人的研究表明,水力裂縫擴(kuò)展的軌跡可以用遠(yuǎn)場(chǎng)主應(yīng)力差與水力裂縫擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力的比值R來預(yù)測(cè),比值系數(shù)R定義為R=σΗ-σhp-σh(3)R=σH?σhp?σh(3)式中p為縫端壓力,MPa。當(dāng)R<1,裂縫更加扭曲;當(dāng)水平應(yīng)力比大于1(R>1),裂縫趨于平直。同時(shí)縫內(nèi)流體的凈壓力的大小也影響了水力裂縫擴(kuò)展方向,定義縫內(nèi)凈壓力的無因次量pnet,D為pnet?D=pnetσΗ-σh(4)pnet?D=pnetσH?σh(4)式中pnet為凈壓力,MPa。pnet,D越大,水力裂縫越容易偏離預(yù)想擴(kuò)展平面,發(fā)生偏轉(zhuǎn)和扭曲,也就越容易沿著天然裂縫擴(kuò)展;pnet,D越小,則越不易偏離預(yù)想擴(kuò)展面,也越容易從干擾點(diǎn)直接穿過天然裂縫。2.4縫高和裂縫偏轉(zhuǎn)在常規(guī)應(yīng)力狀態(tài)下,天然裂縫對(duì)水力裂縫擴(kuò)展方向的影響比較明顯,水力裂縫基本為垂直縫,且在縫高方向上無明顯偏轉(zhuǎn);而在構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)下,對(duì)6塊試樣結(jié)果的觀察和分析發(fā)現(xiàn),裂縫的形態(tài)發(fā)生了明顯的變化。水力裂縫在縫長方向依然是沿著水平最大主應(yīng)力方向σH擴(kuò)展;而在縫高方向,水力裂縫垂直擴(kuò)展一段距離之后,幾乎都發(fā)生了明顯的程度不同的偏轉(zhuǎn)或扭曲(圖6)。在上述構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)下,絕大部分的天然裂縫對(duì)水力裂縫的擴(kuò)展影響不是很明顯,水力裂縫往往擴(kuò)展到與天然裂縫相干擾處就基本停止了擴(kuò)展(圖6)。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)?shù)貞?yīng)力狀態(tài)為σH>σV>σh的時(shí)候,水力裂縫沿著縫高方向上容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)和扭曲。因此,對(duì)裂縫性儲(chǔ)層而言,局部構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響大于對(duì)天然裂縫的影響。3裂縫擾動(dòng)下的破壞環(huán)境從試驗(yàn)結(jié)果出發(fā),綜合考慮了微觀影響因素,給出了破裂準(zhǔn)則。模型假設(shè)地應(yīng)力狀態(tài)為σV>σH>σh,水力裂縫與閉合的天然裂縫干擾相交后,天然裂縫膨脹。發(fā)生破壞的計(jì)算公式為σΗ-σh＞2τ0-2ptμfsin2θ+μfcos2θ-μf(5)σH?σh＞2τ0?2ptμfsin2θ+μfcos2θ?μf(5)發(fā)生破壞的臨界狀態(tài)為σΗ-σh=2τ0-2ptμfsin2θ+μfcos2θ-μf(6)式中τ0為巖石的內(nèi)聚力,MPa;pt為相交后天然裂縫內(nèi)的最大流體壓力,MPa。4不同邊界破壞角度輪南油田某直井裂縫性碳酸鹽巖儲(chǔ)層改造,5778.0～5990.4m層段的水平最大地應(yīng)力為97.6MPa,水平最小地應(yīng)力為89.6MPa,垂向地應(yīng)力為103.7MPa,水力裂縫與天然裂縫逼近角約為30°。通過計(jì)算可以得到天然裂縫破壞的邊界線(圖7)。在該算例中,對(duì)應(yīng)逼近角為30°的臨界水平主應(yīng)力差為8.78MPa,而目標(biāo)層段的水平主地應(yīng)力差為8MPa,所以水力裂縫會(huì)沿著天然裂縫方向延伸。5應(yīng)力差和高東南角情況(1)在裂縫性儲(chǔ)層,由于天然裂縫完全發(fā)育,會(huì)對(duì)水力裂縫的擴(kuò)展產(chǎn)生重要影響。(2)在常規(guī)地應(yīng)力狀態(tài)下,水平主應(yīng)力差和逼近角是影響水力裂縫擴(kuò)展方向的宏觀因素。在高應(yīng)力差和高逼近角情況下,水力裂縫易直接穿過天然裂縫;在低應(yīng)力差或低逼近角情況下,水力裂縫易沿著天然裂縫方向延伸,給出了天然