致密储层水平井体积压裂段间距优化方法_刘立峰

Method of optimizing the spacing between volumetric fracturing stages in horizontal wells in tight reservoir LIU Lifeng1, RAN Qiquan1, WANG Xin2, LI Ran1
σ xx = −
h
pn L
( L / h)
pn L
2
1 + 4 1 4
+1+
pn L 4h 4h
( L / h)
pn L
2
1 + 4 1 4
3
（1）
2 分段压裂水平井段间距的影响因素分析
（2） 2.1 应力干扰的影响 由于原始地应力的分布是一定的， 通过改变压 裂段之间的距离只能控制诱导应力的大小和分布， 因此可以通过诱导应力差的变化分析来确定下个压 裂段的最优位置。诱导应力差的大小为
图 2 分段压裂水平井示意图
图 1 均质地层中一条裂缝示意图
xoz 平面上裂缝产生的诱 在沿着 x 轴的方向上， ［15］ 导应力为
由于水平井长度有限， 可以假设这段地层中原 那么 始应力的分布是一样的， 两条裂缝的间距为 L1， 第 2 个压裂段位置处的水平应力差为 L1 σ xx + σ h − σ yy − σ H = − pn (1 − 2υ + υ) 1 2 h ( L1 / h ) + 4 pn L1 pn (1 − 2υ ) + +σh −σH （6） 3 1 2 4h ( L1 / h ) + 4 使第 2 个压裂段的水平应力差取得最小值的 L1 就是第 2 个压裂段的最优位置。同理可以求得其他 压裂段的最优位置。
（1. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, CNPC, Beijing 100083, China; 2. Petroleum Exploration and Production Research Institute, SINOPEC, Beijing 100083, China）
致密油气资源是世界非常规油气资源的重要组 成部分， 致密油气储层具有典型的低孔低渗的特点， 需要进行储层改造 一般覆压渗透率要小于 0.1 mD， ［1-3］ 。目前致密油气的主要 才能够实现有效的开发
。 开发技术是钻水平井并进行分段体积压裂改造［4-5］ 以往对于水平井分段压裂段间距的确定方法大多是 ， 并没有针对致密 从单条裂缝的泄油半径出发的［6-9］ 储层的段间距设计方法。但是对致密油来说， 依靠
σ xx − σ yy= pn (1 − 2υ ) − h pn L 4h + 1 + 1 + 4
σ zz = −
h
+1−
( L / h)
2
3
+
( L / h)
2
+
通过平面应变条件 = σ yy υ (σ xx + σ zz ) 可以得到 y 方向的应力 = σ yy 2υ υ pn − h 2υ pn L （3）
Abstract: At present, the main development method for tight reservoirs is horizontal well with volumetric fracturing. But for reservoirs lack of natural fractures, it is usually difficult to form complex fracture network system, and the desired stimulation objectives can not be achieved. To solve this problem, based on the research of the induced stress field variation during fracturing, a mathematic model was built by the superposition of the induced stresses and in situ stresses. And the method of optimizing the spacing between volumetric fracturing stages was created based on analysis of the inter-fracture stress interference. The research results show that complex fractures can be created by neutralizing the original geostress by the inter-fracture stress interference. In addition, under the same original geostress conditions, with the increase of fracture height and net pressure inside the fractures, the interval space which creates complex fracture network also increases. Field practical calculations verified the feasibility of the optimization method for fracturing stage spacing in horizontal wells, which is of some reference significance to the design of staged volumetric fracturing in horizontal wells in tight reservoirs. Key words: tight reservoir; horizontal well; hydraulic fracturing; induced stress; stage spacing
85 方向的裂缝诱导应力， MPa；υ 为泊松比。 分段压裂水平井示意图见图 2。裂缝垂直于最 水平井沿着 x 轴的方 小主应力的方向 x 方向破裂， 向延伸。由于裂缝的延伸总是垂直于最小主应力方 向， 那么在地应力均匀分布地层中产生的裂缝方向 。因 也是均匀分布， 裂缝的形态也是最复杂的［16-17］ 此为了形成更大的缝网体积， 就要使得第 2 条压裂 段位置处的地应力场尽可能均匀分布， 也就是水平 主应力差最小， 此时
第 37 卷 第 3 期 2015 年 5 月
石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGY
Vol. 37 No. 3 May 2015
文章编号：1000 – 7393 （ 2015 ）03 – 0084 – 04 doi:10.13639/j.odpt.2015.03.019
石油钻采工艺 2015 年 5 月（第 37 卷） 第3期 21 MPa 和 24 MPa， 分 别 绘 制 σxx-σyy MPa， 18 MPa， 和 L/h 的关系曲线， 结果如图 5 所示。
图 5 x 方向上不同净压力裂缝的诱导应力变化曲线 图 3 x 方向上裂缝诱导应力变化曲线
可以看出在裂缝内净压力和裂缝高度不变的情 况下， 第 1 条裂缝周围的诱导应力差随着距离第 1 而且在距离裂缝两倍 条裂缝的长度先增加后减少， 缝高距离的位置， 诱导应力的影响就可以忽略不计 了， 因此在进行段间距设计的时候可以忽略临近裂 缝以外的裂缝产生的诱导应力的影响。通过计算可 以得到诱导应力差极值点的位置： L=h 2 ( 3 − 2υ υ)
从图 5 可以看出， 随着裂缝内净压力的增加， 裂 缝产生的最大诱导应力差的位置会有所前移， 而且 数值也会提高， 但是在距离裂缝较远的位置， 高净压 力裂缝产生的诱导应力差会降低得较快。这也可以 说明较高的压裂施工排量在裂缝附近影响地应力的 能力更强， 因此在大排量施工的条件下， 压裂段的间 距也应该适当增加。
( L / h)
2
1 + 4
（4）
L
( L / h)
3
2
L 为诱导应力点在 x 轴方向距离原点的距离， 式中， MPa； m；pn 为压裂时作用在裂缝壁面上的净压力， σ x h 为裂缝的高度， σ m； xx 和 zz 分别为沿着 方向和 z
( L / h)
2
1 + 4
（7）
86 为了消除压裂施工中净压力与裂缝高度不同的 假 影响， 可以绘制（σxx-σyy）/pn 和 L/h 的关系曲线， 设储层的泊松比为 0.28， 曲线如图 3 所示。
致密储层水平井体积压裂段间距优化方法
刘立峰 1 冉启全 1 王 欣 2 李 冉 1
（1. 中国石油勘探开发研究院， 北京 100083；2. 中国石化石油勘探开发研究院， 北京 100083）
引用格式：刘立峰， 冉启全， 王欣， 等 . 致密储层水平井体积压裂段间距优化方法［J］. 石油钻采工艺， 2015， 37 （3） ：84-87. 摘要：目前致密储层的主要开发方式为水平井 + 体积压裂改造， 但对于天然裂缝不发育的储层， 通常难以形成复杂的裂缝 网络系统， 不能够达到预期的改造目标。针对这种情况， 在研究压裂过程中诱导应力场变化的基础上， 建立了诱导应力和原地 应力相叠加的数学模型， 结合缝间应力干扰分析结果， 形成了体积压裂段间距优化方法。研究结果表明， 利用水力裂缝之间的 应力干扰中和原始地应力有利于形成复杂裂缝， 并且在同样的原始地应力条件下， 随着裂缝高度和裂缝内净压力的增加， 形成 复杂缝网的段间距会增加。现场实例计算验证了通过应力干扰确定水平井压裂段间距优化方法的可行性， 该优化方法对致密 储层水平井分段体积压裂设计有一定的借鉴意义。 关键词：致密储层；水平井；水力压裂；诱导应力；段间距 中图分类号：TE357.1 文献标识码：A
σ yy + σ H = σ xx + σ h
（5）
1 分段压裂水平井段间距确定方法
在地层中的一条裂缝周围， 由于裂缝的存在， 地 应力发生了改变， 在原始的地应力基础上还产生了 附加的裂缝引起的诱导应力， 这两个应力的共同作 用影响了下一条裂缝的启裂与延伸。均质地层中一 条裂缝示意图如图 1 所示。
基金项目：国家高技术研究发展计划（863 计划） “致密砂岩油气藏数值模拟技术与软件” （编号：2013AA064902） 。 作者简介： 刘立峰， 1986 年生。在读博士研究生， 主要从事致密油气开发方面研究工作。电话：13488810018。E-mail：hasyllf@163. com。
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刘立峰等：致密储层水平井体积压裂段间距优化方法 基质渗流的动用能力有限， 体积改造的关键是在储 层中形成复杂的网状裂缝系统， 以增加水力裂缝和 ［10-14］ 。而在储层中能否形成复杂的 基质的沟通体积 裂缝主要取决于储层中的裂缝发育情况、 地应力分 布情况和压裂施工的情况。在天然裂缝发育的储层 中水力压裂较容易形成复杂裂缝网络， 但是在天然 裂缝不发育的储层中想要实现真正意义上的体积改 造就比较困难了。笔者研究的主要目的就是在压裂 施工条件一定的情况下， 如何合理的安排压裂段之 间的距离以改变地应力的分布， 从而实现在天然裂 缝不发育的储层中形成复杂的裂缝系统。
υ
3 实例验证
以新疆某油田的 J1 井和 J2 井为例进行水平井 分段压裂段间距的优化设计。该井储层属于致密云 质粉砂岩， 储层应力差和压裂施工参数如表 1 所示。 对比设计得到的裂缝间距和压裂施工的裂缝间距可 以发现， J2 井施工与设计基本一致， J1 井的施工缝间 距和设计缝间距差距较大。水平井在压裂过程中进 行了井下微地震监测来检验压裂效果， 如图 6 和图 7 所示。图中相同的颜色为一个压裂段的微地震事件 分布， 可以看出 J2 井的每个压裂段都具有一定范围 的微地震响应， 判断压裂形成了一定规模的复杂裂 缝， 压裂基本实现了体积改造的目标。J1 井的微地 震事件分布较为集中， 压裂形成了单一的主裂缝， 没 能够实现体积改造的目标。