鄂尔多斯长7致密砂岩储层体积压裂可行性评价_石道涵
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储层发育良好的天然裂缝及层理是实现体积压 裂改造的前 提 条 件［11］。 压 裂 形 成 缝 网 的 难 易 程 度 与天然裂缝和水平层理的自然状态（ 是否为潜在缝 或张开缝，裂缝内是否有充填物等） 密切相关。
从长 7 储层岩心观察等资料统计（ 表 2） 来看， 储层裂缝、微裂缝发育概率在 60% 左右，裂缝密度 为 3 条 /10 m，表明长 7 储层天然裂缝较发育，有利 于形成缝网系统。
石道涵等： 鄂尔多斯长 7 致密砂岩储层体积压裂可行性评价
— 53 —
简而言之，决定储层是否可以实现体积压裂的因素 主要有岩石力学特征、天然裂缝发育状况以及地应 力条件 3 方面。
2 体积压裂实现条件
2． 1 岩石矿物组成及脆性指数 储层岩性具有显著的脆性特征是实现体积压裂
改造的物质基础［9］。目前，岩石脆性指数的计算有 两种方法，一种方法是根据岩石矿物组成判断，即取 岩石中石英含量与岩石中石英、碳酸盐及黏土总含 量的比值作为该岩石脆性指数。一般石英含量超过 30% 便可认为岩石具有较高脆性指数。鄂尔多斯长 7 致密砂岩储层岩石矿物成分中，石英、长石和岩屑 含量近似为 2∶ 1∶ 1，石英质量分数平均为 40． 3% ，脆 性相对占优。
1 体积压裂作用机理及影响因素
根据弹性力学理论和岩石破裂准则，裂缝一般
沿最大主应力方向启裂。所以在常规压裂中，处理 区域最大主应力值与最小主应力值相差较大时，压 裂结果通常是一条沿着最大应力方向的对称主缝。 但是，如果处理区域地层应力场中的最大最小主应 力差值很小，裂缝的启裂方向就会受地层中天然裂 缝影响，压裂裂缝会沿无规则天然裂缝向各个方向 延伸，从而形成网状裂缝。体积压裂便是在形成 1 条或多条主裂缝的同时，使天然裂缝不断扩张伴随 脆性岩石剪切滑移，实现对天然裂缝、岩石层理的沟 通，从而将储集体打碎，在长、宽、高 3 个方向上实现 全面改造，促使基岩向各方向裂缝的“最短距离”渗 流，降低驱动压力，提高储层有效动用率，并降低储 层有效动用下限。
=
0。因
此，天然裂缝或地层弱面发生张性断裂和剪切断裂
— 54 —
西安石油大学学报（ 自然科学版）
的最大值均为水平主应力差值 σH － σh。即当主裂缝 内的净压力大于 σH － σh 时，便可以形成“缝网” 系统。
因此，储层两向水平主应力差值越小，越有利于
形成缝网系统。两向水平主应力差与压裂形成裂缝 特征的关系如表 3 所示［11］。
入地液 量 / m3
初期产能
日产 液 / m3
日产 油/t
含水 /%
12． 5
0． 39
50
2． 0
30． 9 190
2． 43 1． 93 5． 3
生产 1 年后产能
日产 液 / m3
日产 油/t
含水 / %
1． 22 0． 98 5． 7
井号
YP3 YP 4 YP 5 YP 7 YP 8 合计
表 5 X233 区水平井体积压裂试验效果
初期产能
日产 液 / m3
日产 油/t
含水 /%
长 7 8． 13
0． 18
483
6
10． 6 6 560 18． 81 13． 48 15． 7
长 7 10． 39 0． 19
439
6
8
7 653 18． 74 12． 44 21． 9
长 7 9． 53
0． 2
439
6
10． 6 5 925 17． 2 12． 46 14． 8
Tab． 5 Volume fracturing test results of horizon wells in X233 well block
层位
电测参数
孔隙 渗透率 / 度 / % 10 － 3 μm2
施工参数
加砂 排量 / 砂比 / 量 / m3 （ m3 ·min － 1 ） %
入地液 量 / m3
3 体积压裂实施效果
2005 年，长庆油田开始在 X233 区块进行勘探， 初期采用直井开发，常规压裂改造，试采 1 口井，初 期日产油不到 2 t，一年后日产油低于 1 t，效果不理 想，生产参数见表 4。2011 年在该区块开展水平井 体积压裂攻关试验，采取水力喷射分段多簇压裂工 艺，投产 5 口井，初期平均单井日产油 13． 42 t，生产 一年后，平均单井日产油 10． 05 t，试验效果显著，生 产参数见表 5。
表 3 不同两向水平主应力差下的裂缝特征 及体积压裂实现难度
Tab． 3 Fracture characteristics and volume fracturing difficulty level under different difference of two horizontal principal stresses
表 2 长 7 储层岩心、薄片观察裂缝统计
Tab． 2 Statistics of the cracks in Chang 7 reservoir from core observation and thin slices
岩心观察 井数 /口
见裂缝 井数 /口
裂缝发育 概率 /%
层厚 /m
单井裂缝发 育条数 /条
生产 1 年后产能
日产 液 / m3
日产 油/t
含水 / %
10． 5 7． 66 14． 2
11． 82 7． 76 22． 8
11． 13 8． 08 14． 6
18． 41 14． 42 7． 9
18． 39 12． 32 21． 2
14． 05 10． 05 14． 9
图 2 为 YP5 井井下微地震监测结果。结果表 明储层裂缝带宽幅度较大，体积压裂单段带宽 78 ～ 250 m，带长 320 ～ 356 m，具有复杂裂缝系统特点。
科学基金“低渗油藏低频振动辅助表面活性剂复合驱油机理研究”（ 编号： 51274229） ； 国家自然科学基金“延 时式可控高能气体压裂技术动力学机理研究”（ 编号： 51104173） 作者简介： 石道涵（ 1968-） ，男，博士研究生，高级工程师，从事油气田开发技术研究。E-mail： zhangbing_1987@ 126． com
井号 YC1 YC2
杨氏模量 / MPa 21 985 22 883
泊松比 0． 21 0． 20
脆性指数 /% 35． 0 49． 2
由表 1 看出，YC1 和 YC2 两口井脆性指数分别 为 35% 和 49． 2% ，表明长 7 储层岩石脆性为中等偏 强，与石英含量法评价结果一致。 2． 2 天然裂缝发育状况
岩石脆性指数计算的另一种方法则是根据岩石 力学特性判断，由杨氏模量及泊松比计算得到，具体 计算方法见文献［10］．
按文献［10］计算的长 7 储层岩石脆性指数见
表 1。
表 1 长 7 致密砂岩储层岩石力学特征
Tab． 1 Ｒock mechanics characteristics of Chang 7 tight sandstone oil reservoir
2014 年 1 月 第 29 卷第 1 期
西安石油大学学报（ 自然科学版） Journal of Xi'an Shiyou University（ Natural Science Edition）
文章编号： 1673-064X( 2014) 01-0052-04
Jan． 2014 Vol． 29 No． 1
[ ] pnet（ x，t）
＞1 Kf
τ0
+
σH
－ 2
σh （
Kf
－
sin2θ
－
Kf cos2θ）
。
（ 5）
式中： pnet 为裂缝内净压力，MPa； σH 和 σh 分别为水 平最大主应力和水平最小主应力，MPa； θ 为天然裂
缝与水力主裂缝夹角，（ °） ； τ0 为天然裂缝内岩石的 黏聚力，MPa； Kf 为天然裂缝面的摩擦因数，无因次。
图 1 缝网示意图
Fig． 1 Schematic diagram for fracture network
根据 Warpinski 和 Teufel 的破裂准则以及二维 线弹性理论，发生张性断裂所需裂缝缝内净压力为
pnet （ x，t）
＞
σH
－ 2
σh（ 1
－
cos2θ）
，
（ 4）
发生剪切断裂所需裂缝缝内净压力为
长 7 7． 9
0． 34
1 488
7． 6
14． 7 13 611 19． 53 15． 02 9． 5
长 7 8． 19
0． 19
1 448
7． 5
14． 7 13 318 18． 67 13． 68 13． 8
8． 83
0． 22
859
6． 6
11． 7 9 413 18． 59 13． 42 14． 1
裂缝密度 / （ 条·m －1 ）
54
31
57． 4
21． 6
5． 6
0． 3
薄片数
见微裂缝 薄片数
微裂缝发育 概率 /%
平均发育 条数 /条
平均长 度 / cm
开度 / $m
40
27
67． 5
4． 3
1． 85
165
2． 3 地应力条件 对于鄂尔多斯长 7 天然裂缝较发育油藏，形成
缝网压裂的力学条件可在天然裂缝扩展基础上分 析，缝网示意图如图 1 所示。
（ σH － σh ） / MPa ＞ 10 ＞5 ＜5
裂缝特征
单条裂缝 以单条裂缝
为主 体积裂缝
体积压裂实现难度
难度大，改造体积小 体积压裂有一定难度，改造体 积不大 体积压裂容易，改造体积大
鄂尔多斯盆地长 7 储层水平主应力差为 4 ～ 5 MPa，根据表 3 中研究成果，认为该储层可形成一定 规模的复杂缝网。
在压裂过程中，当主裂缝内净压力满足式（ 4） 、
式（ 5） 时，才能形成“缝网”系统。而根据式（ 4） 得
到，当 θ = π /2 时有最大值，最大值为 σH － σh。同 理，根据式（ 5） 得到，当 θ = π /2 时有最大值，最大值
为 pmax
=
τ0 Kf
+ （ σH
－ σh）
石道涵1 ，张 兵2 ，何举涛3 ，蒋廷学1 ，蒲春生2
（ 1． 中国石化 石油工程技术研究院，北京 100728； 2． 中国石油大学（ 华东） 石油工程学院， 山东 青岛 266555； 3． 长庆油田 采油二厂，甘肃 庆阳 745100）
摘要： 从储层岩石矿物组分、岩石脆性指数、天然裂缝发育状况以及体积压裂所需地应力条件 4 个 方面分析了鄂尔多斯盆地长 7 致密砂岩储层实施体积压裂的可行性。结果表明: 鄂尔多斯长 7 储 层岩石石英质量分数为 40． 3% ，脆性指数为 35% ～ 50% ; 储层微裂缝发育概率在 60% 左右，裂缝密 度为 3 条 /10 m，天然裂缝及水平层理较发育; 水平两向主应力差为 4 ～ 5 MPa，均可满足实现体积 压裂复杂形态裂缝扩展的条件。体积压裂井试采效果表明，体积压裂后可形成一定程度复杂缝网。 水平井体积压裂技术可成为该储层高效开发的重要措施。 关键词： 致密砂岩储层; 体积压裂; 可行性; 岩石脆性指数; 天然裂缝; 地应力 中图分类号： TE348 文献标识码： A
所谓体积压裂是指在水力压裂过程中，通过特 殊的工艺措施使天然裂缝扩张，脆性岩石产生剪切 滑移，形成天然裂缝与人工裂缝交织的裂缝网络，从 而达到增加储层改造体积，提高产量和采收率的目 的［1］。
体积压裂技术已成为致密油气藏高效开发的关 键技术［2-6］，在国外，尤其是北美地区获得了成功应 用与推广［7］。鄂尔多斯盆地长 7 储层虽属于致密 砂岩储层［7-8］，但 与 北 美 致 密 储 层 特 征 存 在 较 大 差 异，且目前 对 该 储 层 体 积 压 裂 的 可 行 性 研 究 甚 少。 因此，从理论角度分析实现体积压裂的储层条件，进 而评价长 7 储层实施体积压裂的可行性，对正确认 识体积压裂改造后的储层特点、渗流特征以及产能 分析等都具有重要的意义。
井号 X233
层位 长7
表 4 X233 区直井常规压裂效果
Tab． 4 Conventional fracturing result of vertical well in X233 well block
电测参数
孔隙 渗透率 / 度 / % 10 － 3 μm2
施工参数
加砂 排量 / 砂比 / 量 / m3 （ m3 ·min － 1 ） %
因此，储层最大最小主应力差值是影响压裂形 成多条裂缝的重要因素，只有其相差不大，才有可能 形成多条裂缝。而天然裂缝的存在、岩石的脆性是 形成多条裂缝、实现打碎储集体的前提条件和基础。
收稿日期： 2013-11-20 基金项目： 国家科技重大专项“低渗透油藏大功率谐振波 － 化学复合驱技术研究”（ 编号： 2011ZX05009 － 004） ； 国家自然
从长 7 储层岩心观察等资料统计（ 表 2） 来看， 储层裂缝、微裂缝发育概率在 60% 左右，裂缝密度 为 3 条 /10 m，表明长 7 储层天然裂缝较发育，有利 于形成缝网系统。
石道涵等： 鄂尔多斯长 7 致密砂岩储层体积压裂可行性评价
— 53 —
简而言之，决定储层是否可以实现体积压裂的因素 主要有岩石力学特征、天然裂缝发育状况以及地应 力条件 3 方面。
2 体积压裂实现条件
2． 1 岩石矿物组成及脆性指数 储层岩性具有显著的脆性特征是实现体积压裂
改造的物质基础［9］。目前，岩石脆性指数的计算有 两种方法，一种方法是根据岩石矿物组成判断，即取 岩石中石英含量与岩石中石英、碳酸盐及黏土总含 量的比值作为该岩石脆性指数。一般石英含量超过 30% 便可认为岩石具有较高脆性指数。鄂尔多斯长 7 致密砂岩储层岩石矿物成分中，石英、长石和岩屑 含量近似为 2∶ 1∶ 1，石英质量分数平均为 40． 3% ，脆 性相对占优。
1 体积压裂作用机理及影响因素
根据弹性力学理论和岩石破裂准则，裂缝一般
沿最大主应力方向启裂。所以在常规压裂中，处理 区域最大主应力值与最小主应力值相差较大时，压 裂结果通常是一条沿着最大应力方向的对称主缝。 但是，如果处理区域地层应力场中的最大最小主应 力差值很小，裂缝的启裂方向就会受地层中天然裂 缝影响，压裂裂缝会沿无规则天然裂缝向各个方向 延伸，从而形成网状裂缝。体积压裂便是在形成 1 条或多条主裂缝的同时，使天然裂缝不断扩张伴随 脆性岩石剪切滑移，实现对天然裂缝、岩石层理的沟 通，从而将储集体打碎，在长、宽、高 3 个方向上实现 全面改造，促使基岩向各方向裂缝的“最短距离”渗 流，降低驱动压力，提高储层有效动用率，并降低储 层有效动用下限。
=
0。因
此，天然裂缝或地层弱面发生张性断裂和剪切断裂
— 54 —
西安石油大学学报（ 自然科学版）
的最大值均为水平主应力差值 σH － σh。即当主裂缝 内的净压力大于 σH － σh 时，便可以形成“缝网” 系统。
因此，储层两向水平主应力差值越小，越有利于
形成缝网系统。两向水平主应力差与压裂形成裂缝 特征的关系如表 3 所示［11］。
入地液 量 / m3
初期产能
日产 液 / m3
日产 油/t
含水 /%
12． 5
0． 39
50
2． 0
30． 9 190
2． 43 1． 93 5． 3
生产 1 年后产能
日产 液 / m3
日产 油/t
含水 / %
1． 22 0． 98 5． 7
井号
YP3 YP 4 YP 5 YP 7 YP 8 合计
表 5 X233 区水平井体积压裂试验效果
初期产能
日产 液 / m3
日产 油/t
含水 /%
长 7 8． 13
0． 18
483
6
10． 6 6 560 18． 81 13． 48 15． 7
长 7 10． 39 0． 19
439
6
8
7 653 18． 74 12． 44 21． 9
长 7 9． 53
0． 2
439
6
10． 6 5 925 17． 2 12． 46 14． 8
Tab． 5 Volume fracturing test results of horizon wells in X233 well block
层位
电测参数
孔隙 渗透率 / 度 / % 10 － 3 μm2
施工参数
加砂 排量 / 砂比 / 量 / m3 （ m3 ·min － 1 ） %
入地液 量 / m3
3 体积压裂实施效果
2005 年，长庆油田开始在 X233 区块进行勘探， 初期采用直井开发，常规压裂改造，试采 1 口井，初 期日产油不到 2 t，一年后日产油低于 1 t，效果不理 想，生产参数见表 4。2011 年在该区块开展水平井 体积压裂攻关试验，采取水力喷射分段多簇压裂工 艺，投产 5 口井，初期平均单井日产油 13． 42 t，生产 一年后，平均单井日产油 10． 05 t，试验效果显著，生 产参数见表 5。
表 3 不同两向水平主应力差下的裂缝特征 及体积压裂实现难度
Tab． 3 Fracture characteristics and volume fracturing difficulty level under different difference of two horizontal principal stresses
表 2 长 7 储层岩心、薄片观察裂缝统计
Tab． 2 Statistics of the cracks in Chang 7 reservoir from core observation and thin slices
岩心观察 井数 /口
见裂缝 井数 /口
裂缝发育 概率 /%
层厚 /m
单井裂缝发 育条数 /条
生产 1 年后产能
日产 液 / m3
日产 油/t
含水 / %
10． 5 7． 66 14． 2
11． 82 7． 76 22． 8
11． 13 8． 08 14． 6
18． 41 14． 42 7． 9
18． 39 12． 32 21． 2
14． 05 10． 05 14． 9
图 2 为 YP5 井井下微地震监测结果。结果表 明储层裂缝带宽幅度较大，体积压裂单段带宽 78 ～ 250 m，带长 320 ～ 356 m，具有复杂裂缝系统特点。
科学基金“低渗油藏低频振动辅助表面活性剂复合驱油机理研究”（ 编号： 51274229） ； 国家自然科学基金“延 时式可控高能气体压裂技术动力学机理研究”（ 编号： 51104173） 作者简介： 石道涵（ 1968-） ，男，博士研究生，高级工程师，从事油气田开发技术研究。E-mail： zhangbing_1987@ 126． com
井号 YC1 YC2
杨氏模量 / MPa 21 985 22 883
泊松比 0． 21 0． 20
脆性指数 /% 35． 0 49． 2
由表 1 看出，YC1 和 YC2 两口井脆性指数分别 为 35% 和 49． 2% ，表明长 7 储层岩石脆性为中等偏 强，与石英含量法评价结果一致。 2． 2 天然裂缝发育状况
岩石脆性指数计算的另一种方法则是根据岩石 力学特性判断，由杨氏模量及泊松比计算得到，具体 计算方法见文献［10］．
按文献［10］计算的长 7 储层岩石脆性指数见
表 1。
表 1 长 7 致密砂岩储层岩石力学特征
Tab． 1 Ｒock mechanics characteristics of Chang 7 tight sandstone oil reservoir
2014 年 1 月 第 29 卷第 1 期
西安石油大学学报（ 自然科学版） Journal of Xi'an Shiyou University（ Natural Science Edition）
文章编号： 1673-064X( 2014) 01-0052-04
Jan． 2014 Vol． 29 No． 1
[ ] pnet（ x，t）
＞1 Kf
τ0
+
σH
－ 2
σh （
Kf
－
sin2θ
－
Kf cos2θ）
。
（ 5）
式中： pnet 为裂缝内净压力，MPa； σH 和 σh 分别为水 平最大主应力和水平最小主应力，MPa； θ 为天然裂
缝与水力主裂缝夹角，（ °） ； τ0 为天然裂缝内岩石的 黏聚力，MPa； Kf 为天然裂缝面的摩擦因数，无因次。
图 1 缝网示意图
Fig． 1 Schematic diagram for fracture network
根据 Warpinski 和 Teufel 的破裂准则以及二维 线弹性理论，发生张性断裂所需裂缝缝内净压力为
pnet （ x，t）
＞
σH
－ 2
σh（ 1
－
cos2θ）
，
（ 4）
发生剪切断裂所需裂缝缝内净压力为
长 7 7． 9
0． 34
1 488
7． 6
14． 7 13 611 19． 53 15． 02 9． 5
长 7 8． 19
0． 19
1 448
7． 5
14． 7 13 318 18． 67 13． 68 13． 8
8． 83
0． 22
859
6． 6
11． 7 9 413 18． 59 13． 42 14． 1
裂缝密度 / （ 条·m －1 ）
54
31
57． 4
21． 6
5． 6
0． 3
薄片数
见微裂缝 薄片数
微裂缝发育 概率 /%
平均发育 条数 /条
平均长 度 / cm
开度 / $m
40
27
67． 5
4． 3
1． 85
165
2． 3 地应力条件 对于鄂尔多斯长 7 天然裂缝较发育油藏，形成
缝网压裂的力学条件可在天然裂缝扩展基础上分 析，缝网示意图如图 1 所示。
（ σH － σh ） / MPa ＞ 10 ＞5 ＜5
裂缝特征
单条裂缝 以单条裂缝
为主 体积裂缝
体积压裂实现难度
难度大，改造体积小 体积压裂有一定难度，改造体 积不大 体积压裂容易，改造体积大
鄂尔多斯盆地长 7 储层水平主应力差为 4 ～ 5 MPa，根据表 3 中研究成果，认为该储层可形成一定 规模的复杂缝网。
在压裂过程中，当主裂缝内净压力满足式（ 4） 、
式（ 5） 时，才能形成“缝网”系统。而根据式（ 4） 得
到，当 θ = π /2 时有最大值，最大值为 σH － σh。同 理，根据式（ 5） 得到，当 θ = π /2 时有最大值，最大值
为 pmax
=
τ0 Kf
+ （ σH
－ σh）
石道涵1 ，张 兵2 ，何举涛3 ，蒋廷学1 ，蒲春生2
（ 1． 中国石化 石油工程技术研究院，北京 100728； 2． 中国石油大学（ 华东） 石油工程学院， 山东 青岛 266555； 3． 长庆油田 采油二厂，甘肃 庆阳 745100）
摘要： 从储层岩石矿物组分、岩石脆性指数、天然裂缝发育状况以及体积压裂所需地应力条件 4 个 方面分析了鄂尔多斯盆地长 7 致密砂岩储层实施体积压裂的可行性。结果表明: 鄂尔多斯长 7 储 层岩石石英质量分数为 40． 3% ，脆性指数为 35% ～ 50% ; 储层微裂缝发育概率在 60% 左右，裂缝密 度为 3 条 /10 m，天然裂缝及水平层理较发育; 水平两向主应力差为 4 ～ 5 MPa，均可满足实现体积 压裂复杂形态裂缝扩展的条件。体积压裂井试采效果表明，体积压裂后可形成一定程度复杂缝网。 水平井体积压裂技术可成为该储层高效开发的重要措施。 关键词： 致密砂岩储层; 体积压裂; 可行性; 岩石脆性指数; 天然裂缝; 地应力 中图分类号： TE348 文献标识码： A
所谓体积压裂是指在水力压裂过程中，通过特 殊的工艺措施使天然裂缝扩张，脆性岩石产生剪切 滑移，形成天然裂缝与人工裂缝交织的裂缝网络，从 而达到增加储层改造体积，提高产量和采收率的目 的［1］。
体积压裂技术已成为致密油气藏高效开发的关 键技术［2-6］，在国外，尤其是北美地区获得了成功应 用与推广［7］。鄂尔多斯盆地长 7 储层虽属于致密 砂岩储层［7-8］，但 与 北 美 致 密 储 层 特 征 存 在 较 大 差 异，且目前 对 该 储 层 体 积 压 裂 的 可 行 性 研 究 甚 少。 因此，从理论角度分析实现体积压裂的储层条件，进 而评价长 7 储层实施体积压裂的可行性，对正确认 识体积压裂改造后的储层特点、渗流特征以及产能 分析等都具有重要的意义。
井号 X233
层位 长7
表 4 X233 区直井常规压裂效果
Tab． 4 Conventional fracturing result of vertical well in X233 well block
电测参数
孔隙 渗透率 / 度 / % 10 － 3 μm2
施工参数
加砂 排量 / 砂比 / 量 / m3 （ m3 ·min － 1 ） %
因此，储层最大最小主应力差值是影响压裂形 成多条裂缝的重要因素，只有其相差不大，才有可能 形成多条裂缝。而天然裂缝的存在、岩石的脆性是 形成多条裂缝、实现打碎储集体的前提条件和基础。
收稿日期： 2013-11-20 基金项目： 国家科技重大专项“低渗透油藏大功率谐振波 － 化学复合驱技术研究”（ 编号： 2011ZX05009 － 004） ； 国家自然