控制裂缝高度

1 研究目的

在水力压裂过程中,当油气层很薄或上下隔层为弱应力层时,裂缝会沿着垂直方向上延伸,这会使裂缝超出生产层而进入隔层。这不但会导致裂缝高度过大、减少裂缝长度和影响压裂效果,而且当裂缝延伸进入邻近含水层时,会引起含水暴增。对存在气顶的油藏,也同样潜在着“引气入井”的危险。因此,如何将裂缝高度控制在油气层内是水力压裂能否成功的关键因素之一。

为了有效地控制裂缝高度,近年来国内外对裂缝高度延伸机理进行了大的研究,对影响裂缝高度的因素有了更广泛、更深入地认识,发展了多种人工控制裂缝高度的技术。目前控制缝高技术有人工隔层技术;变排量压裂技术;注入非支撑剂控制缝高;调整压裂液的密度控制缝高;冷却地层控制缝高。

在开采地层油气过程中, 水力压裂是一项重要的增产措施。但在实际水力压裂中, 裂缝会向上或向下延伸, 这都影响了压裂液效率和裂缝效率, 进而影响裂缝的导流能力和压裂效果, 造成横向发展短, 消耗泵压, 降低油气产量。甚至会导致压后完全无效或压开水层, 引起油井含水暴增。所以, 通常希望把裂缝限制在油层内, 且裂缝在横向达到合适的长度, 这样才能提高油气产量。

2 研究现状

在上世纪80年代初, 美国总结了棉花谷地区大量的压裂实践, 提出了缝高与排量的统计关系; Boit理论分析和实践调查分析了层间岩石力学性质差异(弹性模量和泊松比) 等对缝高延伸的影响, 提出了裂缝穿过层间界面的机理, 给出了其界面力学性质应满足的理论关系和力学准则;Bennaceur等人详细讨论了影响缝高的因素, 提出了多层介质中控制缝高的力学机理; Warp iniski等人着重从地应力角度讨论了缝高延伸规律。目前控制缝高技术: ①人工隔层技术; ②变排量压裂技术; ③注入非支撑剂控制缝高; ④调整压裂液的密度控制缝高;

⑤冷却地层控制缝高。本文主要研究和介绍了人工控制缝高技术。

3 人工控制缝高基本原理

影响缝高增长的四要素是: 岩石物质特性、施工参数、地层应力差和裂缝上下末端阻抗值。其中, 岩石物质特性和地层应力差由地质结构本身所决定, 不易改变。第四项裂缝上下末端阻抗值可以改变, 方法是制造人工隔离层。在注完前置液造出一定规模的裂缝后, 在注入混砂液之前, 用携带液携带隔离剂(空心微粉和粉砂) 进入裂缝。空心微粉在浮力作用下运动到裂缝的顶部, 粉砂在重力作用下沉淀于裂缝的底部, 从而在裂缝的顶部和底部分别形成一个低渗透或不渗透的人工隔层。它限制了携砂液压力向上部和向下部传递, 从而达到了改变缝内垂向上流压的分布, 降低了上下层段中缝内流压与地应力之差,也就增加了上下隔层与产油层之间的地应力差, 来就控制了缝高的增加。另外, 它提高了压裂效率, 起到了转向剂作用, 使后来注入的携砂剂转为水平流向, 从而使裂缝水平延伸。

4 各项参数对缝高的影响

4.1岩石特性对缝高的影响

岩石物质特性包括地层岩石的刚性、韧性、塑性和遮挡层与油层界面的结合强度等。其中对缝高影响较大的是岩石的塑性、韧性和岩层间是否存在滑移现象。遮挡层的塑性表现为泊松比v,此值越大对缝高影响越大。对于某个遮挡层来说,当v达到一定值后是完全可以阻止缝高的增长,但对于泥岩或页岩遮挡层, v都有一定的范围,因此只靠v限制缝高延伸是不可靠的。

在压裂施工期间, 隔层与油层是否存在滑移现象, 表现为隔层和油层结合是否牢固。衡量标准是钝化系数, 此系数越大, 遮挡层与油层的界面结合越不牢固, 在压裂施工时越容易产生滑移现象, 裂缝垂向延伸入遮挡层越不容易。4.2施工参数对缝高的影响

影响裂缝几何形状的施工参数, 包括流体的粘度和密度、支撑剂浓度、泵排

量、压力和射孔孔眼的布置。射孔孔眼的布置可确保裂缝在油层内产生, 一旦裂缝离开井眼延伸, 则岩石的性质和周围应力将再次成为控制的因素。

a排量对缝高的影响

当排量增加时（裂缝高度增加）, 薄层缝高大幅扩大而支撑缝高变化不大, 这样缝高的扩展导致缝宽变窄, 稍高砂比陶粒进地层时即发生砂堵。ARP等人认为,使用低排量和低浓度的压裂液将趋于产生较小的裂缝宽度, 从而导致过低的裂缝传导率, 降低井的产能。为了避免裂缝过高，一般将施工排量控制在3.5m3/min以内。

b压力对缝高的影响

裂缝在井筒周围开始延伸时, 延伸压力最大。当裂缝超出油层范围后, 延伸压力呈较快的下降趋势。这也从另一方面证明了, 利用隔离剂控制缝高延伸的可行性, 即在裂缝形成初期就加转向剂, 控制裂缝形成初期和垂向裂缝, 是人工控制裂缝高度的关键。

c粘度对缝高的影响

压裂液对缝高的影响很大, 尤其是高粘度的压裂液将使缝高大幅扩展。在同样的压裂造缝面积下, 裂缝越高则缝长越小, 从而降低了压裂效果。因此为了获得最佳的压裂效果, 解决使用高粘压裂液时带来的缝宽、缝长与缝高的矛盾, 采用控制缝高技术是大有裨益的。通过制造人工隔离层(空心微粉和粉砂) 和控制排量的方法, 可以有效地控制缝高, 从而有效地保证高粘度压裂液的造缝作用。压裂液粘度的变化能影响压裂液的摩阻、悬砂、滤失和返排等性能, 对裂缝形成、延伸和裂缝渗透率影响很大。根据压裂施工不同阶段的要求,对压裂液的粘度及变化实行动态控制, 对获得最佳压裂效果至关重要。若用活性水压裂, 即使大排量施工时, 缝高也不会有什么变化, 而且缝长延伸较好。Schlumberg2er公司用清洁压裂液控制缝高取得了良好的效果,在恒定温度下清洁压裂液粘度较稳定, 当遮挡层与油层应力差很小时, 清洁压裂液的粘度可以适当调低(40MPa·s～60MPa·s) , 这一点对控制缝高延伸很重要。

4.3地层应力对缝高的影响

地层应力差（应力差越大，裂缝高度越小）是控制缝高增长的主要因素。有人指出, 油层与上下隔层的应力差为210MPa ～3145MPa时, 足以将裂缝的垂向延伸控制在产层内, 但是当油层很薄或上下隔层为弱应力层, 或存在其它复杂情况时, 压开的裂缝高度往往容易超出产层。断裂力学表明, 裂缝发展的形状取决于裂缝前缘的应力强度因子。（逢高随储层渗透率的升高呈现递增的趋势）5 控缝高对策技术

5.1人工隔层技术

人工隔层控制缝高技术的基本原理是通过上浮剂和下沉剂在裂缝的顶部和底部形成人工遮挡层增加裂缝末梢的阻抗阻止裂缝中的流体压力向上和向下传播继而控制裂缝在高度上进一步延伸人工隔层控制裂缝高度技术包括用上浮剂控制裂缝向上延伸用下沉剂控制裂缝向下延伸和同时使用两种转向剂控制裂缝向上下延伸。

5.2变排量压裂技术

对上下隔层应力差值小的薄油层的压裂改造为限制裂缝高度过度延伸采用变排量压裂技术在控制裂缝向下延伸的同时可增长支撑缝长增加裂缝内支撑剂铺置浓度从而可有效地提高增产效果。

5.3调整压裂液密度控缝高技术

利用压裂液密度控制裂缝高度是通过控制压裂液中垂向压力分布来实现若要控制裂缝向上延伸应采用密度较高的压裂液若要控制裂缝向下延伸则应采用密度较低的压裂液。