多缝压裂新技术研究与试验_唐梅荣
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关键词：超低渗透油藏；定向射孔；裂缝转向；多裂缝；泄油面积 中图分类号：TE357.1 文献标识码：A
Study and test on the new technology of multi-fracture fracturing
TANG Meirong, ZHAO Zhenfeng, LI Xianwen, ZHAO Wen
72
石油钻采工艺 2010 年 3 月（第 32 卷）第 2 期
1 技术思路 Technologica idea
国内外与多缝相关的技术主要是暂堵转向压 裂，该技术通过暂堵剂的封堵作用提高缝内净压力， 迫使压裂裂缝转向或沟通天然裂缝。虽然该项技 术研究时间较长，但并未成熟，形成多缝存在不确定 性。近年来，国内一些专家提出了“缝网压裂 ”的概 念，但仅属于探索性研究，并未形成成熟的技术［2］。
Stimulation of shaft and perforation 井筒外径 20 mm，内径 15 mm，射孔排数 3 排， 孔排间距 25 mm，相位角 180°，射孔孔径 2 mm，孔 深 30 mm。
图 3 转向半径与应力差、射孔方位关系（σz=15 MPa） Fig.3 Correlation between the steering radius and the stress
Abstract: Due to the restriction of flooding patterns and fracturing technologies, it is not distinct to increase the output of super-low permeability reservoir in Changqing Oilfield only by increasing fracture length. Enlightened by the fact that the directional perforating can reduce the pressure of rock fracturing, the new technology of directional perforating and multi-fracture fracturing is firstly brought forward. This technology improves horizontal productive degree of oil layer and enlarges the drainage area through directionally perforating to induce oriented extension, forcing initial fracturing to change, and finally forming independent multi-fracturing. Through the study of entity model, it is recognized that perforating azimuth and horizontal stress difference are the key factors that affect the formation of multi fractures. Based on this recognition, fracturing technology is optimized. Two wells were tested on the spot in Huaqing area. It is approved initially that independent multi fractures is formed inside layers through the analysis on net pressure matching and microseismic frac mapping. At the initial production stage, the average daily oil production of trial wells increases by 0.91 tons (growing rate is about 26%) compared with the adjacent wells. This practice proves that production can be increased by increasing drainage area through multi-fracture fracturing.
（长庆油田公司油气工艺研究院，陕西西安 710021）
摘要：受到注采井网和压裂工艺双重限制，单纯增加缝长来提高超低渗透油藏产量效果已不明显，为此提出了定向射孔多 缝压裂技术思路，通过定向射孔诱导定向起裂，迫使初始裂缝转向，最终形成相互独立的多缝，进一步提高油层横向动用程度， 扩大泄油面积。通过物模研究，认识到射孔方位和水平应力差是影响多缝形成的关键因素，在此认识上，优化了压裂工艺。华 庆地区现场试验 2 口井，通过净压力拟合和微地震裂缝监测等手段分析，初步证实层内形成了独立多缝。投产初期，试验井相 比邻井井均日增油 0.91 t（增幅约 26％），实践证明通过多缝压裂提高泄油面积可以达到增产的目的。
（Changqing Oilfield Company Oil & Gas Technology Research Institute, National Engineering Laboratory of Tight Oil & Gas Field Exploration and Development, Xi'an 710021, China）
图 1 定向射孔实现多缝压裂示意图 Fig.1 Sketch map showing the processs of realizing multi-fracture fracturing through directional perforating
将单缝压裂和多缝压裂裂缝示意图放在同一井 网内对比，可直观地看出多缝压裂泄流区域面积明 显大于单缝压裂。因此，确定的技术研究思路为： 定向射孔诱导定向起裂，定向起裂迫使裂缝转向，裂 缝转向联合分段压裂实现裂缝分离，从而形成独立 多缝。
拟合曲面与实验曲面的吻合度较高，说明通过
拟合得到的函数关系式精度可靠。 R=3.14286 − 0.171786Dσ − 0.0410714Dσ2+ 0.209θ − 0.00153333θ2
（1）
式中，R 为转向半径，cm；Dσ 为水平应力差，MPa；θ
为射孔方位，°。
分 析 拟 合 公 式 发 现，应 力 差 增 加，转 向 半 径 减
图 2 定向射孔压裂试件实拍照片 Fig.2 Photo of directional perforating and fracturing specimen
（2）射孔方位与最大主应力方向夹角越大，转向 半径越大；随应力差增加，转向半径减小（见图 3）。
通过理论研究，发现对转向影响较大的参数有 射孔方位、水平应力差。模拟地层三向应力、水力压 裂，对试件进行注入实验，研究不同射孔方位、水平 应力差下裂缝起裂、转向规律。 2.1 模拟井筒、射孔参数
Key words: super-low permeability reservoir; directional perforating; fracture change; multi-fracture; drainage area
长庆油田部分超低渗透油藏的储层渗透率仅为 0.3×10-3 μm2。对于该类储层，一味追求长缝改造提 高产量效果越来越不明显，且在现有技术条件下再 大幅增加缝长会造成压裂改造成本的大幅上升，经
试 件 参 数：孔 隙 度 1.85%，渗 透 率 0.5×10-3 μm2，弹性模量 1.5×104 MPa，泊松比 0.23，单轴抗压 强度 48.5 MPa。 2.3 模拟三向地应力
Stimulation of triaxial in-situ stress 水力压裂模拟实验要求模拟地层条件，其中主 要因素之一是地应力大小和分布。通常地层三向主 应力互不相等，且不同层位水平地应力的大小也不 同。对于水力压裂，三向主应力的相对大小决定着 裂缝扩展的方向，而最小水平地应力的大小与分布 影响裂缝的几何形态。在模拟实验中采用真三轴加 载方式能更好地反映地层的实际应力状况。 2.4 试验结果 Test results （1）当射孔方位与最大主应力方向呈一定夹角 时，裂缝先沿射孔孔眼方向起裂，后转向最大主应力 方向（见图 2）。
第 32 卷 第 2 期 2010 年 3 月
石油钻采工艺 OIL DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGY
文章编号：1000 – 7393（2010）02 – 0071 – 04
多缝压裂新技术研究与试验
Vol. 32 No. 2 Mar. 2010
唐梅荣 赵振峰 李宪文 赵 文
2 物模实验 Physical model test
2.2 模拟压裂试件 Stimulation of fracturing specimen 试样采用水泥和石英砂浇铸而成，在浇铸过程
中，根据需要，将外径 20 mm、内径 15 mm、长 225 mm 的钢管置入试样中，作为模拟井筒。在模拟井筒上的 3 排小孔中插入不同规格的细纸卷，模拟射孔孔眼，且 这些小孔也是压裂模拟实验时压裂液的出口。
Sub-fracturing 长庆油田分压工艺比较成熟，动管柱、不动管柱 分压都可以实现分段压裂。根据试验特殊性，优选 采用封隔器分离方式进行动管柱分段压裂。
小；射孔方位增加，转向半径增加。忽略方程中的
平方项，对比应力差和射孔方位的系数发现，射孔方
位对转向半径的影响要大一些。
3 工艺设计 Technological design
通过物模试验研究能清楚地观测到定向射孔可 使裂缝发生转向，且可控性强。要充分利用这一发 现来实现多缝改造，还需对工艺设计进行优化研究。
difference and perforating azimuth
唐梅荣等：多缝压裂新技术研究与试验
wenku.baidu.com73
（3）对转向半径的影响程度，射孔方位要大于水 平两向应力差。为直观分析射孔方位和应力差对转 向半径的影响，同时将射孔方位和应力差作为自变 量，转向半径作为函数值，进行曲面拟合（图 4）。
图 4 实验数据曲面拟合 Fig.4 Top view of surface fitting of experimental data
根 据 技 术 的 研 究 思 路，设 计 了 工 艺 程 序、方 法 （图 5），关键环节为定向射孔和分段压裂。
最大主应力方向夹角越大破压越高。为降低破压，尽 量增加射孔深度，优选目前穿透深度较大的小 1 米弹。
（2）射孔孔密优化。采用了射孔弹允许的最大孔 密 16 孔 /m。
（3）布孔方式。要利用同一层内 2 个射孔段射孔 方向的变化实现 2 条裂缝的转向，需要 180°相位的 排状布孔方式。 3.2 分段压裂
研究表明，射孔方位和最大主应力方向呈一定 夹角条件下裂缝会转向，由此得到启发：利用定向 射孔控制裂缝起裂方位，实现裂缝硬转向。
进行逆向思维：在层内上下选择 2 个射孔段， 通过定向射孔技术，使射孔方位与最大水平主应力 方向呈一定夹角；压裂时，强制裂缝转向，形成横向 分离、纵向重合相互独立的多条裂缝，如图 1 所示。
济效益变差。在此背景下，迫切需要转换思路研究 新技术来提高单井产量。为此提出多缝改造的思路， 通过多裂缝来提高储层的横向动用程度，进一步扩 大渗流面积，从而达到提高产量的目的［1］。
基金项目：国家重大专项“鄂尔多斯盆地大型岩性地层油气藏勘探开发示范工程 ”（编号：2008ZX05044）部分内容。 作者简介：唐梅荣，2002 年毕业于西安石油大学，现从事压裂酸化技术的研究与应用工作。E-mail：tmr_cq@petrochina.com.cn。
Study and test on the new technology of multi-fracture fracturing
TANG Meirong, ZHAO Zhenfeng, LI Xianwen, ZHAO Wen
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石油钻采工艺 2010 年 3 月（第 32 卷）第 2 期
1 技术思路 Technologica idea
国内外与多缝相关的技术主要是暂堵转向压 裂，该技术通过暂堵剂的封堵作用提高缝内净压力， 迫使压裂裂缝转向或沟通天然裂缝。虽然该项技 术研究时间较长，但并未成熟，形成多缝存在不确定 性。近年来，国内一些专家提出了“缝网压裂 ”的概 念，但仅属于探索性研究，并未形成成熟的技术［2］。
Stimulation of shaft and perforation 井筒外径 20 mm，内径 15 mm，射孔排数 3 排， 孔排间距 25 mm，相位角 180°，射孔孔径 2 mm，孔 深 30 mm。
图 3 转向半径与应力差、射孔方位关系（σz=15 MPa） Fig.3 Correlation between the steering radius and the stress
Abstract: Due to the restriction of flooding patterns and fracturing technologies, it is not distinct to increase the output of super-low permeability reservoir in Changqing Oilfield only by increasing fracture length. Enlightened by the fact that the directional perforating can reduce the pressure of rock fracturing, the new technology of directional perforating and multi-fracture fracturing is firstly brought forward. This technology improves horizontal productive degree of oil layer and enlarges the drainage area through directionally perforating to induce oriented extension, forcing initial fracturing to change, and finally forming independent multi-fracturing. Through the study of entity model, it is recognized that perforating azimuth and horizontal stress difference are the key factors that affect the formation of multi fractures. Based on this recognition, fracturing technology is optimized. Two wells were tested on the spot in Huaqing area. It is approved initially that independent multi fractures is formed inside layers through the analysis on net pressure matching and microseismic frac mapping. At the initial production stage, the average daily oil production of trial wells increases by 0.91 tons (growing rate is about 26%) compared with the adjacent wells. This practice proves that production can be increased by increasing drainage area through multi-fracture fracturing.
（长庆油田公司油气工艺研究院，陕西西安 710021）
摘要：受到注采井网和压裂工艺双重限制，单纯增加缝长来提高超低渗透油藏产量效果已不明显，为此提出了定向射孔多 缝压裂技术思路，通过定向射孔诱导定向起裂，迫使初始裂缝转向，最终形成相互独立的多缝，进一步提高油层横向动用程度， 扩大泄油面积。通过物模研究，认识到射孔方位和水平应力差是影响多缝形成的关键因素，在此认识上，优化了压裂工艺。华 庆地区现场试验 2 口井，通过净压力拟合和微地震裂缝监测等手段分析，初步证实层内形成了独立多缝。投产初期，试验井相 比邻井井均日增油 0.91 t（增幅约 26％），实践证明通过多缝压裂提高泄油面积可以达到增产的目的。
（Changqing Oilfield Company Oil & Gas Technology Research Institute, National Engineering Laboratory of Tight Oil & Gas Field Exploration and Development, Xi'an 710021, China）
图 1 定向射孔实现多缝压裂示意图 Fig.1 Sketch map showing the processs of realizing multi-fracture fracturing through directional perforating
将单缝压裂和多缝压裂裂缝示意图放在同一井 网内对比，可直观地看出多缝压裂泄流区域面积明 显大于单缝压裂。因此，确定的技术研究思路为： 定向射孔诱导定向起裂，定向起裂迫使裂缝转向，裂 缝转向联合分段压裂实现裂缝分离，从而形成独立 多缝。
拟合曲面与实验曲面的吻合度较高，说明通过
拟合得到的函数关系式精度可靠。 R=3.14286 − 0.171786Dσ − 0.0410714Dσ2+ 0.209θ − 0.00153333θ2
（1）
式中，R 为转向半径，cm；Dσ 为水平应力差，MPa；θ
为射孔方位，°。
分 析 拟 合 公 式 发 现，应 力 差 增 加，转 向 半 径 减
图 2 定向射孔压裂试件实拍照片 Fig.2 Photo of directional perforating and fracturing specimen
（2）射孔方位与最大主应力方向夹角越大，转向 半径越大；随应力差增加，转向半径减小（见图 3）。
通过理论研究，发现对转向影响较大的参数有 射孔方位、水平应力差。模拟地层三向应力、水力压 裂，对试件进行注入实验，研究不同射孔方位、水平 应力差下裂缝起裂、转向规律。 2.1 模拟井筒、射孔参数
Key words: super-low permeability reservoir; directional perforating; fracture change; multi-fracture; drainage area
长庆油田部分超低渗透油藏的储层渗透率仅为 0.3×10-3 μm2。对于该类储层，一味追求长缝改造提 高产量效果越来越不明显，且在现有技术条件下再 大幅增加缝长会造成压裂改造成本的大幅上升，经
试 件 参 数：孔 隙 度 1.85%，渗 透 率 0.5×10-3 μm2，弹性模量 1.5×104 MPa，泊松比 0.23，单轴抗压 强度 48.5 MPa。 2.3 模拟三向地应力
Stimulation of triaxial in-situ stress 水力压裂模拟实验要求模拟地层条件，其中主 要因素之一是地应力大小和分布。通常地层三向主 应力互不相等，且不同层位水平地应力的大小也不 同。对于水力压裂，三向主应力的相对大小决定着 裂缝扩展的方向，而最小水平地应力的大小与分布 影响裂缝的几何形态。在模拟实验中采用真三轴加 载方式能更好地反映地层的实际应力状况。 2.4 试验结果 Test results （1）当射孔方位与最大主应力方向呈一定夹角 时，裂缝先沿射孔孔眼方向起裂，后转向最大主应力 方向（见图 2）。
第 32 卷 第 2 期 2010 年 3 月
石油钻采工艺 OIL DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGY
文章编号：1000 – 7393（2010）02 – 0071 – 04
多缝压裂新技术研究与试验
Vol. 32 No. 2 Mar. 2010
唐梅荣 赵振峰 李宪文 赵 文
2 物模实验 Physical model test
2.2 模拟压裂试件 Stimulation of fracturing specimen 试样采用水泥和石英砂浇铸而成，在浇铸过程
中，根据需要，将外径 20 mm、内径 15 mm、长 225 mm 的钢管置入试样中，作为模拟井筒。在模拟井筒上的 3 排小孔中插入不同规格的细纸卷，模拟射孔孔眼，且 这些小孔也是压裂模拟实验时压裂液的出口。
Sub-fracturing 长庆油田分压工艺比较成熟，动管柱、不动管柱 分压都可以实现分段压裂。根据试验特殊性，优选 采用封隔器分离方式进行动管柱分段压裂。
小；射孔方位增加，转向半径增加。忽略方程中的
平方项，对比应力差和射孔方位的系数发现，射孔方
位对转向半径的影响要大一些。
3 工艺设计 Technological design
通过物模试验研究能清楚地观测到定向射孔可 使裂缝发生转向，且可控性强。要充分利用这一发 现来实现多缝改造，还需对工艺设计进行优化研究。
difference and perforating azimuth
唐梅荣等：多缝压裂新技术研究与试验
wenku.baidu.com73
（3）对转向半径的影响程度，射孔方位要大于水 平两向应力差。为直观分析射孔方位和应力差对转 向半径的影响，同时将射孔方位和应力差作为自变 量，转向半径作为函数值，进行曲面拟合（图 4）。
图 4 实验数据曲面拟合 Fig.4 Top view of surface fitting of experimental data
根 据 技 术 的 研 究 思 路，设 计 了 工 艺 程 序、方 法 （图 5），关键环节为定向射孔和分段压裂。
最大主应力方向夹角越大破压越高。为降低破压，尽 量增加射孔深度，优选目前穿透深度较大的小 1 米弹。
（2）射孔孔密优化。采用了射孔弹允许的最大孔 密 16 孔 /m。
（3）布孔方式。要利用同一层内 2 个射孔段射孔 方向的变化实现 2 条裂缝的转向，需要 180°相位的 排状布孔方式。 3.2 分段压裂
研究表明，射孔方位和最大主应力方向呈一定 夹角条件下裂缝会转向，由此得到启发：利用定向 射孔控制裂缝起裂方位，实现裂缝硬转向。
进行逆向思维：在层内上下选择 2 个射孔段， 通过定向射孔技术，使射孔方位与最大水平主应力 方向呈一定夹角；压裂时，强制裂缝转向，形成横向 分离、纵向重合相互独立的多条裂缝，如图 1 所示。
济效益变差。在此背景下，迫切需要转换思路研究 新技术来提高单井产量。为此提出多缝改造的思路， 通过多裂缝来提高储层的横向动用程度，进一步扩 大渗流面积，从而达到提高产量的目的［1］。
基金项目：国家重大专项“鄂尔多斯盆地大型岩性地层油气藏勘探开发示范工程 ”（编号：2008ZX05044）部分内容。 作者简介：唐梅荣，2002 年毕业于西安石油大学，现从事压裂酸化技术的研究与应用工作。E-mail：tmr_cq@petrochina.com.cn。