大规模缝内转向压裂技术研究与试验_谢朝阳
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由人工裂缝尖端诱导转向缝形成影响因素分析 可知，净压力、应力差以及地层强度是影响裂缝尖 端诱导转向缝形成的重要因素，其中应力差和地层 强度是地层固有的，净压力为工程可控因素。施工 净压力和人工裂缝长度优化结果见图 2。可以通过 图 2 优化裂缝半长和净压力，优化诱导转向缝长 度，如裂缝半长为 250 m，净压力为 25 MPa，诱导 转向缝长度为 10 m。实际的压裂施工中主裂缝半 长 100 ～ 150 m，净压力 3 ～ 5 MPa，无论如何优化 诱导转向缝长度不会超过 5 m，因此只有满足诱导 转向缝扩展延伸的条件，才能够形成一定长度的转 向裂缝，增大井网条件下改造体积，提高压裂产 量。
大规模缝内转向压裂技术研究与试验
谢朝阳1 尚立涛2 唐鹏飞2 马英焯1 刘 宇2 李存荣2
（ 1. 大庆油田有限责任公司海拉尔石油勘探开发指挥部，内蒙古 呼伦贝尔 021008； 2. 大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江 大庆 163453）
摘要： 海拉尔盆地断块多、储层低渗透、物性条件复杂，由于非均质性强导致井网条件下常规压裂单一裂缝效
收稿日期： 2015-01-03 改回日期： 2015-05-15 基金项目： 国家自然科学基金 “深部裂缝性凝灰岩层水力劈裂机理的分形研究” （ 1254G002） 。 作者简介： 谢朝阳，男，1962 年生，教授级高级工程师，从事油气田开发工程研究。
E-mail： xiecy@ petrochina. com. cn
·68·
大庆石油地质与开发
2016 年
裂缝尖端压力使转向裂缝扩展，形成一定长度转向 裂缝，压裂结束后主裂缝里的纤维溶解，仍保持良 好的导流能力。确定了不同储层转向裂缝扩展所需 要的纤维与支撑剂质量分数及施工时间，以质量分 数 1. 0% 的纤维基液与质量分数 30% 的陶粒组合为 例，确定 了 不 同 储 层 裂 缝 转 向 工 艺 的 施 工 时 间 （ 图 3） 。
Abstract： Hailer Basin is characterized by many faulted blocks，low-permeability reservoirs，and complex physical properties，and moreover due to the strong heterogeneity，for the conventional fracturing under the conditions of current well patterns，the fractured results of the individual crack are rather poorer． In order to improve the injection-production relationship and establish the effective flooding system，based on the understandings of the changing laws on the stress field of the complex-lithology reservoirs，the multiple-crack fracturing mechanism reverted from the insiLeabharlann Baidue seams is figured out． By means of optimizing the inverted fracture number and size，and with the help of the inside-seam instantaneous plugging technology and method，large-scale inside-seam steering fracturing technique is developed． The principal advantages and characteristics are enlarging the area between the fractures and oil reservoirs，increasing the connectivity between the boreholes and formations，and moreover enhancing the effects of the fracturing． After the fracturing of the field testing wells，the average stimulated oil per well is up to 6. 6 t / d，at the same time，the effects of the pressure reduction and injection enhancement are pretty obvious for the water injectors，thus the improved injection-production relationship is established． Key words： large-scale fracturing； steering fracturing； complex lithology； field test
关 键 词： 大规模压裂； 转向压裂； 复杂岩性； 现场试验
中图分类号： TE357
文献标识码： A
文章编号： 1000-3754 （ 2016） 02-0066-04
ＲESEAＲCH AND TEST OF LAＲGE-SCALE INSIDE-SEAM STEEＲING FＲACTUＲING TECHNIQUE
果差。以完善注采关系和形成有效驱动体系为目标，基于对复杂岩性储层应力场变化规律的认识，研究了缝内
转向形成多裂缝机理。通过优化转向裂缝条数与尺寸，应用缝内暂堵工艺方法，形成了大规模缝内转向压裂技
术。该技术主要特点是能够扩大裂缝与油藏的接触面积，增大井筒与地层的连通能力，增强压裂效果。现场试
验井压后平均单井增油 6. 6 t / d，同时水井降压增注效果明显，形成了完善的注采关系。
1 压裂设计方法
2 施工工艺
压裂设计方法一般是基于产量最大化或经济效
益最大化为目标进行压裂裂缝形态模拟、施工参数
优化，根据海拉尔油田特点，压裂目标是形成主裂
缝与多条转向裂缝相结合的裂缝系统，降低渗流阻
力以及突破非均质性的屏蔽影响，扩大油井的泄油
面积，提高单井产量。当限定导流能力为有限常
数、定流压生产、单向流等条件时模拟形成多条人
Vr———油藏砂体体积，m3 。 压裂设计优化的计算步骤简单，支撑剂数法涉 及的因素较为全面，模型贴近实际的油藏流动形 态，结果科学、合理［16］。以 B1 井为例，不论储层 天然裂缝是否发育，都以追求工程实际与地层砂体 的最佳匹配为目标，得到最佳无因次采油指数，优 化改造裂缝体积，确定加砂规模 （ 图 1） 。
Ix ———裂缝穿透比；
C fD ———无因次导流能力；
Vp———支撑剂体积，m3 ；
Kf ———裂缝渗透率，μm2 ；
K———地层渗透率，μm2 ；
由于压裂裂缝尖端应力集中，压裂裂缝扩展过 程中在尖端形成塑性区，当塑性区内剪应力超过地 层岩石强度后，在裂缝尖端形成端部诱导转向裂 缝，诱导转向裂缝为剪切缝。在特定条件下，随着 剪切裂缝的张性扩展，在主裂缝周围形成一系列诱 导裂缝。这些诱导缝如果条件允许继续扩展，将成 为体积裂缝的一部分。 2. 1 形成条件
由裂缝尖端诱导转向缝形成理论模型可知， 为了促使剪切缝扩展，只有对主裂缝进行缝内暂 堵，强制提高净压力，由于区块平均应力差为6 ～ 7 MPa，同时需要满足裂缝尖端压力 6 ～ 9 MPa 才 能够延伸转向裂缝，计算式为
p0 ＞ ｛ C / tanφ + （ σmax － σmin ） × ［sin2θ / tanφ + 1 /2（ 1 － cos2θ） ］｝ （ 2） 式中 p0 ———裂缝尖端压力，MPa； C———岩石内聚力，MPa； φ———岩石内摩擦角，（ °） ； σmax ———最大水平主应力，MPa； σmin ———最小水平主应力，MPa； θ———诱导裂缝与 x 轴夹角，（ °） 。 2. 2 缝内转向时机与工艺施工时间 储层改造时，岩石力学性质与地应力的分布状 态决定了压裂裂缝的形态。根据测录井资料所获得 的岩性、声波时差及密度计算地层的岩石力学参 数。基于地层特性信息及连续的数据点结合地震属 性数据体形成井间岩石力学参数三维数据体，建立 地层岩石力学参数连续剖面。采用全三维压裂模拟 软件确定储层物性、岩石力学参数的平面非均质分 布规律，解释定义岩性并计算应力，采用有限元网 格节点方法对地层点进行相关运算，允许垂直和水 平两个方向上的变化，建立网格化非均质地质模 型，进行非对称全缝长人工裂缝模拟，判断形成转 向缝时机。 通过应用纤维、基液、高浓度陶粒组合的压裂 方式对人工裂缝的主裂缝进行暂堵，提高缝内净压 力的同时实现了转向裂缝扩展延伸。即压裂完主裂 缝后采用质量分数 0. 2% ～ 1. 2% 的纤维基液与质 量分数 20% ～ 30% 的支撑剂进行缝内暂堵，提高
2. 3 缝内裂缝转向条数与缝长优化 基于区块储层特征与应力场［17-20］研究 结 果 结
第 35 卷 第 2 期
谢朝阳 等： 大规模缝内转向压裂技术研究与试验
·67·
海拉尔盆地断块多、储层低渗透、物性条件复 杂，非均质性强［1-3］，油田 42. 5% 的开发井产量低 于 0. 5 t / d，严重制约了油田的可持续发展。分析 油井低产的原因主要有两方面： 一是地质条件，储 层物性及含油性变差，无法建立有效的驱动体系； 二是工程因素，压裂改造效果不理想，平均单井增 油效果逐年变差。国内外针对低渗透储层改造都在 试验大规模体积压裂、裂缝性储层缝 网 压 裂［4-9］、 纤维压裂［10-11］ 等 工 艺， 部 分 油 田 开 展 多 裂 缝 压 裂 及缝 内 转 向 压 裂［12-15］ 现 场 试 验 并 见 到 较 好 效 果。 海拉尔油田压裂工艺并没有形成针对性强的改造方 法，常规压裂技术难以取得明显增产效果； 同时岩 性复杂、断块发育，受到井网与施工成本的限制无 法推广水平井大规模体积压裂技术。为提高油田改 造效果，以完善注采关系为主，形成有效驱动体系 为目标，试验了直井大规模缝内转向压裂技术。该 技术主要特点是能够扩大裂缝与油藏的接触面积， 通过提高裂缝对砂体的控制程度，增大井筒与地层 的连通能力，提高压裂效果的同时形成有效注采关 系，保持单井长期稳产。
工裂缝，储层改造后的初期产量与长期产量都会有
很大提高。
应用支撑剂数的压裂优化设计方法，给定的支
撑剂数代表进入产层的支撑剂数量，其物理意义为
裂缝渗流能力的改善及裂缝支撑体积的影响范围在
整个油藏中所占的比例。支撑剂数计算式为
Np
=
I2x
× CfD
= 2KfVp KVr
（ 1）
式中 Np———无因次支撑剂数；
XIE Chaoyang1 ，SHANG Litao2 ，TANG Pengfei2 ，MA Yingzhuo1 ，LIU Yu2 ，LI Cunrong2 （ 1. Hailer Petroleum Exploration and Development Headquarters，Hulunbeir 021008，China； 2. Oil Production Engineering Ｒesearch Institute，Daqing Oilfield Co． Ltd． ，Daqing 163453，China）
2016 年 4 月 第 35 卷第 2 期
大庆石油地质与开发 Petroleum Geology and Oilfield Development in Daqing
DOI： 10. 3969 / J. ISSN. 1000-3754. 2016. 02. 012
Apr. ，2016 Vol. 35 No. 2
大规模缝内转向压裂技术研究与试验
谢朝阳1 尚立涛2 唐鹏飞2 马英焯1 刘 宇2 李存荣2
（ 1. 大庆油田有限责任公司海拉尔石油勘探开发指挥部，内蒙古 呼伦贝尔 021008； 2. 大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江 大庆 163453）
摘要： 海拉尔盆地断块多、储层低渗透、物性条件复杂，由于非均质性强导致井网条件下常规压裂单一裂缝效
收稿日期： 2015-01-03 改回日期： 2015-05-15 基金项目： 国家自然科学基金 “深部裂缝性凝灰岩层水力劈裂机理的分形研究” （ 1254G002） 。 作者简介： 谢朝阳，男，1962 年生，教授级高级工程师，从事油气田开发工程研究。
E-mail： xiecy@ petrochina. com. cn
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大庆石油地质与开发
2016 年
裂缝尖端压力使转向裂缝扩展，形成一定长度转向 裂缝，压裂结束后主裂缝里的纤维溶解，仍保持良 好的导流能力。确定了不同储层转向裂缝扩展所需 要的纤维与支撑剂质量分数及施工时间，以质量分 数 1. 0% 的纤维基液与质量分数 30% 的陶粒组合为 例，确定 了 不 同 储 层 裂 缝 转 向 工 艺 的 施 工 时 间 （ 图 3） 。
Abstract： Hailer Basin is characterized by many faulted blocks，low-permeability reservoirs，and complex physical properties，and moreover due to the strong heterogeneity，for the conventional fracturing under the conditions of current well patterns，the fractured results of the individual crack are rather poorer． In order to improve the injection-production relationship and establish the effective flooding system，based on the understandings of the changing laws on the stress field of the complex-lithology reservoirs，the multiple-crack fracturing mechanism reverted from the insiLeabharlann Baidue seams is figured out． By means of optimizing the inverted fracture number and size，and with the help of the inside-seam instantaneous plugging technology and method，large-scale inside-seam steering fracturing technique is developed． The principal advantages and characteristics are enlarging the area between the fractures and oil reservoirs，increasing the connectivity between the boreholes and formations，and moreover enhancing the effects of the fracturing． After the fracturing of the field testing wells，the average stimulated oil per well is up to 6. 6 t / d，at the same time，the effects of the pressure reduction and injection enhancement are pretty obvious for the water injectors，thus the improved injection-production relationship is established． Key words： large-scale fracturing； steering fracturing； complex lithology； field test
关 键 词： 大规模压裂； 转向压裂； 复杂岩性； 现场试验
中图分类号： TE357
文献标识码： A
文章编号： 1000-3754 （ 2016） 02-0066-04
ＲESEAＲCH AND TEST OF LAＲGE-SCALE INSIDE-SEAM STEEＲING FＲACTUＲING TECHNIQUE
果差。以完善注采关系和形成有效驱动体系为目标，基于对复杂岩性储层应力场变化规律的认识，研究了缝内
转向形成多裂缝机理。通过优化转向裂缝条数与尺寸，应用缝内暂堵工艺方法，形成了大规模缝内转向压裂技
术。该技术主要特点是能够扩大裂缝与油藏的接触面积，增大井筒与地层的连通能力，增强压裂效果。现场试
验井压后平均单井增油 6. 6 t / d，同时水井降压增注效果明显，形成了完善的注采关系。
1 压裂设计方法
2 施工工艺
压裂设计方法一般是基于产量最大化或经济效
益最大化为目标进行压裂裂缝形态模拟、施工参数
优化，根据海拉尔油田特点，压裂目标是形成主裂
缝与多条转向裂缝相结合的裂缝系统，降低渗流阻
力以及突破非均质性的屏蔽影响，扩大油井的泄油
面积，提高单井产量。当限定导流能力为有限常
数、定流压生产、单向流等条件时模拟形成多条人
Vr———油藏砂体体积，m3 。 压裂设计优化的计算步骤简单，支撑剂数法涉 及的因素较为全面，模型贴近实际的油藏流动形 态，结果科学、合理［16］。以 B1 井为例，不论储层 天然裂缝是否发育，都以追求工程实际与地层砂体 的最佳匹配为目标，得到最佳无因次采油指数，优 化改造裂缝体积，确定加砂规模 （ 图 1） 。
Ix ———裂缝穿透比；
C fD ———无因次导流能力；
Vp———支撑剂体积，m3 ；
Kf ———裂缝渗透率，μm2 ；
K———地层渗透率，μm2 ；
由于压裂裂缝尖端应力集中，压裂裂缝扩展过 程中在尖端形成塑性区，当塑性区内剪应力超过地 层岩石强度后，在裂缝尖端形成端部诱导转向裂 缝，诱导转向裂缝为剪切缝。在特定条件下，随着 剪切裂缝的张性扩展，在主裂缝周围形成一系列诱 导裂缝。这些诱导缝如果条件允许继续扩展，将成 为体积裂缝的一部分。 2. 1 形成条件
由裂缝尖端诱导转向缝形成理论模型可知， 为了促使剪切缝扩展，只有对主裂缝进行缝内暂 堵，强制提高净压力，由于区块平均应力差为6 ～ 7 MPa，同时需要满足裂缝尖端压力 6 ～ 9 MPa 才 能够延伸转向裂缝，计算式为
p0 ＞ ｛ C / tanφ + （ σmax － σmin ） × ［sin2θ / tanφ + 1 /2（ 1 － cos2θ） ］｝ （ 2） 式中 p0 ———裂缝尖端压力，MPa； C———岩石内聚力，MPa； φ———岩石内摩擦角，（ °） ； σmax ———最大水平主应力，MPa； σmin ———最小水平主应力，MPa； θ———诱导裂缝与 x 轴夹角，（ °） 。 2. 2 缝内转向时机与工艺施工时间 储层改造时，岩石力学性质与地应力的分布状 态决定了压裂裂缝的形态。根据测录井资料所获得 的岩性、声波时差及密度计算地层的岩石力学参 数。基于地层特性信息及连续的数据点结合地震属 性数据体形成井间岩石力学参数三维数据体，建立 地层岩石力学参数连续剖面。采用全三维压裂模拟 软件确定储层物性、岩石力学参数的平面非均质分 布规律，解释定义岩性并计算应力，采用有限元网 格节点方法对地层点进行相关运算，允许垂直和水 平两个方向上的变化，建立网格化非均质地质模 型，进行非对称全缝长人工裂缝模拟，判断形成转 向缝时机。 通过应用纤维、基液、高浓度陶粒组合的压裂 方式对人工裂缝的主裂缝进行暂堵，提高缝内净压 力的同时实现了转向裂缝扩展延伸。即压裂完主裂 缝后采用质量分数 0. 2% ～ 1. 2% 的纤维基液与质 量分数 20% ～ 30% 的支撑剂进行缝内暂堵，提高
2. 3 缝内裂缝转向条数与缝长优化 基于区块储层特征与应力场［17-20］研究 结 果 结
第 35 卷 第 2 期
谢朝阳 等： 大规模缝内转向压裂技术研究与试验
·67·
海拉尔盆地断块多、储层低渗透、物性条件复 杂，非均质性强［1-3］，油田 42. 5% 的开发井产量低 于 0. 5 t / d，严重制约了油田的可持续发展。分析 油井低产的原因主要有两方面： 一是地质条件，储 层物性及含油性变差，无法建立有效的驱动体系； 二是工程因素，压裂改造效果不理想，平均单井增 油效果逐年变差。国内外针对低渗透储层改造都在 试验大规模体积压裂、裂缝性储层缝 网 压 裂［4-9］、 纤维压裂［10-11］ 等 工 艺， 部 分 油 田 开 展 多 裂 缝 压 裂 及缝 内 转 向 压 裂［12-15］ 现 场 试 验 并 见 到 较 好 效 果。 海拉尔油田压裂工艺并没有形成针对性强的改造方 法，常规压裂技术难以取得明显增产效果； 同时岩 性复杂、断块发育，受到井网与施工成本的限制无 法推广水平井大规模体积压裂技术。为提高油田改 造效果，以完善注采关系为主，形成有效驱动体系 为目标，试验了直井大规模缝内转向压裂技术。该 技术主要特点是能够扩大裂缝与油藏的接触面积， 通过提高裂缝对砂体的控制程度，增大井筒与地层 的连通能力，提高压裂效果的同时形成有效注采关 系，保持单井长期稳产。
工裂缝，储层改造后的初期产量与长期产量都会有
很大提高。
应用支撑剂数的压裂优化设计方法，给定的支
撑剂数代表进入产层的支撑剂数量，其物理意义为
裂缝渗流能力的改善及裂缝支撑体积的影响范围在
整个油藏中所占的比例。支撑剂数计算式为
Np
=
I2x
× CfD
= 2KfVp KVr
（ 1）
式中 Np———无因次支撑剂数；
XIE Chaoyang1 ，SHANG Litao2 ，TANG Pengfei2 ，MA Yingzhuo1 ，LIU Yu2 ，LI Cunrong2 （ 1. Hailer Petroleum Exploration and Development Headquarters，Hulunbeir 021008，China； 2. Oil Production Engineering Ｒesearch Institute，Daqing Oilfield Co． Ltd． ，Daqing 163453，China）
2016 年 4 月 第 35 卷第 2 期
大庆石油地质与开发 Petroleum Geology and Oilfield Development in Daqing
DOI： 10. 3969 / J. ISSN. 1000-3754. 2016. 02. 012
Apr. ，2016 Vol. 35 No. 2