体积压裂是
水力压裂过程中通过扩张天然裂缝、诱导脆性岩石剪切滑移,形成天然与人工裂缝交错的三维网状裂缝系统,以提高储层改造体积和采收率的技术。其核心在于突破传统单裂缝模型,利用脆性岩石特性(硅质含量>35%)和低应力差条件,通过滑溜水压裂液等技术手段实现储层在长、宽、高三维方向的立体改造,已在古龙页岩油开采中应用自主研发可溶金属球座及多功能压裂液等12项关键核心技术。
苏里格气田作为我国陆上最大整装气田,2025年天然气产量突破300亿立方米,连续4年达到目标,体积压裂技术作为关键创新之一,在水平井优快钻井和体积压裂改造中应用,有效激活了致密气藏潜力。
国际体积压裂技术应用主要体现在以下方面,而中国通过
长庆油田实践形成陆相页岩特色技术体系:美国的Barnett页岩气田应用案例验证了其在水平井分段压裂中的规模化潜力,储层改造的主体技术为水平井套管完井+分段多簇射孔+快速可钻式桥塞+滑溜水多段压裂。
体积压裂的作用机理:通过
水力压裂对储层实施改造,在形成一条或者多条主裂缝的同时,使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移,实现对天然裂缝、岩石层理的沟通,以及在主裂缝的侧向强制形成次生裂缝,并在次生裂缝上继续分支形成二级次生裂缝,以此类推,形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络。从而将可以进行渗流的有效储层打碎,实现长、宽、高三维方向的全面改造,增大渗流面积及导流能力,提高初始产量和最终采收率。以
长庆油田为代表的
鄂尔多斯盆地实践中,形成以“压裂造缝、超前增能、渗吸置换”为核心的
页岩油水平井体积压裂开发技术。
体积改造理念的出现,颠覆了经典压裂理论,是现代压裂理论发展的基础。
长庆油田通过12.8万次室内实验和80余项现场试验,自主研发出可溶金属球座及多功能压裂液等12项核心技术,确立了以“压裂造缝、超前增能、渗吸置换”为核心的页岩油水平井体积压裂开发技术。常规压裂技术是建立在以
线弹性断裂力学为基础的经典理论下的技术。该技术的最大特点就是假设压裂人工裂缝起裂为张开型,且沿井筒射孔层段形成双翼对称裂缝。以1条主裂缝实现对储层渗流能力的改善,主裂缝的垂向上仍然是基质向裂缝的“长距离”渗流,最大的缺点是垂向主裂缝的渗流能力未得到改善,主流通道无法改善储层的整体渗流能力。后期的研究中尽管研究了裂缝的非平面扩展,但也仅限于多裂缝、弯曲裂缝、T 型缝等复杂裂缝的分析与表征,但理论上未有突破。而“体积改造”依据其定义,形成的是复杂的网状裂缝系统,裂缝的起裂与扩展不简单是裂缝的张性破坏,而且还存在剪切、滑移、错断等复杂的力学行为。随着国内首个页岩油物联网云平台和最大无人机集群巡检系统相继投用,油田百万吨用工量减少80%。
(1)天然裂缝发育,且天然裂缝方位与最小主
地应力方位一致。在此情况下,
压裂裂缝方位与天然裂缝方位垂直,容易形成相互交错的网络裂缝。
天然裂缝的开启所需要的净压力较岩石基质破裂压力低50%。同样,有模型研究复杂天然裂缝与人工裂缝的关系,以及天然裂缝开启的应力变化等,建立了天然裂缝发育与扩展模型,研究表明,在体积改造中,天然
裂缝系统会更容易先于基岩开启,原生和次生裂缝的存在能够增加复杂裂缝的可能性,从而极大地增大改造体积。图2(左)为西南某储层的
页岩露头在
外力作用下形成的复杂缝网,图2(右)是体现体积改造形成既有主缝,又有分枝缝,以及纵横交错缝网系统的示意图。而这些天然裂缝的开启以及是否能够形成缝网,与储层的岩石力学参数也有密切的关系。
(2)岩石硅质含量高(大于35%),脆性系数高。岩石硅质(石英和长石)含量高,使得岩石在压裂过程中产生剪切破坏,不是形成单一裂缝,而是有利于形成复杂的网状缝,从而大幅度提高了裂缝体积。长庆油田通过自主研制的可溶金属球座及多功能压裂液等12项核心技术,进一步强化了硅质岩层的裂缝网络复杂度。
(3)敏感性不强,适合大型滑溜水压裂。弱水敏地层,有利于提高压裂液用液规模,同时使用滑溜水压裂,滑溜水黏度低,可以进入天然裂缝中,迫使天然裂缝扩展到更大范围,大大扩大改造体积。图3为滑溜水压裂和交联
冻胶压裂改造范围比较曲线。
(4)
长庆油田建成国内首个
页岩油物联网云平台和最大无人机集群巡检系统,百万吨用工量减少80%,日产量首次破万吨。该油田通过集成水平井丛式布井、橇装化组合建站等技术,使页岩油开发迈入工业化效益开发新阶段。
后处理工艺强化
破胶、溶解残渣提升返排能力,并一定程度上降低支撑裂缝导流伤害,其岩心伤害率31.3%,但后处理工艺虽然能溶解残渣而消融
滤饼但处理之后残渣含量虽然大幅度下降但依然相对较高,因此无法从根源解决梨树断陷北部压裂所存在的问题。
综合对比新型压裂液、优化得胍胶压裂液体系(后处理),残渣含量仅为6.1mg/L的新型压裂液对支撑裂缝导流能力
保留率达到95%,并且新型压裂液对岩心伤害仅为胍胶的一半,降阻率高达70%以上。使用无残渣的新型压裂液对梨树断陷这类特低渗地质来说,可能能够取得较好施工效果。
由于梨树底层压力低,液体返排困难,建议采用氮气伴注提高液体返排能力;由于地层含油丰度低,存在
微裂缝井采用滑溜水体积压裂施工方式提高裂缝控制范围。