超低滲油藏油井壓裂縫高度控制時機研究

超低滲油藏油井壓裂縫高度控制時機研究

隨著發(fā)展的深入，超聲滲透油藏（滲透率小于1.0.10-3）逐漸成為鄂爾多斯盆地穩(wěn)定候選人的主要資源。這類油藏主要分布在鄂爾多斯盆地東北部和西南部的沉積系統(tǒng)前方。儲層巖石致密，主要由細砂巖和細砂巖組成，性質(zhì)差，壓力層高，難以建立有效壓力驅(qū)動系統(tǒng)。在盆地西南緣隴東地區(qū)莊19井區(qū)長8、莊40井區(qū)長6開展超前注水開發(fā)試驗,井網(wǎng)方位NE75°.在地層壓力達到超前注水要求后,對油井進行了壓裂改造、投產(chǎn),并應用井下微地震技術(shù)對壓裂縫進行了監(jiān)測.井下微地震裂縫測試是通過監(jiān)測裂縫端部巖石的張性破裂和濾失區(qū)微裂隙的剪切滑動造成的微地震信號,得到裂縫空間展布特征.測試結(jié)果表明裂縫擴展呈現(xiàn)出多種形態(tài)復雜性,以雙翼縫為主,也有單翼縫,壓裂縫方位與開發(fā)試驗井網(wǎng)部署方位一致,但壓裂裂縫高度嚴重失控,裂縫高度長(50~260m),裂縫穿透了目的層,向圍巖延展.莊40井區(qū)超前注水3個月后,莊87-22油井射孔、壓裂,射孔段長7m(1823~1830m),井下微地震監(jiān)測顯示壓裂縫縱向上延伸長,裂縫高度70m左右.超低滲油藏超前注水后的壓裂特征,給油田開發(fā)者提出了一個現(xiàn)實問題:超低滲透油藏油井合理的壓裂、投產(chǎn)時機,即在滿足超前注水條件,如何較好控制壓裂縫高、裂縫展布,實現(xiàn)超低滲油藏的有效開發(fā).1適應性特征的地球積累特征地應力對壓裂縫具有控制作用,儲隔層地應力差值控制著壓裂縫在縱向的延伸,水平兩向主應力大小對壓裂縫的延伸方向有直接的影響.1.1聲發(fā)射凱菲爾效應法巖石的聲發(fā)射活動能夠“記憶”巖石所受過的最大應力,這種效應為凱塞爾效應.利用聲發(fā)射凱塞爾效應實驗可以測量巖石曾經(jīng)承受過的最大壓應力,是將取自現(xiàn)場的巖心在室內(nèi)進行加載,用聲發(fā)射儀接收巖石受載過程中所發(fā)出的聲波信號.實驗是采用與鉆井巖心軸線垂直的水平面內(nèi),增量為45°的方向鉆取3塊巖樣,測出3個方向的凱塞爾點處正應力,而后求出水平最大、最小主應力;由與巖心軸線平行的垂向巖樣凱塞爾點處的地應力確定垂向地應力.利用聲發(fā)射凱塞爾效應法對莊19井區(qū)、莊40井區(qū)進行了地應力大小測定.莊19井區(qū)水平最大、最小兩向應力差在4.0~6.0MPa之間,垂向最小應力差在2MPa左右,對壓裂縫走向控制較好,縫高難以控制;莊40井區(qū)水平兩向應力差在3.5~5.8MPa之間,垂向最小應力差在3MPa左右,對壓裂縫高控制較難(表1).1.2數(shù)值模擬方法開發(fā)實踐表明超前注水是特低滲油藏開發(fā)的重要技術(shù).超前注水建立了有效壓力驅(qū)替系統(tǒng),保持較高的地層壓力,降低了因地層壓力下降造成的地層傷害,達到提高單井產(chǎn)量和最終采收率的目的.超前注水和油田開發(fā)過程實際上是一個地層變形和流體流動的耦合問題.在此過程中,地層壓力發(fā)生變化,使得地層發(fā)生形變,地應力場隨之發(fā)生改變.對于垂向應力而言,由于受圍巖的影響,地應力變化有限;而平面上沒有約束可以自由變形,因而平面應力一般來說受超前注水和油井生產(chǎn)的影響更大,因此,注水后地應力場的變化主要體現(xiàn)在水平兩個主應力的變化.平面地應力場的變化對壓裂裂縫的動態(tài)延伸產(chǎn)生影響,采用數(shù)值模擬方法對莊19井區(qū)注水后的地應力動態(tài)分布進行了研究.應用有限元法對應力場分布進行研究,通過巖石力學實驗測試手段得到某些井位上的水平地應力數(shù)值,建立有限元模型,在整體的邊界上施加多次的應力組合求得區(qū)域上的應力場分布.在對超前注水后不同時間段地應力場的動態(tài)分布研究后,認為地應力變化具有以下規(guī)律:超前注水和油井生產(chǎn)對儲層地應力產(chǎn)生一定的影響,整體上,平面地應力分布呈現(xiàn)逐步增加的趨勢,表現(xiàn)在水平最大和最小主地應力的增加;地應力增加的幅度和注水強度關(guān)系明顯,當注水強度大時,地應力的增加幅度相對增大;隨著累積注水量的增加,注水井附近地應力增加幅度大(2~4MPa),采油井附近,地應力的增加幅度較小,增加幅度在0.5~3.2MPa之間(圖1).同時,由于平面地應力變化的不均衡性,導致局部應力場發(fā)生改變,從而導致壓裂縫延伸方向不規(guī)則,如單翼縫現(xiàn)象.值得注意的是,隨著注水量的增大,平面最大、最小主應力增大明顯,垂向應力變化雖然有限,但圍巖地應力未變,因此,儲、隔層之間的應力差減小,不利于控制壓裂縫高.因此,超前注水區(qū)地應力的變化對油井壓裂裂縫具有重要的控制作用,因此,必須對油井壓裂時機進行優(yōu)化.2儲、隔層應力應變分析對合理的油井壓裂時機,主要是通過物理模擬方法對其進行研究.首先通過巖石力學實驗和測井資料的解釋,得到儲層和隔層的力學參數(shù),根據(jù)所測得的力學參數(shù),構(gòu)建物理模型,模擬不同應力差作用下的油井壓裂縫特征.根據(jù)彈性力學原理,應用三軸應力試驗裝置,對莊19井區(qū)、莊40井區(qū)砂、泥巖的巖石力學參數(shù)進行了測定(表2).莊19井區(qū)彈性模量屬于中低水平,砂、泥巖彈性模量差別不大,不利于縫高控制,且井間非均質(zhì)性較強.莊40井區(qū)砂、泥巖彈性模量存在一定差異,但是井間差異較大.為了更準確地掌握儲、隔層應力大小,得到連續(xù)的巖石力學剖面,莊19井區(qū)莊61-23井進行了5700測井,測井解釋表明莊61-23井隔層、油層平均泊松比分別為0.29和0.24,其平均剪切模量為2.0×104MPa和2.6×104MPa,巖石力學性質(zhì)差異性較小(圖2).根據(jù)儲、隔層巖石力學參數(shù),采用不同比例的砂、水泥做成人工模型,模擬儲、隔層,施加不同的應力差,觀察能夠使人工裂縫從儲層剛進入隔層的臨界應力差.物理模擬結(jié)果表明儲、隔層應力差對壓裂縫高具有控制作用:當應力差大于4MPa時,裂縫僅在模型中部擴展,表明4MPa的應力差能夠有效阻止裂縫垂向擴展;當應力差為2MPa,裂縫的垂向擴展并沒有受到垂向應力差的影響,在上、下層均得到了充分的擴展,說明2MPa的應力差不能阻止裂縫的垂向擴展(圖3).當儲層與上、下隔層應力差不等時,裂縫可在應力差較大的方向控制在儲層內(nèi)延伸,而另一個方向不易控制.因此,超低滲油藏油井壓裂最好在注水井未注水前,油井主要受原始地應力的影響,裂縫展布形態(tài)、高度等參數(shù)較為理想.壓裂試油后關(guān)井,注水井投注,待地層壓力達到方案設(shè)計的地層壓力保持水平后,油井投產(chǎn),其開發(fā)效果可能更好.3做好縫高、裂縫的壓裂研究.超低滲油藏由于巖性致密,儲、隔層