万有余，张玉香，张力，刘永，谢贵琪

中国石油青海油田分公司 钻采工艺研究院（甘肃 敦煌736202）

柴达木盆地地处青藏高原，平均海拔高度超过3 000 m，由于形成过程中构造活动剧烈，被多条大型断裂带分割。同时,储层成岩演化程度低，盆地储层岩性复杂，物性差。由于沉积更迭频繁多为湖相低能沉积，储层单层厚度小，1～6 m的薄层占70%以上，储隔层应力差小，应力差在2～5 MPa 左右，纵向上跨度大，油、气、水层间互，压裂改造支撑效率低，裂缝纵向延伸高度大，极易沟通纵向上的水层，导致改造后出水，因此采用薄互层控缝高的压裂工艺技术进行改造，不仅可以极大地提高储层改造的针对性[1]，同时也能达到延缓含水的快速上升和提高单井产量的目的。

1 控制裂缝高度的因素分析

针对影响裂缝的高度的因素，通过建立数学模型进行研究和分析，作出了3项假设：①以压裂井井筒为轴心，压裂所形成的人工裂缝分布对称；②压裂层段储层和盖层皆是均质连续弹性体；③压裂施工时，压裂液在人工裂缝中沿缝高和缝长方向上进行二维流动[2-3]。

建立压裂施工人工裂缝的延伸三维数学模型方程如下：

连续性方程：q(x,t)=f1[W (x,z,t),h(x,t)]

压降方程：p(z)=f2[q (x,t),h(x,t),W(x,z,t)]

裂缝宽度方程：W(x,z,t)=f3[ p(z),h(x,t)]

裂缝高度方程：h(x,t)=f4[ p(z),h(x,t)]

式中：q 为日产液量，m3；W 为裂缝的宽度，mm；h 为裂缝的高度，m；p为压力，MPa。

在压裂施工时，上述4 个方程中隐匿了影响人工裂缝在纵向上的延伸高度因素，通过附加的边界条件并联立求解，就能求取裂缝高度参数。通过求解隔层的厚度、储隔层应力差、施工排量、压裂液黏度、压裂液滤失、断裂韧性、杨氏模量等影响人工裂缝的高度因素，其中影响人工裂缝在纵向上延伸的不可控因素为施工排量、储隔层应力差、隔层的厚度、断裂韧性、杨氏模量。可控因素为压裂液性能和施工排量。通过对不可控因素的削弱是减小缝高失控的有效手段。

1.1 地应力差对人工裂缝高度延伸的影响

根据柴达木薄互层平均储层厚度3 m 为例，从储隔层地应力差与人工裂缝高度的关系可以看出，随储隔层地应力差的减小，人工裂缝高度快速增加，当储隔层地应力差小于8 MPa时，人工裂缝容易失控，如图1所示。

图1 地应力差与缝高延伸的关系

1.2 隔层厚度对缝高延伸的影响

以储层厚度3 m 为例，从隔层厚度对缝高的影响分析可以看出，人工裂缝高度随隔层厚度的减少而增大，当隔层厚度大于6.0 m 时能够有效遮挡人工裂缝在纵向上的延伸，但在油田大部分隔层厚度都小于6.0 m，因此无法有效阻止裂缝在纵向上的延伸，如图2所示。

图2 隔层厚度与缝高延伸的关系

1.3 施工排量对缝高延伸的影响

施工排量是影响缝高可控的关键因素之一，对缝高有较大影响，随着施工排量的增大，缝高在纵向上的延伸也在增大，施工排量在2.5 m3∕min 以内，缝高能够控制在18 m以内，如图3所示。

图3 施工排量对缝高延伸的影响

1.4 压裂液黏度对缝高延伸的影响

压裂液交联后的黏度越大，对储层岩石的造缝能力就越强，并且压裂液黏度越大滤失相对就越小，使得人工裂缝的纵向上延伸高度高、宽度大。因此，压裂施工中既要保证压裂液能够正常携砂，也要尽可能降低压裂液的黏度。降低压裂液的黏度对人工裂缝的纵向延伸起一定的控制作用，如图4所示。

图4 压裂液黏度对缝高延伸的影响

1.5 压裂液滤失系数对缝高延伸的影响

压裂液的滤失系数对人工裂缝在纵向上延伸高度有着明显的影响，也是地层渗透能力的直观反映。压裂液的滤失系数越大，压裂液的造缝效率就越低，相对人工裂缝在纵向上的延伸高度越小，但滤失系数大易造成砂堵，因此需找寻合适的滤失范围，既能控制人工裂缝在纵向上的延伸高度，又不影响正常的压裂施工，如图5所示。

图5 滤失系数对缝高延伸的影响

1.6 断裂韧性对缝高延伸的影响

裂缝上下两端处的应力强度因子达到岩层该处的断裂韧性后，裂缝才在该处延伸。也就是说，如果隔层的断裂韧性足够大，将能够形成一个有效的阻挡层，阻止裂缝在高度方向上的延伸，如图6所示。

图6 断裂韧性对缝高延伸的影响

1.7 杨氏模量对缝高延伸的影响

随着杨氏模量的增大，裂缝高度也增大，但裂缝的宽度相对变窄，如图7 所示。当上下隔层的杨氏模量远大于储层杨氏模量时，裂缝的高度增长减缓，杨氏模量能阻止缝高增长，但储隔层杨氏模量相差不大时，缝高在纵向上延伸不易控制[4]。

图7 杨氏模量对缝高延伸的影响

通过采用综合模糊分类法模拟计算以分析不同因素对裂缝高度的影响，探索控制裂缝高度的主要因素，正交试验见表1。

数值模拟结果表明，各因素影响裂缝高度由强到弱的顺序为：储隔层应力差、压裂液滤失系数、压裂液稠度系数、施工排量、隔层厚度、弹性模量岩石和断裂韧性。

2 低应力差薄互层控缝高压裂技术

2.1 人工隔层技术

人工隔层技术是低应力差薄互层控制人工裂缝在纵向上延伸高度的常用技术[5]。其原理是在压裂施工的前置液中加入上浮或下沉剂，增加隔层的应力，阻碍纵向上压裂液的流动，提高隔层的遮挡强度，从而阻止裂缝向上、下过渡延伸。通过人工隔板有限元模拟计算，采用上浮或下沉剂能增加储、隔层间应力差3～5 MPa。其原理如图8所示。

表1 控缝高模拟计算的因素和水平

2.2 支撑剂段塞压裂工艺

在薄互层压裂施工中，由于受到储层天然裂缝发育及射孔方式等影响，往往在压裂近井地带形成裂缝扭曲和多裂缝，该现象即降低了压裂液的造缝效率，又降低了主裂缝的宽度，很容易引发早期砂堵。通过大量室内研究及现场实践表明，若能克服近井地带多裂缝及裂缝扭曲，就能大幅度提高薄互层压裂施工的成功率，施工必须要控制好3 个关键因素：①前置液阶段段塞砂比、平均砂比在10%左右，不能太低；②通常要采用两级支撑剂段塞，起步砂比为7%，第二段砂比为10%，压裂段塞砂浓度要从小到大，以减少施工造成砂堵风险；③用液强度至少2～3 m3∕m，液量达到一定的规模，打摩近井裂缝扭曲才能取得效果。

图8 人工隔层技术原理与净应力分布图

2.3 低应力差薄互层控缝高压裂工艺选择

通过控制多种人工裂缝延伸因素的分析，以及模拟人工隔层应力有限元数值，形成了以“优化施工排量、优化射孔井段和人工隔层、降低压裂液黏度”为主的低应力差薄互层控缝高压裂技术，各工艺适应范围、技术关键见表2。

3 现场应用情况

控缝高压裂工艺技术广泛应用于青海油田昆北、七个泉、尕斯、乌南、扎哈泉、红柳泉、花土沟、小梁山、冷东、九龙山、平台、牛东等勘探及开发区块，在勘探方面为昆北、九龙山、小梁山、平台、牛东等区块的发现提供了技术支持，在开发方面已累计实施420 余井次，最小施工排量1.3 m3∕min，裂缝高度控制在6 m左右，措施后单井日增油2.6 t，累计增油24.9×104t。其中昆北油田切16 区块是典型的控缝高压裂示范区块，该区块共计措施27井次39层，其中压裂投产23 井次，措施初期单井平均日产油4.4 t，措施平均单井平均日增油2.4 t，措施有效生产时间277 d，累积增油16 860.3 t。控缝高压裂技术的措施平均日增油是常规压裂技术的2 倍，效果明显高于常规压裂技术。

4 结论

1）青海油田薄层发育、油水层间互、储隔层应力差小、控制裂缝纵向延伸、提高支撑剂有效支撑，避免压窜水层是压裂改造的首要选择。

表2 控缝高压裂工艺选择原则及指标

2）敏感性分析表明，控制裂缝高度的主要因素是储隔层地层应力差、压裂液性能及施工排量。

3）以“优化施工排量、降低压裂液黏度、优化射孔井段和人工隔层”为主的控缝高压裂工艺技术能够有效阻碍裂缝在纵向上的延伸，对薄互层具有较好的适应性。

4）控缝高压裂技术已成为青海油田低渗透薄互层储量有效动用关键技术之一。