刘继民1 , 刘建中2 , 刘志鹏1 , 朱钢芹1 , 王立峰1
( 1. 中国石油大庆油田采油十厂; 2. 中国石油勘探开发研究院)
摘要: 应用微地震法, 全程监测松辽盆地朝阳沟油田3 口井、7 个层( 次) 的压裂施工过程, 监测结果与油田生产动态相符,取得了成功。监测中发现了有代表性的3 种形式的裂缝转向机制: ¹ 对于不同因素控制的不同走向的两条裂缝, 分别压开转向效果最明显; 对于同一因素控制下的裂缝, 尽管初裂缝走向不同, 但裂缝在延伸过程中仍转回原来的方向, 由于起点不同, 二者只是平行, 并不一定重合; » 同一因素控制下的裂缝也可能出现小角度转向, 由于偏离的方向小, 受到的转回原来方向的约束力也小, 可以出现较长的、不同走向新缝。其中, 以压开不同控制因素下的两条裂缝效果最好。总结监测结果, 得出判定裂缝发生转向的3 个标准: ¹ 监测到的裂缝走向、形态不同; º 第二次压裂的破裂压力应比第一次压裂的破裂压力显著升高; » 新裂缝与原来的裂缝不是同一条缝, 观测到的裂缝高度也会有所差别。这些标准与实际情况十分吻合。
图4 表2 参5
关键词: 微地震监测; 压裂转向实验; 裂缝转向机制; 裂缝转向判定标准
中图分类号: P631. 414; TE357 文献标识码: A
老油田经过多年开采, 老井原有的人工压裂裂缝几乎没有可供挖掘的生产潜能, 只有在老井压出新缝,扩大人工裂缝的扫油面积, 才能提高生产效益。近年来国内外多个油公司采用新的压裂技术、施工方案、观测方法, 研究压裂形成新裂缝的机制和可能性[ 1] 。大庆油田采油十厂于2003 年7 月在朝阳沟油田进行了3口井、7 个层次压裂形成新裂缝的实验研究, 结果有70%的层形成新裂缝, 增产效益明显。
1 压裂及观测技术
压裂时, 先用清水压开老裂缝, 不加砂, 一发现井底已形成稳定的压裂液外流, 即投入暂堵剂, 堵住所有与老裂缝相连的射孔。再压裂, 迫使压裂液通过新的射孔, 在井壁上形成新的裂缝起点, 形成新裂缝后加砂。实际压裂施工的加压过程分为两段, 前一段为张开老裂缝, 后一段为压开新裂缝( 见图1) 。
图1 朝572杨125 井第一层转向压裂施工曲线
理论上, 老裂缝应分布在最易形成裂缝的方向。多数老裂缝分布在最大水平主应力方向, 新裂缝则应沿偏离老裂缝的方向延伸, 延伸过程中应该转回老裂缝的延伸方向。为了研究裂缝转向机制, 施工中采用了近年来国际上广泛应用的微地震技术进行监测[ 2] , 监测采用6 分站、模拟传输、实时定位系统,微地震检波器放置在压裂井周围的地面, 由计算机直接给出压裂中形成的微地震震源空间分布, 根据震源空间分布描述新、老裂缝的延伸方向、几何形态[ 3, 4] 。由于整个施工过程中观测台站位置不变、地层不变, 二次压裂的观测误差是系统性的, 尽管监测的绝对误差较大, 但对二次施工的方位、高度的变化则有很高的分辨率。
2 裂缝转向实验观测结果
整体实验结果见表1, 压裂3 口井、7 个层, 每层压裂两次。有5 个层发现第二次压裂的新缝转向。
表1 压裂裂缝转向实验观测结果统计表
图2、图3、图4 是典型的微地震监测实例, 表现出3 种不同的新裂缝形成机制。由这些图可以看出新、老裂缝的差别以及新裂缝的延伸过程。
图2 朝572杨125 井第一层两次压裂裂缝转向微地震监测结果
图3 朝752105 井第二层两次压裂裂缝转向微地震监测结果
图4 朝462126 井第一层两次压裂裂缝转向微地震监测结果
由朝572杨125 井第一层压裂裂缝转向的微地震监测结果( 见图2) 可见, 第一次压裂只有北西向裂缝;第二次压裂出现明显的北东向裂缝。两次压裂形成了不同因素控制下的两条缝, 一条是由原地应力场控制的裂缝, 另一条是由原生裂隙带控制的裂缝, 二者高度差别为3. 3m。由于二者不相关, 应该有最好的增产效果, 事实上该井增产原油超过10t。该层第一次压裂的井口压力是28MPa, 排量2m3 / min; 第二次压裂的井口压力是33MPa, 排量2. 5 m3 / min。第二次压裂的峰值压力比第一次的峰值压力大5MPa。
由朝752105 井第二层两次压裂裂缝转向的微地震监测结果( 见图3) 可见, 两次压裂的人工裂缝方位有近2b的变化, 为北西87. 8b和北西89. 7b; 裂缝的高度差别也很大, 近6m。第二次监测结果相对第一次监观测结果有左旋趋势, 但在细节上有很多相似之处, 是同一控制条件下的裂缝转向; 这表明, 该层的两次压裂出现了可以观测到的人工裂缝转向, 由于转向角度很小, 约束转回原来的方向的力也很小, 新裂缝保持直线延伸。两次压裂破裂压力的差别很大, 第二次压裂破裂压力比第一次明显增高。该层第一次压裂的井口峰值压力是26MPa, 排量2m3 / min; 第二次压裂的井口峰值压力是39MPa, 排量2. 5m3 / min。
朝462126 井第一层两次压裂人工裂缝方位分别为北东49b和北东71. 3b, 有近20b的变化。仔细观察两次压裂裂缝转向的微地震监测结果( 见图4) 可以看出, 第二次压裂, 东翼近井人工裂缝近东西走向, 裂缝长度近50m, 然后左旋转向第一次压裂裂缝的方向, 出现明显的典型裂缝转向过程, 第二次监测结果相对第一次监测结果, 不仅东翼初裂缝不重合, 转向后的裂缝也不重合, 后者有明显的裂缝转向过程, 转向后的裂缝与第一次压裂形成的裂缝走向大体一致, 二者的裂缝高度差近2m。这表明, 压裂形成同一因素控制下的新裂缝若与原来的裂缝夹角较大, 裂缝在延伸过程中将转回原来的延伸方向, 但不一定和原来的裂缝重合, 这可能是转向压裂可以增产的原因。该层第一次压裂的井口峰值压力是22MPa, 排量2m3 / min; 第二次压裂的井口峰值压力是32MPa, 排量2. 8m3 / min, 压力升高10MPa。
3 新裂缝延伸机制分析
形成新缝的常见机制是形成同一因素控制下的新缝, 这一控制因素多为原地应力场。由于与老缝相连的射孔被堵住, 压裂液必然通过其它射孔作用在井壁上, 在比形成老缝更高的破裂压力下形成新的初裂缝。其力学机制可表示为:cos2( $U) \ 1 - ( Tc - T ) / ( S1 - S2 ) ( 1)式中 $U) ) ) 新裂缝偏离最大水平主应力方向的最大角度, (b) ; Tc ) ) ) 最大水平主应力方向处的岩石抗张强度, MPa; T ) ) ) 井壁形成新裂缝处的岩石抗张强度,MPa; S1 - S2 ) ) ) 差异应力, MPa。由( 1) 式可以看出, 新裂缝偏离最大水平主应力方向的最大角度$U与测点的差异应力正相关, 差异应力越大, ( 1) 式右侧第二项的值越小, ( 1) 式右侧的值越接近1, 偏差角度也小。如果差异应力很小, 新老裂缝的夹角就可能很大。大庆油田油层相对浅, 水平差异应力较小, 有利于压裂裂缝转向施工。裂缝延伸必然受到原地应力场的影响与控制, 其控制强度可表示为[ 5] :sinW[ ( R1 - R2 ) sin( 2U) / pU ( 2)式中 pU ) ) ) 裂缝中有效压裂压力, MPa; R1 , R2 ) ) ) 裂缝面上的最大、最小有效水平主应力, MPa; W) ) ) 开裂角, 即开裂方向与裂缝面的夹角, (b) ; U) ) ) 裂缝面与最大水平主应力方向的夹角, (b) 。
可以看出, 差异应力越大, 应力对裂缝延伸过程的控制越强。U角小, 则开裂角也小。由( 2) 式可以判断,若形成与老裂缝相同控制因素下的新裂缝, 有2 种延伸机制: ¹ 新缝与老缝的夹角很小, 如朝752105 井的第二层, 新、老裂缝的差别仅2b。由于差别较小, 约束裂缝转回原来方向的力也小, 开裂角也小, 新缝始终保持直线延伸( 见图3) 。º 新缝与老缝夹角较大, 如朝462126 井, 差别近20b, 约束裂缝转回原来方向的力也大,出现了典型的裂缝转向, 裂缝转回最大水平主应力方向( 见图4) 。形成新缝的另一个重要机制是压开不同因素控制的新缝, 有些井的人工裂缝方向可由应力场和原生裂隙带控制。老裂缝由其中一个控制因素, 若能再压开另一个因素控制的裂缝, 由于两个裂缝互不相关, 则会取得最好的生产效益。图2 给出了这一过程, 第一次压裂主要为北西向裂缝, 第二次压裂则出现了北东向裂缝。实际上, 朝572杨125 井第一层日增产原油10t, 取得了明显的经济效益。由于新、老裂缝不是一条缝, 其高度也会有明显的差别( 见表2) 。
总结分析观测结果, 认为在现有监测条件下判别是否形成新裂缝可据3 个标准: ¹ 破裂压力明显升高;º 裂缝方位有大于1b的变化; » 观测裂缝的高度差别不小于1m。由该标准判断形成了新裂缝的层位油产量均有明显增加( 见表2) 。现场其它迹象也表明形成了新裂缝。因此可以认为, 该判别标准是可信的。
4 结语
在大庆朝阳沟油田实施的压裂裂缝转向观测实验中, 采用微地震方法监测整个施工过程, 总结出压裂形成新裂缝的机制、新裂缝形态、形成新裂缝的判别标准, 为继续开展转向压裂施工和监测提供了重要参考。
参考文献:
[ 1] 刘建中, 王秀娟, 孙玉玲. 人工压裂形成多裂缝的可能性研究[ J] .石油勘探与开发, 2002, 29( 3) : 1042106.
[ 2] 刘建中, 王春耘, 刘继民, 等. 用微地震方法监测油田生产动态[ J] .石油勘探与开发, 2004, 31( 2) : 71273.
[ 3] Philips W S, Rut ledg e J T, Faiban ks T D, et al. Reservoir fractu remappin g using microearthquak es: Two oilfield cas e studies [ A] .SPE 36651, 1998.
[ 4] 刘建中. 油田应力测量[M] . 北京: 地震出版社, 1993. 1062110.
[ 5] 刘建中. 油田应力测量[M] . 北京: 地震出版社, 1993.第一作者简介: 刘继民( 19712 ) , 男, 黑龙江大庆人, 大庆油田采油十厂工程师, 主要从事采油工程及科研管理工作。地址: 黑龙江省大庆市,大庆油田采油十厂工程技术大队, 邮政编码: 166405; 电话: ( 0459 )4391602。
收稿日期: 2004202203 修回日期: 20042 11214
( 编辑、绘图 唐金华)
