储层物性及压裂工艺因素对水力压裂效果的影响分析

邓粞文，段永刚

（西南石油大学石油工程学院，四川成都610500）

储层物性及压裂工艺因素对水力压裂效果的影响分析

邓粞文*，段永刚

（西南石油大学石油工程学院，四川成都610500）

水力压裂是储层进行增产改造的一大有效措施，压裂效果的好坏程度受不同因素的制约。就从地质角度及工艺角度两方面，研究分析了不同因素对压裂施工效果的影响机理，为压裂施工的合理设计及有效开发提供一定的借鉴意义。

水力压裂；储层物性；压裂工艺

针对部分储层，尤其是低渗、特低渗储层来讲，水力压裂是实现其经济开发的有效手段之一。压裂施工过程中面临着较多的影响，若在施工设计及施工过程中对某些潜在因素考虑欠妥或处理不佳，将会在不同程度上影响压裂效果，在某些情况下，甚至会导致压裂失败。压裂效果的影响因素是多方面的，因此，压前对储层充分认识及压裂工艺因素的合理控制是压裂成功的关键，本文就从地质角度及工艺角度综合分析了不同因素对压裂效果的影响。

1 储层地质因素分析

压裂施工是基于储层物性的基础上进行增产改造的，储层物性是影响压裂效果的基本因素，具体包括孔隙度、有效厚度、电阻率、储层岩性、天然裂缝及地层压力等因素的影响。

1.1 孔隙度及渗透率的影响

孔隙度及渗透率具有一定的相关性，其对压裂效果的影响是相互的，孔隙度对压裂效果的影响在一定程度上会反映在对渗透率的影响上。储层较低的孔隙度，将会导致储层流体难以流动，致使束缚水饱和度高，有效渗透率降低，流动阻力增大。一般而言，储层孔隙度及渗透率对压裂效果的影响存在一定的正相关性，随着孔隙度的增加，渗透性相应的变好，压裂获得高产能的几率越大，图1给出了不同渗透率条件下的气井压裂增产产量情况。

图1 不同渗透率条件下压裂增产情况（h=30m）

1.2 有效厚度的影响

储层的有效厚度与压裂效果的好坏程度表现出一定的正相关性（如图2所示），储层厚度的增加，压后生产情况将有一定提高。这是因为储层厚度较小，含气规模较小，形成人工压裂缝范围内，岩性易发生变化，砂体稳定程度相对较低。从图1及图2中可以看出，厚度对压裂效果的影响较小，但由于在实际储层中孔隙度与渗透率的变化范围较小，而储层的变化范围较大，一般有效厚度较大可以补偿物性的不足[1]。

图2 不同厚度条件下压裂增产情况（K=3mD）

1.3 电阻率的影响

压裂效果较好的层位其电阻率通常较高，这是由于电阻率的高低，反映出储层含烃饱和度的高低，低含烃饱和度的储层在施工中容易造成水锁现象，导致压裂效果不明显。

1.4 储层岩性的影响

储层岩性控制着储层的储集能力，粒度越大，分选越好，其储集层的储集能力就越强，储集的天然气越多，压裂增产的几率也就越大。随着储集层岩性粒度的变大，压裂增产也随之变大。

储层岩性对压裂效果的影响还表现在泥质含量上，储层泥质含量越高，储层岩性的柔韧性越大，相对压裂施工难度越大，而储层泥质含量越低，储层岩石脆性越大，压裂施工时岩石越容易破裂，压裂施工难度降低，压裂效果越好。岩石脆性大小可由杨氏模量和泊松比进行表征[2]，其具体计算公式如下：

式中：YMSc——静态杨式模量,10GPa；

PRc——静态泊松比，无量纲；

YMBI——归一化的杨氏模量，无量纲；

PRBI——归一化的泊松比，无量纲；

BI——脆性系数,无量纲。

1.5 天然裂缝的影响

天然裂缝对压裂措施效果的影响是相对的。在某些类型储层中由于岩石在地下受到不同方向应力大小差别较大，容易产生天然裂缝，反映出储层地应力不均一，是储层中地层应力薄弱的地带，天然裂缝的存在使得岩石的抗张强度降低，储层可压裂性越高。

需要注意的是，由于剪切错动的存在，天然裂缝的存在可能会造成一定程度的机械伤害。剪切错动的大小受地应力状态、天然裂缝的方位和压裂施工参数的控制，这种伤害虽然较小，但却是永久性的。若水力压裂裂缝周围存在天然裂缝，水力裂缝可能在地层中产生附加应力，导致天然裂缝的渗透率相应的降低。其附加应力与缝宽成正比：

式中：Δσ——应力与基准压力之差，MPa；

ω——缝宽，μm；

E——杨氏模量，MPa；

H——裂缝高度，μm；

γ——泊松比，无量纲。

1.6 地层压力的影响

地层压力的高低反映出地层能量的总体水平，若地层压力较低，将会造成储层供液能力变差，同时，对部分油井来说，过低的地层压力将会导致地层原油脱气，流体粘度增大，渗流阻力变大，导致压裂整体效果变差，采用合理的注采井网及时补充地层能量是十分重要的。

1.7 其他因素影响

压裂层位附近若存在含水层需要注意压裂施工过程中缝高的控制，若施工过程中压开了邻近水层，发生窜槽，将会导致压后见水，不但不能达到增产的目的，还会导致压后产量下降甚至无法使油气采出；储层受断层遮挡，物质基础变差，也会导致压后效果较差[3]。

2 工艺因素分析

压裂施工过程中的工艺因素是压裂效果的关键，其主要影响因素包括钻完井及压裂施工过程中对储层的损害，支撑剂类型，前置液、排量、压后作业及压后生产等因素的影响。

2.1 钻完井及压裂施工中工作液对储层损害

工作液对储层的损害程度对压裂施工效果的影响较为明显。储层的损害主要来自钻完井过程中的损害以及压裂工程中的损害。

2.1.1 钻井过程中的储层损害

在钻完井过程中所使用的钻井液若与储层不配伍，工作液中的固相颗粒将会进入储层诱发堵塞，导致渗流阻力增大，同时容易发生水敏、水锁等危害，引起粘土的膨胀、运移，形成贾敏效应，造成有效渗透率急剧下降，在这种情况下，即使后期采用水力压裂等增产措施，其压后产量依然处于较低的水平，严重影响压裂施工效果[4]。

2.1.2 压裂施工中的储层损害

压裂液对压裂施工的影响主要包括压裂液配伍性的影响及滤失的影响2个方面。

压裂液的配伍性主要包括压裂液自身的配伍性及与储层的配伍性。若压裂液自身配伍性较差，在井下温度、压力条件下，压裂液体系中各化学成分发生反应产生沉淀，将会影响储层的渗透性；若压裂液与储层物性不匹配，同样也会堵塞储层，造成水敏、水锁等现象[5]，同时，若压裂液中某些活性添加剂若改变储层的润湿性，也会对储层造成较大的危害，严重降低储层的渗透率。

压裂过程中的滤失现象也会对压裂效果造成一定的影响。在压裂过程中，若压裂液大量滤失形成滤饼，将会消除支撑缝内沿壁面的流动。对于低渗气层，滤失系数具有较强的压力敏感特性，滤失系数与压力的0.5或1.0次幂成正比。对于低渗裂缝性气层，其压力敏感性特征更为复杂，下式可以描述这一特征：

式中：k——任意应力状态下的天然裂缝渗透率,mD；

k0——原始应力状态下的地层渗透率,mD；

c——由现场资料确定的常数；

σ——作用于天然裂缝的垂向应力，MPa；

σ*——参考应力,MPa；

p——孔隙压力；MPa。

2.2 支撑剂的影响

支撑剂的类型是影响压裂效果的一个主要因素。随着储层深度增加，岩石越致密，上覆压力增大，在较高地应力的作用下，强度较低的支撑剂可能会被压碎，降低支撑剂的导流能力；同时，储层较高的温度，会加剧支撑剂的应力集中破坏，导致压裂效果不佳。通过对支撑剂的合理选择，采用适当强度和抗破碎能力的支撑剂，才能有效提高支撑剂的导流能力[6]。

2.3 压裂施工因素

压裂施工因素具体包括前置液量、加砂量、砂比、排量、注入时间等因素的影响[7]，其中最主要的3个关键因素是前置液量、加砂量及排量的合理设计。

2.3.1 前置液的影响

前置液的主要目的是用来造成一定几何尺寸的裂缝以备后面的携砂液进入，形成具有一定导流能力的裂缝。前置液量过少，容易在宽度窄的裂缝区诱发桥塞；前置液过多则会导致在泵注停止后，裂缝的端部附近产生较大的未支撑区，压后裂缝内的残余塑性流动使支撑剂被携带至端部，并最终形成较差的支撑剂分布。

2.3.2 排量的影响

压裂施工中若排量过小，易造成较大滤失，容易导致早期砂堵；若排量过大，虽然可以形成较大的压裂规模，但是难以对缝高进行有效控制，若目的层邻近存在水层时，较大的排量容易压开水层导致压裂失败。

2.3.3 加砂量的影响

加砂量影响着填充裂缝的导流能力。采用较小的加砂量，则在压裂施工中难以得到较高导流能力的支撑剖面，若采用较高的加砂量，则容易形成砂堵，合理的加砂量将会获得较好的压裂效果。

2.4 压后作业的影响

压后作业对压裂效果影响较大，压裂后要及时排液，防止工作液残留在储层中对储层造成危害，返排效果越好，压裂效果越明显[8]。

2.5 压后生产的影响

随着压裂施工后生产的进行，井底流压不断下降，当采用高产量进行生产，势必会导致井底流压过低，过低的井底流压将会导致支撑剂承受的闭合压力增大，过大的闭合压力容易使支撑剂产生破碎，使压裂缝发生闭合，减小压裂后的有效增产时间，作用于支撑剂上的有效闭合压力为：

式中：ΔPc——有效闭合压力,MPa；

sz——垂向压力,MPa；

st——构造应力,MPa；

pwf——井底流压,MPa。

3 结论

（1）储层物性特征及地质情况是压裂施工的基本条件，在压裂前应对预选目标层位进行充分认识，合理地选井选层是取得较好压裂效果的基础。

（2）压裂施工中的参数设计及施工质量是取得有效压裂效果的关键，应合理设计施工参数，把握施工流程，注意防止钻完井及压裂施工过程中对储层的危害，同时对压后生产进行合理管理以保证较长的有效压裂期。

（3）压裂效果影响因素较多，既有地层本身的构造因素及物性特征，也有压裂过程中的相关因素，充分认识这些影响因素及其作用机理，对高效开采低渗致密气藏具有重要意义。

[1]张磊,赵凤兰,侯吉瑞，等.物性参数对特低渗油藏压裂效果的影响及参数组合优选[J].科学技术与工程,2012,12(22): 5593-5596.

[2]唐颖,邢云,李乐忠,等.页岩储层可压裂性影响因素及评价方法[J].地质前缘,2012,19（5）：357-363.

[3]乔明宏,程丽红,刘贵国.压裂效果的影响因素及改善措施[J].内蒙古石油化工，2009（10）:135-136.

[4]张义,鲜保安,孙粉锦,等.煤层气低产井低产原因及增产改造技术[J].开发工程，2010,30（6）：55-59.

[5]龙政军.压裂液性能对压裂效果的影响分析[J].钻采工艺, 1999,22（1）:49-52.

[6]吴亚红,李建萍,刘俊霞.东蹼凹陷深层探井压裂效果影响因素分析[J].断块油气田,1996（3）：70-73.

[7]刘海龙.柿庄南煤层气井压裂效果评价及影响因素分析[J].北京石油化工学院学报,2014,22（1）：20-26.

[8]劳斌斌,刘月田,屈亚光,等.水力压裂影响因素的分析与优化[J].断块油气田,2010,17(2):225-228.

TE357.1

A

1004-5716(2015)03-0048-03

2014-09-09

邓粞文（1990-），男（汉族），四川苍溪人，西南石油大学石油工程学院在读硕士研究生，研究方向：试井解释及生产动态分析。