致密油储层压裂裂缝扩展规律分析及影响研究

谷团 樊涛 张林鹏 杨书港 李宾 王文

摘 要：

以鄂尔多斯延长组长7裂缝性致密油储层为例，开展致密油储层裂缝扩展实验研究，分析裂缝扩展的影响因素，并对裂缝扩展规律进行模拟分析，实验结果表明：长7致密油储层岩石杨氏模量、泊松比和抗压强度波动范围广，造成数值差异较大；矿物组成分布差异为3%～46%，平均值为16.85%左右；

该区块储层岩石发育部分的天然裂缝，储层最大水平主应力和最小水平主应力差异较大，储层水平和垂直方向上的孔、渗、饱等物性差异较大。天然裂缝的形成和发展受自然裂缝存在与地应力场差异这两个关键因素的显著影响，长7储层原始状态下裂缝的形态呈现低角度。

关键词：

鄂尔多斯盆地；延长组长7致密储层；致密油；水力压裂物模实验；裂缝扩展规律

中图分类号：TE357.1

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2024）03-0116-04

Analysis and Influence study on the expansion law of fracturing fractures in tight oil reservoirs

GU Tuan，FAN Tao，ZHANG Linpeng，YANG Shugang，LI Bin，WANG Wen

（

Exploration and Development Research Institute of Liaohe Oilfield Company，Panjin 124010，Liaoning China）

Abstract：

The YanChang group 7 tight oil reservoir in the Ordos Basin was taken as an example，the experimental study of fracture propagation in the tight oil reservoir was carried out，the influencing factors of fracture propagation were analyzed，and the fracture propagation law was simulated and analyzed.The experimental results showed that the Youngs modulus，Poissons ratio，and compressive strength of rocks in Chang 7 tight oil reservoirs fluctuated widely，resulting in significant numerical differences.The distribution of mineral composition varied greatly between 3% and 46%，with an average value of around 16.85%.The reservoir rocks in this block had some natural fractures.The natural fractures in the rock-developed part of the reservoir in this block had a large difference between the maximum and the minimum horizontal principal stress，and the physical properties of the reservoir such as porosity，seepage and saturation in the horizontal and vertical directions were quite different.The formation and development of natural fractures were significantly affected by the existence of natural fractures and the difference of in-situ stress field，and the morphology of fractures in the original state of Chang 7 reservoir presented a low angle.

Key words：ordos basin;yanchang group 7 tight reservoir;dense oil;hydraulic fracturing physical model experiment;crack propagation law

我國致密油储层分布范围广，多种成岩作用导致储层发育层理、裂缝、微裂缝，储层非均质性不均匀。已有研究表明，储层岩石的特性和存在的天然裂缝对于水力压裂过程中裂缝形态的扩展起着决定性作用［1-6］。特别是在具有复杂岩性特征的裂缝性致密油储层中，裂缝的形成和扩张过程格外复杂，且其内部支撑机制目前仍不完全明了，给油气开发带来了诸多难题［7-12］。在鄂尔多斯盆地的延长组长7储层，天然裂缝的广泛发育和岩性的多变性，对水力压裂改造效果构成了重大挑战［13-15］。为了充分认识地下应力状态下裂缝扩展规律和延伸形态，开展了大型物模实验。本研究将探讨多种因素对裂缝扩展影响的综合效应，包括井型选择、完井技术、岩石力学属性、应力状态、工艺参数、射孔策略及天然裂缝特征等［16-17］。

1 裂缝扩展模拟实验

裂缝扩展模拟实验流程如图1所示。

由图1可知，本文通过多种实验方法，研究了致密油储层水力压裂多裂缝扩展的规律和影响因素。在本研究中，通过三轴压缩实验、岩石矿物质量分析和地应力测量，收集了具有不同岩石属性、矿物成分、应力条件和自然裂缝分布的岩石样本数据。对这些岩样进行了真三轴压裂模拟实验，并在实验前后对岩样进行了CT扫描。通过CT扫描，本研究精确提取并重建了自然裂缝和水力裂缝的形态特征与参数，并通过岩心切片观察法，深入比较了水力压裂实验前后裂缝的演变。

2 结果与讨论

2.1 裂缝性致密油储层特征评价

2.1.1 天然裂缝发育特征

在长7致密油储层中，天然裂缝和孔隙作为油气储存的重要场所。不同的裂缝类型反映了不同的形成机制，如构造作用、层间变形和异常压力。这些裂缝类型在不同的岩性段中有不同的发育程度和特征。泥页岩段和白云岩段的天然裂缝也有明显的差异。泥页岩段的天然裂缝不仅包括构造缝、层间缝，还有由差异压实造成的缝。这些裂缝发育密集，结构复杂，如图2所示。

在白云岩层中，主要的天然裂缝类型为构造性裂缝，这些裂缝通常呈现出较高角度的走势。在该岩段内，除了普遍存在的黄铁矿和方沸石等矿物，还观察到了油质沥青的存在。这些微裂缝中的沥青沉积表明了复杂的地质历史及其对岩石孔隙结构和渗透性的影响。

2.1.2 岩石矿物组成特征

岩石的力学性质是多个参数共同控制的，其中最基本的影响参数就是岩石矿物。在探究延长组长7致密区岩石的矿物成分时，本研究对42组岩石样本进行了全岩矿物分析。实验数据的处理结果展示如图3。

由图3可知，岩石样品中的矿物成分分布显示出显著的差异性，突显了地层的复杂性。粘土矿物在不同样品中的含量波动较大，分布为3%～46%，平均值约为16.85%，这反映了粘土矿物分布的高度不均匀性。相比之下，石英成分在岩石样品中的分布相对均匀，虽然从1%～67%不等，但多数样品的石英含量接近平均值27.14%，表明石英的普遍存在和稳定性。长石成分的含量波动明显，平均值为22.36%，显示出其在不同岩石样品中的含量变化较大，这与岩石形成过程中的地质条件有关。碳酸盐矿物的含量分布也有较大波动，平均值为25.03%，其高低值之间的显著差异进一步强调了岩石样品的多变性。

2.2 裂缝扩展物模实验研究

在水力压裂过程中，对天然裂缝的倾角和方位角的分析至关重要。这2个参数是理解裂缝行为的关键因素。裂缝的倾角作为主要的分类标准，可以将天然裂缝分为4种类型：垂直裂缝（75°～90°）、高角度裂缝（45°～75°）、低角度裂缝（15°～45°）和水平裂缝（0°～15°）［18］。

利用CT技术，本研究对多个岩心样本中的裂缝特征进行了分析，对所有天然裂缝进行了精确的测量和数据处理，从而获得了裂缝倾角和走向角的分布，这些数据分别在图4和图5中展示。

由图4、图5的结果，可以得出长7储层中天然裂缝的丰富性。特别是裂缝倾角的中值为24°，表明长7储层中以低角度裂缝为主，同时也存在一定数量的高角度裂缝。这些裂缝的形成与地应力方向密切相关。地应力测试结果显示，裂缝的初始走向与岩石水平最大主应力方向大体平行，这一点揭示了裂缝形成的地质力学背景，同时也表明水力裂缝在这个方向上更加倾向于与天然裂缝交汇，为储层改造构建复杂的裂缝通道提供了基础。这一结论与岩石力学的理论相符，也为水力压裂的设计提供了参考依据。

2.3 致密油储层裂缝扩展规律分析

2.3.1 岩石矿物组分对裂缝复杂程度的影响

对矿物组分实验的岩心的不同组成的含量占比与相应的岩石的裂缝情况进行做图处理分析，图6展示了在不同粘土、石英、长石以及碳酸盐岩条件下裂缝的情况，各种矿物高含量条件存在简单裂缝和复杂裂缝行为，各种矿物的低含量条件下也同时存在简单和复杂裂缝行为。

由图6可以看出，

发现裂缝的形态不只受到矿物的含量的影响，还受到岩石的力学性质、应力分布及裂缝延展方向的影响。因此，矿物含量并不能作为评价长7储层压裂裂缝形态的主要指标，需要综合考虑其他影响因素，提高其可靠性。

2.3.2 岩石力学参数对裂缝复杂程度的影响

为了研究岩石力学参数与裂缝形成的关系，本文采用了Rickman脆性指数作为岩石脆性的评价指标。Rickman脆性指数是对岩石的破坏和张开能力定量化的重要参数，它反映了岩石在受到外力时的变形和破裂特性。本文对不同的岩样进行了力学测试，经过数据处理得到岩石的杨氏模量和泊松比2个数据，并根据计算公式得到了长7区块岩石的脆性指数，同时将每个脆性指数数值与对应的裂缝扩展行为对应起来，得到了图7的曲线，其显示了所选岩石的脆性指数与裂缝扩展行为不存在强关联性。进一步揭示了岩石的力学参数相同，裂缝在岩石也存在不同的扩展行为。因此，岩石力学参数不足以描述岩石的压裂特性，还需要考虑其他的影响因素。

2.3.3 应力差与天然裂缝对裂缝复杂程度的影响

地应力是岩石的重要力学参数，不同的应力对裂缝的起裂、延伸有着重要的影响，因此，在不同实验条件下研究裂缝的扩展行为具有重要意义，结果如图8（a）所示。统计了不同的裂缝角度和裂缝扩展行为之间的关联性，采用不同的数学模型进行回归分析，结果如图8（b）所示。

由图8（a）可知，应力差与裂缝复杂程度之间的相关性很低，这表明裂缝形态不仅取决于应力差，还受到其他因素的影响。当岩石中存在天然裂缝时，裂缝扩展行为受到应力方向和天然裂缝角度的影响。由图8（b）可知，当天然裂缝的倾角较大时，天然裂縫的开启较难；而当天然裂缝在原始状态存在较小角度，水力裂缝更加倾向于交汇天然裂缝，构建复杂的裂缝通道。

对多组不同天然裂缝条件下的岩样进行了压裂实验，分析了实验结果，发现天然裂缝对压裂裂缝形态有显著影响。当岩样中有天然裂缝时，水力裂缝的延展方向存在多解性，有时沿着天然裂缝延伸，有时一定角度穿过天然裂缝，甚至形成多条裂缝。在长7储层的原地应力条件下的研究表明，天然裂缝的倾角大小与岩石裂缝复杂度之间存在显著的关联。

3 结语

（1）长7储层的岩性由于矿物组成的差异而呈现出多样性。其中，粘土矿物含量变化范围较大，石英含量相对较稳定，长石和碳酸盐含量波动幅度较大。这些矿物组成的差异导致了岩石的力学性质（岩石的可压性和强度）的不均匀性；

（2）长7储层中存在天然裂缝，这些裂缝与地应力差的关系是决定裂缝复杂程度的主要因素。对实验结果分析显示各类矿物含量、岩石的静态杨氏模量以及静态泊松比与裂缝的复杂性之间不存在显著的线性关系，揭示了岩石的矿物组分和力学参数对裂缝形态的影响不显著；

（3）梳理了地下岩石裂缝扩展的机制和方式，采用CT扫描和真三轴压裂实验，还原岩石在地下应力和温度状态下的裂缝起裂、延展。实验结果发现，长7储层的水力裂缝形态不仅受到地应力的影响，还受到天然裂缝的影响。当天然裂缝与地应力差有一定的夹角时，水力裂缝会往天然裂缝方向延展并交汇，进而增加裂缝的多次转向，构建复杂裂缝通道，这对于储层的改造是有利的。

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收稿日期：2023-07-20；修回日期：2024-01-30

作者简介：谷 团（1972-）男，博士，高级工程师，研究方向：石油地质;E-mail：zhongting7896383@163.com。

基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（项目编号：51606222）。

引文格式：谷 团，樊 涛，张林鹏，等.致密油储层压裂裂缝扩展规律分析及影响研究［J］.粘接，2024，51（3）：116-119.