1、缝网压裂机理研究与认识缝网压裂机理研究与认识赵金洲赵金洲西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室2012年年4月月1 一一. 什么是缝网压裂什么是缝网压裂 二二. 能不能形成缝网能不能形成缝网 三三. 怎样才能够形成缝网怎样才能够形成缝网 四四. 如何形成缝网如何形成缝网 五五. 缝网压裂实例分析缝网压裂实例分析汇报提纲汇报提纲2 1984：Warpinski通过矿场试验首次发现压裂形成主裂缝与复杂分支裂缝同时延伸，通过矿场试验首次发现压裂形成主裂缝与复杂分支裂缝同时延伸，提出了提出了Zone of Fractures的概念。的概念。 198
2、6：Blanton 通过物理模拟实验首次发现并提出水力裂缝相交天然裂缝后，水力通过物理模拟实验首次发现并提出水力裂缝相交天然裂缝后，水力裂缝可能存在裂缝可能存在穿过穿过、转向转向、穿过和转向穿过和转向3种状态。种状态。一一. 什么是缝网压裂？什么是缝网压裂？3水力裂缝相交天然裂缝后的延伸模式（水力裂缝相交天然裂缝后的延伸模式（Blanton） 1999： Mahrer认为天然裂缝性地层压裂将形成认为天然裂缝性地层压裂将形成Network Fractures 。 2000： Beugelsdijk通过物理模拟实验证实了通过物理模拟实验证实了Network Fractures的存在。的存在。 20
3、02：Fisher和和Maxwell 同时通过微地震测试发现压裂形成同时通过微地震测试发现压裂形成Fracture Networks的可能性。的可能性。 2004：国内（赵金洲）首次提出了：国内（赵金洲）首次提出了网络裂缝酸化网络裂缝酸化概念。概念。 2006：国内（胥云等人）首次提出了：国内（胥云等人）首次提出了缝网压裂缝网压裂概念。概念。 2006：Mayerhofer提出了提出了Stimulated Reservoir Volume (SRV)概念，国内翻译概念，国内翻译为为体积改造（压裂）体积改造（压裂）。一一. 什么是缝网压裂？什么是缝网压裂？4 2008：国内（赵金洲，任岚）开始研
4、究：国内（赵金洲，任岚）开始研究缝网压裂理论模型缝网压裂理论模型。 2009：Olson发表了发表了缝网压裂的力学模拟成果缝网压裂的力学模拟成果。一一. 什么是缝网压裂？什么是缝网压裂？5Rn=1Rn=2传统压裂的裂缝形态传统压裂的裂缝形态缝网压裂的裂缝形态缝网压裂的裂缝形态裂缝单一裂缝单一双翼裂缝双翼裂缝水力裂缝对储层流动区域控制范围小水力裂缝对储层流动区域控制范围小表现为裂缝面对储层流动区域的控制表现为裂缝面对储层流动区域的控制裂缝带裂缝带裂缝延伸具有随机性裂缝延伸具有随机性缝网对储层流动区域控制范围大缝网对储层流动区域控制范围大表现为缝网体积对储层流动区域的控制表现为缝网体积对储层流动区
5、域的控制6一一. 什么是缝网压裂？什么是缝网压裂？7Warpinski（1984）室外矿场试验发现形成了裂缝带（缝网）：室外矿场试验发现形成了裂缝带（缝网）：二二. 能不能形成缝网？能不能形成缝网？8二二. 能不能形成缝网？能不能形成缝网？室内物理模拟实验证实了网络裂缝室内物理模拟实验证实了网络裂缝(缝网缝网)的形成：的形成：（ Beugelsdijk ，2000 ）(陈勉，陈勉，2008)施工结束施工结束190min130min80min9微地震监测证实了网络裂缝（缝网）的形成：微地震监测证实了网络裂缝（缝网）的形成：（Maxwell ，2002)二二. 能不能形成缝网？能不能形成缝网？10
6、微地震监测证实了网络裂缝（缝网）的形成：微地震监测证实了网络裂缝（缝网）的形成：（Cipolla，2009）二二. 能不能形成缝网？能不能形成缝网？11 地质条件地质条件 储层必须具有结构弱面（如天然裂缝），储层结构弱储层必须具有结构弱面（如天然裂缝），储层结构弱面越发育，缝网系统越发育面越发育，缝网系统越发育三三. 怎样才能够形成缝网？怎样才能够形成缝网？12在不同应力差和相交角组合下的实验结果在不同应力差和相交角组合下的实验结果实验室构架实验室构架三三. 怎样才能够形成缝网？怎样才能够形成缝网？ 应力条件应力条件 最大最小水平主应力差越小，最大水平主应力方向与结构最大最小水平主应力差越小，
7、最大水平主应力方向与结构弱面（如天然裂缝）走向夹角越小，越容易形成缝网且缝网系统越发育弱面（如天然裂缝）走向夹角越小，越容易形成缝网且缝网系统越发育（Blanton，1987） Rickman 认为脆性矿物认为脆性矿物(硅质硅质+钙质钙质)总量要大于总量要大于40%，才能够形成缝网，才能够形成缝网岩矿成分岩矿成分3角图角图（Rickman，2008）13三三. 怎样才能够形成缝网？怎样才能够形成缝网？ 岩矿条件岩矿条件脆性矿物脆性矿物(硅质硅质+钙质钙质)含量越高，储层越容易形成缝网含量越高，储层越容易形成缝网 脆性特征参数约大于脆性特征参数约大于5050，储层才具有缝网扩展的岩石力学条件，储
8、层才具有缝网扩展的岩石力学条件14三三. 怎样才能够形成缝网？怎样才能够形成缝网？ 力学条件力学条件弹性模量越大、低泊松比越小，储层越容易形成缝网弹性模量越大、低泊松比越小，储层越容易形成缝网（Rickman，2008）15计算条件：计算条件：岩石抗张强度岩石抗张强度5MPa，流体黏度，流体黏度1mPa.s（赵金洲，任岚（赵金洲，任岚 20102010）三三. 怎样才能够形成缝网？怎样才能够形成缝网？ 工程条件一：工程条件一：净压力越高，储层越容易形成缝网且缝网越发育净压力越高，储层越容易形成缝网且缝网越发育模拟实验结果模拟实验结果（Beugelsdijk，2000）低粘低粘高粘高粘裂缝监测结
9、果裂缝监测结果（Cipolla，2008）16冻胶冻胶滑溜水滑溜水清水清水弱交联压裂液弱交联压裂液理论计算结果理论计算结果（赵金洲、任岚，赵金洲、任岚，2010）三三. 怎样才能够形成缝网？怎样才能够形成缝网？ 工程条件二：工程条件二：主裂缝形成后，压裂液黏度越低，主裂缝形成后，压裂液黏度越低，越容易形成缝网越容易形成缝网17注入压裂液量与缝网发育程度相关性（注入压裂液量与缝网发育程度相关性（Mayerhofer，2010）三三. 怎样才能够形成缝网？怎样才能够形成缝网？ 工程条件三：工程条件三：压裂规模越大，缝网体积越大压裂规模越大，缝网体积越大18缝网压裂的基本条件缝网压裂的基本条件地质条
10、件：地质条件：结构弱面（天然裂缝、节理等）发育结构弱面（天然裂缝、节理等）发育应力条件：应力条件：水平应力差小水平应力差小岩矿条件：岩矿条件：脆性矿物含量高脆性矿物含量高力学条件：力学条件：弹性模量大、泊松比小弹性模量大、泊松比小工程条件：工程条件：三三. 怎样才能够形成缝网？怎样才能够形成缝网？净压力高净压力高流体黏度低流体黏度低规模大规模大缝网形成示意图缝网形成示意图四四. 如何形成缝网？如何形成缝网？1920缝网概念图（缝网概念图（Blanton）四四. 如何形成缝网？如何形成缝网？缝网概念图（缝网概念图（赵金洲，任岚赵金洲，任岚）21 netmaxmino11 cos22ptT net
11、maxminof11 cos22ptTp tnfip tp 从相交点直接穿过从相交点直接穿过穿过天然裂缝判据：穿过天然裂缝判据： 从天然裂缝端部延伸从天然裂缝端部延伸天然裂缝转向判据：天然裂缝转向判据：水力裂缝与天然裂缝相交作用后的延伸理论模型水力裂缝与天然裂缝相交作用后的延伸理论模型220nff20nftf421211expsin2142cnppnk tnpnCL fp四四. 如何形成缝网？如何形成缝网？水力裂缝相交天然裂缝后的延伸分析水力裂缝相交天然裂缝后的延伸分析(1) 低相交角时，水力裂缝倾向沿天然裂缝转向延伸；低相交角时，水力裂缝倾向沿天然裂缝转向延伸；(2) 中相交角低应力差时，水
12、力裂缝倾向沿天然裂缝转向延伸；中相交角低应力差时，水力裂缝倾向沿天然裂缝转向延伸；(3) 高相交角时，当水平应力差小于岩石抗张强度，水力裂缝倾向沿天然裂缝转向延伸；高相交角时，当水平应力差小于岩石抗张强度，水力裂缝倾向沿天然裂缝转向延伸；(4) 水平应力差越小，相交角越小，水力裂缝转向延伸需要的净压力越低；水平应力差越小，相交角越小，水力裂缝转向延伸需要的净压力越低； 总体上说，低相交角和低应力差有利于远场缝网的形成，而高相交和高应力差将更容易形总体上说，低相交角和低应力差有利于远场缝网的形成，而高相交和高应力差将更容易形成对称双翼裂缝。成对称双翼裂缝。 相交角和水平应力差对水力裂缝转向延伸的
13、影响相交角和水平应力差对水力裂缝转向延伸的影响22四四. 如何形成缝网？如何形成缝网？清水清水（1mPa.s） (1) 随着作业液体体系的黏度越来越高，水力裂缝转向延伸角范围逐渐缩小；随着作业液体体系的黏度越来越高，水力裂缝转向延伸角范围逐渐缩小； (2) 压裂液黏度越高，水力裂缝沿天然裂缝转向延伸所需的净压力越高，转向延伸越困难，不压裂液黏度越高，水力裂缝沿天然裂缝转向延伸所需的净压力越高，转向延伸越困难，不利于水力裂缝的横向延伸；利于水力裂缝的横向延伸； 选择低黏度的压裂液更加有利于液体对流体压力在天然裂缝内的传播，更易形成选择低黏度的压裂液更加有利于液体对流体压力在天然裂缝内的传播，更易
14、形成复杂的远场缝网。复杂的远场缝网。弱交联压裂液（弱交联压裂液（50mPa.s）23水力裂缝相交天然裂缝后的延伸分析水力裂缝相交天然裂缝后的延伸分析四四. 如何形成缝网？如何形成缝网？24天然裂缝与水力裂缝不相交对水力裂缝延伸的影响：天然裂缝与水力裂缝不相交对水力裂缝延伸的影响：水力裂缝转向水力裂缝转向不相交作用分析的物理模型不相交作用分析的物理模型 除了水力裂缝与天然裂缝相交作用会发生转向、穿过、转向和穿过并除了水力裂缝与天然裂缝相交作用会发生转向、穿过、转向和穿过并存以外，还存在水力裂缝与天然裂缝不相交的相互作用存以外，还存在水力裂缝与天然裂缝不相交的相互作用四四. 如何形成缝网？如何形成
15、缝网？25其中其中 ffffnfnfnfnffffn1f1ffffnfnfnfn2nf2nfnfnf21111LLLLLLLLLxLxKLx dxKLx dxLxLxLLLxLxKLx dxKLx dxLxLxLa水力裂缝转向角水力裂缝转向角201tan824KKKK水力裂缝与天然裂缝非相交情况下水力裂缝转向模型水力裂缝与天然裂缝非相交情况下水力裂缝转向模型四四. 如何形成缝网？如何形成缝网？26相交角对水力裂缝延伸转向角的影响相交角对水力裂缝延伸转向角的影响纵向距离对水力裂缝延伸转向角的影响纵向距离对水力裂缝延伸转向角的影响 水力裂缝与天然裂缝横向分布距离越小，相互作用越强，转向角越大，水力
16、裂缝水力裂缝与天然裂缝横向分布距离越小，相互作用越强，转向角越大，水力裂缝与天然裂缝之间越易搭接；与天然裂缝之间越易搭接； 为此，天然裂缝分布密度越大，天然裂缝与水力裂缝之间的作用距离越小，越容为此，天然裂缝分布密度越大，天然裂缝与水力裂缝之间的作用距离越小，越容易形成缝网。易形成缝网。四四. 如何形成缝网？如何形成缝网？27水力裂缝沿天然裂缝转向延伸路径模拟水力裂缝沿天然裂缝转向延伸路径模拟转向裂缝的等效平面裂缝转向裂缝的等效平面裂缝水力裂缝在与天然裂缝相交后的延伸路径水力裂缝在与天然裂缝相交后的延伸路径水力裂缝转向延伸情况下的等效裂缝延伸路径水力裂缝转向延伸情况下的等效裂缝延伸路径四四.
17、如何形成缝网？如何形成缝网？28裂缝缝宽方程裂缝缝宽方程2fn2(1)( ( )( )( )hp xxW xE裂缝流体流动方程裂缝流体流动方程3fn( ( )( )64hWd p xxqdx 物质平衡方程物质平衡方程3nL( ( )( )2644( )p xxcWWxxttx求解的边界条件求解的边界条件( , )0W L t xLt3fn00( ( )( )|64xhWd p xxQdx四四. 如何形成缝网？如何形成缝网？29不同转向次数下延伸裂缝缝长方向上的流体压力和宽度分布不同转向次数下延伸裂缝缝长方向上的流体压力和宽度分布四四. 如何形成缝网？如何形成缝网？二次转向延伸的缝宽分布示意图二
18、次转向延伸的缝宽分布示意图30不同排量下延伸裂缝缝长方向上的流体压力和宽度分布不同排量下延伸裂缝缝长方向上的流体压力和宽度分布l 排量越高，整个缝内的流体压力都越高，说明提升排量能增加转向段的流动能力，降低排量越高，整个缝内的流体压力都越高，说明提升排量能增加转向段的流动能力，降低转向段的节流效应；转向段的节流效应；l 排量越高，包括转向延伸段在内，整个缝内的缝宽都越大。排量越高，包括转向延伸段在内，整个缝内的缝宽都越大。 对于缝网压裂来说，提高排量能增加转向裂缝段的缝宽，提升支撑剂通过转向对于缝网压裂来说，提高排量能增加转向裂缝段的缝宽，提升支撑剂通过转向延伸裂缝段的能力，降低支撑剂桥塞的延
19、伸裂缝段的能力，降低支撑剂桥塞的风险；同时也可以提高施工净压力，促进缝风险；同时也可以提高施工净压力，促进缝网的形成。网的形成。四四. 如何形成缝网？如何形成缝网？2 2、脆性特征参数计算结果、脆性特征参数计算结果311、岩石矿物成分、岩石矿物成分（石英含量（石英含量40.32-69.58%, 有利于形成缝网）有利于形成缝网）五五. 缝网压裂实例分析缝网压裂实例分析井号样号石英斜长石钾长石方沸石浊沸石菱铁矿铁白云石白云石方解石D106146.19 10.5214.4117.750.000.0011.130.000.00242.42 0.0014.6720.420.000.0011.4511.0
20、30.00369.58 11.4910.140.000.000.004.504.280.00D10653.07 22.0415.599.300.000.000.000.000.00b35640.32 0.000.000.000.0059.680.000.000.00 B28储层弹性模量为2.878-5.064104MPa，平均弹性模量3.971104MPa；泊松比0.218-0.293，平均泊松比0.255。由右图可得B28储层岩石脆性特征参数为50.22，可见，该井基本具有形成缝网的岩该井基本具有形成缝网的岩石力学条件。石力学条件。以松辽盆地某口井为例，分析缝网压裂的实施情况。以松辽盆地某口
21、井为例，分析缝网压裂的实施情况。32 井孔崩落法水平最大主应力方向为北东井孔崩落法水平最大主应力方向为北东60度到北东度到北东85度度之间，水平应力差之间，水平应力差3-12.4MPa 储层网状裂缝非常发育，岩石强烈破碎成角砾状，微裂缝分布呈不规则的网状，走储层网状裂缝非常发育，岩石强烈破碎成角砾状，微裂缝分布呈不规则的网状，走向为近东西向为主，向为近东西向为主，天然裂缝与天然裂缝与水平最大主应力夹角较小，在水平最大主应力夹角较小，在030之间。之间。3 3、地应力特征、地应力特征4、天然裂缝分布、天然裂缝分布 水力裂缝沿天然裂缝转向延伸所需的净压力一般在水力裂缝沿天然裂缝转向延伸所需的净压力
22、一般在4-6MPa，最大需要，最大需要8MPa。 五五. 缝网压裂实例分析缝网压裂实例分析33 利用微地震监测分析，主裂缝方向为北东东利用微地震监测分析，主裂缝方向为北东东-南西西向，在裂缝延伸方向上形成了大南西西向，在裂缝延伸方向上形成了大范围的网络裂缝分布，并且裂缝作用距离远，反映形成了充分的缝网系统。范围的网络裂缝分布，并且裂缝作用距离远，反映形成了充分的缝网系统。微地震监测的裂缝延伸结果微地震监测的裂缝延伸结果裂缝带裂缝带清水和降阻清水用量清水和降阻清水用量1684m3，冻，冻胶胶220m3，总用液，总用液1904m3，施工，施工排量排量6 m3 /min 左右左右 五五. 缝网压裂实例分析缝网压裂实例分析34 缝网压裂（体积压裂）理论研究刚刚起步，尤其需要缝网压裂（体积压裂）理论研究刚刚起步，尤其需要开展下列工作：开展下列工作：(1) 储层结构弱面（如天然裂缝）量化评价储层结构弱面（如天然裂缝）量化评价(2) 缝网扩展物理模拟缝网扩展物理模拟(3) 缝网扩展理论模型及数值模拟缝网扩展理论模型及数值模拟(4) 缝网压裂生产动态评价模型缝网压裂生产动态评价模型(5) 缝网压裂优化设计方法缝网压裂优化设计方法35谢谢！谢谢！
