什么是体积压裂技术呢?传统的压裂技术基于二维平面设计,施工后形成双翼对称的裂缝。而体积压裂技术是基于三维立体设计,可形成立体缝网,实现储层内压裂裂缝波及体积最大化,从而极大地提高储层的渗透率,提高油气产量,体积压裂技术现场也称为体积改造技术。
通俗地讲体积压裂就是指针对页岩、致密储层,通过水力压裂方式将石头“打碎”或者“切碎”,形成由裂缝构成的“路网”,油气从石头流向路网的距离短了,从羊肠小道汇聚的油多了,从滴答流,变成路网内的涓涓细流,再由路网汇到井筒形成潺潺溪流。这种情况下,构成“路网”的裂缝壁面与储层基质的接触面积大,石头中的油气流向裂缝流动的距离短了、所需流动的驱动力减小了,实现对储集油气的岩石的长、宽、高三维方向“立体改造”,大幅度提高油气储层的流出能力。
体积压裂技术的核心在于“打碎”或者“切碎”储层,形成复杂缝网,那么储层能否被“打碎”?主要受三个因素影响。一是储层岩石脆性。岩石易发生脆性破坏,并且破坏后不容易修复。石油科学家们通过测量获得岩石的力学参数如杨氏模量、泊松比等来量化、分析岩石是否具有脆性,从而分析这个区域的储层是否适合体积压裂增产技术。二是岩石本身含有的天然裂缝及层理特征。有的储层在亿万年的地质运动中,自身会产生天然裂缝或层理,这些天然的裂缝和层理一般处于闭合或矿物充填状态,在体积压裂改造前,几乎对产量不起任何作用,但体积压裂改造时,在压裂液带来的巨大压力下,天然裂缝或层理系统会被打开,人工裂缝往往容易沿着天然裂缝开启,从而增加裂缝网络复杂性,岩石会被切得“更碎”。三是地应力状态。
岩石受到外力作用发生破裂,通常有两种情况,即张性破裂和剪性破裂。岩石在压裂时产生的裂缝会产生剪切滑移,并使形成的裂缝发生错位,这样的起裂特征会使得裂缝形成自支撑,大幅度提高裂缝导流能力,从而大大降低裂缝对加砂规模的要求。压裂产生剪切裂缝所需净压力与水平主应力差值、人工裂缝与天然裂缝的夹角的关系最为紧密,在压裂优化设计中通过优选排量和液体黏度的最佳匹配关系,计算产生剪切裂缝所需的最小净压力。
基于储层脆性、天然裂缝与层理发育及地应力分布等地质特征,通过优化射孔方式、应用暂堵转向材料、调整作业参数等人工干预手段,可有效沟通天然裂缝或诱导裂缝转向,从而扩大储层有效连通体积,实现油气井增产。
为了实现体积压裂,石油科学家发明了水平井桥塞分段分簇射孔压裂工艺技术和裂缝转向技术,将水平井分成几个部分,一段一段地进行作业施工。每段内一般分2~9簇压裂,簇间距5~20米,每簇3~16个孔,孔眼的直径在9~11毫米之间。一般情况下压裂过程中每簇就是一条主裂缝,簇越多、越近,裂缝就越密集。在实施分簇射孔压裂时,如果簇数或孔数设计不合理,可能导致有的簇不能有效开启,或不能有效进液和携砂。分簇射孔优化中,总的孔数比分簇数更重要。无论分3簇、还是5簇,都存在一个将各簇均能压开的最佳总孔数,这是实现各簇均匀开启和延伸的关键。
同时,在主裂缝侧向形成次生裂缝,并实现次生裂缝继续分枝,形成二级乃至多级次生裂缝,最终使主裂缝与多级次生裂缝相互交织,形成立体的网络系统,实现储层内天然裂缝、岩石层理的大范围有效沟通。