全球致密油资源丰富,约为6900×10～8t,美国在Bakken和Eagleford等地区的致密油已获得有效开发;我国致密油远景资源量约为70-90×10～8t,随着常规油气资源的逐渐枯竭,致密油已成为全球非常规石油勘探开发的热点之一。以大港油田孔二段为例,我国部分致密油储层具有埋藏深、天然裂缝发育、岩性复杂和物性差等特点,需要进行水力压裂形成有效支撑的缝网才能进行有效开发。然而,目前对含裂缝的致密油储层水力裂缝扩展规律认识不清,且对裂缝网络有效支撑机理研究较少,严重制约我国致密油藏勘探开发效果。本文以孔二段裂缝性致密油储层为例,在认识致密油储层特征的基础上,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,并结合水力裂缝与天然裂缝交互延伸理论模型,认识致密油裂缝扩展特征;建立孔二段致密油储层多裂缝扩展数值模型,模拟分析致密油裂缝扩展规律及其对诱导应力场的影响;在裂缝支撑机理和天然裂缝剪切机理分析的基础上,开展自支撑裂缝导流能力和流固耦合支撑裂缝导流能力实验分析,建立缝网多级裂缝导流能力优化模型。综合研究成果,提出致密油储层有效支撑缝网压裂工艺技术,在实践中取得了较好的效果。主要研究工作和成果如下:(1)以大港油田孔二段致密油储层为例,开展了矿物组分测试、岩石力学实验和地应力测试,探讨了我国裂缝性致密油储层的特征,结果表明:孔二段致密油储层岩石杨氏模量、泊松比及矿物组成分布差异大;砂岩、泥页岩、白云岩均有一定程度的天然裂缝发育。储层整体非均质性较强,储层水平主应力差异系数在0.11-0.3之间。本研究表明了孔二段储层具备形成裂缝网络的能力;(2)建立了一套利用井下岩心,综合三轴压缩实验、岩石矿物组分测试、CT扫描和真三轴裂缝扩展实验为一体的裂缝扩展形态分析方法;研究了致密油储层压裂裂缝扩展影响因素及其规律,利用断裂力学理论,结合实验分析了水力裂缝与天然裂缝交互延伸特征。结果表明:孔二段储层天然裂缝主要为水平缝和低角度裂缝,水力裂缝的扩展主要受天然裂缝的控制;水力裂缝和天然裂缝存在三种交互延伸模式:沿天然裂缝张开、沿天然裂缝转向后穿过、被天然裂缝阻断,主要受到逼近角和地应力差的控制;(3)结合孔二段致密油储层特征、岩石力学参数和岩心内部结构等数据,建立了孔二段致密油储层多裂缝扩展数值计算模型,分析了裂缝扩展规律和诱导应力特征,得出如下结论:水平应力比越小、排量越大、压裂液粘度越大,天然裂缝损伤范围越大,发生应力反转的范围越大,即形成网络裂缝的可能性越大;建立了水平井多裂缝扩展簇间距优化方法,优化簇间距为30-40m,有利于裂缝均匀扩展和提高裂缝复杂程度;储层中形成的水力裂缝会产生诱导应力场降低应力差,从而提高裂缝复杂程度,由此提出了二次压裂技术;(4)在分析致密油储层支撑缝网特征的基础上,建立了天然裂缝剪切滑移模型,开展自支撑裂缝和流固耦合支撑裂缝导流能力实验,并对支撑裂缝伤害机理进行了实验分析;应用等效渗流理论,建立了缝网多级裂缝导流能力优化模型;得到如下结论:形成了缝网导流能力优化方法,优化的主裂缝的导流能力为6.29 D·cm,一级次裂缝导流能力优化为1.55 D·cm,二级次裂缝导流能力优化为0.13 D·cm。支撑裂缝导流能力主要受到支撑剂嵌入和压裂液残渣伤害的影响,在储层条件下,自支撑裂缝导流能力满足二级次裂缝的要求,40/70目和30/50目陶粒满足主裂缝和一级次裂缝导流能力要求,提出了多级支撑的缝网有效支撑技术;(5)综合研究成果,以提高水力裂缝复杂程度的二次复杂缝网压裂技术、水平井多簇优化压裂技术和网络裂缝多级有效支撑技术为核心,提出了一套孔二段致密油储层有效支撑复杂缝网压裂技术,在实践应用中取得了较好的效果。本文研究结果深化了我国裂缝性致密油储层水力压裂缝网扩展与有效支撑理论,为大港油田孔二段致密油储层和类似油藏勘探开发提供了理论和技术支撑。
