體積壓裂

原理

1.1 體積壓裂機理
體積壓裂的作用機理：通過水力壓裂對儲層實施改造，在形成一條或者多條主裂縫的同時，使天然裂縫不斷擴張和脆性岩石產生剪下滑移，實現對天然裂縫、岩石層理的溝通，以及在主裂縫的側向強制形成次生裂縫，並在次生裂縫上繼續分支形成二級次生裂縫，以此類推，形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯的裂縫網路。從而將可以進行滲流的有效儲層打碎，實現長、寬、高三維方向的全面改造，增大滲流面積及導流能力，提高初始產量和最終採收率。
體積壓裂的提出，是基於體積改造這一全新的現代理論而提出。
體積改造理念的出現，顛覆了經典壓裂理論，是現代壓裂理論發展的基礎。常規壓裂技術是建立在以線彈性斷裂力學為基礎的經典理論下的技術。該技術的最大特點就是假設壓裂人工裂縫起裂為張開型，且沿井筒射孔層段形成雙翼對稱裂縫。以1條主裂縫實現對儲層滲流能力的改善，主裂縫的垂向上仍然是基質向裂縫的“長距離”滲流，最大的缺點是垂向主裂縫的滲流能力未得到改善，主流通道無法改善儲層的整體滲流能力。後期的研究中儘管研究了裂縫的非平面擴展，但也僅限於多裂縫、彎曲裂縫、T 型縫等複雜裂縫的分析與表征，但理論上未有突破。而“體積改造”依據其定義，形成的是複雜的網狀裂縫系統，裂縫的起裂與擴展不簡單是裂縫的張性破壞，而且還存在剪下、滑移、錯斷等複雜的力學行為。

影響

體積壓裂的地層條件
1)天然裂縫發育，且天然裂縫方位與最小主地應力方位一致。在此情況下，壓裂裂縫方位與天然裂縫方位垂直，容易形成相互交錯的網路裂縫。
天然裂縫的開啟所需要的淨壓力較岩石基質破裂壓力低50%。同樣，有模型研究複雜天然裂縫與人工裂縫的關係，以及天然裂縫開啟的應力變化等，建立了天然裂縫發育與擴展模型，研究表明，在體積改造中，天然裂縫系統會更容易先於基岩開啟，原生和次生裂縫的存在能夠增加複雜裂縫的可能性，從而極大地增大改造體積。圖2（左）為西南某儲層的頁岩露頭在外力作用下形成的複雜縫網，圖2（右）是體現體積改造形成既有主縫，又有分枝縫，以及縱橫交錯縫網系統的示意圖。而這些天然裂縫的開啟以及是否能夠形成縫網，與儲層的岩石力學參數也有密切的關係。
2)岩石矽質含量高(大於35%)，脆性係數高。岩石矽質(石英和長石)含量高，使得岩石在壓裂過程中產生剪下破壞，不是形成單一裂縫，而是有利於形成複雜的網狀縫，從而大幅度提高了裂縫體積。
3)敏感性不強，適合大型滑溜水壓裂。弱水敏地層，有利於提高壓裂液用液規模，同時使用滑溜水壓裂，滑溜水黏度低，可以進入天然裂縫中，迫使天然裂縫擴展到更大範圍，大大擴大改造體積。圖3為滑溜水壓裂和交聯凍膠壓裂改造範圍比較曲線。

案例

大型滑溜水壓裂
體積壓裂技術實施，以美國的Barnett 頁岩的有效開發最具代表性，除了大幅度降低成本的水平井鑽井和“工廠化”作業模式之外，儲層改造的主體技術為：水平井套管完井+分段多簇射孔+快速可鑽式橋塞+滑溜水多段壓裂。實現體積壓裂技術關鍵主要體現在以下幾個方面。
基本特點為：大液量、大排量、大砂量、小粒徑、低砂比。主要技術參數為：水平段長1000~1500m，分8~15 段，每段分4~6 簇，每簇長度0.46~0.77m，簇間距20~30 m，排量10 m/min 以上，平均砂比3%~5%，每段壓裂液量1000~1500 m，每段支撐劑量100~200 t，壓裂液體系採用滑溜水+線性膠組合方式，以40/70 目支撐劑為主。目前最新文獻報導表明：水平井的水平段越來越長，為1372~2134m；改造段數越來越多，為10~24段；段間距越來越短，約為90m；規模越來越大，每段使用2067m滑溜水、175 t 支撐劑。

對比

新型壓裂液與胍膠壓裂液對比
表6-1不同壓裂液體系性能對比

	新型壓裂液	最佳化的胍膠壓裂液	原胍膠壓裂液
殘渣含量（mg/L）	6.1	90	213
導流能力保留率%	>90	﹤55	﹤20
岩心傷害率%	22.58	52.3
降阻率%	>70	>55
表面張力（mN/m）	28.26	21.05	23
界面張力（mN/m）	0.517	0.685	0.725

後處理工藝強化破膠、溶解殘渣提升返排能力，並一定程度上降低支撐裂縫導流傷害，其岩心傷害率31.3%，但後處理工藝雖然能溶解殘渣而消融濾餅但處理之後殘渣含量雖然大幅度下降但依然相對較高，因此無法從根源解決梨樹斷陷北部壓裂所存在的問題。
綜合對比新型壓裂液、最佳化得胍膠壓裂液體系（後處理），殘渣含量僅為6.1mg/L的新型壓裂液對支撐裂縫導流能力保留率達到95%，並且新型壓裂液對岩心傷害僅為胍膠的一半，降阻率高達70%以上。使用無殘渣的新型壓裂液對梨樹斷陷這類特低滲地質來說，可能能夠取得較好施工效果。
由於梨樹底層壓力低，液體返排困難，建議採用氮氣伴注提高液體返排能力；由於地層含油豐度低，存在微裂縫井採用滑溜水體積壓裂施工方式提高裂縫控制範圍。