拉链式压裂技术：创新的石油开采方法

近年来，在压裂设计方面的技术进步使产生远场复杂裂缝成为可能。拉链式压裂技术作为先进技术之一，是指两口平行的水平井顺序压裂使缝端的应力扰动最大化，但该技术的局限是仅能在缝端附近很小的区域产生复杂缝网。另一种设计思路是在一个水平井段上交替压出裂缝，即在两条缝的中间部位再进行压裂，这样就可以通过中间裂缝产生的诱导应力改变两条裂缝间的应力场，从而增大泄气面积和储层改造体积，但这项技术在工艺上很难实现。

下面介绍一种改进的拉链式压裂。设计思路是两口平行的水平井交错布缝，扩大控制面积，诱导应力可以改变原有天然裂缝形态并产生次生裂缝，从而形成我们所需要的复杂缝网结构。这种改进的拉链式压裂可以增加地层内裂缝的复杂性，在工艺上也比较容易实现。

在脆性或非均质的岩石储层中进行水力压裂时会改变裂缝周围的应力场。影响应力改变的因素包括：水力裂缝的张开，岩石的力学性质，裂缝的几何形态，裂缝内的压力（Warpinski et al.，2004）。Sneddon（1946）and Sneddon and Elliot（1946）发表了不同类型裂缝的解决方案，分别是半无限，扁平型，还有任意形态裂缝。

1.计算平面椭圆形裂缝方法（图6—35）

图6—35　平面椭圆裂缝几何图

计算方法如下式所示：

式中，σz为垂直应力；σx为最大水平应力；σy为最小水平应力。

2.扁平形裂缝导致的应力干扰

由于扁平形裂缝几何形态的对称性，在平行于裂缝平面方向上的对称线上的应力变化是相等的（σx，σy）。最小水平主应力的变化总是比最大水平应力和垂直应力的变化大。这是因为裂缝通常沿着垂直于最小水平主应力的方向延伸。

当远离裂缝时，两个水平应力之间的差别将会减小。在L/H＝0.3的时候应力各向异性的变化达到最大（图6—36）。在应力差不大的情况下是可能发生应力转向的。在垂直应力与最小水平应力接近的走向位移情况下，应力方向的反转意味着产生水平缝（图6—37）。

图6—36　扁平裂缝应力干扰示意图

图6—37　扁平裂缝应力各向异性变化示意图

3.半无限裂缝的应力干扰

半无限裂缝是指一定高度，无限长度的矩形裂缝，宽度相对于高度和长度来说极小。如图6—38所示，显示了高于净压力的应力分量的变化与垂直于裂缝平面的距离的关系，从图中可看出最小水平应力的变化要大于其他方向上应力的变化。

图6—38　净压力应力分量的变化与裂缝距离的关系示意图

4.椭圆形裂缝导致的应力干扰

如图6—39所示，为椭圆形裂缝中的应力变化示意图。从图中可看出，其应力变化与半无限裂缝的应力变化相似。(www.xing528.com)

图6—39　椭圆形裂缝应力变化示意图

如图6—40所示，为不同L/H下水平应力的变化示意图。从图中可知，当L/H大于5时应力变化可以忽略。

如图6—41所示，为9个L/H下的最小主应力平均相对差异示意图。

图6—40　500个最小水平应力变化值数据在9个L/H值下的交叉验证

图6—41　9个L/H下的最小主应力平均相对差异示意图

5.多个裂缝间的应力干扰

如图6—42和图6—43所示，是单缝附近的应力扰动图。应力变化会诱导产生应力各向异性，当应力干扰达到一定程度时，近井地带应力场反转产生纵向裂缝。而在水平井压裂中更希望产生横向缝，所以裂缝位置很关键。

图6—42　最小主应力三维变化

图6—43　最小主应力平面变化

不同的裂缝布缝方式产生的复杂裂缝如下所述：

East等在2010年提出了一种通过改变地层最小主应力大小从而造出复杂缝网的布缝方式，即交错压裂。交错式压裂的布缝方式为在压开两条裂缝后，再在两条缝之间压开一条缝，并在之后的压裂程序上重复这样的操作，直到完成设计的裂缝条数。这种布缝方式可以改变裂缝范围内应力场的分布，造出更多与主裂缝连通的次生裂缝，使整个水平井段改造体积增大（图6—44）。研究了这种布缝方式下地层最小主应力的改变情况，为了模拟交错压裂的诱导应力场，模型设置前两条缝的间距为150 m，且第三条缝在前两条缝的中间位置，故中间缝的扩展对最大水平主应力的改变情况影响很大，并同时受前两条缝净压力的影响。

图6—44　裂缝间水平主应力干扰平面

图6—45　裂缝间剪切应力干扰平面

如图6—45所示，为裂缝端部的剪切应力改变情况示意图，这种改变是通过微地震监测得到的。当缝端剪切应力发生改变时，就会发射出一种可以被微波接收器捕捉到的剪切波，通过对微地震事件的反演得到准确的裂缝位置。从图中可以看出缝端的这种剪切应力改变特别明显，因此随着中间裂缝的扩展所产生的诱导应力有可能压开非常规储层（如页岩）的弱层理面，波及更大的地层范围。尽管这种布缝方式易于制造出复杂缝网结构，但在工艺上却很难实现，而且在近井筒带有可能发生应力反转，因此这项技术目前来看还不适合应用于油田现场。