陶碧娥,李冬梅,龍武 黃知娟,張翼( 中石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院,新疆 烏魯木齊830011)
圖1 順9井區(qū)下志留統(tǒng)柯坪塔格組下砂巖段頂面(地震反射波T56)構(gòu)造圖
塔里木盆地順9井區(qū)碎屑巖儲集層埋藏深,為特低孔、特低滲儲集層,巖性致密,滲透性極差,常規(guī)直井射孔投產(chǎn)已無法取得產(chǎn)能,通過壓裂產(chǎn)生裂縫形成較好的流體通道,進(jìn)而獲得一定產(chǎn)能。但是直井泄油面積及泄油半徑較小,加之儲層物性較差,直井投產(chǎn)整體表現(xiàn)出供液不足的特征,通過水平井分段加砂壓裂儲層改造后,單井產(chǎn)能較直井有明顯提高。常規(guī)的水平井分段壓裂技術(shù)不能有效的和經(jīng)濟(jì)評價相結(jié)合,進(jìn)而選取最優(yōu)方案,為此引進(jìn)統(tǒng)一壓裂設(shè)計 (uniform fracture design,簡稱UFD)水平井產(chǎn)能優(yōu)化設(shè)計技術(shù)以有效地解決這個問題。UFD產(chǎn)能優(yōu)化設(shè)計技術(shù)能在水平井分段設(shè)計出具有最佳導(dǎo)流能力的裂縫幾何形態(tài),從而得出最佳的生產(chǎn)指數(shù),并利用該生產(chǎn)指數(shù)預(yù)測油井產(chǎn)能,用于經(jīng)濟(jì)評價,得出最優(yōu)方案。
順9井區(qū)位于塔里木盆地順托果勒低隆中-南部,南緊鄰塔中隆起與古城墟隆起,東部為滿加爾坳陷,西部為阿瓦提坳陷,井區(qū)為向北西延伸緩傾的大型斜坡構(gòu)造。圈閉具有幅度大、閉合面積大和伴有一系列高角度走滑斷裂的特征,斷裂走向大都為北北西向,少數(shù)近南北向,傾向南西西及北東東向,斷層傾角較大 (75~90°),斷距比較小 (圖1)。
志留系柯坪塔格組是工區(qū)古生界碎屑巖主要目的層之一,巖性以巖屑砂巖、長石巖屑砂巖為主,塔中地區(qū)志留系柯坪塔格組向南東方向超覆沉積,志留系柯坪塔格組下砂巖段 (目的層)在順1井附近尖滅。綜合研究認(rèn)為志留系柯坪塔格組砂巖沉積相為濱岸沉積亞相。
截至2012年12月,本區(qū)已完鉆8口井 (順1井、順9井、順9CH井、順9-1H井、順901井、順902H井、順903H井、順904H井),除了順1井外各井完井層位均為下志留統(tǒng)柯坪塔格組下砂巖段;正鉆井1口 (順10井)。已完鉆井中 (除順1井外)水平井分段壓裂完井3井次,射孔完井1井次,測試-射孔聯(lián)作1井次,三類封井2井次 (表1)。
表1 順9井區(qū)單井試油結(jié)論統(tǒng)計表
通過對已完鉆井試油及試采特征分析,取得如下認(rèn)識:
1)儲集層埋深、試油層位集中于志留系柯坪塔格組下砂巖段,反映該區(qū)塊志留系柯坪塔格組下砂巖段為主要含油氣層。
2)由于超低孔、超低滲碎屑巖油藏儲集層巖性致密,滲透性極差,常規(guī)直井射孔投產(chǎn)已無法取得產(chǎn)能,通過壓裂產(chǎn)生裂縫形成較好的流體通道,進(jìn)而獲得一定產(chǎn)能。
3)直井泄油面積及泄油半徑較小,加之儲層物性較差,直井投產(chǎn)整體表現(xiàn)出供液不足的特征。通過水平井分段加砂壓裂儲層改造后,單井產(chǎn)能較直井有明顯提高。
順9井區(qū)特低孔、特低滲儲層埋藏深,幾乎沒有自然產(chǎn)能,必須借助壓裂等手段進(jìn)行儲層改造,才能獲得具有工業(yè)價值的油氣。地層滲透率是影響壓裂效果的參數(shù);地應(yīng)力數(shù)據(jù)分析對壓裂、鉆井等作業(yè)施工具有重要價值。
目前順9井區(qū)共有2口井的測試資料,順9井的壓力恢復(fù)與順901井DST (鉆柱測試)。順901井DST壓力恢復(fù)曲線顯示徑向流趨勢,得到地層有效滲透率0.0254mD;而相比于DST曲線,順9井的壓力恢復(fù)曲線受壓裂液返排、兩相流、井筒儲集以及其他尚不明確的因素影響,壓力恢復(fù)曲線出現(xiàn)虛假的徑向流,不能用于解釋可靠的地層參數(shù)。故參考順901井的有效滲透率0.0254mD作為設(shè)計時輸入的一項最重要的基礎(chǔ)參數(shù)。這一值,遠(yuǎn)比該區(qū)塊已實(shí)施井的壓裂設(shè)計時所考慮的滲透率小,小至一個數(shù)量級,但是,這個值更加貼近于地層的實(shí)際特性。
2.2.1 順9井地應(yīng)力計算
以順9井為例,在進(jìn)行計算之前預(yù)先整理順9井測井資料,并根據(jù)實(shí)際測井情況對測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行校正,保證計算精度的準(zhǔn)確性。
因該井只有縱波時差數(shù)據(jù),在計算過程中還需計算橫波時差,為后期計算地應(yīng)力做準(zhǔn)備 .運(yùn)用下式將縱橫波時差換算成縱橫波速度[1,2]。
在該軟件中,由縱波速度vp計算橫波速度vs,計算公式如下:
若已經(jīng)有橫波時差數(shù)據(jù),則可直接進(jìn)行縱橫波關(guān)系擬合。在得出縱橫波速度之后,
再利用如下公式計算泊松比、彈性模量,結(jié)合黃氏模式計算出水平方向上的主應(yīng)力[3,4]。
式中:Δtp、Δts為縱、橫波時差,μs/ft;H為井深,m;vp、vs為縱、橫速度,m/s;ρ為巖石體積密度,g/cm3;Ed為巖石的動態(tài)彈性模量,MPa;μd為巖石的動態(tài)泊松比,1。
通過計算得出如圖2所示結(jié)果,包括最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、上覆巖層壓力、孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力等參數(shù)。
圖2 順9井巖石力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力連續(xù)剖面解釋成果
2.2.2 地應(yīng)力計算結(jié)果與巖心實(shí)驗(yàn)對比
1)順9井巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果 依據(jù)順9井井眼崩落方位統(tǒng)計結(jié)果,順901井、順902H井波速各向異性分析結(jié)果,順9井區(qū)柯坪塔格組下砂巖段最大水平主應(yīng)力的方位為NE22.5~NE66°。依據(jù)順9井、順901井巖樣破裂壓力的分析結(jié)果,泊松比為0.370,彈性模量為2.9×104MPa,巖石抗拉強(qiáng)度均值為1.93MPa,巖石破裂壓力梯度為1.86MPa/100m,最大主應(yīng)力梯度為1.77MPa/100m左右,最小水平主應(yīng)力梯度為1.44MPa/100m左右。實(shí)際作業(yè)過程中,順9井地層破裂壓力梯度為1.87MPa/100m,順901井地層破裂壓力梯度為1.88MPa/100m,表明該數(shù)值位于正常的地層破裂壓力范圍之內(nèi),適合加砂壓裂施工。
2)地應(yīng)力計算結(jié)果與巖心實(shí)驗(yàn)對比 通過地應(yīng)力連續(xù)剖面分析軟件計算的巖石力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力數(shù)值對比結(jié)果如表2。
表2 順9井地應(yīng)力連續(xù)剖面分析軟件計算結(jié)果和巖石力學(xué)參數(shù)計算結(jié)果對比
從表2中可知,泊松比和彈性模量計算結(jié)果較實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏低,巖石破裂壓力梯度、最大主應(yīng)力梯度及最小水平主應(yīng)力梯明顯高于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
對計算結(jié)果進(jìn)行校正使之能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相匹配以達(dá)到計算的目的。采用經(jīng)驗(yàn)修正方法的單點(diǎn)修正,即利用某點(diǎn)的地應(yīng)力測試結(jié)果進(jìn)行修正[5]。通過修正,將軟件計算的最小水平主應(yīng)力梯度與巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果梯度相對應(yīng),并利用該結(jié)果參與后期計算。
不管在何種情況下,UFD設(shè)計理論總能應(yīng)用解析的物質(zhì)平衡模型,根據(jù)儲層的特征,設(shè)計出具有最佳導(dǎo)流能力的裂縫幾何形態(tài),之后,根據(jù)最佳的生產(chǎn)指數(shù),預(yù)測在擬穩(wěn)態(tài)下的油井產(chǎn)能,該產(chǎn)能用于經(jīng)濟(jì)評價分析,評價投產(chǎn)前的鉆井、完井和壓裂投入是否能夠收回,使油井得到最大收益。
統(tǒng)一壓裂設(shè)計 (UFD)方法最早由Valkó和Economides提出。基于最大化產(chǎn)能的目的,該方法開發(fā)了一個叫做 “無量綱支撐劑數(shù)”的參數(shù),它把裂縫的最佳導(dǎo)流能力與最大生產(chǎn)指數(shù)相關(guān)聯(lián)起來。對于一個給定的無量綱支撐劑數(shù),存在一個最大的無量綱生產(chǎn)指數(shù) (JD)并對應(yīng)一個最佳裂縫導(dǎo)流能力(CfD),由這個無量綱裂縫導(dǎo)流能力 (CfD)可以推導(dǎo)出最優(yōu)化的斷裂幾何尺寸(w和xf)。UFD方法的設(shè)計目標(biāo):最優(yōu)的水力壓力裂設(shè)計可以產(chǎn)生一個最大的生產(chǎn)指數(shù)[5~7]。
引入了無量綱支撐劑數(shù)的概念NpD,其定義為以下公式:
式中:Ix為穿透比,1;CfD為無量綱裂縫導(dǎo)流能力,1;Kf為支撐裂縫滲透率,mD;xf為裂縫半長,m;w為裂縫的平均寬度,m;K為產(chǎn)層滲透率,mD;xe為井的泄油半徑,m;hp為裂縫高度,m;Vp為支撐裂縫體積,m3;Vres為產(chǎn)層泄油體積 (注入體積乘以支撐裂縫與動態(tài)裂縫高度比),m3。
對于給定的無量綱支撐劑數(shù)NpD,存在一個最佳的無量綱裂縫導(dǎo)流能力,能使生產(chǎn)指數(shù)實(shí)現(xiàn)最大化[7]。當(dāng)無量綱支撐劑數(shù)較 “低”時,裂縫最佳無量綱導(dǎo)流能力CfD=1.6,最大的無量綱絕對生產(chǎn)指數(shù)JD=6/π=1.909[7~9](正方形儲層中最完美的線性生產(chǎn)指數(shù),圖3)。當(dāng)無量綱支撐劑數(shù)增加時,最佳無量綱導(dǎo)流能力略有增加 (圖4)。
Valk和Economides還求得了最大無量綱生產(chǎn)指數(shù)與無量綱支撐劑數(shù)量的函數(shù)關(guān)系式[7]:
圖3 正方形泄油面積中無量綱生產(chǎn)指數(shù) (JD)與無量綱裂縫導(dǎo)流能力 (CfD)關(guān)系圖(NpD≤0.1)(據(jù)Valkó和 Economides)
圖4 正方形泄油面積中無量綱生產(chǎn)指數(shù) (JD)與無量綱裂縫導(dǎo)流能力 (CfD)關(guān)系圖(NpD≥0.1)(據(jù)Valkó和 Economides)
同樣,整個范圍的 “無量綱支撐劑數(shù)”也和最佳無量綱裂縫導(dǎo)流能力表現(xiàn)出特定的相互關(guān)系:
當(dāng)最佳無量綱裂縫導(dǎo)流能力已知后,最佳的裂縫長度和寬度便可由以下方程確定:
從上式不難看出,對于中高滲透儲層,將產(chǎn)生寬短縫;對于低滲、超低滲儲層,必然產(chǎn)生窄長縫。
這意味著,每個地層都要有獨(dú)特的支撐裂縫長度和寬度的組合設(shè)計,要針對每一個地層和支撐劑的滲透性的組合,來針對性地設(shè)計裂縫長度和寬度。因此對地層滲透性的了解是獲得壓后最大產(chǎn)量的關(guān)鍵,如果地層滲透性未知 (通常如此),增產(chǎn)的效果會大打折扣。
3.2.1 基礎(chǔ)參數(shù)與優(yōu)化思路
在測試和計算得出地層滲透率和地應(yīng)力連續(xù)剖面計算結(jié)果后,利用UFD產(chǎn)能優(yōu)化設(shè)計方法和P3D(壓力三維設(shè)計軟件)軟件進(jìn)行單井壓裂裂縫優(yōu)化設(shè)計。
在進(jìn)行UFD設(shè)計優(yōu)化時,分別考慮直井、1條壓裂裂縫水平井、4條壓裂裂縫水平井、5條壓裂裂縫水平井與10條壓裂裂縫水平井,裂縫均與水平段垂直正交 (圖5)。輸入油藏參數(shù),考慮不同改造規(guī)模情況下的最優(yōu)生產(chǎn)能力,以最優(yōu)的生產(chǎn)指數(shù)為目標(biāo)優(yōu)化裂縫幾何尺寸,要求壓裂設(shè)計針對最佳的裂縫幾何尺寸進(jìn)行壓裂施工優(yōu)化設(shè)計。
優(yōu)化的具體思路為:
1)研究不同支撐劑滲透率對研究區(qū)塊產(chǎn)能提升 (JD)的作用。支撐劑滲透率分別取30000、6000、100000、200000mD。
2)研究0.0254mD儲層中,不同裂縫條數(shù)下最優(yōu)無量綱生產(chǎn)指數(shù)。以追求最大凈現(xiàn)值為設(shè)計目標(biāo),應(yīng)用經(jīng)濟(jì)評價手段對不同壓裂設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)選,得到最優(yōu)的壓裂裂縫條數(shù)與施工規(guī)模。
3)優(yōu)化過程中,使用一定的約束條件保證優(yōu)化結(jié)果的實(shí)用性與可行性:條件一是最大凈壓力不能超過1000psi(約為6.894MPa),控制縫高增長;條件二是施工結(jié)束時裂縫寬度大于3倍的支撐劑顆粒直徑以避免砂堵。
3.2.2 順9CH井壓裂裂縫優(yōu)化設(shè)計
對順9CH井水平井段進(jìn)行單純的物理優(yōu)化結(jié)果顯示 (表3),相對于1條裂縫而言,10條裂縫所產(chǎn)生的無量綱生產(chǎn)指數(shù)提高了14倍之多 (注入113t支撐劑)。同時,壓裂規(guī)模對于產(chǎn)能的提高起著積極的作用,隨著壓裂規(guī)模從68t增加到113t,4條壓裂裂縫的產(chǎn)能增量提高了100%,5條壓裂裂縫的產(chǎn)能增量提高了103%,10條壓裂裂縫的產(chǎn)能增量提高了109%。
表3 0.0254mD儲層改造規(guī)模與無量綱生產(chǎn)指數(shù)的關(guān)系表 (Kf=60000mD)
應(yīng)用順9區(qū)塊實(shí)際的油藏參數(shù),以井底流壓55MPa為約束預(yù)測5年內(nèi)的產(chǎn)能變化。在實(shí)際的油田案例中,在改造規(guī)模為68t時,壓開7條裂縫的初期產(chǎn)量為40~43m3/d,若僅依靠物理優(yōu)化的結(jié)果,可以選擇增加壓裂裂縫的條數(shù),與改造規(guī)模來單純增加產(chǎn)量。但是正確的做法是將物理優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)評價相結(jié)合,那些可以贏利的壓裂方案才是最佳的壓裂設(shè)計方案[10]。
順9區(qū)塊平均鉆井水平井段長1000m,順902H井平均每級注入支撐劑50t,順9CH井平均每級注入支撐劑68t,以此為基礎(chǔ),將改造規(guī)模適度增大為91、113、136、159、181、204t,優(yōu)化不同壓裂改造規(guī)模下直井、水平井的最優(yōu)生產(chǎn)指數(shù),預(yù)測5年內(nèi)產(chǎn)量變化趨勢,評價每種方案的贏利情況,結(jié)果見表4,優(yōu)選出最佳的水平井改造方案。
表4 順9井區(qū)水平井不同改造規(guī)模與不同裂縫配置下經(jīng)濟(jì)評價表
按目前的投資現(xiàn)狀,可以得出如下指導(dǎo)性的結(jié)論:
1)壓裂直井、1條壓裂裂縫的水平井不具備贏利的可能 改造規(guī)模為50t時壓裂直井初期產(chǎn)量7.6m3/d,改造規(guī)模為159t時壓裂直井初期產(chǎn)量15m3/d,意味著增大2倍以上的改造規(guī)模,才可得到增大1倍的壓裂產(chǎn)量。在159t的改造規(guī)模下,不考慮油井出水、措施修井等因素,預(yù)測產(chǎn)量大于經(jīng)濟(jì)極限產(chǎn)量10m3/d的時間長達(dá)3年,即便如此,這種產(chǎn)量貢獻(xiàn)仍然不能抵消巨大的前期投資。
2)多條壓裂裂縫的水平井可以帶來贏利 在小的改造規(guī)模情況下 (小于50t),4條或5條裂縫的水平井均不能獲得贏利。在大于90t的改造規(guī)模下,多裂縫水平井都可獲利,在研究的4、5、10條裂縫配置中,最佳的利潤點(diǎn)在用181t支撐劑壓裂的4條裂縫水平井,初期產(chǎn)量可達(dá)286m3/d,作為對這種大規(guī)模改造的回報,1年左右的生產(chǎn)期限便可收回前期投資。其次較優(yōu)的利潤點(diǎn)在用181t支撐劑壓裂的5條裂縫水平井。
壓裂多級裂縫的目的在于加速產(chǎn)量增加的進(jìn)程,在生產(chǎn)早期獲得盡可能多的產(chǎn)量,在單井控制儲量不變,最終采收率變化不大的前提下,這意味著越大的早期產(chǎn)量伴隨著更快的產(chǎn)量遞減。如表3所示,5條裂縫的無量綱生產(chǎn)指數(shù)JD(9.91(通過P3D軟件計算得出))大于4條裂縫的無量綱生產(chǎn)指數(shù)JD(7.69),故在前3年中5條裂縫帶來的收益稍大于4條裂縫所帶來的收益,但是由于5條裂縫帶來更大的產(chǎn)量遞減和需要更多的前期投資,最終4條裂縫的水平井獲得最大贏利。
1)UFD產(chǎn)能優(yōu)化設(shè)計最關(guān)鍵的參數(shù)就是地層滲透率,鑒于低孔、低滲水平井壓力恢復(fù)測試解釋地層參數(shù)難度很大,建議在之后的直導(dǎo)眼鉆井過程中,及時進(jìn)行DST測試,求取更加確切的地層參數(shù)數(shù)據(jù)。
2)利用測量深度大、數(shù)據(jù)連續(xù)、信息量大且成本低廉的測井資料計算地應(yīng)力剖面,結(jié)合有限的巖心分析資料來研究順9井區(qū)的地應(yīng)力特征。
3)運(yùn)用P3D軟件計算出無量綱裂縫導(dǎo)流能力CfD和無量綱生產(chǎn)指數(shù)JD,以及裂縫長度xf、裂縫寬度w;計算中考慮不同改造規(guī)模情況下的最優(yōu)生產(chǎn)能力,以最大的無量綱生產(chǎn)指數(shù)為目標(biāo)優(yōu)化裂縫幾何尺寸,要求壓裂設(shè)計針對最佳的裂縫幾何尺寸優(yōu)化壓裂施工設(shè)計;在評價期內(nèi)對產(chǎn)能進(jìn)行預(yù)測,該部分結(jié)果結(jié)合投入成本,進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評價,并將經(jīng)濟(jì)評價結(jié)果與泵注程序相結(jié)合,得出設(shè)計優(yōu)化結(jié)果。
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