特低滲透油藏壓裂水平井衰竭開采參數(shù)優(yōu)選研究

徐慶巖，朱大偉，凌浩川，高天放，王學(xué)武

(1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083;2.中國(guó)科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所，河北廊坊 065007;3.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007)

利用壓裂水平井開發(fā)特低滲透油藏已逐漸成為提高儲(chǔ)量控制程度和改善油田開發(fā)效果的重要手段，在我國(guó)很多油田開始得到普遍應(yīng)用［1］。壓裂水平井的參數(shù)優(yōu)選是水平井開發(fā)設(shè)計(jì)的重要研究?jī)?nèi)容，是水平井技術(shù)論證的重要依據(jù)。特低滲透油藏孔隙度和滲透率低，孔喉細(xì)小，微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體滲流具有非線性滲流特征，在壓裂水平井參數(shù)優(yōu)選中有必要考慮非線性滲流的影響。影響壓裂水平井開發(fā)效果的參數(shù)很多，主要包括水平井長(zhǎng)度、裂縫形態(tài)、裂縫條數(shù)、裂縫長(zhǎng)度和裂縫導(dǎo)流能力。前人在進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選時(shí)［2～8］，普遍未考慮特低滲透油藏的非線性滲流特征，且僅分析每種參數(shù)對(duì)開發(fā)效果的影響，對(duì)各參數(shù)的敏感性強(qiáng)弱研究較少。本文利用特低滲非線性滲流數(shù)值模擬軟件對(duì)壓裂水平井衰竭開采的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，并分析了裂縫條數(shù)、裂縫長(zhǎng)度和裂縫導(dǎo)流能力等對(duì)開發(fā)效果的敏感性。

1 基本模型的建立

所謂衰竭開采，即采用天然能量開發(fā)，不采用注水或注氣等方式補(bǔ)充能量。為了對(duì)壓裂水平井衰竭開采的產(chǎn)能及影響因素進(jìn)行系統(tǒng)的研究，本文利用非線性滲流數(shù)值模擬軟件［9～11］，考慮特低滲透油藏的非線性滲流特征，通過(guò)建立數(shù)模模型，進(jìn)行壓裂參數(shù)最優(yōu)化及參數(shù)敏感性分析。以長(zhǎng)慶油田某一具體典型區(qū)塊為研究對(duì)象，在確定了水平段的層位及延伸方向以后，優(yōu)化壓裂水平井的各項(xiàng)主要參數(shù)，包括:水平井長(zhǎng)度、裂縫形態(tài)、裂縫條數(shù)、裂縫長(zhǎng)度、裂縫導(dǎo)流能力。

數(shù)模模型的各項(xiàng)參數(shù)和壓裂水平井的各項(xiàng)參數(shù)選取如表1所示 (參數(shù)選自長(zhǎng)慶油田元284區(qū)塊，在具體優(yōu)化某參數(shù)時(shí)，會(huì)改變其中某一參數(shù)的數(shù)值)。考慮到模型計(jì)算結(jié)果的收斂性和準(zhǔn)確性，網(wǎng)格步長(zhǎng)和時(shí)間步長(zhǎng)不宜過(guò)大，模型采用塊中心網(wǎng)格，人工水力壓裂裂縫采用局部網(wǎng)格加密的方法實(shí)現(xiàn)。模擬計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)一般為30天，模擬時(shí)間一般為10年。

表1 地質(zhì)模型主要參數(shù)表Table.1 Default parameters of geological model

續(xù)表

2 參數(shù)優(yōu)選及敏感性分析

2.1 水平井長(zhǎng)度優(yōu)化

水平井井筒內(nèi)的流體流動(dòng)與直井有著明顯的差別，水平井水平段的流動(dòng)為變質(zhì)量流動(dòng)，需要考慮井筒摩阻效應(yīng)對(duì)水平井產(chǎn)能的影響。軟件內(nèi)嵌多段井模型，將井筒分為不同的段，每段都可以有不同的流體壓力和流量。為了研究壓裂水平井衰竭開采時(shí)水平段長(zhǎng)度最優(yōu)化的問(wèn)題，考慮水平井筒內(nèi)部的壓力損失，即沿水平井筒的摩擦阻力不可忽略，模型參數(shù)及裂縫設(shè)計(jì)見表1。設(shè)計(jì)水平井長(zhǎng)度分別為500m、600m、700m、800m、900m、1000m，利用非線性滲流數(shù)值模擬軟件，分別建立地質(zhì)模型，并對(duì)比各模型的采出程度 (圖1)。

圖1 不同水平井長(zhǎng)度不同時(shí)間采出程度對(duì)比曲線圖(考慮井筒摩阻)Fig.1 Recovery efficiency contrast curve of different length of horizontal well

由圖1可以看出，考慮水平井筒摩阻，采出程度曲線與水平井長(zhǎng)度的關(guān)系并不是線性關(guān)系，而是呈向下彎曲的曲線。而由圖2可以看出，不考慮井筒摩阻，采出程度曲線與水平井長(zhǎng)度的關(guān)系是線性關(guān)系?？紤]井筒摩阻，隨著水平井長(zhǎng)度的增加，儲(chǔ)層的采出程度逐漸增加，但增幅逐漸變緩，其中800m是拐點(diǎn)，當(dāng)水平井長(zhǎng)度達(dá)到800m時(shí)，產(chǎn)量增速明顯變小，且水平井長(zhǎng)度增加，成本也會(huì)相應(yīng)增加。因此，優(yōu)選水平井長(zhǎng)度800m為最佳長(zhǎng)度。

圖2 不同水平井長(zhǎng)度不同時(shí)間采出程度對(duì)比曲線圖(不考慮井筒摩阻)Fig.2 Recovery efficiency contrast curve of different length of horizontal well

2.2 裂縫形態(tài)優(yōu)化

不同水力裂縫形態(tài)直接影響水平井壓裂后的產(chǎn)能，水平井人工裂縫一般有3種形態(tài):橫向縫、縱向縫和水平縫 (圖3)。橫向縫是指裂縫面與水平井筒相垂直的裂縫，縱向縫是裂縫面平行水平井筒方向的裂縫，水平縫是裂縫面沿水平方向延伸的裂縫 (這種裂縫實(shí)際情況很少見)。當(dāng)水平井筒軸線與最大主應(yīng)力方向垂直時(shí)產(chǎn)生橫向裂縫，當(dāng)水平井筒軸線與最大主應(yīng)力方向平行且展布方向?yàn)榇瓜驎r(shí)產(chǎn)生縱向裂縫，當(dāng)水平井筒軸線與最大主應(yīng)力方向平行且展布方向?yàn)槠矫鏁r(shí)產(chǎn)生水平裂縫。

圖3 水平井水力裂縫不同裂縫形態(tài)圖Fig.3 Different hydraulic fracture morphology of horizontal well

本文對(duì)比了不同滲透率級(jí)別下，水平井壓裂縱向縫和橫向縫 (以壓開4條裂縫為例)的開發(fā)效果。由圖4可知，水平井壓開橫向縫的開發(fā)效果明顯要好于縱向縫，且滲透率越低差異越明顯。

同時(shí)從壓力場(chǎng)的對(duì)比圖(圖5)中可以看出，水平井壓裂橫向縫的壓力衰竭影響范圍更大，泄油面積也更大，反映出對(duì)地層能量的利用率更高。綜合橫向縫和縱向縫的產(chǎn)油和壓力場(chǎng)對(duì)比，水平井壓裂橫向縫開發(fā)效果要好于縱向縫。

圖4 油藏水平井壓裂橫向縫與縱向縫累計(jì)產(chǎn)油量對(duì)比圖Fig.4 Cumulative oil contrast curve between transverse fractures and longitudinal fracture

圖5 水平井壓裂縱向縫和橫向縫的壓力場(chǎng)對(duì)比圖Fig.5 Pressure field of horizontal well with longitudinal fracture and transverse fractures

2.3 裂縫條數(shù)優(yōu)化

當(dāng)水平井套管完井時(shí)，人工壓裂裂縫是連通油藏與井筒的唯一通道，因此，裂縫條數(shù)是制約油井產(chǎn)能的重要因素。為了研究裂縫條數(shù)對(duì)開發(fā)效果影響，模型方案設(shè)計(jì)不同了裂縫條數(shù) (1條、2條、3條、4條、5條、6條、7條、8條、9條)，模型其他參數(shù)見表1(固定裂縫長(zhǎng)度和裂縫導(dǎo)流能力等參數(shù))。裂縫間采用等距分布的方式，模擬不同裂縫條數(shù)時(shí)的生產(chǎn)情況，分析不同裂縫條數(shù)對(duì)累計(jì)產(chǎn)油量的影響，進(jìn)行水平井合理裂縫條數(shù)的優(yōu)選 (圖6)。

由圖6可知，隨著裂縫條數(shù)的增加，壓裂水平井的累計(jì)產(chǎn)油量量總體上逐漸增加;但隨著裂縫條數(shù)的增加，累計(jì)產(chǎn)油量增幅逐漸減小。這是因?yàn)殡S著裂縫條數(shù)的增加，裂縫間的距離變得更近，相互間的干擾加重，使每條裂縫的產(chǎn)量減小，因而使得壓裂水平井的累計(jì)產(chǎn)油量增幅變緩。當(dāng)裂縫條數(shù)較多時(shí)，會(huì)增加壓裂工藝的難度和經(jīng)濟(jì)成本，因此對(duì)于具體的油藏存在最佳的裂縫條數(shù)。本區(qū)塊優(yōu)選最佳裂縫條數(shù)為6條。對(duì)于壓裂水平井，若裂縫是等間距分布，當(dāng)最佳的裂縫條數(shù)確定后，最佳的裂縫間距也就確定了，因此本區(qū)最佳的裂縫間距在100m左右。

圖6 不同裂縫條數(shù)的累計(jì)產(chǎn)油量對(duì)比圖Fig.6 Cumulative oil contrast curve of different fracture number

2.4 裂縫長(zhǎng)度優(yōu)化

裂縫長(zhǎng)度也是影響壓裂水平井產(chǎn)能的一個(gè)重要因素。為了研究裂縫長(zhǎng)度對(duì)壓裂水平井產(chǎn)能的影響，設(shè)計(jì)了不同裂縫長(zhǎng)度 (50m、100m、150m、200m)，模型其他參數(shù)選用表1中參數(shù)，建立不同裂縫長(zhǎng)度下的模型，分析不同裂縫長(zhǎng)度對(duì)水平井累計(jì)產(chǎn)油量的影響，并進(jìn)行合理裂縫長(zhǎng)度的優(yōu)選(圖7)。

圖7 不同裂縫長(zhǎng)度的累計(jì)產(chǎn)油量對(duì)比圖Fig.7 Cumulative oil contrast curve of different fracture length

模擬結(jié)果表明 (圖7)，壓裂水平井累計(jì)產(chǎn)量并不是隨著裂縫長(zhǎng)度的增加而線性增大;對(duì)于具體的油藏，儲(chǔ)層滲透率、水平井長(zhǎng)度、裂縫導(dǎo)流能力和裂縫條數(shù)一定時(shí)，存在一個(gè)相對(duì)最佳的裂縫長(zhǎng)度值，本例優(yōu)選最佳裂縫長(zhǎng)度為150m。

2.5 裂縫導(dǎo)流能力優(yōu)化

裂縫導(dǎo)流能力對(duì)于壓裂水平井產(chǎn)能也有影響。但是，對(duì)于某一具體油藏，裂縫導(dǎo)流能力并不是越大越好.當(dāng)裂縫導(dǎo)流能力越大時(shí)，需要的壓裂工藝難度更高，相應(yīng)成本也越高。當(dāng)儲(chǔ)層滲透率、水平井長(zhǎng)度、裂縫條數(shù)和裂縫長(zhǎng)度確定時(shí)，存在一個(gè)相對(duì)最佳的裂縫導(dǎo)流能力值 (圖8)。

圖8 不同裂縫導(dǎo)流能力的累計(jì)產(chǎn)油量對(duì)比圖Fig.8 Cumulative oil contrast curve of different fracture conductivity

模擬結(jié)果表明 (圖8)，隨著裂縫導(dǎo)流能力的增加，壓裂水平井累計(jì)產(chǎn)油量增加;但裂縫導(dǎo)流能力增加到一定值時(shí)，累計(jì)產(chǎn)油量增幅逐漸變緩，優(yōu)選最佳裂縫導(dǎo)流能力為30D·cm。

2.6 參數(shù)敏感性分析

上述一系列水平井壓裂參數(shù)優(yōu)選是在固定滲透率級(jí)別、水平井長(zhǎng)度的條件下進(jìn)行的;但實(shí)際上，當(dāng)儲(chǔ)層滲透率、水平井長(zhǎng)度發(fā)生改變時(shí)，水平井壓裂參數(shù)最佳值也會(huì)發(fā)生改變，且裂縫各參數(shù)的敏感性并不一樣。

2.6.1 滲透率對(duì)參數(shù)優(yōu)化的影響

為了研究滲透率級(jí)別對(duì)壓裂參數(shù)優(yōu)化的影響，以及各參數(shù)對(duì)于滲透率改變的敏感性，設(shè)置了0.3mD、0.5mD、1mD、3mD、10mD這 5個(gè)滲透率級(jí)別。在各滲透率級(jí)別下，通過(guò)建立一系列模型進(jìn)行優(yōu)選，前面所述的各參數(shù) (裂縫條數(shù)、裂縫長(zhǎng)度、裂縫導(dǎo)流能力)最優(yōu)值如表2所示。

表2 不同滲透率級(jí)別下各參數(shù)最優(yōu)值表Table.2 Optimal value parameter values under different permeability levels

由表2可知，隨著滲透率的增加，壓裂水平井的最佳裂縫條數(shù)逐漸減少，最佳裂縫長(zhǎng)度也呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，最優(yōu)裂縫導(dǎo)流能力則沒有變化。可見，對(duì)于滲透率級(jí)別的改變，最為敏感的是裂縫條數(shù)，其次是裂縫長(zhǎng)度，裂縫導(dǎo)流能力最為不敏感。

2.6.2 水平井長(zhǎng)度對(duì)參數(shù)優(yōu)化的影響

為了研究水平井長(zhǎng)度對(duì)壓裂參數(shù)優(yōu)化的影響，以及各參數(shù)對(duì)于水平井長(zhǎng)度改變的敏感性，設(shè)計(jì)了400m、500m、600m、700m、800m 5個(gè)水平井長(zhǎng)度級(jí)別。在各水平井長(zhǎng)度級(jí)別下各參數(shù)最優(yōu)值見表3。

表3 不同水平井長(zhǎng)度下各參數(shù)最優(yōu)值Table.3 Optimal value parameter values under different horizontal well length

隨著水平井長(zhǎng)度的增加，壓裂水平井的最佳裂縫條數(shù)逐漸增加，最優(yōu)裂縫長(zhǎng)度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，最優(yōu)裂縫導(dǎo)流能力則基本沒有變化。可見，對(duì)于水平井長(zhǎng)度的改變，最為敏感的是裂縫條數(shù)，其次是裂縫長(zhǎng)度，裂縫導(dǎo)流能力最為不敏感。

3 結(jié) 論

(1)利用特低滲透油藏非線性滲流數(shù)值模擬軟件，對(duì)壓裂水平井衰竭開采的水平井長(zhǎng)度和壓裂裂縫的裂縫形態(tài)、裂縫條數(shù)、裂縫長(zhǎng)度、裂縫導(dǎo)流能力進(jìn)行了優(yōu)化。

(2)當(dāng)固定水平井長(zhǎng)度和滲透率級(jí)別，通過(guò)控制變量法進(jìn)行研究可以發(fā)現(xiàn)，壓裂水平井衰竭開采具有最優(yōu)的裂縫條數(shù)、裂縫長(zhǎng)度和裂縫導(dǎo)流能力。

(3)通過(guò)不同滲透率級(jí)別和水平井長(zhǎng)度下的裂縫參數(shù)優(yōu)選可知，對(duì)于壓裂水平井衰竭開采開發(fā)效果，最為敏感的是裂縫條數(shù)，其次是裂縫長(zhǎng)度，裂縫導(dǎo)流能力最為不敏感。

［1］王書禮，唐許平，李伯虎.低滲透油藏水平井開發(fā)設(shè)計(jì)研究 ［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2001，20(1):23－24.

［2］張學(xué)文，方宏長(zhǎng)，裘懌楠，等.低滲透率油藏壓裂水平井產(chǎn)能影響因素［J］.石油學(xué)報(bào)，1999，20(4):51－55.

［3］高海紅，程林松，曲占慶.壓裂水平井裂縫參數(shù)優(yōu)化研究 ［J］.西安石油大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2006，21(2):29－32.

［4］曾凡輝，郭建春，徐嚴(yán)波，等.壓裂水平井產(chǎn)能影響因素 ［J］.石油勘探與開發(fā)，2007，34(4):474－477，482.

［5］姜晶，李春蘭，楊敏.低滲透油藏壓裂水平井裂縫優(yōu)化研究 ［J］.石油鉆采工藝，2008，30(4):50－52.

［6］袁帥，李春蘭，曾保全，等.壓裂水平井裂縫參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn) ［J］.石油鉆探技術(shù)，2010，38(4):99－103.

［7］曾保全，程林松，李春蘭，等.特低滲透油藏壓裂水平井開發(fā)效果評(píng)價(jià) ［J］.石油學(xué)報(bào)，2010，31(5):791－796.

［8］張廣清，趙文，李志文，等.基于裂縫形態(tài)和產(chǎn)能的水平井分段壓裂優(yōu)化研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12(2):296－299.

［9］楊正明，于榮澤，蘇致新，等.特低滲透油藏非線性滲流數(shù)值模擬 ［J］.石油勘探與開發(fā)，2010，37(1):94－98.

［10］于榮澤，王楷軍，卞亞南，等.特低滲透油藏變滲透率場(chǎng)油藏?cái)?shù)值模擬研究 ［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，33(5):98－103.

［11］徐慶巖，楊正明，何英，等.超低滲透油藏非線性滲流數(shù)值模擬 ［J］.深圳大學(xué)學(xué)報(bào) (理工版)，2012，29(6):504－508.