致密油藏水平井體積壓裂裂縫擴(kuò)展及產(chǎn)能模擬

周 祥，張士誠(chéng)，鄒雨時(shí)，潘林華，柳凱譽(yù)，張 雄

(1．中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京102249;2．重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院頁(yè)巖氣分院，重慶400042;3．中石油長(zhǎng)城鉆探 井下作業(yè)公司，北京102249;4．西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊830000)

20世紀(jì)末，美國(guó)將頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)理念引入Bakken致密油藏區(qū)并獲得巨大成功，以此為突破，實(shí)現(xiàn)了以Bakken、Eagleford等致密區(qū)為代表的規(guī)?；_(kāi)發(fā)，扭轉(zhuǎn)了美國(guó)多年石油產(chǎn)量下降的趨勢(shì)［1-2］。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)分析美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)并借鑒相關(guān)理念，提出了“體積壓裂”的新概念。體積改造技術(shù)是指通過(guò)分段分簇射孔，高排量、大液量、低黏液體壓裂等技術(shù)，在產(chǎn)生主裂縫的同時(shí)，充分溝通天然裂縫和巖石層理，在主裂縫的側(cè)向形成分支裂縫，最終形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一定空間范圍的充分改造［3］。目前，有關(guān)致密油藏的研究多集中于地質(zhì)特征和開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)［1-5］，而關(guān)于致密油藏裂縫擴(kuò)展和產(chǎn)能方面的數(shù)值模擬研究相對(duì)較少。深入和細(xì)化研究致密油藏水平井體積壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律和產(chǎn)能變化規(guī)律對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工工藝的選擇和施工參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)作用。

1 裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響因素

1．1 地質(zhì)因素

巖石礦物組成影響巖石的力學(xué)特性，繼而影響水力裂縫擴(kuò)展路徑。黏土礦物含量增加，巖石脆性減弱，不利于儲(chǔ)層的壓裂改造;隨著碳酸鹽含量的增加，巖石顯示中等脆性;石英成分含量較高且鈣質(zhì)充填天然裂縫發(fā)育的儲(chǔ)層脆性較強(qiáng)，水力壓裂時(shí)易于形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)［6-7］。儲(chǔ)層最大/最小水平主應(yīng)力差是體積壓裂能否形成復(fù)雜裂縫的重要影響因素。應(yīng)力差越小，與水力裂縫相遇的天然裂縫越容易被開(kāi)啟，主裂縫兩側(cè)越容易產(chǎn)生次生裂縫，更有利于形成復(fù)雜裂縫;應(yīng)力差越大，水力裂縫遇上天然裂縫時(shí)越易于穿過(guò)天然裂縫，沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展［8-9］。充填的天然裂縫是力學(xué)上的薄弱環(huán)節(jié)，水力裂縫開(kāi)啟并溝通天然裂縫有助于形成復(fù)雜縫網(wǎng)。因此，天然裂縫的性質(zhì)和發(fā)育程度對(duì)體積壓裂有重要影響。天然裂縫性質(zhì)包括天然裂縫尺寸、方位和巖石密度及力學(xué)特性(摩擦系數(shù)、黏聚力)。研究表明:當(dāng)天然裂縫與水力裂縫夾角較小(小于30°)時(shí)，水力裂縫容易開(kāi)啟天然裂縫并發(fā)生轉(zhuǎn)向;當(dāng)兩者夾角較大(大于60°)時(shí)，水力裂縫容易穿過(guò)天然裂縫;當(dāng)兩者夾角為中等(介于30°～60°)時(shí)，低應(yīng)力差條件下易開(kāi)啟天然裂縫并發(fā)生轉(zhuǎn)向，高應(yīng)力差條件下易穿過(guò)天然裂縫［10］。天然裂縫摩擦系數(shù)或黏聚力降低，天然裂縫更容易開(kāi)啟，水力裂縫形態(tài)由平面縫趨向復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)［11］。

1．2 工程因素

儲(chǔ)層地質(zhì)條件是體積壓裂能否成功的基礎(chǔ)，而適配的壓裂工藝和施工參數(shù)是體積壓裂成功的保障。國(guó)內(nèi)外研究和經(jīng)驗(yàn)表明:形成復(fù)雜裂縫的有利條件是大排量、大液量、低黏度壓裂液和低砂比。對(duì)于同一地層，泵注排量與縫內(nèi)凈壓力呈正比，凈壓力升高有利于提高裂縫的復(fù)雜性［12］;增大壓裂液量能增大儲(chǔ)層的改造體積;低黏度壓裂液有利于增加裂縫的復(fù)雜性，但是攜砂性能變差;混合壓裂液體系結(jié)合小粒徑支撐劑能兼顧增加裂縫復(fù)雜程度和改善壓后裂縫網(wǎng)絡(luò)的有效性［13］。另外，同步壓裂、重復(fù)壓裂以及改變壓裂順序等技術(shù)都有助于擴(kuò)大改造區(qū)域，增強(qiáng)改造效果。

2 裂縫擴(kuò)展模擬分析

基于復(fù)雜裂縫擴(kuò)展模擬軟件，對(duì)體積壓裂裂縫擴(kuò)展情況展開(kāi)了模擬分析。模型中巖石變形是基于線彈性斷裂理論，巖石破裂遵循最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則和摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，考慮了裂縫－塊體系統(tǒng)的滲流應(yīng)力耦合，采用有限元和離散元的混合方法求解。能模擬不同巖石力學(xué)參數(shù)、就地應(yīng)力、天然裂縫性質(zhì)、施工排量和壓裂液黏度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響［14］。為了模擬不同儲(chǔ)層條件下體積壓裂裂縫擴(kuò)展情況，以紅崗油田扶余儲(chǔ)層和長(zhǎng)7致密砂巖儲(chǔ)層主要地質(zhì)參數(shù)為基本輸入?yún)?shù)展開(kāi)了模擬分析(表 1)。

表1 扶余和長(zhǎng)7致密砂巖儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)Tab．1 Mechanic properties of Fuyu and Chang 7 tight sandstone reservoirs

2．1 紅崗扶余儲(chǔ)層裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果

紅崗扶余儲(chǔ)層代表高水平主應(yīng)力差和天然裂縫欠發(fā)育儲(chǔ)層。共設(shè)計(jì)了3組方案，方案一(圖1(a))，天然裂縫主要以高角度縫存在，與最大主應(yīng)力夾角為0 ～15°，天然裂縫密度為0．03 m/m2，單級(jí)4簇射孔，簇間距20 m，施工排量為12 m3/min。方案二中改變天然裂縫性質(zhì)，天然裂縫密度設(shè)定為0．06 m/m2，角度設(shè)定為15 ～30°(圖 1(b))，方案三天然裂縫密度0．06 m/m2，角度15～30°，簇間距 15 m，共5簇射孔(圖1(c))。對(duì)比方案一和方案二可知，高水平主應(yīng)力差條件下，天然裂縫密度和角度較低時(shí)，水力裂縫趨向于平面縫;隨著裂縫密度及角度的增加，裂縫復(fù)雜性增強(qiáng)，改造效果增強(qiáng)。更大的天然裂縫密度和角度增加了其與水力裂縫相遇的概率，且增強(qiáng)了水力裂縫局部范圍內(nèi)轉(zhuǎn)向的可能性，所形成裂縫更復(fù)雜。由方案二和方案三的模擬結(jié)果可知，水平主應(yīng)力差較大條件下，單級(jí)段長(zhǎng)固定時(shí)，簇間距減小，簇?cái)?shù)增加，裂縫改造體積增加。由于水平主應(yīng)力差大(10 MPa)，足以抵消縫間應(yīng)力干擾對(duì)裂縫擴(kuò)展路徑的影響，水力裂縫穿過(guò)天然裂縫，仍沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展，所以五簇射孔比四簇射孔能更大程度改造儲(chǔ)層。

圖1 高地應(yīng)力差下裂縫擴(kuò)展模擬(10 MPa)Fig．1 Fracture propagation simulation results under high formation stress difference

2．2 長(zhǎng)7致密砂巖儲(chǔ)層裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果

長(zhǎng)7致密砂巖儲(chǔ)層代表低水平主應(yīng)力差和天然裂縫發(fā)育類儲(chǔ)層。對(duì)比分析了3種方案，方案一天然裂縫與最大主應(yīng)力夾角為0～30°，天然裂縫密度為0．12 m/m2，單級(jí)4簇射孔，簇間距20 m，施工排量為12 m3/min(圖2(a));方案二天然裂縫密度為0．14 m/m2，角度為 0 ～30°，簇間距 20 m，4 簇射孔(圖2(b));方案三天然裂縫密度為0．12 m/m2，角度為0～30°，簇間距15 m，5簇射孔(圖2(c))。由模擬結(jié)果可知，低水平主應(yīng)力差條件下，裂縫密度越大，網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜。由于儲(chǔ)層就地應(yīng)力差小，在應(yīng)力干擾作用下，縫間的天然裂縫更易被激活，水力裂縫容易沿天然裂縫擴(kuò)展發(fā)生轉(zhuǎn)向甚至合并，當(dāng)單級(jí)段長(zhǎng)固定時(shí)，簇間距的減小將導(dǎo)致合并轉(zhuǎn)向更嚴(yán)重，最終減小改造體積。所以簇間距20 m比15 m時(shí)效果更佳。

圖2 低地應(yīng)力差下裂縫擴(kuò)展模擬(3 MPa)Fig．2 Fracture propagation simulation results under low formation stress difference

對(duì)比紅崗儲(chǔ)層與長(zhǎng)7儲(chǔ)層裂縫擴(kuò)展結(jié)果，低水平主應(yīng)力差天然裂縫發(fā)育類致密砂巖儲(chǔ)層，具有良好的體積壓裂先天基礎(chǔ)，壓后裂縫網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，改造效果更顯著。這類地層簇間距不宜太小，否則應(yīng)力干擾太強(qiáng)而降低裂縫復(fù)雜性。高水平應(yīng)力差天然裂縫欠發(fā)育致密儲(chǔ)層，先天地質(zhì)條件不利于縫網(wǎng)的形成，這類地層減小簇間距有利于增強(qiáng)體積壓裂效果。簇間距的設(shè)定除了要從力學(xué)角度考慮其對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響，還應(yīng)從產(chǎn)能角度分析與優(yōu)化，從而獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益。

3 產(chǎn)能變化規(guī)律數(shù)值模擬

基于紅崗油田扶余致密砂巖儲(chǔ)層流體物性和地層數(shù)據(jù)，建立了水平井體積壓裂理論數(shù)值模型，模擬衰竭式開(kāi)發(fā)2 a產(chǎn)能的變化規(guī)律。儲(chǔ)層埋深2 200 m，有效厚度6 m，地層壓力20．3 MPa，滲透率0．1 ×10－3μm2，孔隙度9%，水平段長(zhǎng)850 m，壓裂10級(jí)，單級(jí)4簇射孔，水平井方向沿最小主應(yīng)力方向。體積壓裂形成的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)采用離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型模擬，用等效滲流阻力法和局部網(wǎng)格加密技術(shù)對(duì)裂縫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理，見(jiàn)圖3。

圖3 水平井體積壓裂產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型Fig．3 Productivity forecasting model of volume fracturing horizontal well

3．1 改造體積對(duì)產(chǎn)能的影響

縫網(wǎng)的改造體積一般定義為縫網(wǎng)長(zhǎng)度、寬度和高度的乘積。考慮到實(shí)際施工時(shí)，改造井水平段長(zhǎng)度和儲(chǔ)層厚度是一定的，即縫網(wǎng)寬度和高度不變，改造體積因縫網(wǎng)長(zhǎng)度不同而有差異，如圖4，改造體積分別為 102 ×104m3、119 ×104m3、136 ×104m3、153 ×104m3，增幅分別為 16．7%、33．3% 和 50．0%，相應(yīng)的累產(chǎn)油增幅分別為10．6%、20．9%和31．1%。致密儲(chǔ)層滲透率低，體積壓裂后改造區(qū)域內(nèi)流體運(yùn)移至裂縫的距離大大縮短，滲流能力極大提高，而未改造區(qū)域滲流阻力仍然很大，產(chǎn)能貢獻(xiàn)主要來(lái)自于改造區(qū)域，產(chǎn)能與改造體積呈正相關(guān)。但是考慮到經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題，更大的改造體積需要更多的人工成本和材料成本。因此，改造體積不是越大越好，需結(jié)合凈收益進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 改造體積對(duì)產(chǎn)能的影響Fig．4 Effect of SRV on productivity of horizontal well

3．2 導(dǎo)流能力對(duì)產(chǎn)能的影響

水力裂縫是致密儲(chǔ)層生產(chǎn)的主要滲流通道，其導(dǎo)流能力的大小對(duì)產(chǎn)能影響很顯著。國(guó)外學(xué)者［15］模擬體積壓裂縫網(wǎng)導(dǎo)流能力時(shí)有2種方法，其一是支撐劑均勻分布，即主裂縫和次裂縫導(dǎo)流能力相同;其二是支撐劑主體分布在主裂縫中，主裂縫導(dǎo)流能力較高，次裂縫因剪切錯(cuò)位自支撐或是支撐劑局部支撐具有一定導(dǎo)流能力。本文中采用第二種方法，次裂縫導(dǎo)流能力假定為主裂縫的1/50［16］。圖5為導(dǎo)流能力對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層水平井產(chǎn)能的影響，導(dǎo)流能力從10 μm2·cm 增加至20 μm2·cm，產(chǎn)能提高了6．4%，而從 20 μm2·cm 增加至 30 μm2·cm，產(chǎn)能提高了 2．3%，從 30 μm2·cm 增加至 40 μm2·cm，產(chǎn)能僅提高了1．3%。由于儲(chǔ)層滲透率很低，滲流阻力大，當(dāng)水力裂縫導(dǎo)流能力大于20 μm2·cm后繼續(xù)增加導(dǎo)流能力值對(duì)產(chǎn)能的貢獻(xiàn)不明顯。所以，對(duì)于致密儲(chǔ)層，水力裂縫導(dǎo)流能力達(dá)到一定水平即可，需從其他方面如裂縫密度、改造體積著手，綜合考慮提高產(chǎn)量。

圖5 裂縫導(dǎo)流能力對(duì)產(chǎn)能的影響Fig．5 Effect of fracture seepage capacity on productivity of horizontal well

3．3 次裂縫對(duì)產(chǎn)能的影響

水平井體積壓裂后會(huì)在主裂縫周邊產(chǎn)生大量次生裂縫，筆者定量研究了不同地層滲透率條件下次生裂縫對(duì)水平井產(chǎn)能的貢獻(xiàn)程度。次裂縫導(dǎo)流能力仍假定為主裂縫導(dǎo)流能力的1/50，模擬地層滲透率分別為0．001 ×10－3μm2、0．005 ×10－3μm2、0．01 ×10－3μm2、0．05 ×10－3μm2、0．1 ×10－3μm2，主裂縫導(dǎo)流能力從 10 μm2·cm 增加至 50 μm2·cm。模擬結(jié)果如圖6所示，隨著地層滲透率的增加，次生裂縫對(duì)水平井產(chǎn)能的貢獻(xiàn)程度逐漸減小;不同裂縫導(dǎo)流能力條件下，次裂縫對(duì)產(chǎn)能貢獻(xiàn)的程度非常接近。當(dāng)?shù)貙訚B透率為 0．001×10－3μm2、主裂縫導(dǎo)流能力為10 μm2·cm時(shí)，次裂縫對(duì)產(chǎn)能貢獻(xiàn)程度為28．98%;而當(dāng)?shù)貙訚B透率為 0．1 ×10－3μm2時(shí)，次生裂縫對(duì)產(chǎn)能的貢獻(xiàn)程度為16．39%。因此，地層滲透率越低，次生裂縫對(duì)產(chǎn)能的貢獻(xiàn)程度越高，施工設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以更大程度改造目標(biāo)區(qū)為目標(biāo)。

圖6 次裂縫對(duì)產(chǎn)能貢獻(xiàn)的比重Fig．6 Contribution of induced fracture to productivity of horizontal well

3．4 簇間距對(duì)產(chǎn)能的影響

如前所述，水力裂縫擴(kuò)展時(shí)，附近的應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生改變，距離水力裂縫越近的區(qū)域，應(yīng)力狀態(tài)改變?cè)酱蟆?yīng)力狀態(tài)的改變將會(huì)影響裂縫擴(kuò)展軌跡，從而影響體積壓裂效果;另一方面，水平井投入生產(chǎn)后，各裂縫的壓力波會(huì)相互干擾，從而影響產(chǎn)能。為研究簇間距對(duì)不同致密儲(chǔ)層產(chǎn)能的影響，對(duì)比分析了3 種地層滲透率 0．1 ×10－3μm2、0．01 ×10－3μm2、0．001 ×10－3μm2，簇間距分別為 15 m、20 m和30 m(對(duì)應(yīng)單級(jí)5簇、4簇和3簇)時(shí)的產(chǎn)能變化。模擬結(jié)果見(jiàn)圖7。各方案采用相同的施工液量，簇?cái)?shù)少時(shí)，半縫長(zhǎng)較大，裂縫密度較小;簇?cái)?shù)多時(shí)，半縫長(zhǎng)較短，裂縫密度較大。通過(guò)對(duì)比可知，投產(chǎn)初期，射孔簇間距越小，裂縫越密對(duì)應(yīng)的產(chǎn)能越大;隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，不同滲透率的地層生產(chǎn)規(guī)律出現(xiàn)差異。當(dāng)?shù)貙訚B透率為0．1×10－3μm2時(shí)，單級(jí)3簇射孔，簇間距為30 m對(duì)應(yīng)的產(chǎn)能最大;當(dāng)?shù)貙訚B透率為0．001×10－3μm2時(shí)，生產(chǎn)540 d之前，單級(jí) 5簇射孔，簇間距為15 m對(duì)應(yīng)的產(chǎn)能最大，540 d以后，4簇射孔對(duì)應(yīng)的產(chǎn)能最高;當(dāng)?shù)貙訚B透率為0．01×10－3μm2時(shí)，生產(chǎn)270 d之前，4簇射孔產(chǎn)能更佳，而270 d之后，3簇射孔產(chǎn)能最大。地層滲透率較高時(shí)，壓力傳播較快，縫間壓力干擾明顯，裂縫密度不宜過(guò)大，較少的射孔簇?cái)?shù)有利于提高產(chǎn)能;地層滲透率較低時(shí)，壓力傳播較慢，壓力干擾不顯著，此時(shí)增大裂縫密度有利于提高產(chǎn)能。

圖7 簇間距對(duì)產(chǎn)能的影響Fig．7 Effect of cluster spacing on productivity of horizontal well

4 結(jié)論

(1)體積壓裂的效果受儲(chǔ)層地質(zhì)條件和工程因素的雙重影響，應(yīng)充分了解儲(chǔ)層地質(zhì)特點(diǎn)，針對(duì)性地制定合理的施工方案。

(2)就地應(yīng)力差越小，天然裂縫越發(fā)育，越有利于提高裂縫網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。對(duì)于低地應(yīng)力差天然裂縫發(fā)育的致密儲(chǔ)層，簇間距不宜太小，否則應(yīng)力干擾太強(qiáng)而降低裂縫復(fù)雜性;對(duì)于高地應(yīng)力差天然裂縫欠發(fā)育致密儲(chǔ)層，應(yīng)力干擾對(duì)裂縫擴(kuò)展軌跡的影響有限，宜減小簇間距以增強(qiáng)體積改造效果。

(3)紅崗儲(chǔ)層中，水平井產(chǎn)能隨改造體積增大而增加，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，改造體積存在最優(yōu)值。裂縫導(dǎo)流能力增大有利于提高單井產(chǎn)能，但是當(dāng)導(dǎo)流能力超過(guò)20 μm2·cm時(shí)，繼續(xù)增大導(dǎo)流能力產(chǎn)能增幅有限。當(dāng)儲(chǔ)層滲透率大于0．01×10－3μm2時(shí)，較大的簇間距(30 m)能減弱縫間壓力干擾，保持較高產(chǎn)能;當(dāng)儲(chǔ)層滲透率小于0．01×10－3μm2時(shí)，壓力傳播速度慢，壓力干擾相對(duì)較弱，較小的簇間距(15 m)有利于獲得較高的產(chǎn)能。

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