致密氣田水平井壓裂縫地質(zhì)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究
——以大牛地氣田為例

任廣磊，周涌沂，陳 奎，楊文娟，李雪晴

(1. 中國(guó)石化華北分公司勘探開發(fā)研究院，河南鄭州 450006；2. 中國(guó)石化華北分公司氣田開發(fā)處)

致密氣田水平井壓裂縫地質(zhì)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究
——以大牛地氣田為例

任廣磊1，周涌沂2，陳 奎1，楊文娟1，李雪晴1

(1. 中國(guó)石化華北分公司勘探開發(fā)研究院，河南鄭州 450006；2. 中國(guó)石化華北分公司氣田開發(fā)處)

為提高致密氣田水平井多級(jí)壓裂效果，兼顧壓裂縫位置、壓裂縫排列方式、壓裂縫長(zhǎng)、壓裂縫間距、壓裂縫導(dǎo)流能力等因素的影響，建立了水平井壓裂縫長(zhǎng)度、壓裂縫間距、壓裂縫導(dǎo)流能力的定量地質(zhì)設(shè)計(jì)模型，并以大牛地氣田地質(zhì)情況為例，給出了各影響因素的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可操作性強(qiáng)，具有推廣使用價(jià)值。

大牛地氣田；水平井設(shè)計(jì)；壓裂；數(shù)值模擬

1 問題的提出

鄂爾多斯盆地氣田具有“低滲透率、低壓力、低豐度、薄儲(chǔ)層、強(qiáng)非均質(zhì)性”的特征[1]。致密低滲油氣田多級(jí)壓裂水平井開發(fā)目前已成為油氣開發(fā)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。制定合理的開發(fā)政策，是致密低滲氣藏高效開發(fā)中必須研究的關(guān)鍵問題[2]。關(guān)于氣田水平井的壓裂縫優(yōu)化設(shè)計(jì)公開報(bào)道的文獻(xiàn)非常多[3-8]，但大部分僅限于壓裂縫間距和壓裂縫長(zhǎng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，關(guān)于壓裂縫位置、壓裂縫排列方式和壓裂縫導(dǎo)流能力的地質(zhì)優(yōu)化設(shè)計(jì)鮮有報(bào)道，尤其是壓裂縫的定量地質(zhì)設(shè)計(jì)方法更是少之又少。針對(duì)大牛地氣田多段壓裂水平井整體開發(fā)部署，本文應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)，進(jìn)行了多段壓裂水平井壓裂縫地質(zhì)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 壓裂縫地質(zhì)設(shè)計(jì)

2.1 單井模型

應(yīng)用Eclipse數(shù)值模擬軟件建立多段壓裂水平井單井模型網(wǎng)格步長(zhǎng)10 m×10 m，采用局部加密網(wǎng)格模擬人工壓裂縫，局部加密網(wǎng)格步長(zhǎng)2 m×10 m。模型孔隙度為9.0%，滲透率為0.5×10-3μm2，基質(zhì)相滲為大10井盒1氣層165號(hào)巖心樣品相滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果，壓裂縫相滲為裂縫理論相滲曲線，地層流體高壓物性為大13井盒1段地層流體PVT試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 壓裂縫長(zhǎng)度設(shè)計(jì)模型

結(jié)合大98井區(qū)的實(shí)際地質(zhì)及滲流特征基本數(shù)據(jù)，建立不同滲透率條件下的數(shù)值模擬概念模型，在此定義無因次壓裂縫半長(zhǎng)為壓裂縫半長(zhǎng)與井距的比值，并研究不同無因次壓裂縫半長(zhǎng)(0.05、0.10、0.15、0.20、0.25)對(duì)水平井穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度的影響，如圖1所示。

圖1 裂縫半長(zhǎng)優(yōu)化對(duì)比圖

根據(jù)某一滲透率條件下穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度與無因次壓裂縫半長(zhǎng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，采用交會(huì)法確定該滲透率條件下的最優(yōu)無因次壓裂縫半長(zhǎng)(見圖1和表1)。根據(jù)不同滲透率條件下的最優(yōu)無因次壓裂縫半長(zhǎng)數(shù)據(jù)表，擬合得到基于滲透率的無因次壓裂縫半長(zhǎng)設(shè)計(jì)模型為：

Lhf=0.184 e-0.42kR2=0.9811

因此，最優(yōu)壓裂縫長(zhǎng)度設(shè)計(jì)模型為：

Lf=0.368dwe-0.42k

2.3 壓裂縫間距設(shè)計(jì)模型

表1 不同滲透率下的最優(yōu)無因次壓裂縫半縫長(zhǎng)

研究不同壓裂縫間距(50 m、100 m、150 m、200m、300 m、400 m)對(duì)水平井產(chǎn)能的影響，如圖2所示。根據(jù)某一滲透率條件下水平井產(chǎn)能與壓裂縫間距之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，采用交會(huì)法確定該滲透率條件下的最優(yōu)裂縫間距(見圖2和表2)。根據(jù)不同滲透率條件下的最優(yōu)壓裂縫間距表，擬合得到基于滲透率的最優(yōu)壓裂縫間距設(shè)計(jì)模型為

d= 102.35 e0.52kR2=0.9928

圖2 壓裂縫間距優(yōu)化對(duì)比圖

表2 不同滲透率條件下的最優(yōu)壓裂縫間距

滲透率/10-3μm2最優(yōu)壓裂縫間距/m1．00170．6250．75153．0350．50134．8460．25115．130

2.4 壓裂縫導(dǎo)流能力設(shè)計(jì)模型

結(jié)合大98井區(qū)的實(shí)際地質(zhì)及滲流特征基本數(shù)據(jù)，建立不同滲透率條件下的數(shù)值模擬概念模型，并研究不同壓裂縫導(dǎo)流能力(5、10、20、50、75、100、150 μm2·cm)對(duì)水平井產(chǎn)能的影響，如圖3所示。根據(jù)某一滲透率條件下水平井產(chǎn)能與壓裂縫導(dǎo)流能力的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，采用交會(huì)法確定該滲透率條件下的最優(yōu)壓裂縫導(dǎo)流能力(見圖3和表3)。根據(jù)不同滲透率條件下的最優(yōu)壓裂縫導(dǎo)流能力數(shù)據(jù)表，擬合得到基于滲透率的壓裂縫導(dǎo)流能力設(shè)計(jì)模型為：

T= 35.189k0.1324R2=0.9939

2.5 壓裂縫位置設(shè)計(jì)

(1)壓裂縫應(yīng)盡量穿過含氣砂體。結(jié)合大98井區(qū)的實(shí)際地質(zhì)及滲流特征基本數(shù)據(jù)，分別建立所有壓裂縫均穿過含氣砂體和部分壓裂縫穿過含氣砂體的數(shù)值模擬模型。計(jì)算結(jié)果表明，所有壓裂縫均穿過含氣砂體時(shí)的穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度20.07%，模擬無阻流量13.74×104m3/d；部分壓裂縫穿過含氣砂體時(shí)的穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度18.82%，模擬無阻流量12.54×104m3/d。

表3 不同滲透率下的最優(yōu)壓裂縫導(dǎo)流能力

圖3 壓裂縫導(dǎo)流能力優(yōu)化對(duì)比圖

(2)當(dāng)一個(gè)砂體中僅可壓一條縫時(shí)，壓裂縫應(yīng)位于砂體中部。結(jié)合大98井區(qū)的實(shí)際地質(zhì)及滲流特征基本數(shù)據(jù)，分別建立單個(gè)裂縫在含氣單砂體中部和邊緣的數(shù)值模擬模型。計(jì)算結(jié)果表明，壓裂縫在含氣單砂體中部時(shí)的穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度19.22%、模擬無阻流量13.15×104m3/d；壓裂縫在含氣單砂體邊緣時(shí)的穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度18.19%，模擬無阻流12.01×104m3/d。

(3)當(dāng)一個(gè)含氣砂體可壓裂多條縫時(shí)，壓裂縫在該含氣砂體中應(yīng)均勻分布，并且靠近砂體邊緣的壓裂縫與砂體邊緣的距離，應(yīng)控制在最優(yōu)裂縫間距的一半左右。結(jié)合大98井區(qū)的實(shí)際地質(zhì)及滲流特征基本數(shù)據(jù)，分別建立單個(gè)含氣砂體中壓裂縫均勻分布和非均勻分布不同位置模式下的數(shù)值模擬模型。

計(jì)算結(jié)果表明，壓裂縫在含氣單砂體中均勻分布時(shí)的穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度19.93%，模擬無阻流量13.67×104m3/d；壓裂縫在含氣單砂體中非均勻分布時(shí)的穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度19.38%，模擬無阻流量13.16×104m3/d。兩種情況對(duì)比，單砂體可以壓裂多條縫時(shí)，壓裂縫在含氣單砂體中應(yīng)等間距均勻分布，壓裂縫之間的距離根據(jù)最優(yōu)壓裂縫間距設(shè)計(jì)模型確定，并且靠近砂體邊緣的壓裂縫與砂體邊緣之間的距離不能太小，應(yīng)控制在最優(yōu)裂縫間距的一半左右，用以增大有效的供氣面積。

2.6 壓裂縫排列方式設(shè)計(jì)

當(dāng)同一砂體中有兩口以上水平井時(shí)，為了優(yōu)化相鄰兩水平井的壓裂縫排列方式，建立裂縫交錯(cuò)排列與正對(duì)排列兩種情況的數(shù)值模擬模型。在兩個(gè)模型中，儲(chǔ)層滲透率取0.32×10-3μm2，壓裂縫間距根據(jù)設(shè)計(jì)模型確定為120.9 m，壓裂縫長(zhǎng)用設(shè)計(jì)模型確定為321.7 m，壓裂縫導(dǎo)流能力由設(shè)計(jì)模型確定為30.3 μm2·cm。

計(jì)算結(jié)果表明，壓裂縫交錯(cuò)排列時(shí)的穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度16.24%，模擬無阻流量22.57×104m3/d；壓裂縫正對(duì)排列時(shí)的穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度16.21%，模擬無阻流量22.20×104m3/d。兩種方式結(jié)果對(duì)比，壓裂縫采用交錯(cuò)排列方式效果較好。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)根據(jù)本文得到的設(shè)計(jì)模型，結(jié)合水平井所在位置處的實(shí)際物性參數(shù)，可以具體確定壓裂縫間距、壓裂縫長(zhǎng)度、壓裂縫導(dǎo)流能力、壓裂縫位置和壓裂縫排列方式。

(2)壓裂縫應(yīng)盡量穿過含氣砂體；當(dāng)一個(gè)含氣砂體僅可壓裂一條縫時(shí)，壓裂縫的位置應(yīng)位于含氣砂體的中部；當(dāng)一個(gè)含氣砂體可壓裂多條縫時(shí)，壓裂縫在該含氣砂體中應(yīng)均勻分布，并且靠近砂體邊緣的壓裂縫與砂體邊緣的距離應(yīng)控制在最優(yōu)裂縫間距的一半左右。

(3)當(dāng)一個(gè)含氣砂體中存在兩口以上水平井時(shí)，相鄰兩水平井之間的壓裂縫應(yīng)交錯(cuò)排列。

符號(hào)說明

Lhf——無因次壓裂縫半長(zhǎng)，無量綱；Lf——壓裂縫長(zhǎng)度，m；d——壓裂縫間距，m；T——為壓裂縫導(dǎo)流能力，μm2·cm；k——儲(chǔ)層滲透率，10-3μm2；dw——相鄰水平井之間的井距，m。

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編輯：李金華

1673-8217(2015)01-0089-03

2014-07-31

任廣磊，工程師，碩士，1985年生，2012年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)油氣田開發(fā)專業(yè)，現(xiàn)從事油氣田開發(fā)研究工作。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“鄂爾多斯盆地大牛地致密低滲氣田開發(fā)示范工程”(2011ZX05045) 。

TE357

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