水平井分段壓裂產(chǎn)能電模擬實驗方法

劉長印，李鳳霞，孫志宇，黃志文

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 中國石油化工集團公司海相油氣藏開發(fā)重點實驗室，北京 100083)

水平井分段壓裂產(chǎn)能電模擬實驗方法

劉長印，李鳳霞，孫志宇，黃志文

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 中國石油化工集團公司海相油氣藏開發(fā)重點實驗室，北京 100083)

為了對水平井分段壓裂產(chǎn)能影響因素進行模擬，研究了一種水平井分段壓裂產(chǎn)能電模擬實驗方法。首先，根據(jù)水平井分段壓裂后的實際地層情況，模仿研制了一套三維電場模擬裝置；然后，根據(jù)要模擬的砂體展布特征、油氣藏的流動邊界類型、水平井在砂體中的井眼軌跡、地層滲透率及地層厚度等，設(shè)置電模擬的電解液和電解池尺寸等，根據(jù)水平井長度、裂縫高度、裂縫長度、壓裂段數(shù)、裂縫條數(shù)和縫間距等，設(shè)置模擬井筒及裂縫；最后，通過采集電流信號，以確定產(chǎn)能的大小。利用該實驗方法分別開展了針對某河流相沉積砂體的水平井壓裂裂縫形態(tài)及位置優(yōu)化模擬、裂縫條數(shù)及間距優(yōu)化模擬和不同地層厚度對比模擬實驗，優(yōu)化出的結(jié)論及參數(shù)為現(xiàn)場實施提供了技術(shù)支持。這種電模擬實驗方法能夠精確模擬水平井壓裂完井的各項參數(shù)對產(chǎn)能的影響，對水平井壓裂完井設(shè)計具有一定指導(dǎo)意義。

電模擬；產(chǎn)能；分段壓裂；水平井

進入21世紀以來，水平井分段壓裂技術(shù)的成功應(yīng)用，使美國頁巖油氣產(chǎn)量大幅上升。目前，“水平井+分段壓裂”已經(jīng)成為國內(nèi)外非常規(guī)油氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。當前的水平井產(chǎn)能預(yù)測主要是理論解析計算方法和數(shù)值模擬方法，計算水平井產(chǎn)能或者水平井壓裂產(chǎn)能的理論公式所需參數(shù)多且計算量大[1-4]。而在應(yīng)用水-電相似原理開展電場模擬實驗方面，眾多學(xué)者目前已開展了多項技術(shù)研究和試驗[5-8]，如電場模擬方法研究注采井網(wǎng)、電場模擬方法研究垂直井的壓后產(chǎn)能及電場模擬方法研究水平井壓裂產(chǎn)能等，也有一些相關(guān)的電場模擬實驗裝置。但這些研究有一定的局限性，主要表現(xiàn)為：①只開展二維的平面模擬，沒有開展三維空間中的水平井完井方式對生產(chǎn)的影響模擬；②數(shù)據(jù)采集方法簡單，無法實現(xiàn)自動采集，實驗數(shù)據(jù)測試的工作量大；③無法深入探索水平井井筒三維壓力場分布，對現(xiàn)場應(yīng)用指導(dǎo)作用有限。通過電模擬實驗可以快速地模擬水平井產(chǎn)能，以及模擬水平井井筒周圍的壓力場分布情況，同時可用電流密度比表示水平井壓裂產(chǎn)能的大小，為預(yù)測水平井壓裂產(chǎn)能研究提供了一種新方法和對比依據(jù)。

本文研究了一種水平井分段壓裂產(chǎn)能電模擬實驗方法。這種方法能夠精確模擬水平井壓裂完井的各項參數(shù)對產(chǎn)能的影響，從而提高水平井完井設(shè)計與施工的效率。

1 工作原理及裝置特點

1.1 工作原理

電場與滲流場具有很好的相似性，它們都符合拉普拉斯方程[公式(1)和式(2)]。水平井分段壓裂產(chǎn)能電模擬實驗方法能夠?qū)崿F(xiàn)對實際水平井壓裂完井參數(shù)的有效模擬。

電流場拉普拉斯方程:

(1)

滲流場拉普拉斯方程:

(2)

式中：U為電壓，V；p為地層壓力，MPa。

通過電流大小能夠反映出地層壓裂后產(chǎn)能大小，從而能夠研究實際作業(yè)環(huán)境下的各個參數(shù)對壓裂后產(chǎn)能的影響，確定各個參數(shù)的最優(yōu)值。

在實際操作時，可通過改變電解質(zhì)溶液的高度和濃度，模擬地層厚度和滲透率對產(chǎn)能的影響，通過改變銅網(wǎng)片與金屬管之間的夾角、銅網(wǎng)片的高度和長度、銅網(wǎng)片之間的距離及銅網(wǎng)片的數(shù)量等，模擬不同裂縫布置方式和不同裂縫參數(shù)對產(chǎn)能的影響，從而優(yōu)選合理參數(shù)值；另外，還可以通過改變電壓值，模擬不同地層壓力對產(chǎn)能的影響。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該方法的優(yōu)點在于，可改變電解池兩側(cè)的導(dǎo)電金屬網(wǎng)之間的電壓值、電解液高度值、壓裂縫間距值、壓裂縫長度值和壓裂縫寬度值中的任一項參數(shù)，通過采集電流信號，獲取該項參數(shù)的最優(yōu)值，從而為水平井完井設(shè)計與施工過程中的這些參數(shù)的設(shè)計提供參考。

1.2 裝置構(gòu)成及特點

水平井開采三維電場模擬實驗裝置主要包括實驗液罐系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、電信號測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)記錄及處理系統(tǒng)。各個系統(tǒng)所含裝置包括：①長方形電解池(長1.5 m，寬0.75 m，高0.5 m)；②電信號測量裝置，電壓測量精度為0.005 V，電流測量精度為0.005 A；③絲杠定位和位移傳感器系統(tǒng)，定位測量精度為1 mm；④直流穩(wěn)壓電源；⑤循環(huán)泵；⑥廢液處理罐；⑦數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；⑧152.4 mm鋁塑管及管閥件等組成井筒模擬裝置；⑨由20目的銅網(wǎng)片組成的裂縫模擬裝置。

本裝置申請了《一種水平井開采三維點模擬實驗裝置》實用新型專利，專利號為ZL 2011 2 0266884.7。

其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由測點位置控制、儀器控制柜、數(shù)顯表(電流、電壓、位移)、連接導(dǎo)線、計算機接口卡、串行接口以及計算機等部分組成。

圖1為長方形電解池的俯視圖。根據(jù)實驗需要，該裝置具有如下特點：①電解池側(cè)面采用有機玻璃制作，透明；②具有良好的塑性，盛滿液體后不發(fā)生形變；③具有一定強度，偶爾被硬物撞擊而不易碎；④電解池上方無封口，但對側(cè)面各邊角作安全處理；⑤電解池內(nèi)在縱向上對角安裝測量液面的標尺，精度為1 mm；⑥電解池內(nèi)裝有安裝井筒模擬的滑軌和固定裝置，可在任意位置鎖定，滑軌外部對應(yīng)位置有刻度尺，可知道鎖定的位置；⑦電解池內(nèi)長方形縱向兩個面裝有導(dǎo)電網(wǎng)；⑧導(dǎo)電網(wǎng)采用目數(shù)很小的導(dǎo)電銅網(wǎng)，確保透明度30%；⑨電解池外部接循環(huán)泵，以方便液體循環(huán)流動；⑩電解池與下柜采用可卸式固定，方便設(shè)備搬運。

圖2為電場模擬定位和數(shù)據(jù)采集裝置結(jié)構(gòu)圖。該設(shè)計包括以下幾個特點：①定位裝置主要是對測點探針的定位，能夠使得探針在電解池中立體空間移動并記錄位置和電壓；②能夠分別實現(xiàn)自動操作和手動操作，手動和自動有轉(zhuǎn)換機構(gòu)；③極限位置設(shè)計有行程控制開關(guān)，起限位和保護作用；④定位裝置整體不與電解池接觸，但其位置固定裝置精確配合電解池的位置；⑤具有一根測試探針，但可以升級為5根測試探針。

其中，電解池為上方敞口的長方形缸體，在電解池上開有進口和出口，進口和出口均與循環(huán)泵連接，通過循環(huán)泵的作用使電解池內(nèi)的液體循環(huán)流動；在電解池長度方向的兩個側(cè)面的內(nèi)表面上裝有導(dǎo)電網(wǎng)。電信號測試系統(tǒng)包括探針和探針定位機構(gòu)；在探針定位機構(gòu)>上固定有至少一根探針，探針定位機構(gòu)包括三維導(dǎo)軌和位移傳感器，三維導(dǎo)軌包括X向?qū)к?、Y向?qū)к壓蚙向?qū)к?，探針通過三維導(dǎo)軌在三維空間內(nèi)移動。在電解池的兩寬度方向側(cè)面的內(nèi)表面上均固定有鉛垂的滑軌，兩個滑軌相對設(shè)置，并分別位于兩個寬度方向側(cè)面的中間位置。模擬井筒的兩端分別安裝在兩根滑軌的滑槽內(nèi)，模擬井筒水平安裝或與水平線成角度安裝，模擬井筒可以沿滑軌上下移動，并可在任意位置進行鎖定。

圖1 電場模擬電解池裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagram showing structure of electrolytic cell device for electric field simulation

圖2 電場模擬定位和數(shù)據(jù)采集裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Diagrams showing the structure of device for positioning and data acquisition of electric field simulation

本裝置和現(xiàn)有同類裝置相比可開展的實驗研究項目更多，體現(xiàn)在以下7個方面：

1) 通過改換不同的井筒物理模型，能夠模擬包括裸眼完井、篩管完井、射孔完井和水力壓裂等不同的水平井完井方式情況下井筒周圍的靜態(tài)壓力場和滲流場；

2) 通過改變分段壓裂井筒模型，可以模擬不同裂縫條數(shù)、裂縫尺寸、裂縫形態(tài)和裂縫夾角情況下井筒周圍的靜態(tài)壓力場和滲流場，進而模擬壓裂后的產(chǎn)能；

3) 通過改變電解質(zhì)溶液的電阻率，模擬不同地層滲透率對上述各種水平井完井方式下的產(chǎn)能影響；

4) 通過改變電解質(zhì)溶液的液面高度，能夠模擬不同儲層厚度下的上述各種情況；

5) 通過改變外部電場電壓，能夠模擬不同能量供給時的上述各種情況；

6) 通過加入導(dǎo)電纖維，可以模擬微裂縫發(fā)育地層時的上述各種情況；

7) 改變水平井和導(dǎo)電網(wǎng)的電極，可以實現(xiàn)水平井注水的各種模擬。

2 實驗方法及步驟

在水平井完井施工過程中，有可能影響水平井分段壓裂后產(chǎn)能的參數(shù)包括：地層厚度、地層滲透性、地層壓力、壓裂縫長度、壓裂縫高度、壓裂縫間距、壓裂縫條數(shù)、水平井數(shù)、井筒長度、裂縫與井筒的夾角以及上述參數(shù)之間的相互組合[9-13]。

下面將詳細地描述電模擬實驗方法的各個步驟。

1) 步驟1：根據(jù)要模擬的砂體展布特征及油氣藏的流動邊界類型，布置電解池對應(yīng)兩側(cè)的導(dǎo)電金屬網(wǎng)。以設(shè)計方形的電解池為例，如果油氣藏僅在一個方向為流動性邊界，則僅在電解池一組對應(yīng)側(cè)設(shè)置導(dǎo)電金屬網(wǎng)來模擬。根據(jù)地層滲透性配制相應(yīng)濃度的電解質(zhì)溶液，例如可以采用鹽水或者硫酸銅溶液。根據(jù)地層厚度值確定電解質(zhì)溶液在電解池中的高度，根據(jù)水平井在砂體中的位置設(shè)置金屬管在電解質(zhì)溶液中的對應(yīng)位置。

2) 步驟2：根據(jù)水平井筒長度、裂縫的高度、裂縫的長度、壓裂段數(shù)、裂縫條數(shù)和縫間距，確定金屬管和銅網(wǎng)片的尺寸以及相對位置，如圖3所示。

3) 步驟3：接通電源，以在導(dǎo)電金屬網(wǎng)之間形成電壓值。

4) 步驟4：采集電流信號，以模擬產(chǎn)能的大小。

由此，能夠精確模擬水平井壓裂完井的各項參數(shù)對產(chǎn)能的影響，并且能夠根據(jù)實際作業(yè)情況得到各項參數(shù)的合理值。

具體研究過程中，可以改變步驟1中電解質(zhì)溶液的高度，以研究地層厚度值對產(chǎn)能的影響,由此能夠模擬不同的地層厚度值；也可以改變電解質(zhì)溶液的濃度值，以研究地層滲透性對產(chǎn)能的影響，由此能夠模擬不同地層滲透率對水平井產(chǎn)能的影響。

按圖3所示，可以改變銅網(wǎng)片與金屬管之間的夾角，以確定裂縫與水平井筒之間夾角對產(chǎn)能的影響，由此能夠確定裂縫與井筒之間夾角的最優(yōu)值；可以改變步驟2中銅網(wǎng)片的高度和長度，以確定裂縫高度和裂縫長度對產(chǎn)能的影響，由此能夠優(yōu)選裂縫高度和裂縫長度的合理值；還可以改變銅網(wǎng)片間的距離，以確定縫間距對產(chǎn)能的影響，從而優(yōu)選合理縫間距。

另外，也可以改變銅網(wǎng)片的數(shù)量，以確定裂縫條數(shù)對產(chǎn)能的影響，從而優(yōu)選合理裂縫條數(shù)。

進一步地，還可以改變電壓值，以確定地層壓力對產(chǎn)能的影響，從而能夠模擬不同地層壓力。

3 實例分析

以某河流相沉積砂體為研究對象[14-16]，平行于井筒方向為定壓邊界，垂直于井筒方向為封閉邊界，即水平井井筒的方向垂直于封閉邊界。具體參數(shù)設(shè)置和模擬結(jié)果如下。

3.1 實驗一：裂縫形態(tài)及位置對比模擬實驗(圖3)

實驗條件：

2) 銅網(wǎng)片長度20 cm和40 cm各兩片，模擬裂縫長度200 m和400 m；

圖3 水平井井筒與不同尺寸裂縫相對位置關(guān)系示意圖Fig.3 Diagram showing relative position of horizontal well to fractures with different sizes

3) 銅網(wǎng)片4片，模擬壓裂裂縫條數(shù)4條；

4) 銅網(wǎng)片間距25 cm，模擬裂縫間距250 m；

5) 銅網(wǎng)片寬度5 cm，模擬裂縫高度50 m；

6) 銅網(wǎng)片與金屬管夾角90°和45°，模擬裂縫與井筒夾角90°(圖3a)和45°(圖3b)；

7) 電解液厚度30 cm，模擬地層厚度30 m；

8) 電壓1.38 V；

取一定量紅土鎳礦與硫酸銨混合焙燒，焙燒后的熟料在一定條件下進行水溶出，鐵溶出率的計算方法為：以在溶出溫度60 ℃、溶出時間90 min、液固比(水紅土鎳礦)51、攪拌強度400 r·min-1的條件下溶出的鐵的量作為基準，計算在其他條件下鐵的溶出率。試驗包括單因素試驗、正交試驗和動力學(xué)試驗。

9) 體積濃度0.1%鹽水。

4條裂縫對比實驗分別為：①兩片長度較長的銅網(wǎng)片位于金屬管的兩端，兩片長度較短的銅網(wǎng)片位于金屬管的中間部位，銅網(wǎng)片均垂直于金屬管，即裂縫垂直于井筒(圖3a)；②兩片長度較長的銅網(wǎng)片位于金屬管的兩端，兩片長度較短的銅網(wǎng)片位于金屬管的中間部位，銅網(wǎng)片與金屬管夾角45°，即裂縫與井筒的夾角為45°(圖3b)；③兩片長度較短的銅網(wǎng)片位于金屬管的兩端，兩片長度較長的銅網(wǎng)片位于金屬管的中間部位，銅網(wǎng)片均垂直于金屬管(圖3c)；④4片銅網(wǎng)片(包括兩片長度較短的銅網(wǎng)片和兩片長度較長的銅網(wǎng)片)均平行于金屬管，即4條裂縫均平行于井筒(圖3d)。

4種情況實驗結(jié)果為：4組實驗對應(yīng)的電流分別為0.032，0.014 4，0.028和0.02A，說明在多裂縫存在的情況下，長度較長的裂縫在井筒兩端比在井筒的中間部位時輸出的電流較大，也就是產(chǎn)量高；而裂縫與井筒夾角為45°時產(chǎn)量最?。坏谒慕M實驗的結(jié)果顯示平行于井筒的裂縫對產(chǎn)能的影響介于垂直于井筒的裂縫和與井筒呈45°的裂縫之間。

3.2 實驗二：裂縫條數(shù)及間距優(yōu)化實驗

實驗條件：

1) 金屬管管長140 cm，模擬水平井筒1 400 m；

2) 銅網(wǎng)片4～11片，模擬壓裂段數(shù)4～11段；

3) 銅網(wǎng)片長度40 cm，模擬裂縫長度400 m；

4) 銅網(wǎng)片間距11.7～28 cm，模擬裂縫間距117～280 m；

5) 銅網(wǎng)片寬度7 cm，模擬裂縫高度70 m；

6) 電解質(zhì)溶液高度30 cm，模擬地層厚度30 m；

7) 電壓3.25 V，4.18 V；

8) 體積濃度0.1%鹽水。

通過設(shè)定電壓3.25 V和4.18 V，開展兩組對比實驗，分別測試4～11條裂縫時的電流(圖4)。兩個電壓條件都反映出裂縫條數(shù)達到9條后，電流增加幅度變緩，即在上述實驗條件下，9條裂縫是比較合理的。應(yīng)用到實際地層情況為，水平井井筒為1400m的情況下，裂縫條數(shù)9條，裂縫間距140 m為最佳。

圖4 不同電壓、不同裂縫條數(shù)實驗?zāi)M結(jié)果Fig.4 Results of experimental simulation for different voltage and fracture number

表1 不同電解質(zhì)溶液高度實驗?zāi)M結(jié)果對比

Table 1 Comparison of experimental simulation results for different height of electrolyte

電解質(zhì)溶液高度/cm300250200電流/A0 630 560 48

3.3 實驗三：地層厚度影響實驗

采用實驗一的實驗條件，改變電解質(zhì)溶液的高度，對應(yīng)地層厚度(表1)，觀察實驗電流變化情況。從表1可以看出，隨著電解質(zhì)溶液高度的減小，輸出電流減小,說明地層厚度是影響產(chǎn)能效果的一個關(guān)鍵因素。

4 結(jié)論

1) 水平井分段壓裂產(chǎn)能電模擬實驗方法能夠模擬不同的水平井完井方式情況下井筒周圍的靜態(tài)壓力場和流量。

2) 利用電模擬裝置可以模擬水平井不同裂縫條數(shù)、裂縫尺寸、裂縫形態(tài)和裂縫夾角等對產(chǎn)能的影響，進而優(yōu)選相關(guān)參數(shù)。

3) 利用電模擬裝置可模擬不同地層厚度、滲透率、微裂縫發(fā)育及非均質(zhì)性等對水平井完井方式下的產(chǎn)能影響，對水平井完井壓裂設(shè)計具有一定指導(dǎo)意義。

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(編輯 李 軍)

Electric simulation experiment procedure for predicting productivity of multi-stage fractured horizontal wells

Liu Changyin,Li Fengxia,Sun Zhiyu,Huang Zhiwen

(KeyLaboratoryofMarineOil&GasReservoirsDevelopment,Exploration&ProductionResearchInstitute,SINOPEC,Beijing100083,China)

An electric simulation experiment procedure for predicting productivity of multi-stage fractured horizontal wells was proposed in the paper.Firstly,we developed a 3D electric field simulator based on the actual situation of reservoirs after a multi-stage fracturing in a horizontal well.Secondly,we set up parameters for an electrolyte and an electrolytic cell based on sandbody distributions,flow boundary types of reservoirs,well bore trajectory in sandbodies,permeability and thickness of reservoirs and etc.We then input parameters of simulated wellbores and fractures in accordance to the length of a lateral,height and length of fractures,numbers of stages,numbers of fractures,spacing between fractures and so on.Finally,we gathered electronic signals to predict the productivity.The procedure was applied to a fluvial sandbody to optimize geometry and placement as well as numbers and spacing of fractures in laterals based on comparative simulation experiments in reservoirs of different thickness.The results provided technological support to field operation.The procedure with its accurate simulation of the influence of fracturing parameters upon productivity of wells may be used as gui-dance for the design of horizontal well fracturing and completion.

electric simulation,productivity,staged fracturing,horizontal well

2016-02-26;

2017-02-15。

劉長印(1965—)，男，高級工程師，試油測試、壓裂。E-mail:liucy.syky@sinopec.com。

國家科技重大專項(2016ZX05002-005)。

0253-9985(2017)02-0385-06

10.11743/ogg20170219

TE357

A