水力壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化研究

馬云貴

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065）

水力壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化研究

馬云貴

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065）

水力壓裂是油氣增產(chǎn)的重要措施，而壓裂裂縫的長度、裂縫導(dǎo)流能力等參數(shù)對(duì)壓裂井的產(chǎn)能有很大影響，因此優(yōu)化水力壓裂裂縫參數(shù)很有必要。本文通過討論水力裂縫參數(shù)對(duì)產(chǎn)能的影響，并分析水力壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化的方法，對(duì)比各方法的優(yōu)缺點(diǎn)得出，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本和效益，運(yùn)用水電相似原理，結(jié)合數(shù)值模擬方法以及凈現(xiàn)值法（NPV）進(jìn)行裂縫參數(shù)優(yōu)化，最后得出最佳裂縫長度、最佳裂縫導(dǎo)流能力等參數(shù)。

水力壓裂；裂縫；參數(shù)優(yōu)化

水力壓裂對(duì)低滲透油氣田增產(chǎn)具有重要意義。正確認(rèn)識(shí)水力壓裂裂縫的特征，可將水力裂縫的作用最大化，這對(duì)于提高低滲透油田的產(chǎn)能有戰(zhàn)略性的意義[1-4]。本文主要討論裂縫長度、裂縫導(dǎo)流能力及其他裂縫參數(shù)對(duì)壓裂井產(chǎn)能的影響，并分析水力壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化的方法，對(duì)比各方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為低滲透油田壓裂開發(fā)設(shè)計(jì)提供寶貴意見。

1 裂縫參數(shù)對(duì)產(chǎn)能的影響

1.1 裂縫長度

研究表明，壓裂井的產(chǎn)能并不是隨裂縫長度的增加而線性增大。若裂縫長度過大，會(huì)在地層中形成高滲通道，影響注水波及面積，造成油井過早水淹等問題，不利于生產(chǎn)。通過建立無因次生產(chǎn)指數(shù)與無因次裂縫導(dǎo)流能力、裂縫長度三者之間的關(guān)系式[5-8]，得出，存在一個(gè)最佳裂縫長度，使得壓裂井的產(chǎn)能最優(yōu)。在整體壓裂中，裂縫長度需要和井網(wǎng)相匹配，避免裂縫過長而導(dǎo)致油井過早水淹。

1.2 裂縫導(dǎo)流能力

裂縫導(dǎo)流能力的主要影響因素為裂縫寬度及裂縫滲透率。研究表明壓裂井的產(chǎn)量隨著壓裂裂縫導(dǎo)流能力的增大而增加，但增長速度逐漸減慢，考慮經(jīng)濟(jì)成本和效益，存在最佳的無因次裂縫導(dǎo)流能力。另外，裂縫導(dǎo)流能力的時(shí)效性對(duì)產(chǎn)能影響較大，在壓裂后生產(chǎn)早期，裂縫導(dǎo)流能力隨時(shí)間的推移迅速下降，產(chǎn)能也不斷的快速降低；而在壓裂后生產(chǎn)后期，裂縫導(dǎo)流能力趨于不變，產(chǎn)能下降速度變慢。

1.3 其他裂縫參數(shù)

在水力壓裂過程中,裂縫會(huì)沿著與裂縫走向垂直的方向上擴(kuò)展延伸,當(dāng)縫高過大時(shí)，裂縫有可能會(huì)進(jìn)入隔層，會(huì)影響水力壓裂效果，而且當(dāng)裂縫延伸進(jìn)入鄰近含水層時(shí)，會(huì)導(dǎo)致油井見水，含水率升高，當(dāng)油藏有氣頂時(shí)，引氣入井的隱患需要考慮。裂縫條數(shù)和裂縫方位也是影響壓裂井產(chǎn)能的因素，相比于單一的水平縫或者垂直縫，復(fù)雜的縫網(wǎng)能夠極大地提高儲(chǔ)層滲透率，從而提高產(chǎn)能。

2 水力壓裂縫參數(shù)優(yōu)化方法

目前水力壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化的方法以解析法和數(shù)值模擬法為主。

2.1 解析法

2.1.1 無因次支撐指數(shù)法 R.Oligeny等定義支撐劑指數(shù)的概念為：

式中：Np－支撐劑指數(shù)；Kf－裂縫滲透率；K－基質(zhì)滲透率；Vp－支撐劑體積；Vres－氣藏體積；IX－穿透比；xf－裂縫單翼縫長；xe－氣藏邊長；CfD－無因次裂縫導(dǎo)流能力；wp－裂縫平均寬度。

該方法忽略了裂縫導(dǎo)流能力隨時(shí)間會(huì)發(fā)生變化、壓后裂縫有效滲透率變化等情況，因此，應(yīng)用支撐劑指數(shù)法，需要結(jié)合壓裂后裂縫有效滲透率和裂縫導(dǎo)流能力隨時(shí)間的變化關(guān)系式，得到與生產(chǎn)實(shí)際相匹配的最優(yōu)裂縫參數(shù)。

2.1.2 水電相似原理 水電相似原理是根據(jù)滲流場(chǎng)與電場(chǎng)的形狀以及分布類似的特點(diǎn)，在相似的邊界條件下能夠得到相似的解，具體的相似系數(shù)如下。

各相似系數(shù)之間應(yīng)滿足：CQ=CLCρCp

上述各式中，X，Y，Z-油藏中的長度；x，y，z-電流場(chǎng)中的長度；k-滲透率；μ-黏度；ρ-電導(dǎo)率；Δp-壓差；ΔU-電壓差；v-滲流速度；i-電流密度；Q-流體流量；I-電流。

利用相似系數(shù)，由電流密度的大小來模擬裂縫的有效滲透率，由電流場(chǎng)中的導(dǎo)體模擬裂縫參數(shù)，建立滲流場(chǎng)與電場(chǎng)的解析關(guān)系式，得到裂縫參數(shù)的變化對(duì)產(chǎn)能的影響，最終得到最優(yōu)裂縫參數(shù)的解析解。

2.2 數(shù)值模擬法

運(yùn)用數(shù)值模擬法對(duì)水力壓裂裂縫參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，首先通過達(dá)西滲流定律和物質(zhì)平衡原理，根據(jù)油藏特征和水力裂縫的滲流特征，建立油藏與裂縫的物理模型和數(shù)學(xué)模型來模擬壓后油藏的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，由于壓裂井產(chǎn)量和注入量的變化規(guī)律即為裂縫導(dǎo)流能力的變化規(guī)律，可建立產(chǎn)量、注入量等油藏生產(chǎn)動(dòng)態(tài)參數(shù)與水力壓裂裂縫參數(shù)的關(guān)系，達(dá)到優(yōu)化水力壓裂裂縫參數(shù)的目的。

目前最常用的二維裂縫模型主要有PKN、KGD和Penny模型。二維的裂縫模型的特點(diǎn)為理論成熟、輸入?yún)?shù)較少、計(jì)算方便，但其裂縫高度一定的假定并不符合實(shí)際情況。在此基礎(chǔ)上提出了三維裂縫模型，三維裂縫模型能更接近描述實(shí)際油藏中的裂縫滲流特點(diǎn)。

考慮儲(chǔ)層非均質(zhì)性、天然裂縫發(fā)育情況、氣體的非達(dá)西滲流等情況，得到適合于實(shí)際油藏的裂縫模型對(duì)于裂縫參數(shù)優(yōu)化具有重要意義。

除解析法和數(shù)值模擬法外，凈現(xiàn)值法（NPV）也可運(yùn)用到裂縫參數(shù)優(yōu)化中。壓裂要獲得收益，壓裂后所增加的收益要大于壓裂成本費(fèi)用，采用凈現(xiàn)值法，建立裂縫參數(shù)優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)模型，得到最經(jīng)濟(jì)的與儲(chǔ)層相匹配的裂縫參數(shù)。

3 結(jié)語

水力壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化方法主要有解析法和數(shù)值模擬法，由于地層的非均質(zhì)性，水力壓裂裂縫非常復(fù)雜，單依靠解析法和數(shù)值模擬法不能完全解決油田生產(chǎn)問題。在解析法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用水電相似原理，結(jié)合數(shù)值模擬方法以及凈現(xiàn)值法（NPV），多種方法相結(jié)合進(jìn)行水力壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化，以達(dá)到油田生產(chǎn)要求。

［1］孫元偉，程遠(yuǎn)方，張礦生，等.考慮非達(dá)西效應(yīng)的致密氣藏裂縫參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.石油鉆探技術(shù)，2014，42（6）：87-91.

［2］曲占慶，黃德勝，李小龍，胡凌艷，李楊，付瑋，張偉.低滲氣藏壓裂水平井裂縫參數(shù)優(yōu)化研究與應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2014，21（4）：486-491.

［3］楊志剛，尹志福，張世君，魏彥林.污泥回流提高低濁度采油污水絮凝效果研究［J］.工業(yè)水處理，2014，34（5）：63-65.

［4］呂鐵，陸紅軍，王文雄.超低滲透油田L(fēng)井區(qū)整體壓裂參數(shù)優(yōu)化［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2013，31（13）：9327-9330.

［5］馬新仿.水力壓裂參數(shù)優(yōu)化的解析方法［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，35（1）：102-105.

［6］李林地，張士誠，馬新仿，韓秀玲.氣井壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2008，（5）：105-107+118.

［7］謝麗沙，胡勇，何逸凡，汪全林，張弛.考慮裂縫導(dǎo)流能力時(shí)效的海上壓裂井產(chǎn)能研究［J］.天然氣與石油，2016，34（5）：50-55+59.

［8］茍波，郭建春.基于精細(xì)地質(zhì)模型的大型壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2013，34（6）：809-815.

Study on optimization of fracture parameters in hydraulic fracturing

MA Yungui
（College of Petroleum Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China）

Hydraulic fracturing is an important measure for oil and gas production,and the parameters such as the length of crack and the ability of crack diversion in hydraulic fracturing are important parameters that affect the productivity of fracturing wells.Therefore,it is necessary to optimize the parameters of hydraulic fracturing.In this paper,by discussing the influence of hydraulic fracture parameters on the production capacity and analyzing the means of crack parameters optimization in hydraulic fracturing,the advantages and disadvantages of each method are compared,considering the economic cost and benefit,using the similarity principle of hydropower,combined with net present value （NPV）,to optimize the crack parameters to obtain the optimal crack length,cracks diversion capability and other parameters.

hydraulic fracturing；cracks；parameter optimization

TE357.11

A

1673-5285（2017）10-0094-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.024

2017－09-29

馬云貴，男（1992-），陜西延安人，碩士研究生，主要從事油氣田開發(fā)方面的研究工作，郵箱：1123916981@qq.com。