薄窄河道低滲致密砂巖氣藏壓裂水平井裂縫參數(shù)優(yōu)化

楊宇鵬

（中國(guó)石化西南油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，四川成都 610041）

我國(guó)低滲致密砂巖氣藏儲(chǔ)量豐富，但儲(chǔ)量品質(zhì)低、儲(chǔ)層滲流能力差，多采用壓裂水平井才能有效開(kāi)發(fā)[1，2]。通過(guò)對(duì)水平井進(jìn)行分段壓裂形成多條人工裂縫，可有效溝通遠(yuǎn)井帶儲(chǔ)量，提高儲(chǔ)層滲流能力，從而達(dá)到增大單井控制儲(chǔ)量、提高氣井產(chǎn)能、改善開(kāi)發(fā)效果的目的[3，4]。因此，裂縫參數(shù)是否合理直接決定壓裂水平井的開(kāi)發(fā)效果[5]。目前主要采用解析法[6-8]和數(shù)值模擬[9-14]兩種方法對(duì)裂縫參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其中數(shù)值模擬方法可全面考慮氣藏地質(zhì)特征及儲(chǔ)層非均質(zhì)性等對(duì)裂縫參數(shù)的影響，分析結(jié)果更為可靠。

ZJ氣田沙溪廟組氣藏屬于典型的窄河道砂巖氣藏[15]，主要采用水平井結(jié)合分段壓裂技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。但由于氣藏地質(zhì)條件復(fù)雜、河道類型多樣、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、含氣性差異大，裂縫參數(shù)優(yōu)化難度大。為此，本文在綜合分析該區(qū)主力河道地質(zhì)特征、儲(chǔ)層物性、孔隙結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)上，劃分了河道類型，并篩選了6條典型河道用于開(kāi)展裂縫參數(shù)優(yōu)化研究。利用數(shù)值模擬方法確定了不同河道最優(yōu)的裂縫參數(shù)，并建立了河道地質(zhì)特征與最優(yōu)裂縫參數(shù)間的關(guān)系式，從而有效預(yù)測(cè)不同河道中的最優(yōu)裂縫參數(shù)。

1 氣藏概況

ZJ氣田位于四川盆地川西坳陷東坡，主要含氣層系為侏羅系沙溪廟組（JS）地層，縱向上可分為沙一（JS1）、沙二（JS2）、沙三（JS3）3 個(gè)氣藏，共發(fā)育有 12 套砂層組，埋深1 386.12 m～2 977.52 m，單砂體厚度4 m～39 m。沙溪廟組以三角洲平原-前緣分流河道沉積為主，砂體總體呈北東-南西向展布，縱向上發(fā)育多期次河道，平面上以條帶狀展布，沿河道方向砂體連續(xù)性較好，垂直河道方向呈透鏡狀。儲(chǔ)層巖石以中、細(xì)粒巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖為主，顆粒分選性差，膠結(jié)物發(fā)育。巖石中孔喉狹小、微觀非均質(zhì)性強(qiáng)，隙徑主要分布在 20 μm～200 μm 范圍，平均孔徑 50 μm 左右，連通喉道多小于0.5 μm，孔喉以小孔～微細(xì)喉、細(xì)孔～微喉的組合最為常見(jiàn)。巖石孔隙度0.90%～15.33%，平均為8.66%；滲透率在0.01 mD～1.75 mD，平均0.21 mD，屬于低孔、低滲致密砂巖氣藏。氣藏原始?jí)毫?2.03 MPa～52.97 MPa，壓力系數(shù) 1.74～1.91，具有異常高壓的特征。整體上，沙溪廟組氣藏屬于受構(gòu)造-巖性綜合控制的低滲致密砂巖氣藏，主力河道砂體、儲(chǔ)層物性及氣水分布規(guī)律差異大。

2 河道特征及類型劃分

ZJ氣田沙溪廟組氣藏以單河道砂體為開(kāi)發(fā)對(duì)象，不同河道在構(gòu)造特征、砂體形態(tài)、儲(chǔ)層物性、氣水分布等方面差異顯著，造成各河道中氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征各異，這給水平井的部署及裂縫參數(shù)的優(yōu)化帶來(lái)了極大困難。為此，綜合地質(zhì)、地震、測(cè)井、巖心實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)動(dòng)態(tài)等資料，對(duì)目標(biāo)氣藏中主力河道的類型進(jìn)行了分類評(píng)價(jià)（見(jiàn)表1）。

2.1 I-A類河道

屬于水下分流河道沉積，河道平直，砂體發(fā)育，沉積厚度較大，沿河道方向砂體連通性好。河道內(nèi)以I儲(chǔ)層為主，有效儲(chǔ)層寬度320 m～1 100 m，平均560 m，有效厚度17.75 m～35.92 m，平均為24.90 m。沉積環(huán)境穩(wěn)定、水體能量高，夾層較少，GR曲線多表現(xiàn)為平滑箱形。礦物顆粒分選較好，巖石以中～細(xì)粒砂巖為主，溶蝕孔發(fā)育，孔隙分布均勻、連通性好?？紫抖戎饕?%～13%范圍，平均10%左右，有效滲透率0.15 mD～1.25 mD，平均0.45 mD，河道含氣性較高（高于55%），開(kāi)發(fā)效果好。水平井實(shí)測(cè)無(wú)阻流量（11.82～29.52）×104m3/d，平均21.26×104m3/d，動(dòng)態(tài)控制儲(chǔ)量（0.42～1.82）×108m3，平均1.12×108m3。水平井具有較好的穩(wěn)產(chǎn)能力，穩(wěn)產(chǎn)期18～32個(gè)月，平均可達(dá)2年左右，穩(wěn)產(chǎn)期內(nèi)平均可產(chǎn)0.50×108m3左右。由于該類河道含水飽和度低，產(chǎn)水量均較小，對(duì)生產(chǎn)影響小。

表1 ZJ氣田主力河道類型劃分標(biāo)準(zhǔn)表Tab.1 Calculation results of heat power in ZJ

2.2 I-B類河道

沉積構(gòu)型屬于穩(wěn)定型低彎度河道砂沉積，水動(dòng)力較強(qiáng)，主河道發(fā)育穩(wěn)定，儲(chǔ)層夾層不甚發(fā)育。河道在地震上具有強(qiáng)振幅特征，GR曲線呈微齒箱形、鐘形顯示。該類河道也以I類儲(chǔ)層為主，但河道有效寬度變窄（平均寬度370 m）、砂體更?。ㄆ骄?8.50 m）。儲(chǔ)層巖石以中細(xì)砂巖為主，物性較好，孔隙度7.50%～11.30%范圍，平均值8.98%，有效滲透率0.02 mD～1.01 mD，平均0.42 mD，含水飽和度44.40%～49.50%，平均含水46.21%，氣井產(chǎn)水量小，對(duì)生產(chǎn)影響不大。動(dòng)態(tài)方面，水平井平均無(wú)阻流量可達(dá)12.41×104m3/d，單井動(dòng)態(tài)控制儲(chǔ)量在（0.29～0.69）×108m3，具有 7～22 個(gè)月的穩(wěn)產(chǎn)期，目前單井平均累產(chǎn)超過(guò)0.30×108m3，具有較好的開(kāi)發(fā)效果。

2.3 II-A類河道

II-A類河道砂體以水下分流河道為主，發(fā)育多期次河道沉積，河道彎度低，砂體分布穩(wěn)定。河道砂體寬240 m～510 m，平均 360 m，有效厚度 10.98 m～34.04 m，平均21.87 m。河道沉積環(huán)境動(dòng)蕩，泥質(zhì)夾層豐富，在GR曲線上表現(xiàn)出齒狀箱形或漏斗形的特征。水動(dòng)力能量較弱，巖石沉積物顆粒較細(xì)，泥質(zhì)含量高，影響儲(chǔ)層物性，實(shí)測(cè)孔隙度6.40%～10.21%，平均8.78%，有效滲透率0.02 mD～0.31 mD，平均僅0.11 mD。河道含水較高，測(cè)井解釋儲(chǔ)層含47.12%～56.93%，平均含水飽和度50.76%。該類河道中水平井平均無(wú)阻流量8.16×104m3/d，單井平均動(dòng)態(tài)控制儲(chǔ)量0.38×108m3。儲(chǔ)層含水較高，氣井生產(chǎn)氣水比較高，多在0.30 m3/104m3以上，對(duì)水平井穩(wěn)產(chǎn)能力有一定影響，多數(shù)井只能穩(wěn)產(chǎn)6～18個(gè)月，累產(chǎn)氣也低于I-B類河道中水平井的生產(chǎn)水平，平均只有0.23×108m3。

3 不同類型河道裂縫參數(shù)優(yōu)化

ZJ氣田河道儲(chǔ)層物性較差，大多數(shù)水平井需要進(jìn)行增產(chǎn)改造才能實(shí)現(xiàn)有效開(kāi)發(fā)。因此，如何優(yōu)化人工裂縫參數(shù)是提高水平井儲(chǔ)量控制動(dòng)用、增大產(chǎn)量的關(guān)鍵。鑒于該區(qū)薄窄河道砂巖氣藏河道類型多樣、儲(chǔ)層復(fù)雜的特點(diǎn)，本次研究通過(guò)建立典型河道地質(zhì)模型，并利用數(shù)值模擬方法來(lái)對(duì)各類河道中壓裂水平井的裂縫參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

表2 典型河道地質(zhì)參數(shù)Tab.2 Calculation results of heat power

圖1 典型河道三維數(shù)值模型Fig.1 The numerical models of typical channels

3.1 河道數(shù)值模型建立

從所劃分的3類河道中各選2條典型河道開(kāi)展研究，基本參數(shù)（見(jiàn)表2）。根據(jù)河道實(shí)際參數(shù)，建立各河道三維數(shù)值模擬模型，網(wǎng)格步長(zhǎng)均為10 m×10 m×1 m，其中 I-A-1、I-B-1、II-A-1河道數(shù)值模型（見(jiàn)圖1）。

結(jié)合實(shí)際鉆完井資料及壓裂水平井壓力恢復(fù)試井解釋結(jié)果，確定水平井長(zhǎng)度、分段數(shù)、裂縫半長(zhǎng)及導(dǎo)流能力等初始參數(shù)，并通過(guò)局部網(wǎng)格加密、等效傳導(dǎo)率設(shè)定的方法來(lái)模擬人工裂縫。

3.2 裂縫參數(shù)優(yōu)化

3.2.1 裂縫間距 基于6條典型河道數(shù)值模型，采用單因素分析法，保持其余裂縫參數(shù)不變，設(shè)定不同裂縫數(shù)量，預(yù)測(cè)不同縫間距條件下氣井達(dá)到廢棄產(chǎn)量（0.13×104m3/d）時(shí)的累計(jì)產(chǎn)量，并計(jì)算不同裂縫半長(zhǎng)下氣井的累計(jì)產(chǎn)量增幅曲線，結(jié)果（見(jiàn)圖2）。從模擬結(jié)果來(lái)看，對(duì)于同一水平井，人工裂縫條數(shù)越多，壓裂規(guī)模越大，氣井生產(chǎn)能力越強(qiáng)，但裂縫條數(shù)過(guò)多，發(fā)生縫間干擾的時(shí)間將會(huì)提前，縫間干擾也更為嚴(yán)重，導(dǎo)致氣井累產(chǎn)氣增幅變緩。因此，累產(chǎn)增幅變緩前的裂縫條數(shù)即為水平井最優(yōu)的裂縫條數(shù)。根據(jù)圖中累產(chǎn)增幅曲線拐點(diǎn)，確定出6條典型河道中合理的裂縫條數(shù)8～14條，結(jié)合實(shí)際水平井長(zhǎng)度可得出6條河道中合理裂縫間距分別為 125 m、140 m、85 m、110 m、65 m 及 80 m。

圖2 不同河道中水平井裂縫間距模擬結(jié)果Fig.2 The simulation results of fracture space in different channels

圖3 不同河道中水平井裂縫半長(zhǎng)模擬結(jié)果Fig.3 The simulation results of fracture length in different channels

圖4 不同河道中水平井裂縫導(dǎo)流能力模擬結(jié)果Fig.4 The simulation results of fracture conductivity in different channels

3.2.2 裂縫半長(zhǎng) 預(yù)測(cè)6條河道不同裂縫半長(zhǎng)下水平井的累計(jì)產(chǎn)量，并根據(jù)模擬結(jié)果計(jì)算累產(chǎn)增幅，結(jié)果（見(jiàn)圖3）。在壓降未波及到河道邊界前，增大縫長(zhǎng)，氣井累產(chǎn)大幅度上升。而當(dāng)壓力已經(jīng)波及整個(gè)河道后，繼續(xù)增加裂縫長(zhǎng)度，氣井累產(chǎn)增加并不顯著。即壓力剛好能夠波及河道邊界時(shí)所對(duì)應(yīng)的裂縫長(zhǎng)度即為最優(yōu)裂縫長(zhǎng)度。根據(jù)裂縫半長(zhǎng)與累產(chǎn)增幅的關(guān)系曲線，確定出6條典型河道中水平井的最優(yōu)裂縫半長(zhǎng)分別為80 m、90 m、110 m、90 m、120 m、110 m。

3.2.3 裂縫導(dǎo)流能力 模擬預(yù)測(cè)6條典型河道中不同裂縫導(dǎo)流能力下水平井累計(jì)產(chǎn)量，計(jì)算不同裂縫導(dǎo)流能力下氣井累產(chǎn)的增幅情況（見(jiàn)圖4）。當(dāng)裂縫數(shù)量及有效縫長(zhǎng)一定時(shí)，裂縫導(dǎo)流能力較低，增大裂縫導(dǎo)流能力，壓裂水平井產(chǎn)氣能力會(huì)隨之提高，超出一定范圍后繼續(xù)增大氣井累產(chǎn)增幅變緩。從圖中可以看出，各河道中氣井累產(chǎn)增幅變緩所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)裂縫導(dǎo)流能力分別為120 mD·m、140 mD·m、90 mD·m、100 mD·m、80 mD·m、100 mD·m。

4 最優(yōu)裂縫參數(shù)影響因素分析

從裂縫參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可以看出，由于該區(qū)河道地質(zhì)特征及物性差異較大，造成同類型河道中最優(yōu)裂縫參數(shù)也存在較大差別。因此，上述裂縫參數(shù)優(yōu)化結(jié)果難以直接用于指導(dǎo)該區(qū)壓裂水平井的壓裂設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工。為此，進(jìn)一步對(duì)影響最優(yōu)裂縫參數(shù)的參數(shù)進(jìn)行了綜合分析，建立了河道地質(zhì)參數(shù)與最優(yōu)裂縫參數(shù)間的關(guān)系式，從而快速優(yōu)化不同河道裂縫參數(shù)。

4.1 最優(yōu)裂縫間距

最優(yōu)裂縫間距與河道有效滲透率具有良好的線性正相關(guān)性（見(jiàn)圖5），說(shuō)明最優(yōu)縫間距主要受河道有效滲透率控制。滲透率越高，基質(zhì)對(duì)人工裂縫的供給能力越強(qiáng)，有效動(dòng)用儲(chǔ)量所需的裂縫數(shù)量越少，相應(yīng)的最優(yōu)裂縫間距越大，而滲透率越低的河道則需要縮短縫間距以提高裂縫間儲(chǔ)量的動(dòng)用率。

圖5 最優(yōu)裂縫間距影響因素分析Fig.5 The affecting factors for optimal fracture spcae

4.2 最優(yōu)裂縫半長(zhǎng)

在窄河道砂巖氣藏中，最優(yōu)裂縫半長(zhǎng)同河道寬度與有效滲透率之比成指數(shù)正相關(guān)性（見(jiàn)圖6），說(shuō)明河道寬度及有效滲透率是影響壓裂水平井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的重要因素。對(duì)于物性相同的河道，其寬度越寬，動(dòng)用河道儲(chǔ)量所需的人工裂縫長(zhǎng)度越長(zhǎng)；而寬度接近的河道，儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率越高，則較短的人工裂縫就可控制河道的地質(zhì)儲(chǔ)量。

圖6 最優(yōu)裂縫半長(zhǎng)影響因素分析Fig.6 The affecting factors for optimal fracture half length

4.3 最優(yōu)裂縫導(dǎo)流能力

最優(yōu)裂縫導(dǎo)流能力與天然氣儲(chǔ)量豐度及有效滲透率的乘積成正比（見(jiàn)圖7）。對(duì)于物性好、豐度高的河道，基質(zhì)可向人工裂縫供給更多的天然氣，通過(guò)增大裂縫導(dǎo)流能力可有效提高單井產(chǎn)能，因此最優(yōu)導(dǎo)流能力要高于物性差的低豐度河道。

圖7 最優(yōu)裂縫導(dǎo)流能力影響因素分析Fig.7 The affecting factors for optimal fracture conductivity

5 結(jié)論

（1）利用數(shù)值模擬方法對(duì)ZJ氣田典型河道的裂縫參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出各河道中裂縫間距為65 m～125 m、裂縫半長(zhǎng)80 m～120 m及裂縫導(dǎo)流能力80 mD·m～140 mD·m時(shí)壓裂水平井的開(kāi)發(fā)效果最好。

（2）窄河道砂巖氣藏中河道地質(zhì)參數(shù)與合理裂縫參數(shù)相關(guān)性明顯，其中最優(yōu)裂縫間距與有效滲透率成正比，合理裂縫半長(zhǎng)由有效滲透率及河道寬度共同決定，最優(yōu)裂縫導(dǎo)流能力受儲(chǔ)量豐度及有效滲透率影響最大。通過(guò)建立最優(yōu)裂縫半長(zhǎng)與河道地質(zhì)參數(shù)間的關(guān)系式，可對(duì)不同類型河道的裂縫參數(shù)進(jìn)行快速優(yōu)化。

［1］馬新華，賈愛(ài)林，譚健，等.中國(guó)致密砂巖氣開(kāi)發(fā)工程技術(shù)與實(shí)踐［J］.石油勘探與開(kāi)發(fā)，2012，39（5）：572-579.

［2］李祖友，楊筱璧，嚴(yán)小勇，等.低滲透致密氣藏壓裂水平井不穩(wěn)定產(chǎn)能研究［J］.鉆采工藝，2013，36（3）：66-67＋70.

［3］Abou-Sayed I S，Schueler S，Ehrl E，et al.Multiple hydraulic fracture stimulation in a deep horizontal tight gas well［J］.Journal of Petroleum Technology，1996，48（2）：163-168.

［4］陳汾君，湯勇，劉世鐸，等.低滲致密氣藏水平井分段壓裂優(yōu)化研究［J］.特種油氣藏，2012，19（6）：85-87.

［5］Roussel N P，Sharma M M.Optimizing fracture spacing and sequencing in horizontal-well fracturing［J］.SPE Production&Operations，2011，26（2）：173-184.

［6］馬新仿，樊鳳玲，張守良.低滲氣藏水平井壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化［J］.天然氣工業(yè)，2005，25（9）:61-63.

［7］李林地，張士誠(chéng)，等.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，2008，15（5）：105-107.

［8］羅偉，周長(zhǎng)林，冉立，等.淺層氣藏壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化計(jì)算模型研究［J］.鉆采工藝，2011，34（6）：41-44.

［9］漆國(guó)權(quán)，孫雷，陶章文，等.致密氣藏水平井分段壓裂縫參數(shù)優(yōu)化［J］.油氣藏評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)，2015，5（2）：45-48.

［10］謝遠(yuǎn)偉，李軍亮，廖銳全，等.壓裂井裂縫參數(shù)優(yōu)化研究［J］.斷塊油氣田，2010，17（6）：762-764.

［11］安永生，魯玲，劉姝.壓裂水平井增產(chǎn)因素分析與裂縫參數(shù)優(yōu)化［J］.大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā)，2012，31（6）：109-113.

［12］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.

［13］鐘森.SF氣田水平井分段壓裂關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.斷塊油氣田，2013，20（4）：525-529.

［14］任飛，張遂安，李辛子，等.煤層氣水平井分段壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.天然氣與石油，2014，32（1）：58-62.

［15］李忠平，冉令波，黎華繼，等.窄河道遠(yuǎn)源致密砂巖氣藏?cái)鄬犹卣骷疤烊粴飧患?guī)律-以四川盆地中江氣田侏羅系沙溪廟組氣藏為例［J］.天然氣工業(yè)，2016，36（7）：1-7.