致密油水平井分簇射孔設(shè)計新方法與應(yīng)用

李海濤, 劉暢, 盧宇, 蔣貝貝, 杜現(xiàn)飛

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室,西南石油大學(xué), 四川 成都 610500;2.中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司油氣工藝研究院, 陜西 西安 710000)

0　引　言

水平井分段多簇水力壓裂作為開發(fā)非常規(guī)油氣田的一種主流手段,在實際應(yīng)用中取得了一定的成效,同時也暴露出一系列問題。多數(shù)油田根據(jù)儲層特點,針對特定區(qū)塊采用經(jīng)驗分段分簇方法,未考慮應(yīng)力陰影等對后期裂縫擴(kuò)展的負(fù)面作用,不能有效溝通天然裂縫帶,難以形成復(fù)雜縫網(wǎng)[1]。同時在未考慮破裂壓力差異的情況下,采用相同的布孔數(shù)會造成大量不生產(chǎn)的射孔簇。針對這些問題,前人做了一系列相關(guān)研究。Robin Slocombe等[2]提出對水平段幾何分段分簇的方法。Cipolla和Weng等[3]提出射孔簇設(shè)計在最小水平主應(yīng)力相差不大的位置。Askar Atanayev等[4]根據(jù)儲層質(zhì)量和完井質(zhì)量設(shè)計壓裂分段。Nagel等[5]通過分析計算應(yīng)力陰影進(jìn)行優(yōu)化完井。盧聰和郭建春等[6]基于不連續(xù)位移法建立了多縫應(yīng)力干擾模型和優(yōu)化裂縫間距的判定準(zhǔn)則。尹建等[7]建立了誘導(dǎo)應(yīng)力場地應(yīng)力分布平面應(yīng)變模型并分析得到裂縫轉(zhuǎn)向的判據(jù)。林然等[8]提出簇間距過大與過小均會降低壓裂改造效果,合理簇間距對應(yīng)最大SRV。以上研究均討論了部分因素的影響,方法不系統(tǒng)全面。

本文從工程甜點井段評價出發(fā),根據(jù)地層裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力場特征和后期水平井分段壓裂施工的相關(guān)性,提出了一套完整的致密油水平井分簇射孔設(shè)計方法,開發(fā)出致密油水平井分簇射孔優(yōu)化設(shè)計軟件。該方法綜合考慮了儲層可壓性指數(shù)和物性指數(shù)、裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力場和破裂壓力剖面等因素,能根據(jù)物性、可壓性和應(yīng)力分布進(jìn)行合理分段,結(jié)合段內(nèi)應(yīng)力干擾合理分簇,基于段內(nèi)各簇裂縫均衡擴(kuò)展合理布孔,同時還緊密結(jié)合油田已有數(shù)據(jù)資料對不完善部分進(jìn)行預(yù)測,并充分考慮了后期分段壓裂儲層改造效果,易于實現(xiàn)程序化,對現(xiàn)場水平井分簇射孔設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

1　設(shè)計方法與理論模型

1.1　方法總述

致密油水平井分簇射孔設(shè)計新方法功能:①可壓性指數(shù)和物性指數(shù)的預(yù)測;②工程甜點評價及分段;③射孔簇間距簇位置優(yōu)化;④射孔槍彈方案和布孔數(shù)設(shè)計。整個設(shè)計過程緊密結(jié)合目標(biāo)區(qū)塊巖石力學(xué)測試資料和測井資料。

1.2　可壓性指數(shù)和物性指數(shù)預(yù)測

可壓性指數(shù)和物性指數(shù)是表征工程甜點井段的2個重要參數(shù),以目標(biāo)井、鄰井的測井資料和目標(biāo)區(qū)塊巖石力學(xué)測試資料為基礎(chǔ),計算目標(biāo)井的巖石力學(xué)參數(shù)剖面、地應(yīng)力剖面、物性參數(shù)剖面,從而進(jìn)一步計算得到可壓性指數(shù)剖面和物性指數(shù)剖面。

可壓性指數(shù)主要包含巖石脆性、抗剪性質(zhì)和斷裂韌性等力學(xué)性質(zhì)[9][見式(1)]。關(guān)于脆性指數(shù)的定義,諸多學(xué)者做了大量研究,本文設(shè)計方法參考了Jin等[10]提出的礦物含量脆性指數(shù)和Rickman等[11]提出的力學(xué)脆性指數(shù),物性指數(shù)主要考慮了滲透率、孔隙度、含油飽和度和天然裂縫發(fā)育程度[見式(5)]

IF=IB/(sinφKICKIIC)

(1)

(2)

(3)

IB=(IB1+IB2)/2

(4)

(5)

式中,IF為可壓性指數(shù);IP為物性指數(shù);KIC為I型斷裂韌性值;KIIC為II型斷裂韌性值;φ為內(nèi)摩擦角,arc;IB1為礦物含量脆性指數(shù);IB2為力學(xué)脆性指數(shù);IB為綜合脆性指數(shù);WSi為硅酸鹽礦物含量,%;WCa為碳酸鹽礦物含量,%;Ww為總礦物含量,%;Es為靜態(tài)彈性模量;νs為靜態(tài)泊松比;K、Kmax、Kmin分別為滲透率及其最大、最小值,mD*非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同;φ、φmax、φmin分別為孔隙度及其最大、最小值,%;SH、SH,max、SH,min分別為含烴飽和度及其最大、最小值,%;INF、INF,max、INF,min分別為天然裂縫發(fā)育程度指數(shù)及其最大、最小值,一般天然裂縫發(fā)育程度高取0.8,低取0.2。通過對某致密油區(qū)塊A井的資料進(jìn)行整理分析,可得到其地應(yīng)力、可壓性指數(shù)和物性指數(shù)剖面(見圖1)。

圖1　A井地應(yīng)力、可壓性指數(shù)和物性指數(shù)剖面

1.3　工程甜點井段評價與分段設(shè)計

工程甜點井段指具有好的可壓性和物性的井段,主要基于可壓性指數(shù)和物性指數(shù)剖面,通過綜合評價方法進(jìn)行優(yōu)選。①對2種指數(shù)分為3個標(biāo)定等級:好、中、差,分別對應(yīng)5分、3分、1分;②引入累積頻率分布的方法,根據(jù)目標(biāo)井可壓性指數(shù)和物性指數(shù)數(shù)據(jù)分布特點確定相應(yīng)的標(biāo)定等級界限[見圖2(a)];③應(yīng)用九宮格綜合評價法,將對應(yīng)井深單位井段的可壓性指數(shù)評分和物性指數(shù)評分相加評價,對于同時滿足綜合評分大于5和固井質(zhì)量好2個條件的井段即優(yōu)選為工程甜點井段[見圖2(b)]。

圖2　工程甜點綜合評價分段法與A井評價及分段結(jié)果

1.4　簇間距、簇位置優(yōu)化

單段內(nèi)最優(yōu)簇間距主要根據(jù)誘導(dǎo)應(yīng)力場作用下的裂縫轉(zhuǎn)向機(jī)理和最大轉(zhuǎn)向區(qū)面積確定[12]。單縫誘導(dǎo)應(yīng)力場解析模型為[6]

(6)

(7)

σi,y=ν(σi,x+σi,z)

(8)

式中,σi,x為沿井筒方向上的水平誘導(dǎo)應(yīng)力,MPa;σi,z為垂向誘導(dǎo)應(yīng)力,MPa;σi,y為沿裂縫水平延伸方向上的誘導(dǎo)應(yīng)力,MPa;p為凈壓力,MPa;ν為泊松比;c為裂縫半高,m。

距離先壓裂縫近端某一區(qū)域內(nèi),誘導(dǎo)應(yīng)力的作用使得后起裂縫將有可能發(fā)生轉(zhuǎn)向,溝通更多天然裂縫的概率較大,改造體積會增大,有利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)[13],因此,簇位置將在該區(qū)域內(nèi)優(yōu)選。裂縫轉(zhuǎn)向區(qū)范圍判斷標(biāo)準(zhǔn)為x方向上的原地應(yīng)力與誘導(dǎo)應(yīng)力之和大于等于y方向上的原地應(yīng)力與誘導(dǎo)應(yīng)力之和,即

(9)

式中,σh為x方向上原地應(yīng)力,MPa;σi,x(k)為第k條先壓裂縫產(chǎn)生的x方向上的誘導(dǎo)應(yīng)力,MPa;σH為y方向上原地應(yīng)力,MPa;σi,y(k)為第k條先壓裂縫產(chǎn)生的y方向上的誘導(dǎo)應(yīng)力,MPa;n為已壓裂縫條數(shù),n≥1。

單段內(nèi)簇位置應(yīng)結(jié)合最優(yōu)簇間距,綜合考慮最小水平主應(yīng)力、套管接箍位置、施工條件進(jìn)行設(shè)計。單段內(nèi)第1簇確定在靠近趾端的1/3段長內(nèi)最小水平主應(yīng)力最小的點,后續(xù)射孔簇位置按照最優(yōu)簇間距依次向跟端方向排布,最后單段內(nèi)所有簇位置均以微小偏差向最小水平主應(yīng)力最小的點,同時避開套管接箍位置[見圖3(b)]。對于連續(xù)油管多級射孔的水平井,靠近趾端的第1段只射1簇,該簇位置設(shè)計在段內(nèi)水平主應(yīng)力最小處附近,并避開了套管接箍。

圖3　最優(yōu)簇間距和簇位置設(shè)計結(jié)果

1.5　布孔數(shù)設(shè)計

為了充分考慮破裂壓力非均勻性,保證后期壓裂各簇裂縫同時起裂,相比于現(xiàn)場常用的均勻孔密布孔,采用根據(jù)破裂壓力剖面分簇限流設(shè)計每一簇的布孔數(shù),以達(dá)到排量和壓力滿足下面的平衡關(guān)系[16]

(10)

pm1+pmf1=pm2+pmf2+pl12=pm3+

pmf3+pl23=…=pmn+pmfn+pl(n-1)n

(11)

式中,Qt為目標(biāo)段壓裂液總排量,m3/min;Qi為目標(biāo)段內(nèi)第i簇對應(yīng)裂縫的濾失排量,m3/min;pm為破裂壓力,MPa;pmf為孔眼摩阻,MPa;pl為井筒內(nèi)沿程摩阻,MPa。

2　軟件開發(fā)

開發(fā)出一套完整的致密油水平井分簇射孔完井優(yōu)化設(shè)計軟件,包括從測井?dāng)?shù)據(jù)分析、分段、分簇、布孔數(shù)設(shè)計到報告生成的一整套設(shè)計流程。圖4展示了該軟件涵蓋的主要功能模塊。

圖4　軟件功能模塊結(jié)構(gòu)圖

3　應(yīng)用結(jié)果評價

圖5　2017年月產(chǎn)油量柱狀圖

A井和X1、X2、X3、X4井為同一目標(biāo)致密油區(qū)塊上的水平井,完井方式均為分段多簇射孔完井,其中X1、X2、X3、X4井采用傳統(tǒng)的等簇間距經(jīng)驗方法設(shè)計,A井采用本文的分簇射孔設(shè)計方法進(jìn)行施工。水平井段均為2 000 m左右,儲層中部深度為1 800 m,有效厚度為15 m,平均滲透率0.205 μm2,平均孔隙度為9.8%,平均壓力為14.5 MPa,地層溫度120 ℃,地層Biot孔彈性系數(shù)為0.2,水平地應(yīng)力平均比值為1.183 9。A井與X1、X2、X3、X4井月產(chǎn)油量平均值對比,采用分簇射孔設(shè)計新方法優(yōu)化后的A井達(dá)到了更好的生產(chǎn)效果(見圖5)。

4　結(jié)　論

(1) 致密油水平井分段綜合考慮可壓性指數(shù)剖面和物性指數(shù)剖面,結(jié)合目標(biāo)區(qū)塊巖石力學(xué)測試資料和測井資料,2種指數(shù)剖面涵蓋了區(qū)塊儲層巖石力學(xué)性質(zhì)、物性、壓裂施工參數(shù)、天然裂縫發(fā)育情況、礦物含量、固井質(zhì)量、套管接箍等因素,并通過累積頻率分布的手段對工程甜點井段進(jìn)行了細(xì)致的評價,完成分段。

(2) 以提高主縫溝通天然裂縫帶幾率、形成復(fù)雜縫網(wǎng)為目的,分析了裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力的分布特點,建立了誘導(dǎo)應(yīng)力場和疊加應(yīng)力場的解析模型,在考慮裂縫轉(zhuǎn)向和裂縫干擾的基礎(chǔ)上,通過模擬計算分析得出了最優(yōu)簇間距范圍,確定了簇位置優(yōu)選的方法。

(3) 以段內(nèi)各簇同時起裂為目的,通過分簇限流的思想優(yōu)化設(shè)計了各簇的布孔數(shù),平衡了各簇的起裂阻力。

(4) 開發(fā)了致密油水平井分簇射孔優(yōu)化設(shè)計軟件,功能強(qiáng)大,界面簡潔,實用性強(qiáng)。