淺層特低滲透油藏水平井產(chǎn)能影響因素研究

吳彥君,孫 衛(wèi)，趙雪嬌，焦偉杰，高貝貝

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069;2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710016;3.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司,陜西 西安 710016；4.延長油田股份有限公司 寶塔采油廠,陜西 延安 710003)

近年來,隨著油田儲層動用程度的提高,剩余未動用儲層的動用難度越來越大,采用常規(guī)井開發(fā)很難達(dá)到開發(fā)效果。水平井作為一種高效開發(fā)特低滲透油藏的手段,在各大油田中都得到了越來越多的應(yīng)用[1-10]。水平井具有泄油面積大,單井產(chǎn)量高等特點(diǎn),可有效提高油層的動用程度；加之水平段在油層中的延伸較遠(yuǎn),其受地面條件限制也相對較少,因此能有效地提高資源的利用率以及緩解后續(xù)資源不足等問題。針對水平井開發(fā)技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對其進(jìn)行了研究,但主要集中在油層埋藏較深的區(qū)域[11-20]。有關(guān)淺層油藏水平井的開發(fā)研究目前還較少,且多以鉆井工藝研究為主[21-22]。本研究主要以延長油田東部區(qū)域的BT油區(qū)為研究對象,通過對該區(qū)域的油藏儲層特質(zhì)、水平段長度、壓裂方式等因素與水平井產(chǎn)量之間的關(guān)系進(jìn)行分析研究,確定影響水平井產(chǎn)能的主要因素,為該區(qū)域的后續(xù)開發(fā)及同類型油藏的開發(fā)提供有效的參考信息。

1 油藏基本概況

BT油區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡中部(見圖1),屬于典型的巖性油氣藏,主要開發(fā)層位為三疊系延長組長6油層組,儲層沉積相以三角洲前緣亞相為主,儲層有效砂體厚度8～15 m,無明顯油水界面；油藏埋深300～650 m，滲透率(0.1～2)×10-3μm2,平均0.68×10-3μm2,孔隙度7%～12%,平均9.43%,屬于淺層低孔、特低滲儲層。經(jīng)過幾十年的開發(fā),目前，研究區(qū)內(nèi)一類、二類儲層已基本動用完畢,剩余未動用區(qū)域儲層主要以薄、差油層和單一油層為主,采用常規(guī)井開發(fā)效果較差。受工藝及開發(fā)成本沖擊等,各種開發(fā)矛盾逐漸顯現(xiàn)，已嚴(yán)重制約了油田的進(jìn)一步持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。此外,村莊、道路、林地、煤礦礦權(quán)重疊以及環(huán)保政策等因素也導(dǎo)致油田大量資源無法高效動用,造成了資源浪費(fèi)。為提高儲層的動用程度,提高油田的開發(fā)水平,研究區(qū)于2015年引入水平井鉆井技術(shù),進(jìn)行了先期礦場試驗(yàn),2018年開始利用水平井大規(guī)模開發(fā)。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

2 淺層水平井產(chǎn)能影響因素

針對水平井的產(chǎn)能預(yù)測,前人做了大量的研究,并利用不同的方法得了不同的產(chǎn)量預(yù)測模型。陳元千教授在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上,建立了相應(yīng)的產(chǎn)能計(jì)算公式[10]:

(1)

其中，

(2)

式中:qoh為水平井產(chǎn)量,m3·d-1；Kh為儲層水平滲透率,10-3μm2；h為儲層有限厚度,m；ΔP為生產(chǎn)壓差,MPa;μ0為原油黏度,mPas;B為地層原油體積系數(shù);L為水平段長度,m;rw為井眼半徑,m;a為泄油橢圓長半軸,m;A為泄油面積,m2。

對于同一油藏,在采油制度相同、儲層有效厚度相近的條件下,水平段長度和儲層物性對水平井的產(chǎn)能有著直接影響。而水平井的產(chǎn)能是油藏地質(zhì)特征和水平井各項(xiàng)參數(shù)共同作用的結(jié)果。因研究區(qū)利用水平井開發(fā)的時(shí)間較短,為避免因生產(chǎn)時(shí)間不同而導(dǎo)致對研究結(jié)果產(chǎn)生影響,本研究主要選取生產(chǎn)時(shí)間滿6個月的水平井產(chǎn)量進(jìn)行研究,通過分析產(chǎn)量的變化規(guī)律,來確定影響淺層油藏水平井產(chǎn)能的主要因素。

2.1 水平段長度對產(chǎn)能的影響

陳氏預(yù)測模型表明,水平井的水平段越長,其產(chǎn)量越高。研究區(qū)水平井產(chǎn)量與水平段的關(guān)系表明,水平井產(chǎn)量在整體上和水平段長度呈現(xiàn)出一定正相關(guān)的特征,但并不明顯(見圖2)。因受井底流壓的影響,水平段跟端所承受的壓力要遠(yuǎn)小于趾端的壓力,且水平段越長,二者之間的壓力差也越大。尤其在地層供液能力較為充足的情況下,水平段跟端流入井筒的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于趾端流入井筒的強(qiáng)度。在生產(chǎn)早期,地層的供液能力整體上較為充足,在這一階段,對水平井產(chǎn)能貢獻(xiàn)較大的區(qū)域主要為水平段跟端區(qū)域,趾端反而對水平井產(chǎn)能的貢獻(xiàn)較小,即較短的水平段在生產(chǎn)初期可能出現(xiàn)較高的產(chǎn)量[21]。這是導(dǎo)致研究區(qū)水平段長度與產(chǎn)能之間的相關(guān)性較差的重要因素之一。這也表明,在不同的生產(chǎn)階段,水平段長度對油井產(chǎn)量的影響程度也不同。在生產(chǎn)初期,地層能量充足,井眼周邊儲層內(nèi)的滲流方式以徑向流為主,油井供液能力充足,較短水平段長度也可有較高的產(chǎn)能。

通過對研究區(qū)不同長度水平段的產(chǎn)能進(jìn)行預(yù)測發(fā)現(xiàn),在地質(zhì)條件相同的情況下,水平段長度的增加越大,水平井的增產(chǎn)效果也越好,但水平段長度大于700 m之后,其增產(chǎn)幅度會逐漸降低(見圖3)。這是因?yàn)?，研究區(qū)的油藏整體埋深較淺,原始地層壓力低,屬于低壓系統(tǒng),隨著水平井長度的增加,流體在井筒中的流動阻力也逐漸增大,為克服流動阻力,流體在井筒中流動需要更大的能量,當(dāng)?shù)貙訅毫ψ兊蜁r(shí),井筒內(nèi)的流體整體流動變緩,地層對井筒內(nèi)流體的貢獻(xiàn)程度降低,最終影響到油井的產(chǎn)液量。

圖2 水平段長度與產(chǎn)能關(guān)系圖Fig.2 The relationship between horizontal section length and productivity

圖3 水平井長度與產(chǎn)油量關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve between horizontal well length and oil production

此外,水平井在鉆井過程中,鉆頭破巖的動力來源主要為上部鉆具的自重。對淺層油藏而言,可利用的上部井段過短,位垂比較大,鉆井難度大[23],而過長的水平段一方面增加了經(jīng)濟(jì)成本,一方面也增加了施工難度,增加了鉆井風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合產(chǎn)能預(yù)測結(jié)果,對于研究區(qū)而言，水平段長度小于700 m在經(jīng)濟(jì)上較為合理。

2017年，在YD油田C11井區(qū)部署水平井3口,油藏地質(zhì)條件相同,水平井部署方位相同,但水平段長度不同。在壓裂工藝上都選取了水力噴砂射孔+環(huán)空加砂體積壓裂工藝。該區(qū)域目前尚未注水開發(fā)。利用Arps遞減曲線對3口水平井的產(chǎn)量遞減規(guī)律進(jìn)行分析(見表1,圖4、5、6)。分析結(jié)果表明,在投產(chǎn)初期,較短水平段的C11平1井反而有著較高的產(chǎn)能,但在5年之后,水平段最長的L68平1井累積產(chǎn)量是C11平1井的2倍。這表明，較長的水平段對油井的累積產(chǎn)能有著較大的貢獻(xiàn)。

表1 刺11井區(qū)水平井產(chǎn)量預(yù)測表Tab.1 Productivity prediction table for horizontal wells in Block 11

圖4 C11平1井產(chǎn)量預(yù)測圖Fig. 4Production prediction chart of Well C11

圖5 L60平1井產(chǎn)量預(yù)測圖Fig.5 Productivity prediction chart of Well L60 Ping 1

圖6 L68平1井產(chǎn)量預(yù)測圖Fig.6 Productivity prediction chart of Well L68 Ping 1

2.2 物性對水平井產(chǎn)量的影響

礦場統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,儲層的滲透率越好,油井的初期產(chǎn)量越高。由圖7、8可知,水平井產(chǎn)量與滲透率呈正相關(guān),與孔隙度之間的關(guān)系還尚不明確。對于特低滲透儲層,孔隙度的增加,主要增加了儲層的儲集能力,和較高的滲透率相比,其對水平井的初期產(chǎn)能影響不大;但在遞減方面,較高的孔隙度可有效延緩水平井的遞減速度,最終貢獻(xiàn)較高的累積產(chǎn)能[17]。

圖7 孔隙度與水平井產(chǎn)量關(guān)系圖Fig.7 Relation diagram between porosity and horizontal well production

圖8 滲透率與水平井產(chǎn)量關(guān)系圖Fig.8 Relation diagram between permeability and horizontal well production

因儲層各向異性的存在,油藏流入井筒內(nèi)的流量大小是儲層水平方向滲透率和垂直方向滲透率共同作用的結(jié)果,且水平方向滲透率與垂直方向滲透率比值越大,對油井產(chǎn)量的影響越明顯。受壓實(shí)作用等影響,砂巖儲層的垂向滲透率明顯小于水平方向滲透率[10]。另外,研究區(qū)儲層的有效厚度8～15 m,厚度較小,且埋深淺,壓裂形成的人工裂縫也是以水平縫為主。因此,對于研究區(qū)而言,井筒內(nèi)流量的大小主要受到水平方向滲透率的控制。而儲層滲流能力的大小主要受控于主流喉道半徑的大小,儲層的主流喉道半徑越大,滲透率越高,滲流能力也就越強(qiáng),井筒內(nèi)流體的流入量也變大,最終表現(xiàn)為油井的產(chǎn)液量較高。大規(guī)模的水力壓裂,改善了儲層的滲流條件,有效擴(kuò)大了泄油半徑,在其他條件相同的情況下,較高的滲透率又會進(jìn)一步擴(kuò)大泄油面積,增加了儲層的動用程度。

由圖9、10可知,儲層的原始含油飽和度越高,有效儲層厚度越大，儲層的有效滲透率越高,油井的產(chǎn)量也越高。

2.3 壓裂工藝對產(chǎn)能的影響

不同的壓裂工藝,對水平井產(chǎn)量的影響也不同。研究區(qū)目前主要采用的壓裂工藝有常規(guī)水力壓裂、水力噴砂射孔+環(huán)空加砂體積壓裂和簇式射孔+速鉆橋塞分段壓裂3種方式。在3種壓裂工藝之中,采用常規(guī)壓裂工藝進(jìn)行壓裂的油井與其余兩種相比,單井平均產(chǎn)量較低;采用水力噴砂射孔+環(huán)空加砂體積壓裂(TDY)和簇式射孔+速鉆橋塞分段壓裂工藝進(jìn)行壓裂的水平井產(chǎn)量之間沒有出現(xiàn)明顯的差別,且平均單井產(chǎn)量在整體上要高于常規(guī)壓裂工藝所投產(chǎn)的油井(見圖11)。這是因?yàn)?，后兩種壓裂規(guī)模較大,對儲層的改造程度及改造體積整體較高,有效改善了儲層的滲流條件,平均單井產(chǎn)能在整體上也較高。

圖9 含油飽和度與水平井產(chǎn)量關(guān)系圖Fig.9 Relation diagram betweenoil saturation and production of horizontal wells

圖10 地層系數(shù)與水平井產(chǎn)量關(guān)系圖Fig.10 Relation diagram between formation coefficient and horizontal well production

圖11 不同壓裂方式與產(chǎn)量關(guān)系圖Fig.11 Relation diagram betweendifferent fracturing modes and production

在投產(chǎn)初期,簇式射孔+速鉆橋塞分段壓裂和水力噴砂射孔+環(huán)空加砂體積壓裂二者之間的產(chǎn)量相差并不大。隨著生產(chǎn)時(shí)間的變長,采用水力噴砂射孔+環(huán)空加砂體積壓裂工藝的水平井遞減速度要大于簇式射孔+速鉆橋塞分段壓裂的遞減速度。這是因?yàn)?，相比于水力噴砂射?環(huán)空加砂體積壓裂工藝,簇式射孔+速鉆橋塞分段壓裂工藝其排量更大,所形成的縫網(wǎng)規(guī)模也更大(見表2、3)。F187平1井采用了TDY壓裂工藝,而T94平1井則選用了簇式射孔+速鉆橋塞分段壓裂工藝。裂縫檢測結(jié)果表明,F187平1儲層改造體積為391萬m3,而T94平1儲層改造體積則達(dá)到880萬m3(見圖12、13)。

表2 F187平1井微地震裂縫監(jiān)測結(jié)果表Tab.2 Microseismic fracture monitoring result table of Well F187 Ping 1

表3 T94平1井微地震裂縫監(jiān)測結(jié)果表Tab.3 Microseismic fracture monitoring result table of Well T94 Ping 1

圖12 F187平1井裂縫監(jiān)測成果圖Fig.12 Fracture monitoring result chartof Well F187 Ping 1

圖13 T94平1井裂縫監(jiān)測成果圖Fig.13 Fracture monitoring result chart of Well T94 Ping 1

在生產(chǎn)早期,地層能量充足,大規(guī)模的壓裂有效改善了儲層的滲流條件,增加了油井的初期產(chǎn)量[10-11]。隨著生產(chǎn)時(shí)間變長,地層能量逐漸變低,地層內(nèi)流體需要從基質(zhì)內(nèi)更遠(yuǎn)的距離流入縫網(wǎng)內(nèi),在這一階段,儲層流體的滲流特征由早期的徑向流逐步過渡為擬徑向流，水力噴砂射孔+環(huán)空加砂體積壓裂過的儲層縫網(wǎng)內(nèi)開始出現(xiàn)供液不足現(xiàn)象,井筒內(nèi)的液量迅速下降,油井的產(chǎn)量開始遞減,而簇式射孔+速鉆橋塞分段壓裂工藝形成的縫網(wǎng)規(guī)模更大,縫網(wǎng)內(nèi)的供液能力可維持較長的時(shí)間。因此,相比于水力噴砂射孔+環(huán)空加砂體積壓裂壓裂,簇式射孔+速鉆橋塞分段壓裂有著較長的穩(wěn)產(chǎn)周期。

H399平1與T95平1位于同一區(qū)域,開發(fā)層位為長63油層組,油藏地質(zhì)條件相同,水平段長度分別為713，678 m。結(jié)合周邊的注采情況,采用不同壓裂工藝進(jìn)行壓裂投產(chǎn)。其中,H399平1井采用簇式射孔+速鉆橋塞分段壓裂,T95平1井采用水力噴砂射孔+環(huán)空加砂體積壓裂。油井產(chǎn)量情況表明,T95平1井在投產(chǎn)第二個月，產(chǎn)量開始進(jìn)入遞減階段,且穩(wěn)產(chǎn)期較短;而H399平1井從投產(chǎn)后第3個月開始，基本處于穩(wěn)產(chǎn)階段,且具有較高的產(chǎn)能(見圖14)。

圖14 H399平1井、T95平1井產(chǎn)量對比圖Fig.14 Production contrast diagrams of Well H399 Ping 1 and Well T95 Ping 1

2.4 簇?cái)?shù)對水平井產(chǎn)能的影響

在研究區(qū)內(nèi),投產(chǎn)水平井壓裂段數(shù)為6～7段,在壓裂段數(shù)相差不大的情況下,壓段內(nèi)簇?cái)?shù)的多少,決定著壓裂對儲層改造程度的大小。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,在研究區(qū)內(nèi),簇?cái)?shù)的多少與產(chǎn)量呈現(xiàn)正相關(guān)特征,即簇?cái)?shù)越多,所形成的縫網(wǎng)規(guī)模越大,對儲層改造也越徹底,油井的單井產(chǎn)量也越高(見圖15)。但在各簇之間,因儲層的起裂時(shí)間不同,后起裂的儲層會受到先破裂巖石的壓力干擾,所形成的裂縫也會呈現(xiàn)出不均勻的狀態(tài)。當(dāng)簇間距過近時(shí),所形成的裂縫之間的應(yīng)力干擾也越明顯,且簇間距過近,會造成在部分區(qū)域的重復(fù)改造,最終減少儲層的改造規(guī)模,導(dǎo)致油井的日產(chǎn)液降低[18，23]。當(dāng)簇間距過大時(shí),壓裂形成的縫網(wǎng)規(guī)模有限,對儲層的改造不徹底,形成較多非改造區(qū)域,造成了油層的浪費(fèi)。

F187平1井與1388平1井在壓裂時(shí)均采用了TDY方式進(jìn)行壓裂,其中,F187平1井簇間距為63～89 m。微地震監(jiān)測顯示,在其壓裂過程中,本井基本無重復(fù)壓裂現(xiàn)象,且各段事件點(diǎn)間無較大間隙出現(xiàn)。1388平1井在進(jìn)行壓裂時(shí),簇間距為49～51 m,微地震監(jiān)測顯示,在其壓裂過程中,段與段之間存在不同程度的重復(fù)壓裂,一定程度上降低了儲層改造規(guī)模(見圖16、17)。

圖15 簇?cái)?shù)與水平井產(chǎn)量關(guān)系圖Fig.15 Relation diagram between cluster number and horizontal well production

圖16 F187平1井裂縫監(jiān)測成果圖Fig.16 Fracture monitoring result Chart of Well F187 Ping 1

2.5 砂量對水平井產(chǎn)能的影響

儲層壓裂改造之后,砂量的多少直接決定著儲層裂縫的滲流導(dǎo)流能力。對儲層進(jìn)行大規(guī)模壓裂時(shí),砂量的不足可能會造成裂縫開啟不充分,導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力較低,最終影響到油井的產(chǎn)量。為降低其他因素的影響,在對水平段長度進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,對選取采用相同壓裂工藝的井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,采用相同的壓裂工藝,在水平段長度相同的情況下,入井的砂量越大,油井的產(chǎn)量也越高,二者之間呈正相關(guān)關(guān)系(見圖18)。這是因?yàn)?，?dāng)水平段長度及壓裂段數(shù)相近時(shí),入井砂量較大時(shí),支撐劑鋪置在裂縫之中的厚度變大,壓裂形成的裂縫能夠得到有效的支撐,同時(shí)也降低了因砂粒破碎或者嵌入所帶來影響,保證了裂縫的導(dǎo)流能力,最終讓油井的產(chǎn)液能力得到了保障。

圖17 1388平1井裂縫監(jiān)測成果圖Fig.17 Fracture monitoring result Chart of Well 1388 Ping 1

3 主控因素分析

水平井的產(chǎn)能是多種因素共同影響的結(jié)果,且各影響因素之間,對產(chǎn)能的影響程度也不同,為了更好地分析影響淺層油藏水平井產(chǎn)能的主要因素,選取了水平段長度、儲層物性、簇?cái)?shù)、加砂量等影響因素,利用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對其主次關(guān)系進(jìn)行了分析[24-26](見表4)。

結(jié)果表明,在各影響因素之中,滲透率對水平井的產(chǎn)能影響最大,儲層滲透率越好,油井的產(chǎn)量也越好,加砂量,簇?cái)?shù)、含油飽和度三者之間對水平井產(chǎn)能影響基本相同,而孔隙度對水平井產(chǎn)能影響較小。因研究區(qū)利用水平井開發(fā)的時(shí)間較短,大部分水平井的生產(chǎn)時(shí)間尚不足一年,地層能量較為充足,油井供液充足,水平段長度對其影響還尚未明顯顯現(xiàn)。此外,壓裂工藝的不同,對儲層的改造程度也不同,壓裂規(guī)模越大,改造的儲層體積就越大,因此,其也是影響研究區(qū)水平井產(chǎn)能重要因素之一。

綜上所述,目前，影響研究區(qū)水平井產(chǎn)能的主要因素為儲層滲透率,重要因素為壓裂工藝、加砂量、簇?cái)?shù)、原始含油飽和度,一般因素為儲層孔隙度。數(shù)值模擬分析結(jié)果表明,在研究區(qū)不適于采用較長的水平段進(jìn)行開發(fā),水平段長度應(yīng)控制在700 m左右較為合理。

圖18 加砂量與水平井產(chǎn)量關(guān)系圖Fig.18 Relation diagram between sanding quantity and horizontal well production

表4 各影響因素關(guān)聯(lián)系數(shù)與灰色關(guān)聯(lián)度統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistical table of correlation coefficient and grey correlation degree of each influencing factor

4 結(jié)論

1)在儲層特征相同的情況下,水平段長度對水平井的初期產(chǎn)能影響較小。但是，較短水平段的水平井遞減速度較快,而較長的水平段則有著較高的累積產(chǎn)能。對于研究區(qū)而言,水平段長度小于700 m較為合理。

2)水平井的產(chǎn)量和儲層物性、原始含油飽和度、地層系數(shù)等呈正相關(guān),即物性越好、原始含油飽和度越高、地層系數(shù)越大,水平井的產(chǎn)量越高。尤其是儲層滲透率,直接影響到油井的初期產(chǎn)量?？紫抖认啾扔趨⑼嘎?，其對油井的初期產(chǎn)能影響較小,但較高的孔隙度可有效降低水平井的遞減率,貢獻(xiàn)較高的累積產(chǎn)能。

3)不同的壓裂方式對水平井的影響也不同,壓裂規(guī)模越大,對儲層的改造程度越高,水平井的產(chǎn)量也越高。簇?cái)?shù)的不同,對儲層改造的影響也不同,當(dāng)簇?cái)?shù)過多且簇間距過近時(shí),會受到簇間應(yīng)力的干擾,并影響到油井的最終產(chǎn)量；但簇間距過遠(yuǎn),會造成簇間儲層改造不徹底,也會影響到儲層最終產(chǎn)量。

4)目前，影響研究區(qū)水平井產(chǎn)能主要因素為儲層滲透率,重要因素為壓裂工藝、加砂量、簇?cái)?shù)、原始含油飽和度,一般因素為儲層孔隙度。