濱425區(qū)塊非均質(zhì)油藏壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化

蔣寶云, 周玉龍, 陳 莉, 袁浩仁, 湯志斌, 馬 蒞, 盧 聰*

(1.中國石化勝利油田魯明油氣勘探開發(fā)有限公司， 東營 257000； 2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500)

濱425區(qū)塊位于渤海灣盆地利津洼陷西斜坡，其主要含油層段為沙河街組第四段，埋藏深度為2 500～3 000 m，具有儲層物性差、非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，屬于典型的非均質(zhì)斷塊油藏[1]。該類油藏?zé)o自然產(chǎn)能或自然產(chǎn)能很低，一般需要經(jīng)過大規(guī)模壓裂改造才能獲得有效的工業(yè)油氣產(chǎn)量[2-6]。常規(guī)方式壓裂后該區(qū)塊存在層間產(chǎn)能差異大、儲層動用不充分以及增產(chǎn)有效期短等問題，對其裂縫參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是解決該類問題的關(guān)鍵措施[7-9]。

2008年，李林地等[10]考慮了氣體非達(dá)西滲流對產(chǎn)量的影響，建立了氣井壓裂產(chǎn)量預(yù)測模型，并分析了各向異性對產(chǎn)氣量的影響。2012年，肖勇等[11]針對低滲透非均質(zhì)油藏，建立低滲透非均質(zhì)地質(zhì)模型，研究結(jié)果表明，裂縫導(dǎo)流能力和裂縫穿透比不是越大越好，均存在一個(gè)最佳值。2014年，徐創(chuàng)朝等[12]針對低滲致密油氣藏縫網(wǎng)壓裂，運(yùn)用Eclipse軟件進(jìn)行正交模擬，對水平井縫網(wǎng)壓裂參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。2016年，Zeng等[13]針對非均質(zhì)氣藏水平井壓裂，考慮非達(dá)西效應(yīng)的影響，提出一種新的裂縫參數(shù)設(shè)計(jì)方法，研究認(rèn)為滿足小縱橫比和高滲透率的儲層需要短而寬的裂縫，以減少非達(dá)西效應(yīng)；而大縱橫比和低滲透率儲層需要長而窄的裂縫。2017年，趙春艷等[14]建立整體壓裂井組的油藏?cái)?shù)值模擬模型，并用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法對壓裂的油、水井裂縫參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。2018年，曹廣勝等[15]采用電模實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的方法，對薄差儲層注采井組的裂縫參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，研究表明，采用注采井組對應(yīng)壓裂技術(shù)進(jìn)行改造，具有良好的增產(chǎn)效果。2020年，雷群等[16]建立了非平面三維裂縫擴(kuò)展模型，提出了基于縫控壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)的致密油儲集層改造方法，優(yōu)化了致密油儲集層水平井裂縫參數(shù)。針對這類典型非均質(zhì)斷塊油藏，儲層在縱向上以及平面上具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性，由于其地質(zhì)特征的復(fù)雜性，目前中外很少有學(xué)者對其裂縫參數(shù)優(yōu)化方面進(jìn)行深入研究?，F(xiàn)以濱425區(qū)塊為例，建立精細(xì)化油藏非均質(zhì)地質(zhì)模型，差異化研究不同層段壓裂改造最優(yōu)裂縫參數(shù)，使其與目標(biāo)儲層相匹配，得到最優(yōu)壓裂井產(chǎn)能。與常規(guī)方法相比，通過該方法優(yōu)化裂縫參數(shù)能顯著提高水力壓裂增產(chǎn)效果。

1 壓后產(chǎn)能數(shù)學(xué)模型

根據(jù)濱425區(qū)塊特征，假設(shè)在滲濾過程中：①油藏基質(zhì)非均質(zhì)且各向異性，水平等厚的三維六面體；②裂縫內(nèi)均質(zhì)且各向同性，流體流動為不考慮裂縫寬度方向的二維流動；③流體只考慮油水兩相，可一定程度壓縮，流體壓縮系數(shù)恒定；④油藏處于恒溫，油藏中油、水兩相都遵循達(dá)西定律；⑤油井為定壓生產(chǎn)，水井定壓或定量注入。

油相和水相在基質(zhì)滲流的數(shù)學(xué)方程[7]為

(1)

式(1)中：ρo為油相，g/cm3；ρw為水相密度，g/cm3；k為油藏基質(zhì)滲透率，mD；kro為油相相對滲透率，無因次；krw為水相相對滲透率，無因次；μo為油相黏度，mPa·s；μw為水相黏度，mPa·s；po為油相壓力，MPa；pw為水相壓力，MPa；qo為油相流量，m3/d；qw為水相流量，m3/d；φ為油藏基質(zhì)孔隙度，無因次；so為油相飽和度，無因次；sw為水相飽和度，無因次；t為油井生產(chǎn)時(shí)間，s。

油相和水相在裂縫流動的數(shù)學(xué)方程為

(2)

式(2)中：qofin為從油藏基質(zhì)中流向裂縫的油相流量，m3/d；qwfin為從油藏基質(zhì)中流向裂縫的水相流量，m3/d；f為在裂縫條件下。

由于在地層流體流動中，油藏基質(zhì)和裂縫之間存在流體交換，因此在裂縫壁面應(yīng)該滿足壓力相等和流量相等，同時(shí)油井生產(chǎn)滿足井底流壓保持不變，由此可建立油藏基質(zhì)和垂直裂縫之間的邊界條件。最后通過差分的方式對壓后產(chǎn)能模型進(jìn)行求解[10]。

2 精細(xì)化地質(zhì)模型

濱425區(qū)塊為濱淺湖相的灘壩砂沉積，如圖1所示，屬于典型薄互層油藏。沙四段是濱425區(qū)塊主要開采層位，針對其非均質(zhì)性強(qiáng)的特征，通過縱向精細(xì)分層、網(wǎng)格方向調(diào)整以及局部網(wǎng)格加密等方式[17]，建立濱425區(qū)塊沙四段精細(xì)化地質(zhì)模型，定量表征儲層地質(zhì)和油氣藏特征參數(shù)三維空間分布。

2.1 三維構(gòu)造模型

結(jié)合濱425區(qū)塊沙四段鉆井資料以及儲層分層數(shù)據(jù)，模型中建立4個(gè)砂層組，劃分27個(gè)油層。網(wǎng)格方向調(diào)整為水平主應(yīng)力方向，平面上網(wǎng)格劃分164×97，縱向上54個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)達(dá)859 032。為了保證構(gòu)造模型的可靠性，與鉆井?dāng)?shù)據(jù)相互結(jié)合，網(wǎng)格化計(jì)算與三維可視化交互編輯相結(jié)合的工作方法，對構(gòu)造模型進(jìn)行了嚴(yán)格的精度控制和反復(fù)校正。

2.2 儲層參數(shù)模型

通過對屬性參數(shù)場的定量研究，準(zhǔn)確界定有利儲層的空間位置及其分布范圍。

2.2.1 孔隙度模型

孔隙度模型反映儲存流體的孔隙體積分布，如圖2所示。濱425區(qū)塊沙四段的四個(gè)砂層組非均質(zhì)性較強(qiáng)，孔隙度差異較大，主要分布在10%～15%，其中一、二砂組孔隙度總體大于三、四砂組。

2.2.2 滲透率模型

如圖3所示，四個(gè)砂組滲透率差異較大，主要分布在0.01～20 mD，其中一、二砂組滲透率總體大于三、四砂組，屬于良好的滲透儲層，有利于油氣的流通與運(yùn)移。

圖3 濱425區(qū)塊沙四段滲透率模型

2.2.3 含油飽和度模型

儲層含油飽和度是油藏評價(jià)以及研究剩余油分布的基礎(chǔ)，根據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)，建立原始油水兩相流體分布模型，如圖4所示。儲層中含油性質(zhì)差異很大，含油飽和度主要分布在40%～60%。其中一、二砂組含油飽和度總體大于三、四砂組，原始含油飽和度偏低。

圖4 濱425區(qū)塊沙四段含油飽和度模型

3 水力壓裂數(shù)值模擬

在濱425區(qū)塊沙四段地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，對儲層壓裂后的產(chǎn)能進(jìn)行分析，以優(yōu)化儲層的壓裂裂縫參數(shù)。其主要步驟為：①基于濱425區(qū)塊沙四段的地質(zhì)模型，建立了典型注采井組地質(zhì)模型；②對該區(qū)塊已壓裂井的生產(chǎn)動態(tài)指標(biāo)進(jìn)行歷史擬合，分析典型壓裂井的生產(chǎn)動態(tài)規(guī)律，驗(yàn)證并優(yōu)化地質(zhì)模型；③在此基礎(chǔ)之上，開展新井壓裂方案數(shù)值模擬，對單井壓裂后的產(chǎn)能進(jìn)行預(yù)測與分析，以此優(yōu)化水力壓裂裂縫參數(shù)。

3.1 儲層基本參數(shù)

以極限井注采井距212 m，經(jīng)濟(jì)合理井距340 m，建立五點(diǎn)注采井網(wǎng)模型，如圖5所示。前期微地震監(jiān)測水力裂縫方向約為北偏東65°，采用局部網(wǎng)格加密方法實(shí)現(xiàn)水力裂縫的植入，如圖6所示。油藏流體主要物性參數(shù)如表1所示。

表1 濱425區(qū)塊流體物性參數(shù)表

圖5 五點(diǎn)注采井網(wǎng)模型

圖6 水力裂縫模型

3.2 模型歷史擬合

以濱425區(qū)塊典型壓裂井X146井為例，對其壓裂前后累產(chǎn)液量、累產(chǎn)油量、累產(chǎn)水量及日產(chǎn)油量等生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

3.2.1 壓裂前生產(chǎn)數(shù)據(jù)擬合

X146井生產(chǎn)分為三個(gè)階段：自噴階段、轉(zhuǎn)抽階段、水力壓裂后生產(chǎn)階段。采用定液量擬合的方法，對該井從投產(chǎn)到壓裂前生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史擬合，如圖7所示。如表2所示，生產(chǎn)數(shù)據(jù)模擬值與實(shí)際值的擬合相對誤差小于5.0%，擬合效果良好。

表2 X146井壓裂前生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比

圖7 X146井壓裂前生產(chǎn)數(shù)據(jù)歷史擬合曲線

3.2.2 壓裂后生產(chǎn)數(shù)據(jù)擬合

X146井通過機(jī)械工具分兩層壓裂，基于微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)，第一層支撐半縫長為98 m，支撐縫高23.6 m，第二層支撐半縫長為88 m，支撐縫高17.7 m。通過局部網(wǎng)格加密功能實(shí)現(xiàn)水力裂縫植入，模擬壓裂后的生產(chǎn)過程。

在前期未壓裂生產(chǎn)動態(tài)擬合的基礎(chǔ)上，得到壓裂前剩余油和地層壓力場分布，然后采用定液量擬合的方法，得到生產(chǎn)擬合曲線，如圖8所示。如表3所示，模擬值與實(shí)際值的相對誤差小于4%，壓裂后生產(chǎn)擬合情況總體較好。因此可以在此地質(zhì)模型基礎(chǔ)上預(yù)測濱425區(qū)塊后期生產(chǎn)情況，進(jìn)一步優(yōu)化水力壓裂裂縫參數(shù)。

表3 X146井壓裂后生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比

圖8 X146井壓裂后生產(chǎn)數(shù)據(jù)歷史擬合曲線

3.3 裂縫參數(shù)優(yōu)化

裂縫長度和導(dǎo)流能力是影響壓后產(chǎn)能的兩個(gè)重要參數(shù)[18]。在地質(zhì)模型建立和生產(chǎn)動態(tài)歷史擬合的基礎(chǔ)之上，以濱425區(qū)塊的X153井為例，進(jìn)行產(chǎn)能預(yù)測并優(yōu)化裂縫參數(shù)?；诰?xì)化地質(zhì)模型分析，對沙四段一、二油組主油層以及三油組部分油層進(jìn)行壓裂改造，根據(jù)測井解釋結(jié)果進(jìn)一步劃分壓裂改造層段(3段)，如表4所示。

表4 X153井測井解釋及壓裂分層

在定生產(chǎn)壓差下，以三年累計(jì)產(chǎn)油量為指標(biāo)，逐一優(yōu)化最優(yōu)的壓裂裂縫長度和導(dǎo)流能力。模擬初始導(dǎo)流能力為20 D·cm，裂縫半長在60～100 m變化時(shí)累產(chǎn)油量情況。如圖9(a)所示，隨著裂縫半長的增加，三年累計(jì)產(chǎn)油量不斷增大，但是增加的幅度在不斷降低，裂縫半長增加到90 m時(shí)，累計(jì)產(chǎn)油增幅明顯降低。因此，確定X153井第一段壓裂的最優(yōu)裂縫半長為90 m。

基于最優(yōu)裂縫長度，以裂縫半長90 m為基礎(chǔ)，模擬導(dǎo)流能力15～35 D·cm下的三年累計(jì)產(chǎn)油量。如圖9(b)所示，導(dǎo)流能力從15 D·cm增加到35 D·cm，累計(jì)產(chǎn)量不斷增加，但增幅逐漸減小。支撐裂縫導(dǎo)流能力越大，但考慮經(jīng)濟(jì)效益，優(yōu)化第一段裂縫導(dǎo)流能力為20 D·cm。

圖9 第一段累計(jì)產(chǎn)油與裂縫參數(shù)關(guān)系曲線

采用相同的方法對X153井的第二段與第三段進(jìn)行裂縫參數(shù)優(yōu)化，結(jié)果如圖10、圖11所示。以三年累計(jì)產(chǎn)油量為主要技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合壓裂成本的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，優(yōu)化第二段裂縫半長為70 m，裂縫導(dǎo)流能力為25 D·cm；優(yōu)化第三段裂縫半長為80 m，裂縫導(dǎo)流能力為30 D·cm，具體結(jié)果如表5所示。

表5 X153井三段裂縫參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

圖10 第二段累計(jì)產(chǎn)油與裂縫參數(shù)關(guān)系曲線

圖11 第三段累計(jì)產(chǎn)油與裂縫參數(shù)關(guān)系曲線

4 現(xiàn)場應(yīng)用

以濱425區(qū)塊X153為例，基于優(yōu)化得到的三段裂縫參數(shù)，對壓裂施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，據(jù)此進(jìn)行壓裂施工。根據(jù)區(qū)塊地質(zhì)特征和壓裂施工資料數(shù)據(jù)，采用縫內(nèi)凈壓力擬合對X153井壓裂后實(shí)際裂縫參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。擬合得到的三段壓裂后裂縫長度分別為87.6、70.6、80.7 m，與裂縫參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果誤差小于2.7%，表明X153井壓裂后的裂縫形態(tài)達(dá)到裂縫參數(shù)優(yōu)化的要求。

X153井壓裂后的生產(chǎn)曲線如圖12所示，壓裂后初期平均自噴產(chǎn)量可達(dá)5.3 t/d，同區(qū)塊鄰井X146井為3.8 t/d，通過此方法進(jìn)行裂縫參數(shù)優(yōu)化，可以使單井壓后產(chǎn)量增加40%，且穩(wěn)產(chǎn)期延長，能顯著提高水力壓裂增產(chǎn)效果。

圖12 X153井壓后生產(chǎn)曲線

5 結(jié)論

(1)濱425區(qū)塊沙四段的孔隙度為10%～15%，滲透率為0.01～20 mD，含油飽和度40%～60%。四個(gè)砂層組非均質(zhì)性較強(qiáng)，物性差異較大，其中一、二砂組的儲層物性以及含油性質(zhì)總體好于三、四砂組。

(2)通過歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)，X146井壓裂前后的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)情況很接近，相對誤差小于5%，生產(chǎn)過程擬合情況總體較好。表明該模型能很好地定量表征濱425區(qū)塊沙四段儲層地質(zhì)特征和油氣藏特征參數(shù)三維空間分布。

(3)以三年累計(jì)產(chǎn)油量為主要技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合壓裂成本的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，優(yōu)化濱425區(qū)塊X153井的第一段裂縫半長為90 m，裂縫導(dǎo)流能力為20 D·cm；優(yōu)化第二段裂縫半長為70 m，裂縫導(dǎo)流能力為25 D·cm；優(yōu)化第三段裂縫半長為80 m，裂縫導(dǎo)流能力為30 D·cm。該方法能顯著提高水力壓裂增產(chǎn)效果，為非均質(zhì)油藏壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化提供參考。