基于流線方法的壓裂水平井注水開發(fā)滲流機(jī)理研究

楊樹坤，張 博，常 振，趙廣淵，夏 禹

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津塘沽 300450）

基于流線方法的壓裂水平井注水開發(fā)滲流機(jī)理研究

楊樹坤，張 博，常 振，趙廣淵，夏 禹

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津塘沽 300450）

非常規(guī)儲層采用壓裂水平井技術(shù)可以獲得有效的商業(yè)價值，針對低砂泥巖特低滲透油藏，通過數(shù)值模擬進(jìn)行壓裂水平井注水開發(fā)規(guī)律研究，運(yùn)用流線方法揭示了壓裂水平井注水開發(fā)滲流機(jī)理。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，根據(jù)流線形態(tài)、分布及流線與裂縫的對應(yīng)關(guān)系研究了壓裂水平井開發(fā)的四個流動階段：裂縫附近線性流、垂直裂縫附近擬徑向流、地層線性流和水平井?dāng)M徑向流。進(jìn)一步分析了不同井網(wǎng)形式下的壓裂水平井注水開發(fā)滲流特征，為現(xiàn)場的開發(fā)應(yīng)用提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：滲流機(jī)理；壓裂水平井；井網(wǎng)形式；數(shù)值模擬；流線方法

特低滲透油藏一般是指滲透率在（1 ～ 10）×10-3μm2之間的油藏，近年來，新探明儲量中特低滲油藏所占比例越來越高，海上油田特低滲透油藏資源大，開發(fā)潛力大，但是受目前技術(shù)限制，特低滲油藏動用率和采收率比較低[1-3]。如何開發(fā)好該類油藏已成為低滲透油藏工作者面臨的重要問題。采用水平井多段壓裂技術(shù)，可以改變近井帶的滲流方式，增加油氣滲流通道，提高水平井的單井產(chǎn)量[4-5]。本次研究基于流線方法，通過數(shù)值模擬手段，對壓裂水平井注水開發(fā)的滲流機(jī)理進(jìn)行了研究，為現(xiàn)場的技術(shù)實施提供理論指導(dǎo)。

1 近井地帶流動機(jī)理

壓裂水平井能夠增產(chǎn)增注的滲流力學(xué)機(jī)理是將這種原來普通完善水平井的流體徑向滲流模式改變?yōu)榫€性滲流模式，徑向流模式的特點是流線向井高度集中，其井底滲流阻力大，而線性流的特點是流線平行于裂縫壁面，其滲流阻力相對小得多。在開發(fā)過程中改變近井筒地帶流體的滲流方式、增加泄油面積、提高掃油效率，最終影響油井單井產(chǎn)量和采收率[6-13]。

1.1 壓裂水平井流動階段劃分

理論上將壓裂水平井的流動分為四個，分別為：裂縫附近線性流動階段（第一線性流）；垂直裂縫井?dāng)M徑向流動（第一徑向流）；水平井線性流動階段（第二線性流）；水平井?dāng)M徑向流動（第二徑向流）。各流動階段如圖1所示。

圖1 不同流動階段示意圖

為研究壓裂水平井各流動階段的滲流特征，建立壓裂水平井概念模型（圖2），研究每個流動階段的滲流特征與規(guī)律。在封閉邊界彈性開發(fā)模型（3裂縫）的基礎(chǔ)上，模擬生產(chǎn)，生產(chǎn)制度為定液量生產(chǎn)30 m3/d，同時限定最小井底流壓10 MPa，模擬生產(chǎn)5年。模型為低滲透均質(zhì)概念模型，模型大小為800 m×800 m×10 m，網(wǎng)格大小均為10 m，采用局部網(wǎng)格加密處理裂縫，裂縫半長均為150 m，裂縫導(dǎo)流能力20 μm2·cm，裂縫間距200 m，水平井長度600 m。

圖2 壓裂水平井示意圖

1.1.1 裂縫附近線性流動階段

由于裂縫的分隔作用，裂縫的界面起到分流作用，使得裂縫兩邊的流體呈線性流入裂縫，同時裂縫內(nèi)的流體直接流入井筒。從流線圖（圖3）中可以看出，在初期（1 min ～ 1 h），裂縫附近的流線基本平行于水平井井筒指向裂縫，裂縫內(nèi)的流線呈直線狀流入井筒，分布較為密集。說明流體沿裂縫高滲帶線性流入井筒，基質(zhì)內(nèi)的流體線性流向裂縫高滲帶。從壓力分布圖中可看出，生產(chǎn)時間很短，壓力波及范圍很小，壓力波僅傳播到裂縫附近，且壓力變化不明顯。

圖3 壓裂水平井流動階段流線圖

1.1.2 垂直裂縫附近擬徑向流動

在該階段（1 h ～ 3 d），垂直裂縫影響范圍逐漸增大，裂縫附近流體以徑向流模式向垂直裂縫流動，在裂縫平面內(nèi)，以水平井井筒為中心，發(fā)生平面徑向流，流線分布密集。同時裂縫內(nèi)依然存在線性流，即裂縫內(nèi)的流體直接線性流入水平井井筒。隨著時間的推移壓力波通過人工裂縫逐漸向裂縫外傳播，但是生產(chǎn)時間還是較短，波及范圍不大。

1.1.3 地層中的線性流動

該階段（3 h ～ 2 a）根據(jù)滲流理論，地層上下邊界的流體首先發(fā)生的是線性流動，從邊界遠(yuǎn)端流向水平井及裂縫。從流線圖中可以看出，在遠(yuǎn)端，流線近似于平行流向水平井以及人工裂縫，分布較為均勻，裂縫帶流線匯集，但是該階段，裂縫周圍依然存在擬徑向流動，裂縫內(nèi)依然存在線性流動。該階段與垂直裂縫附近擬徑向流之間的界限并不是很明顯。壓力波繼續(xù)通過裂縫向外傳播，開始的時候壓力波尚未傳播到邊界，生產(chǎn)一段時間，壓力波傳播到邊界，邊界壓力開始下降，該階段地層平均壓力下降較為明顯。

1.1.4 水平井?dāng)M徑向流動

壓裂水平井的影響已經(jīng)波及整個油層，油藏較大時，可以將水平井及裂縫系統(tǒng)看成一中心，遠(yuǎn)端流體的流動狀態(tài)可以近似為徑向流。同樣該階段與地層線性流階段的界限不明顯。此時壓力波早已傳播到邊界，并且下降的很快。

1.2 壓裂水平井流動階段貢獻(xiàn)度

根據(jù)以上分析認(rèn)為，壓裂水平井的流動階段，根據(jù)不同時間流線與壓力分布，在沒有注水的情況下可以簡分為四個階段（表1），在數(shù)模上看各個流動階段的界限不是非常明顯，所以在數(shù)模中只能是粗略的劃分。

表1 不同流動階段貢獻(xiàn)度

裂縫附近線性流動階段，時間較短，地層能量充足，運(yùn)算中能達(dá)到設(shè)定的日產(chǎn)液量，但是時間短，對最終采出程度的貢獻(xiàn)度最低；垂直裂縫附近擬徑向流動階段，時間較前一階段長，由于此時地層能量依然較為充足，日產(chǎn)液量高，但是時間短，對采出程度貢獻(xiàn)度也很低；地層中的線性流階段，該階段初期，由于地層能量較為充足，日產(chǎn)液較高，但是壓力波及到邊界后，由于沒有能量補(bǔ)充，日產(chǎn)液下降很快，該階段時間較長，對采出程度貢獻(xiàn)度最高；水平井?dāng)M徑向流動階段，由于沒有能量補(bǔ)充，日產(chǎn)液已經(jīng)很低，但是由于時間較長，對采出程度貢獻(xiàn)度高于1、2階段。

綜上所述，在地層能量較為充足時，依靠地層彈性能量開采到一定階段，一般都要適時注水，來補(bǔ)充地層能量，這樣才能保證生產(chǎn)需要。

2 不同井網(wǎng)形式注水滲流機(jī)理研究

2.1 模型建立

不同井網(wǎng)形式的壓裂水平井滲流規(guī)律不同，井網(wǎng)形式對含水、產(chǎn)量、采出程度影響很大，為研究不同井網(wǎng)形式下壓裂水平井的滲流特征，建立不同井網(wǎng)形式概念模型，研究其滲流規(guī)律。

分別研究裂縫正對以及裂縫交錯兩種形式的壓裂水平井滲流特征，根據(jù)不同流動階段，對比兩種形式的流線圖、壓力分布圖（圖4），總結(jié)兩者的區(qū)別：

圖4 井網(wǎng)形式以及注采單元截取示意圖

模型大小設(shè)計為260 m×110 m×10 m；網(wǎng)格：26×11×1；尺寸：平面10 m，縱向10 m；孔隙度：0.18；水平井段：600 m，模型中取100 m；滲透率：X、Y方向5.06×10-3μm2，Z方向取X方向的1/10為0.506×10-3μm2；裂縫間距200 m，油水井距250 m；裂縫穿透比：0.6；裂縫導(dǎo)流能力：10 μm2·cm；使用局部網(wǎng)格加密（LGR）描述裂縫。其他參數(shù)與之前模型一致，其中兩種形式裂縫長度相同。

2.2 不同井網(wǎng)形式流線特征分析

注水開發(fā)以后，壓裂水平井的流動階段中，裂縫附近線性流動階段（第一線性流）以及垂直裂縫井?dāng)M徑向流動（第一徑向流）比較明顯，水平井線性流動階段（第二線性流）以及水平井?dāng)M徑向流動（第二徑向流）區(qū)別不大，根據(jù)流線不易劃分，將后兩個流動階段劃為一個階段。下面分三個階段介紹兩種井網(wǎng)形式不同流動階段的區(qū)別。為更明顯的表現(xiàn)兩者的區(qū)別，此處兩種井網(wǎng)的面積一致，各種參數(shù)均一致。

（1）裂縫附近線性流動階段

該階段，油井人工裂縫一側(cè)的流體呈線性流入裂縫，同時油井人工裂縫內(nèi)的流體直接流入井筒，水井人工裂縫處，則流體從裂縫中流出，流線平行于井筒向外擴(kuò)散。從流線圖（圖5）中可以看出，在很短時間內(nèi)，油井人工裂縫附近的流線基本平行于水平井井筒指向裂縫，裂縫內(nèi)的流線呈直線狀流入井筒，而水井裂縫附近的流線恰恰相反，裂縫處流線分布密集，而油水井裂縫內(nèi)流線延伸的長度不同說明了裂縫長度的不同，從流線圖上看，兩者區(qū)別不大，只是由于位置不同而導(dǎo)致分布不同。從壓力分布圖中可看出，生產(chǎn)時間短，壓力波及范圍很小，壓力波僅傳播到井筒附近，并且變化不明顯，水井附近也不明顯，兩者區(qū)別也不大。所以在生產(chǎn)很短時間內(nèi)，兩種井網(wǎng)的區(qū)別不大。

圖5 裂縫附近線性流流線分布

（2）垂直裂縫附近擬徑向流動

在該階段，同之前一個階段相似，由于注水井位置以及裂縫位置不同而導(dǎo)致流線分布不同（圖6），壓力變化也類似，注水井周圍壓力較高，而生產(chǎn)井周圍壓力下降，壓力波逐漸通過裂縫向傳播。在這個流動階段，兩者區(qū)別也不大。

圖6 垂直裂縫附近擬徑向流流線分布

（3）地層中的流動

在該階段，兩者流線分布以及壓力分布區(qū)別較大，前者流線徑向匯入生產(chǎn)井，后者的流線從整體上看呈弧形分布，即從注水井發(fā)出，呈弧形到生產(chǎn)井（圖7），同時一部分直接通過人工裂縫到達(dá)生產(chǎn)井；裂縫處流線密集，表征含水較高的綠色流線逐漸沿著水井裂縫快速推進(jìn)，而遠(yuǎn)離水井裂縫的一側(cè)，水線推進(jìn)較慢。

圖7 地層線性流流線分布

2.3 不同井網(wǎng)形式動態(tài)特征對比

對于壓力分布，該階段初期，由于生產(chǎn)井生產(chǎn)，注水井注水，生產(chǎn)井井筒井底流壓逐漸降低，注水井附近流壓略有升高，生產(chǎn)一段時間，地層平均壓力下降，生產(chǎn)井附近壓力持續(xù)下降，注水井所需的注入壓力也隨之下降，前者地層平均壓力下降較快，而后者由于注水井裂縫與生產(chǎn)井裂縫正對，導(dǎo)致后者地層能量補(bǔ)充的較快，因此地層平均壓力較前者高（圖8）。

圖8 地層壓力變化曲線

由日產(chǎn)油曲線（圖9）及含水率-采出程度關(guān)系曲線（圖10）可知，注水開發(fā)初期，生產(chǎn)井未見水，裂縫交錯方案與裂縫正對方案日產(chǎn)油量基本相同，隨著注水開發(fā)時間增長，對于裂縫正對方案，由于注水井與生產(chǎn)井裂縫正對，油井見水早，含水上升快，導(dǎo)致日產(chǎn)油量低于裂縫交錯方案；裂縫交錯方案由于見水慢，在相同含水率條件下，裂縫交錯方案采出程度比裂縫正對方案高。

圖9 日產(chǎn)油變化曲線

圖10 含水率-采出程度關(guān)系曲線

3 結(jié)論

（1）壓裂水平井流動階段包括四個流動階段：裂縫附近線性流動階段（第一線性流）；垂直裂縫井?dāng)M徑向流動（第一徑向流）；水平井線性流動階段（第二線性流）；水平井?dāng)M徑向流動（第二徑向流）。

（2）地層線性流階段對壓裂水平井日產(chǎn)液貢獻(xiàn)度最大，其次分別是水平井?dāng)M徑向流、垂直裂縫擬徑向流和裂縫線性流階段。

（3）裂縫正對和裂縫交錯比較，裂縫正對地層壓力下降較慢，裂縫交錯地層壓力下降較快，采出程度最高；裂縫交錯的平均地層壓力較其他方案低，裂縫正對方案由于裂縫正對，壓力傳播更快，因此在注水的情況下，地層壓力保持較好。

[1]依呷，唐海，呂棟梁．低滲氣藏啟動壓力梯度研究與分析[J].海洋石油，2006，26（3）：51-54.

[2]王文環(huán). 特低滲透油藏驅(qū)替及開采特征的影響因素[J]. 油氣地質(zhì)與采收率，2006，13（6）：73-75.

[3]郝斐，程林松，李春蘭，等. 考慮啟動壓力梯度的低滲透油藏不穩(wěn)定滲流模型[J]. 石油鉆采工藝，2006，28（5）：58-60.

[4]MATTER L， GAULT B， MORAD K， et al. Production analysis and forecasting of shale gas reservoirs： case history-based approach[C]. SPE 119897， 2008.

[5]葉勤友，林海霞，張超會，等. 水平井壓裂技術(shù)在低滲透油田開發(fā)中的研究與應(yīng)用[J]. 鉆采工藝，2008，31（增刊）：57-59．

[6]李廷禮，李春蘭，吳英，等. 低滲透油藏壓裂水平井產(chǎn)能計算新方法[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，30（2）：48-52．

[7]安永生，呂億名，魯玲，等. 特低滲透油藏壓裂水平井流入動態(tài)研究[J]. 特種油氣藏，2012，19（3）：90-92.

[8]雷征東，李相方，鄭紅軍. 基于不穩(wěn)定滲流壓裂水平氣井產(chǎn)能研究[J]. 天然氣工業(yè)，2006，26（4）：102-104．

[9]蔣開，何志雄，李閩，等. 氣藏壓裂水平井非穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能計算模型[J]. 鉆采工藝，2011，34（6）：47-50.

[10]ANDERSON D M， NOBAKHT M， MOGHADAM S， et al. Analysis of pduction data from fractured shale gas wells[C]. SPE 131787， 2010.

[11]GUO Jingjing， ZHANG Liehui， WANG Haitao， et al. Pressure transient analysis for multi-stage fractured horizontal wells in shale gas reservoirs[J]. Transport in Porous Media， 2012， 93（3）：635-653.

[12]彭小龍，杜志敏．注氣開發(fā)驅(qū)替前沿的離散滲流模型[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，30（1）：68-70.

[13]劉昌貴，孫雷，李士倫，等. 多相滲流的幾種數(shù)學(xué)模型及相互關(guān)系[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，24（1）：64-66.

A Streamline-Based Study on Percolation Mechanism of Fractured Horizontal Well during Waterflooding Development

YANG Shukun, ZHANG Bo, CHANG Zhen, ZHAO Guangyuan, XIA Yu
（China Oilfield Services Limited, Tanggu Tianjin 300450, China）

The effective commercial value of unconventional reservoirs can be expected when the fractured horizontal well technology is adopted. Aiming at the reservoirs with ultra-low permeability in the study area, the authors studied the regularity of fractured horizontal well during water-flooding development by numerical simulation, probed the percolation mechanism of fractured horizontal well during waterflooding development by streamline method. According to the form and distribution of streamline, its relationship with the fracture, together with the results of numerical simulation, the authors concluded the characteristics of four flow stages i.e. the linear flow near fracture, pseudo-radial flow near vertical fracture, linear flow in the formation, and the pseudo-radial flow in the horizontal well. The further analysis of flow mechanism of fractured horizontal well with different well patterns during waterflooding development was also conducted, which will provide practical technical guidance for the development in the future.

Percolation mechanism; fractured horizontal well; well pattern; numerical simulation; streamline method

TE348

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2016.04.040

1008-2336（2016）04-0040-05

2016-05-23；改回日期：2016-06-20

楊樹坤，男，1986年生，碩士研究生，從事非常規(guī)油氣藏開發(fā)及采油工藝方面的研究。

E-mail：yangshukun2000@126.com。