淺層致密油藏空間編織井網(wǎng)開發(fā)數(shù)值模擬研究

馮 寧，彭小龍，薛曉軍，王超文，鄧 鵬，吳昊強

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)國家重點實驗室，四川成都610500；2.中國石油西部鉆探工程有限公司地質(zhì)研究院，新疆克拉瑪依834000）

隨著國內(nèi)油氣需求快速增長，2020年原油進口5.42×108t，對外依存度高達約64 %。低滲透油氣藏在增儲上產(chǎn)中的地位更加凸顯重要[1-6]。低滲、致密油藏的開發(fā)通常采用水平井配合多級水力壓裂，大幅度地增加單井產(chǎn)量，提高油田整體經(jīng)濟效益[7-10]。通常情況下，油藏的最小主應(yīng)力方向是水平方向。因此，壓裂縫垂直發(fā)育[11-18]，長水平井配合多級壓裂，可以有效增加油井與儲層的接觸面積[19-23]。

然而，在一些淺層致密油藏中，例如延長油田七里村采油廠的長6油藏，地層最小主應(yīng)力方向為垂直方向，水力壓裂容易產(chǎn)生水平縫[24]。同時，油藏厚度較小，直井開發(fā)效果差，但對于水平井而言，多級壓裂容易只生成一條大的水平縫，增產(chǎn)效果不佳[25]。因此，延長油田采用“弓形水平井+多級水平縫”的新型開采方式，有效增加了多級水平縫的空間位置，提高了油井的泄流面積和增產(chǎn)效率[26-27]。但是，由于滲透率較低，“弓形水平井+多級水平縫”的單井方式并不能有效動用長6油藏。

為了進一步提高長6油藏的動用程度，淺層油層鉆井的可行性，提出了淺層致密油藏空間編織井網(wǎng)的開發(fā)方式，并采用數(shù)值模擬方法，驗證了空間編織井網(wǎng)的有效性，為淺層致密油藏的高效開發(fā)提供借鑒。

1 淺層致密油藏的編織井網(wǎng)

1.1 地質(zhì)基礎(chǔ)

七里村油田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡的東南部，開發(fā)主力油層為延長油田的長6 油層，該地層埋藏深度淺，利于開發(fā)，但巖石物性差，儲層非均質(zhì)性強。儲層呈薄層交互沉積，非均質(zhì)性較強，目前處于采衰竭開采階段。自2013年投入開發(fā)至今，采用自然衰竭開發(fā)方案進行開采，根據(jù)調(diào)研，單井日均產(chǎn)量0.3 t。目前，已部署了一口大位移弓形井，初期產(chǎn)量高達14 t/d，目前產(chǎn)量2.1 t/d，增產(chǎn)效果并不理想。

目標(biāo)油藏在區(qū)域內(nèi)分布穩(wěn)定，統(tǒng)計厚度133～148 m，地層平均厚度為140 m，與區(qū)域厚度一致。各小層厚度橫向展布較穩(wěn)定。根據(jù)測井解釋結(jié)果統(tǒng)計，在長61 底部和長62 段含油飽和度、孔隙度、滲透率較好，為該區(qū)的主要含油層段，長63、長64 也有零星分布。根據(jù)研究區(qū)域現(xiàn)有巖心分析報告資料統(tǒng)計，儲層孔隙度分布接近正態(tài)分布，主要分布區(qū)間8.1%～10.1%，平均孔隙度9.4%；滲透率級差較大，范圍（0.02～8.8）×10-3μm2，平均滲透率1.1×10-3μm2?？紫抖扰c滲透率關(guān)系呈指數(shù)關(guān)系，但個別數(shù)據(jù)由于裂縫的影響，導(dǎo)致相關(guān)性變差[28]。

長6油藏埋深較淺，油藏的最小主應(yīng)力發(fā)育在垂向，壓裂縫呈現(xiàn)水平狀態(tài)。同時油藏的水平主應(yīng)力差異也不大，鉆井過程中，并沒有非常明確的易鉆方向。前期采用大位移弓形井解決了多層同時開采的問題，但增產(chǎn)效果有限，同時對三維空間上儲層控制不強，再此基礎(chǔ)上可以采取水平段方向正交的空間編織井網(wǎng)。因此，適用于空間編織井網(wǎng)的條件為儲層最大、最小水平主應(yīng)力差異較小；壓裂易形成水平縫；儲層滲透率較低且非均質(zhì)性強的區(qū)域。

1.2 編織井網(wǎng)的設(shè)計

常規(guī)的井網(wǎng)由直井、水平井構(gòu)成，或者水平井和直井的混合井網(wǎng)，它們在空間的某一維度上相同，由此三維空間的井網(wǎng)布置轉(zhuǎn)換為二維面上的點的布置。典型的有正對排列、交錯排列、反五點井網(wǎng)、反九點井網(wǎng)、反七點井網(wǎng)等等，都可以按照簡單的拓撲性原理完成井網(wǎng)的設(shè)計。但是對于弓形井而言，完成三維空間控制的井網(wǎng)設(shè)計，只能從三維空間的角度設(shè)計。通過大量的數(shù)值模擬試算，提出了3種類型的井網(wǎng)：①平行正對排弓形井井網(wǎng)；②平行錯位排弓形井井網(wǎng)；③編織狀正交三維立體狀弓形井井網(wǎng)（圖1）。其中編織狀三維立體狀弓形井井網(wǎng)是設(shè)計的新型井網(wǎng)。

圖1 3種弓形井的空間井網(wǎng)Fig.1 Three types of spatial well pattern for bow-shape horizontal well

正對排弓形井井網(wǎng)如圖1a 所示，多口弓形井按相同的方向布置，基本沿著波形曲線布井。相鄰的油井平行分布，峰點對應(yīng)峰點，谷點對應(yīng)谷點。這種類型的井網(wǎng)設(shè)計簡單，但在三維空間的控制程度上存在薄弱區(qū)域。為了彌補正對排弓形井井網(wǎng)的弱點，圖1b提出了錯位排列弓形井井網(wǎng)，所有的弓形井仍然按照相同的方向布井，但相鄰的油井雖然平行分布，但峰點對應(yīng)谷點，谷點對應(yīng)峰點，形成高低錯位。編織狀正交弓形井三維立體井網(wǎng)如圖1c 所示，弓形井的方向分為2 組，每組油井按相同的方向布井，兩組油井在平面的投影圖上相互垂直，所以是一類正交井網(wǎng)。在每一組內(nèi)，相鄰的弓形井呈平行錯位排列，整體的形狀如同編織條的分布。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 水平壓裂縫模擬方法

目前處理壓裂縫的方法有很多如局部網(wǎng)格加密、滲透率等效處理方法、表皮系數(shù)等效處理方法，垂直平分（PEBI）網(wǎng)格法，采用這些處理方法有一個明顯的缺點就是運算速度慢，且不能精確模擬裂縫的形態(tài)。而采用離散式壓裂縫嵌入到油藏網(wǎng)格系統(tǒng)，網(wǎng)格厚度為零，壓裂縫的方位、傾角、縫高、縫長等參數(shù)均可以實現(xiàn)準(zhǔn)確模擬[29]。

離散壓裂縫的網(wǎng)格系統(tǒng)其實為低維網(wǎng)格系統(tǒng)，網(wǎng)格沒有厚度，但厚度以數(shù)值方式表示，網(wǎng)格的面積和空間的分布與實際的壓裂縫基本相同。為了得到實際油井的水平壓裂縫，采用壓裂縫離散模型，根據(jù)應(yīng)力和施工曲線對形成的壓裂縫進行預(yù)測，然后再根據(jù)生產(chǎn)動態(tài)參數(shù)對產(chǎn)生的壓裂縫縫長，縫密度等參數(shù)進行校正。在此采用tNavigator軟件的壓裂縫預(yù)測模塊開展這項工作。

2.2 數(shù)值模型與參數(shù)設(shè)置

不考慮壓裂縫的條件下，對比3種井網(wǎng)的衰竭式開采效果。根據(jù)對稱原理，對稱軸相當(dāng)于不滲透界面，所以根據(jù)圖1中對應(yīng)井網(wǎng)提取單元，建立圖2所示的數(shù)值模型，模型的尺寸為1 000 m×1 000 m×60 m。

同理根據(jù)圖2中各種井網(wǎng)，按照對稱軸與封閉邊界的相似性，建立如圖3所示的數(shù)值模型。圖中的井軌跡顯示為折線，這是由于數(shù)值模擬方法采用折線方式處理斜井的緣故。3 個井網(wǎng)模型采用相同的油藏參數(shù)設(shè)置。

圖2 3種弓形井的空間井網(wǎng)數(shù)值模型Fig.2 Simulation models of three types of spatial well pattern for bow-shape horizontal well

圖3 3種弓形井多級水平縫壓裂的空間井網(wǎng)數(shù)值模型Fig.3 Simulation models of three types of spatial well pattern for bow-shape horizontal well with horizontal fractures

機理模型采用油水兩相（后期注水模擬），具體參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 模擬參數(shù)設(shè)置Table 1 Settings of simulation parameters

3 結(jié)果討論

3.1 三類井網(wǎng)的開發(fā)效果

模擬計算10 a，對比累產(chǎn)油量和產(chǎn)油量指標(biāo)（圖4）可知，未壓裂條件下，弓形井的產(chǎn)油量遞減較快，編織狀正交弓形井可以有效控制儲層。因此，單井產(chǎn)量較高，但仍難以維持穩(wěn)產(chǎn)狀態(tài)（圖4a）。對于累產(chǎn)油量（圖4b），編織狀正交弓形井三維立體井網(wǎng)明顯好于其他2 個井網(wǎng)。3 種井網(wǎng)在未壓裂條件下，開采效果由好到差依次為空間編織井網(wǎng)、平行錯位井網(wǎng)以及平行正對井網(wǎng)。

圖4 3種井網(wǎng)未壓裂條件下產(chǎn)油量、累產(chǎn)油量的對比Fig.4 Compare of oil production of three well patterns without fracturing

對弓型井進行多層水平縫的壓裂，油藏的地應(yīng)力特征將導(dǎo)致所產(chǎn)生的裂縫主要為水平縫。水平縫的長寬大約為200 m，圖5 顯示了3 種不同方案的數(shù)值模擬預(yù)測的結(jié)果。編織狀正交弓形井可以有效控制儲層，因此，單井產(chǎn)量較高，穩(wěn)產(chǎn)時間較長。3種井網(wǎng)在壓裂條件下都可以維持穩(wěn)產(chǎn)狀態(tài)（圖5a）。對于累產(chǎn)油量（圖5b），編織狀正交弓形井三維立體井網(wǎng)明顯好于其他2 個井網(wǎng)。3 種井網(wǎng)在壓裂條件下，開采效果由好到差依次為空間編織井網(wǎng)、平行錯位井網(wǎng)和平行正對井網(wǎng)。

圖5 3種井網(wǎng)壓裂條件下產(chǎn)油量、累產(chǎn)油量的對比Fig.5 Compare of oil production of three well patterns with fracturing

3 種井網(wǎng)生產(chǎn)5 a 條件下的壓力分布情況（圖6）表明，空間編織井網(wǎng)由于生產(chǎn)井軌跡相互交錯，引起了油藏的大面積壓降，說明油井對儲層存在有效控制。進一步對比考慮多級水平縫和不考慮多級水平壓裂的井網(wǎng)的數(shù)值模擬成果，可以認為隨著水平壓裂縫的尺寸增加，將減弱平行交錯井網(wǎng)與編織狀正交弓型井網(wǎng)的差別。

圖6 3種弓形井多級水平縫壓裂的空間壓降關(guān)系Fig.6 Pressure distribution of three types of spatial well pattern for bow-shape horizontal well

3.2 注水井網(wǎng)—七點注水井網(wǎng)

采取衰竭開發(fā)方式時因地層能量不足，需要注入流體進行補充和驅(qū)替。注水井網(wǎng)類型及注采單元見圖7。生產(chǎn)井同期注水生產(chǎn)，注入井壓裂縫滲流區(qū)域流體主要為擬徑向流動，向生產(chǎn)井的驅(qū)替前緣較平整，原油通過生產(chǎn)井被采出。生產(chǎn)10 a 后，區(qū)域邊緣壓力明顯恢復(fù)上升，向右的驅(qū)替前緣近似圓弧狀，使得生產(chǎn)后期見水后可能出現(xiàn)死油區(qū)。

圖7 弓形井的七點注水井網(wǎng)Fig.7 7-points water flooding well pattern of bow-shape horizontal well

根據(jù)模型，定注水量8 m3/d，但在模擬開發(fā)中發(fā)現(xiàn)最高注入能力3.2 m3/d，由圖8 可以看出弓形井的注水受效效果并不明顯。模擬研究表明，井距和排距一定條件下，隨著弓形段長由600 m 逐漸增至1 400 m，井組單元控制面積增大，雖日產(chǎn)油量增加，但采油速度變緩，注水受效效果慢。

圖8 注水開發(fā)與衰竭開發(fā)生產(chǎn)曲線對比Fig.8 Contrast pattern of water injection development and depletion development

3.3 注水參數(shù)優(yōu)化

在弓形段長和排距一定條件下，采出程度隨井距的增加而降低，這是由于井距雖然增大，井組單元控制面積增大，但井壓裂縫參數(shù)不變，采出程度降低。減小排距，前期可以縮減注水受效時間，后期見水后可能導(dǎo)致快速水淹。因此，需要尋找段長、排距、井距的最優(yōu)值。

根據(jù)圖9，曲線導(dǎo)數(shù)轉(zhuǎn)折點即為最優(yōu)值（圖10），模型中最佳弓形段長為1 000 m，井距為1 200 m，排距為200 m，半縫長為80 m，半縫寬為70 m。這為采取措施提高壓裂工藝和注水能力從而提高采收率提供了依據(jù)。

圖9 弓形井的七點注水井網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果Fig.9 Optimization results of 7-points water flooding well pattern of bow-shape horizontal well

圖10 弓形井的七點注水井網(wǎng)優(yōu)化后采出程度Fig.10 Optimized recovery curve of 7-points water flooding well pattern of bow-shape horizontal well

注水時水平壓裂縫的縫長和縫寬具有雙面性。增加壓裂縫的長度和寬度，可以增強注入井注水能力和生產(chǎn)井產(chǎn)油能力。但壓裂縫的縫長、縫寬會增加見水風(fēng)險。根據(jù)圖11，考慮到經(jīng)濟效益，縫長80 m，縫寬70 m為該模型參數(shù)的最優(yōu)值。

圖11 七點注水裂縫形態(tài)優(yōu)化結(jié)果Fig.11 Optimization results of 7-points water flooding well pattern of fracture shape

該次研究針對一種新型井網(wǎng)進行了初步探索。根據(jù)模擬得出采用七點井網(wǎng)注水補充了地層能量，大幅提高了采收率，采出程度由衰竭開發(fā)的1%左右提高至9%左右；改變了滲流狀態(tài)，使得區(qū)域邊緣和井間剩余油得以有效驅(qū)替；注水開發(fā)時，井距、排距和弓形段長、壓裂縫縫長、縫寬存在最優(yōu)值。

4 結(jié)論與建議

1）常規(guī)井網(wǎng)下的多層水平縫+大位移弓型水平井的開采方式，雖能連通多個薄層，實現(xiàn)合采，但是衰竭開采方式下提高采收率有限。

2）有別于常規(guī)井網(wǎng)，研究探索了多層水平縫+弓形井的適用井網(wǎng)類型，首創(chuàng)編織狀三維立體井網(wǎng)。在相同的井?dāng)?shù)和鉆井進尺條件下，該井網(wǎng)的油產(chǎn)量、累產(chǎn)油量、油藏采出程度高于正對井排和交錯井排；不過隨著水平壓裂縫規(guī)模擴大，與交錯井排的差距減小。

3）探索多水平縫弓型水平井開發(fā)適用井網(wǎng)機理模型，建立七點注水井網(wǎng)。根據(jù)模擬得出采用七點井網(wǎng)注水補充了地層能量，也改變了滲流狀態(tài)，使得區(qū)域邊緣和井間剩余油得以有效驅(qū)替，采收率明顯提高。