淺層致密砂巖油藏直井水平縫壓裂參數(shù)優(yōu)化研究

高振東，吳 玟，王銘偉，孟選剛，汪 洋，陳 強(qiáng)

（1.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西西安 717200；2.中國石油西南油氣田分公司，四川成都 610000；3.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都 610500；4.重慶大學(xué)資源與安全學(xué)院，重慶 400044）

延長油田長6 儲層巖性主要為中-細(xì)粒長石砂巖，埋深550～800 m，儲層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，喉道細(xì)，分選差。儲層滲透率主要分布在11.76～100.00 mD，孔隙度主要分布在19%以下，屬低滲透儲層，以孔隙膠結(jié)為主，高嶺石和綠泥石是主要膠結(jié)物，含少量碳酸鹽，與延安組儲層相比，泥質(zhì)含量較高。油層壓力和溫度低，壓力系數(shù)介于0.64～0.80 MPa/l00m，地層溫度梯度3 ℃/l00m。儲層為多期河流疊加，油層段泥質(zhì)夾層較多，單個(gè)油層內(nèi)平均2～3 個(gè)夾層，厚度0.5～5.0 m。但油層下部大多無明顯的遮擋條件。橫向上物性變化級差大于10，呈現(xiàn)出較為明顯的非均質(zhì)性。儲層油水關(guān)系復(fù)雜，砂體上部為油層，下部有大段底水，縱向上含油飽和度呈“上高下低”的特征，靠近下部水層的儲層滲透率相對較好。長6 油層具有“三低”特征，大部分儲層具有油水同層、底邊水、儲層較致密且連通性差、油水層關(guān)系復(fù)雜、油藏類型多樣等特征[1-5]。

國內(nèi)學(xué)者在壓裂裂縫形態(tài)及分布方面取得了一些研究成果，主要為：壓裂水平縫各種模型的建立和推導(dǎo)、裂縫參數(shù)變化對產(chǎn)能影響，壓裂水平縫識別與監(jiān)測[6-10]。淺層油藏水力壓裂后，存在水平裂縫形態(tài)，有必要對壓裂水平裂縫的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，指導(dǎo)單井壓裂設(shè)計(jì)。

1 水平裂縫參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)原理

假設(shè)在厚度為h的地層中，壓裂后產(chǎn)生以井軸為中心，填砂半徑為rf的水平裂縫。縫面周圍地層受壓裂液污染，滲透率降低。為了考慮地層系數(shù)和填砂裂縫導(dǎo)流能力的非均勻性，以及壓裂液污染沿縫面程度的不同，將井徑rw與供油半徑re之間的地層分成M 個(gè)小環(huán)段，其中rw到rf之間為N 個(gè)小環(huán)段（見圖1）。假設(shè)壓裂前后液體均嚴(yán)格按徑向流的方式，從供油半徑re處流向井底。考慮壓裂前后rw～re范圍內(nèi)的流體滲流阻力：

圖1 水平裂縫徑向段劃分示意圖

壓裂前，地層中不存在裂縫，rw～re范圍內(nèi)滲流阻力應(yīng)為此范圍內(nèi)M 個(gè)小環(huán)段滲流阻力之和（串聯(lián)）：

壓裂后，地層中產(chǎn)生一水平裂縫。rw～re范圍內(nèi)的滲流阻力Z 應(yīng)為rw～re含縫段滲流阻力Z1與rw～re不含縫段滲流阻力Z2之和：

在含縫段，Z1是rw～re約上N 個(gè)小環(huán)段滲流阻力Zfi（i=0，1，…，N-1）之和。

而每一個(gè)小環(huán)段的滲流阻力又是該環(huán)段上未受壓裂液污染地層的滲流阻力，受壓裂液污染地層的滲流阻力以及填砂裂縫滲流阻力三者并聯(lián)的結(jié)果，即:

式中：Ki-第i 個(gè)環(huán)段上未損害儲層滲透率，10-3μm2；Kfi-第i 個(gè)環(huán)段上填砂裂縫滲透率，10-3μm2；Wfi-第i 個(gè)環(huán)段上填砂裂縫寬度，mm；Kli-第i 個(gè)環(huán)段上縫面受損害儲層滲透率，10-3μm2；hfi-第i 個(gè)環(huán)段上縫面上下受損害總厚度，m；h-地層厚度，m；μ-液體黏度，mPa·s。

上式整理得：

ΔCDi的物理含義表示為壓裂有效裂縫導(dǎo)流能力。那么，式（5）成為：

rf～re段的滲流阻力完全由地層產(chǎn)生（忽略閉合縫對地層系數(shù)的影響）：

將式（6）、（7）代入式（2）有：

壓裂前后的產(chǎn)率比為滲流阻力比的倒數(shù)：

式（9）就是預(yù)測水平裂縫壓裂產(chǎn)率比的一般公式。取平均值Kh作為未污染地層的地層系數(shù)，填砂裂縫導(dǎo)流能力取平均值KfWf。式（9）中令M=2，N=1，Kih=Kh，i=0，1，ΔCD0=ΔCD=Wf（Kf－K）-hf（K－Kf）。

整理得到：

按照式（10）可形成不同裂縫導(dǎo)流能力與地層系數(shù)比值、裂縫穿透條件下的增產(chǎn)倍比，根據(jù)增產(chǎn)倍比的變化情況確定最優(yōu)裂縫穿透比。

確定裂縫長度后，根據(jù)Cinco 準(zhǔn)則確定滿足增產(chǎn)需求的最小裂縫寬度。對于水平裂縫：

2 裂縫參數(shù)單因素優(yōu)化

2.1 采油直井穿透比影響分析

日產(chǎn)油量隨時(shí)間先出現(xiàn)降低，后出現(xiàn)一定增幅，最后再降低。出現(xiàn)這樣的趨勢，是因?yàn)樯a(chǎn)初期，未見注水效果，隨地層壓力降低產(chǎn)油量降低；隨著注水能量不斷補(bǔ)充，地層壓力升高，產(chǎn)油量增加；后期，隨著油井含水率增加以及原油不斷采出，日產(chǎn)油量不斷降低。采油井壓裂后的日產(chǎn)油量比不壓裂大大增加，在生產(chǎn)初期，日產(chǎn)油量隨穿透比增加而不斷增加，穿透比從0.2 增加到0.4 時(shí)增幅明顯，從0.4 增加到0.6，增幅減小，并且遞減加快。生產(chǎn)中后期，穿透比對日產(chǎn)油量影響不明顯。綜合來看，穿透比0.4～0.6 最佳（見圖2）。

圖2 采油井不同穿透比下日產(chǎn)油量隨時(shí)間變化曲線

采出程度隨時(shí)間不斷增加，到后期增加幅度變緩，采出程度隨穿透比增加而不斷增加，穿透比從0 增加到0.2，采出程度增加顯著，說明采油井壓裂的必要性，穿透比從0.2 增加到0.4，采出程度仍有明顯的增加，從0.4 增加到0.6，增幅減小。因此從采出程度來看，穿透比在0.2～0.4 最佳（見圖3）。

圖3 采油井不同穿透比下采出程度隨時(shí)間變化曲線

前期含水率保持為初始含水率，隨時(shí)間增加，中后期增加迅速。壓裂后含水率比不壓裂含水率增加明顯，隨穿透比增加，含水率不斷增加。從控制油田含水角度出發(fā)，油井穿透比不宜過大（見圖4）。

圖4 采油井不同穿透比下含水率隨時(shí)間變化曲線

2.2 采油井導(dǎo)流能力

日產(chǎn)油量隨時(shí)間先出現(xiàn)降低，后出現(xiàn)一定的增幅，最后再降低。出現(xiàn)這樣的趨勢，是因?yàn)樯a(chǎn)初期，未見注水效果，隨地層壓力降低產(chǎn)油量降低；隨著注水能量的不斷補(bǔ)充，地層壓力升高，產(chǎn)油量增加；到了后期，隨著油井含水率增加以及原油不斷采出，日產(chǎn)油量不斷降低。采油井壓裂后的日產(chǎn)油量比不壓裂大大增加，在生產(chǎn)初期，日產(chǎn)油量隨導(dǎo)流能力增加而不斷增加，但增幅逐漸減小。在生產(chǎn)中后期，導(dǎo)流能力對日產(chǎn)油量影響不明顯。綜合來看，導(dǎo)流能力在30 D·cm 左右最佳（見圖5）。

圖5 采油井不同導(dǎo)流能力下日產(chǎn)油量隨時(shí)間變化曲線

采出程度隨時(shí)間不斷增加，采出程度隨導(dǎo)流能力增加而不斷增加，導(dǎo)流能力從0 增加到10 D·cm，采出程度增加顯著，說明采油井壓裂的必要性，導(dǎo)流能力從10 D·cm 增到40 D·cm，采出程度不斷增加，但增幅不斷減小。因此從采出程度看，導(dǎo)流能力在30 D·cm 左右最佳（見圖6）。

圖6 采油井不同導(dǎo)流能力下采出程度隨時(shí)間變化曲線

隨時(shí)間增加，前期含水率增加平緩，中后期增加迅速。壓裂后含水率比不壓裂含水率增加明顯，隨導(dǎo)流能力增加，含水率不斷增加。從控制油田含水角度出發(fā)，油井裂縫導(dǎo)流能力不宜過大（見圖7）。

綜合以上，采油直井裂縫穿透比在0.4 左右最佳，采油直井裂縫導(dǎo)流能力在30 D·cm 左右最佳。

3 壓裂水平縫參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

以延長油田長6 儲層為例來說明水平裂縫參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。油藏基本參數(shù)：埋藏深度400～600 m、正方形反九點(diǎn)200×200 m 井網(wǎng)、儲層厚度h=5 m、地層滲透率k=7.5 mD。根據(jù)儲層埋藏深度和選用石英砂作為支撐劑，當(dāng)?shù)貙佑行ч]合應(yīng)力為8 MPa 時(shí)，所選用支撐劑能夠提供320.5 μm2·cm，考慮長期導(dǎo)流能力和壓裂液的傷害，取實(shí)驗(yàn)室值的20%，即選擇的支撐劑提供64.1 μm2·cm。那么裂縫導(dǎo)流能力與地層系數(shù)的比值為：

油井壓裂后形成水平裂縫壓裂增產(chǎn)倍比曲線（見圖8）。由圖8 水平裂縫壓裂增產(chǎn)倍比曲線可知，當(dāng)裂縫導(dǎo)流能力與地層系數(shù)比值為17.8 時(shí)，壓裂后油藏增產(chǎn)倍數(shù)隨裂縫穿透率增加而增大，當(dāng)裂縫穿透率增加到0.8以后，壓后產(chǎn)量增產(chǎn)倍數(shù)就明顯降低。

圖8 水平裂縫壓裂增產(chǎn)倍比曲線

分析圖8 水平裂縫壓裂增產(chǎn)倍比曲線，裂縫穿透比遠(yuǎn)大于裂縫導(dǎo)流能力與地層系數(shù)的比值對增產(chǎn)倍比的影響，因此，壓裂裂縫只要在滿足生產(chǎn)需要的基礎(chǔ)上，應(yīng)主要將支撐劑量用于形成長的裂縫穿透比（見圖9）?？紤]到鄰井干擾以及施工風(fēng)險(xiǎn)等因素，將支撐縫長優(yōu)選泄油半徑的80%（按井距200 m 計(jì)算，泄油半徑為100 m）的80%，即80 m 左右。因此，施工規(guī)模以支撐縫長為80 m 的目標(biāo)來確定。根據(jù)針對水平裂縫的Cinco 準(zhǔn)則，為了取得較好的增產(chǎn)效果，要求FCD≥10。

圖9 支撐劑用量與穿透比關(guān)系曲線

4 結(jié)論及建議

（1）依據(jù)滲流阻力原理，建立了直井壓裂水平裂縫參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；

（2）以延長油田長6 層位為例，采用反九點(diǎn)井網(wǎng)開采，井距200×200 m，儲層厚度為5 m，儲層滲透率范圍為（5.5～9.5）×10-3μm2，優(yōu)化的裂縫長度為80 m，支撐裂縫寬度為1.3～1.6 mm。