楊勝芝付春波 楊 龍 趙 娟 李 堯 ,2) 鎖玉霞
*(中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第八采油廠,西安 710021)
?(中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采油廠,甘肅慶陽(yáng) 745000)
**(長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院,武漢 430100)
??(西安華線石油科技有限公司,西安 710065)
近十年特低滲透油氣藏等非常規(guī)油氣資源的開(kāi)發(fā)在國(guó)內(nèi)油氣田開(kāi)發(fā)中占有重要地位。壓裂直井及多段壓裂水平井技術(shù)是該類儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)[1-2],為了實(shí)現(xiàn)增注,也經(jīng)常對(duì)油井對(duì)應(yīng)的注水井進(jìn)行壓裂造縫[3],通過(guò)壓力試井分析可以獲得地層相關(guān)參數(shù)和裂縫相關(guān)參數(shù),對(duì)于合理開(kāi)發(fā)效果評(píng)價(jià)及產(chǎn)能評(píng)價(jià)具有重要的作用。關(guān)于壓裂井的試井分析模型,根據(jù)求解方法的不同,可大致分為基于解析試井模型和數(shù)值試井模型兩類,早期 Agarwal 等[4]提出了無(wú)限大油藏有限導(dǎo)流垂直裂縫常流壓下產(chǎn)量與時(shí)間的變化曲線,此結(jié)果為解析解;Cinco-Ley 等[5]基于解析解建立了考慮井筒儲(chǔ)存和裂縫表皮效應(yīng)的有限導(dǎo)流垂直裂縫的導(dǎo)數(shù)圖版;郭大立等[6]根據(jù)壓裂井的流動(dòng)機(jī)制建立了一種垂直裂縫井試井分析的新模型;王西強(qiáng)等[7]建立了導(dǎo)流能力不均勻的部分壓開(kāi)垂直裂縫試井模型,通過(guò)Laplace 方法,獲得井底壓力解并繪制典型曲線圖版;張守江等[8]利用離散坐標(biāo)法建立了垂直裂縫井的瞬態(tài)壓力分析的半解析模型。
解析法試井模型在建立過(guò)程中其物理模型和數(shù)學(xué)模型存在較多的假設(shè)和近似,與實(shí)際儲(chǔ)層匹配程度低,存在一定的誤差,而數(shù)值試井技術(shù)基于網(wǎng)格剖分技術(shù),能夠精細(xì)評(píng)價(jià)水力壓裂形成的人工裂縫,可以獲取地下流動(dòng)的描述,輔助二次采油、三次采油方案的制定,對(duì)裂縫井?dāng)?shù)值試井的研究具備重要的應(yīng)用價(jià)值。Birdsell 等[9]考慮儲(chǔ)層中不同區(qū)域不同滲透率建立了壓裂井的數(shù)值模型,Wan 等[10]和Chen 等[11]考慮壓裂裂縫與天然裂縫的組合建立數(shù)值試井模型并進(jìn)行了求解;孫賀東等[12]考慮裂縫性應(yīng)力敏感,利用有限元方法開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的數(shù)值試井軟件;孔憲輝[13]對(duì)于裂縫井考慮內(nèi)邊界模型,并應(yīng)用于垂直平分(perpendicular bisection,PEBI)網(wǎng)格中;歐陽(yáng)偉平等[14]建立了考慮解吸作用的煤層氣無(wú)限導(dǎo)流垂直裂縫井試井模型,推導(dǎo)出了有限元方程的數(shù)值解;萬(wàn)義釗等[15]基于離散裂縫模型,對(duì)裂縫進(jìn)行簡(jiǎn)化,建立了二維多段壓裂水平井有限導(dǎo)流裂縫數(shù)值試井模型。
在裂縫井試井分析中,表皮因子作為評(píng)價(jià)近井地層污染情況的參數(shù)對(duì)解釋裂縫壓裂效果具有重要作用,早期Cinco-Ley 等[16]給出了裂縫井的表皮因子定義式,此后被廣泛應(yīng)用。目前無(wú)論在解析解模型還是在數(shù)值模型的求解過(guò)程中,裂縫的表皮因子均考慮為一個(gè)定值[17-20],但在實(shí)際壓裂措施中,由于壓裂能量的衰竭、壓裂液濾失、壓裂液返排、地層非均質(zhì)性等原因,可能造成沿裂縫方向不同位置裂縫壁面污染情況不同的結(jié)果,采用單一均勻的表皮因子進(jìn)行描述存在一定的局限性。同時(shí)對(duì)于多段壓裂水平井來(lái)說(shuō),目前試井解釋方法無(wú)法精確落實(shí)每段的裂縫表皮因子,亟需進(jìn)一步研究攻關(guān)??傮w而言,裂縫表皮因子不僅關(guān)乎壓裂效果評(píng)價(jià),同時(shí)進(jìn)一步影響著壓裂井的產(chǎn)能評(píng)價(jià)及后續(xù)的生產(chǎn)措施,故而,表皮因子更加精確且合理的解釋分析及應(yīng)用十分重要。
因此,本文從表皮因子定義的角度出發(fā),考慮沿裂縫非均勻分布的表皮因子特征,基于數(shù)值方法,建立考慮非均勻分布表皮因子及井筒儲(chǔ)集系數(shù)的裂縫井產(chǎn)量模型,并提出擴(kuò)展到多段壓裂水平井的應(yīng)用方法,將其應(yīng)用于有限體積離散的網(wǎng)格中,對(duì)比分析了不同表皮分布規(guī)律下的壓力試井曲線特征及壓力分布變化規(guī)律,并通過(guò)實(shí)例計(jì)算驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果的可靠性,補(bǔ)充完善了裂縫井試井解釋分析理論,對(duì)于非常規(guī)油氣井的產(chǎn)能評(píng)價(jià)與認(rèn)識(shí)有重要意義。
假設(shè)裂縫地層與裂縫之間為線性流,考慮垂直裂縫,儲(chǔ)層全部壓穿裂縫,表皮因子存在于地層與裂縫的線性流階段,為了考慮表皮因子沿裂縫的非均勻分布,假設(shè)不同表皮污染區(qū)網(wǎng)格滲透率不同,如圖1 所示。
圖1 裂縫示意圖Fig.1 Fracture schematic
與壓裂井裂縫相鄰的第i個(gè)網(wǎng)格的地層產(chǎn)量可以表示為
式中,ad為單位換算系數(shù),0.085 3;qi為與裂縫相鄰第i個(gè)網(wǎng)格產(chǎn)量,m3/d;K為與裂縫相鄰第i個(gè)網(wǎng)格滲透率,mD;h為與裂縫相鄰的第i個(gè)網(wǎng)格厚度,m;μ為流體黏度,mPa·s;B為流體體積系數(shù),無(wú)量綱;d為與裂縫相鄰網(wǎng)格中心距表皮污染區(qū)的距離,m;L為與裂縫相鄰第i個(gè)網(wǎng)格寬度,m;pi為與裂縫相鄰第i個(gè)網(wǎng)格壓力,MPa;pwfs為表皮污染區(qū)壓力,MPa。
同時(shí)第i個(gè)網(wǎng)格表皮污染區(qū)產(chǎn)量為
式中,Ks為表皮污染區(qū)的滲透率,mD;ds為表皮污染區(qū)的寬度,m;pwf為裂縫內(nèi)壓力,MPa。
由于流體經(jīng)過(guò)流動(dòng)剖面的流量是等效的,因此根據(jù)流量等效原則,聯(lián)立式(1)和式(2),可得
其中,dr=ds+d。
則其附加壓力損失為
根據(jù)表皮因子定義
式中,xf為裂縫半長(zhǎng),m;Si為第i個(gè)網(wǎng)格表皮因子。
聯(lián)立式(4)和式(5)可得第i個(gè)網(wǎng)格處表皮因子表達(dá)式
考慮裂縫的對(duì)稱性,構(gòu)建裂縫表皮因子與距離的關(guān)系式
式中,S1為裂縫井中心處表皮因子,S2為裂縫根部處表皮因子,m為方程系數(shù),當(dāng)m等于0 時(shí),表皮因子分布為常數(shù)分布,m等于1 時(shí),表皮因子分布為線性分布。
油藏中流體的流動(dòng)是等溫滲流;油藏?zé)N類只含單相油,油藏流體弱可壓縮;不考慮滲流過(guò)程中重力和毛管力的影響;不考慮井筒滲流;考慮裂縫為無(wú)限導(dǎo)流裂縫;考慮表皮因子沿裂縫非均勻分布,考慮井筒儲(chǔ)集效應(yīng);內(nèi)邊界定產(chǎn),外邊界封閉。
將井作為內(nèi)邊界處理,與多個(gè)網(wǎng)格相連,則針對(duì)與裂縫相鄰的網(wǎng)格塊i,將式(6)代入式(3)整理得
其中,產(chǎn)量指數(shù)Fi為
考慮隱式格式,地層流入井筒的總流量為
式中,n為時(shí)間點(diǎn);j為所有與裂縫相鄰的網(wǎng)格編號(hào)。
考慮井筒儲(chǔ)集效應(yīng)的流量為
式中,Qs為井筒流量,m3/d;C為井筒儲(chǔ)集系數(shù),m3/MPa;Δt為時(shí)間,d。
對(duì)定產(chǎn)生產(chǎn)井,其總流量為
式中,Q為地面總流量,m3/d。
由式(12)可得井底流壓表達(dá)式
將式(13)代入式(8)可得第i個(gè)網(wǎng)格塊流向裂縫的流量
在獲得產(chǎn)量模型后,結(jié)合滲流模型的離散,地層中所有網(wǎng)格塊可以組成一個(gè)大型稀疏線性方程組,通過(guò)方程求解,可得到每一個(gè)網(wǎng)格不同時(shí)刻的壓力大小,滲流模型的離散及求解方法已較成熟[21],這里不再贅述。
上述模型主要基于一條裂縫進(jìn)行構(gòu)建,針對(duì)多段壓裂水平井,考慮針對(duì)多條裂縫同時(shí)構(gòu)建考慮非均勻分布表皮因子的產(chǎn)量模型。
多段壓裂水平井的總產(chǎn)量可寫為
其中,m代表多段壓裂水平井的不同裂縫。
進(jìn)而可以得到井底壓力表達(dá)式
通過(guò)產(chǎn)量和壓力的耦合即可進(jìn)行求解計(jì)算,從而將所構(gòu)建的模型方法延伸到多段壓裂水平井中,實(shí)現(xiàn)方法的擴(kuò)展應(yīng)用。
本文的離散方法為有限體積離散,采用PEBI 網(wǎng)格,外邊界考慮為矩形邊界,離散形式如圖2 所示,井周圍離散形式如圖3 所示。
圖2 裂縫井全區(qū)網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Grid division map of fractured well
圖3 裂縫井附近網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Grid division map near fractured well
若考慮多段壓裂水平井,同樣可以進(jìn)行網(wǎng)格剖分,多段壓裂水平井網(wǎng)格剖分示意圖如圖4所示。
圖4 多段壓裂水平井網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Grid division map of multi stage fracturing horizontal welll
經(jīng)過(guò)網(wǎng)格離散之后,即可將離散后的方程作用在網(wǎng)格上,從而計(jì)算壓力變化規(guī)律;為了對(duì)比分析沿裂縫分布不均勻的表皮因子的影響,考慮三種裂縫表皮分布規(guī)律,分別研究其雙對(duì)數(shù)圖及壓力分布圖的特征。其中,表皮分布規(guī)律如圖5所示,分別為均勻分布特征(一類)、中心大兩邊小的線性分布特征(二類)、中心小兩邊大的線性分布特征(三類)。
圖5 不同表皮因子分布規(guī)律示意圖Fig.5 Schematic diagram of distribution law of different skin factors
模型計(jì)算使用的基礎(chǔ)參數(shù)見(jiàn)表1。表中,φ為孔隙度,小數(shù);Ct為綜合壓縮系數(shù),MPa–1。
表1 基礎(chǔ)參數(shù)表Table 1 Basic parameter table
基于所構(gòu)建的數(shù)值模型,可以計(jì)算得到不同裂縫表皮因子分布規(guī)律下的壓力試井雙對(duì)數(shù)曲線如圖6 所示。
圖6 不同表皮分布規(guī)律下試井雙對(duì)數(shù)曲線圖Fig.6 Double logarithm curve of well test under different skin distribution laws
由圖6 可知,不同的裂縫表皮因子分布規(guī)律對(duì)試井雙對(duì)數(shù)曲線影響較大,其中,一類表皮因子均勻分布規(guī)律下,試井曲線早期過(guò)渡段由于表皮因子影響壓力導(dǎo)數(shù)曲線出現(xiàn)凸起,中期出現(xiàn)壓差壓導(dǎo)平行的裂縫線性流段,后期由于封閉邊界出現(xiàn)壓差壓導(dǎo)均為斜率1 的邊界響應(yīng)段;二類表皮因子中心大兩邊小的分布規(guī)律下,相比于一類試井曲線,由于井中心表皮因子較大,導(dǎo)致其早期壓差曲線明顯增大,過(guò)渡段壓力導(dǎo)數(shù)曲線凸起段向上向后移動(dòng),掩蓋了裂縫線性流特征;三類表皮因子中心小兩邊大的分布規(guī)律下,由于中心較小的表皮因子,其試井曲線早期過(guò)渡段壓力導(dǎo)數(shù)曲線凸起特征相比于一類曲線低,同時(shí)由于兩邊大的表皮因子,其壓差曲線中期相比于一類曲線高,并且徑向流出現(xiàn)時(shí)間較早。
對(duì)三類不同表皮因子分布規(guī)律下的地層中的壓力場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析,如圖7~圖9 所示。
圖7 一類分布模式下壓力分布圖Fig.7 Pressure distribution diagram under classⅠdistribution mode
圖8 二類分布模式下壓力分布圖Fig.8 Pressure distribution diagram under classⅡdistribution mode
圖9 三類分布模式下壓力分布圖Fig.9 Pressure distribution diagram under class Ⅲdistribution mode
為了便于對(duì)比,三個(gè)壓力場(chǎng)分布均采用同一時(shí)刻以及同一壓力區(qū)間進(jìn)行顯示,可以看出,一類表皮因子均勻分布規(guī)律下的壓力分布,其由于裂縫的存在及表皮均勻分布的原因,壓力整體呈類橢圓形向外擴(kuò)散;二類表皮因子中心大兩邊小的分布規(guī)律下的壓力分布,由于兩邊表皮因子相比于中心處小,導(dǎo)致裂縫兩端出現(xiàn)明顯壓降,中心處壓降較小,從而出現(xiàn)向中心凹的壓力分布規(guī)律;三類表皮因子中心小兩邊大的分布規(guī)律下的壓力分布,由于裂縫中心表皮因子較小,導(dǎo)致對(duì)應(yīng)裂縫中心壓降較明顯,同時(shí)裂縫造成的壓力呈類橢圓形的分布規(guī)律相比于一類不明顯,到外圍呈現(xiàn)近似圓形的壓力擴(kuò)散規(guī)律。
同時(shí)考慮同一種表皮因子的分布規(guī)律,變化不同位置表皮因子大小,進(jìn)一步研究其對(duì)試井曲線的影響規(guī)律,在此以第三類表皮因子分布規(guī)律為例,同時(shí)取4 種不同的表皮因子中心值及根端值進(jìn)行分析,表皮因子分布如圖10 所示。
圖10 不同表皮因子大小分布示意圖Fig.10 Schematic diagram of distribution of different skin factors
圖11 為針對(duì)圖10 的5 種不同表皮因子分布特征計(jì)算的雙對(duì)數(shù)曲線,可以看出,同樣的中心小兩邊大的線性分布規(guī)律下,不同表皮因子大小對(duì)曲線也有一定影響,裂縫中心表皮一定時(shí),端部表皮變化,主要影響早期過(guò)渡段的凸起特征,端部表皮越大,凸起越高,主要是由于端部表皮的增大,增加了滲流阻力,從而導(dǎo)致凸起特征更明顯,而中心處表皮無(wú)變化,從而不影響后續(xù)線性流段及徑向流段;當(dāng)裂縫端部表皮一定時(shí),裂縫中心表皮變化,既影響過(guò)渡段的凸起特征,也影響裂縫的線性流特征,裂縫中心的表皮因子越大,其凸起越高,同時(shí)其線性流持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),徑向流出現(xiàn)時(shí)間越晚,過(guò)渡段的凸起主要是由于表皮的增大導(dǎo)致滲流阻力的增大而引起,線性流段及徑向流段的影響主要是由于中心處表皮的增大,其分布規(guī)律更接近均勻分布,導(dǎo)致其線性流段時(shí)間增加且徑向流出現(xiàn)時(shí)間滯后;同時(shí)給定了一種較大的表皮因子分布方式(表皮因子從1 到3),在該分布方式下,試井曲線早期過(guò)渡段的凸起特征更加明顯,符合表皮因子的變化規(guī)律。需要注意的是,本文所構(gòu)建模型產(chǎn)量指數(shù)的計(jì)算方法導(dǎo)致無(wú)法處理計(jì)算負(fù)表皮的情形(負(fù)表皮導(dǎo)致產(chǎn)量指數(shù)為負(fù),從而模型無(wú)法計(jì)算),對(duì)于負(fù)表皮的情況可以考慮構(gòu)建復(fù)合區(qū)域模擬滲透率來(lái)進(jìn)行研究。
圖11 不同表皮因子分布下試井雙對(duì)數(shù)曲線圖Fig.11 Double logarithm curve of well test under different skin factor distribution
同時(shí)研究裂縫條數(shù)的影響規(guī)律,以圖4 所示多段壓裂水平井為例,裂縫半長(zhǎng)80 m,裂縫間距80 m,并且裂縫產(chǎn)量相等,裂縫均采用同一種中心小兩邊大的表皮分布模式,其中表皮因子中心值及根端值分別為0.2 和0.8,在此基礎(chǔ)上,分別考慮1 條裂縫、2 條裂縫、3 條裂縫進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算的雙對(duì)數(shù)曲線如圖12 所示。從圖中可以看出,由于考慮裂縫產(chǎn)量相等及表皮分布規(guī)律相等,因此不同裂縫在過(guò)渡段基本重合,主要區(qū)別在線性流及徑向流段,由于裂縫間的相互干擾,裂縫條數(shù)越多,其線性流段持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),且徑向流段出現(xiàn)時(shí)間越短,同時(shí)由于裂縫條數(shù)的增加導(dǎo)致產(chǎn)量增加,使其試井曲線邊界響應(yīng)段出現(xiàn)時(shí)間提前。
圖12 不同裂縫條數(shù)下試井雙對(duì)數(shù)曲線圖Fig.12 Double logarithm curve of well test under different fracture number
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試壓力恢復(fù)曲線對(duì)模型進(jìn)行分析計(jì)算,X1 井由于儲(chǔ)層物性差,單井產(chǎn)能低實(shí)施壓裂措施,壓裂后開(kāi)井生產(chǎn)一段時(shí)間后關(guān)井進(jìn)行試井測(cè)試,測(cè)試壓力恢復(fù)時(shí)間133 h,基礎(chǔ)參數(shù)見(jiàn)表2(表中,qo為關(guān)井前日產(chǎn)液量,m3/d)。在此基礎(chǔ)上分別采用常規(guī)壓裂井模型及本文所建立的非均勻分布表皮因子單條裂縫的壓裂井模型進(jìn)行解釋分析,試井?dāng)M合雙對(duì)數(shù)圖、壓力歷史圖及半對(duì)數(shù)圖如圖13~圖15 所示,其中非均勻分布表皮因子采用中心小兩端大的線性分布規(guī)律,同時(shí)擬合過(guò)程中,將中心表皮因子固定為零,擬合裂縫根部處表皮因子大小。
表2 基礎(chǔ)參數(shù)表Table 2 Basic parameter table
圖13 不同模型解釋試井雙對(duì)數(shù)曲線圖Fig.13 Double logarithm curve of well testing interpreted by different models
圖14 不同模型解釋試井壓力歷史圖Fig.14 Well test pressure history of well testing interpreted by different models
圖15 不同模型解釋試井半對(duì)數(shù)曲線圖Fig.15 Semilogarithmic curve of well testing interpreted by different models
從雙對(duì)數(shù)圖可以看出,兩種模型均能對(duì)曲線進(jìn)行一定程度的擬合,其中本文所建立的非均勻分布的表皮因子模型擬合效果相對(duì)更好一些,同時(shí)對(duì)比兩種模型的擬合參數(shù)結(jié)果,見(jiàn)表3。
表3 解釋結(jié)果表Table 3 Interpretation result table
從解釋結(jié)果表中可以看出,兩種模型擬合的滲透率較接近,主要是由于模型差異主要在近井表皮處,對(duì)儲(chǔ)層滲透性影響較小;擬合的裂縫表皮因子、井筒儲(chǔ)集系數(shù)及裂縫半長(zhǎng)差異均較大,而結(jié)合實(shí)際壓裂措施效果,通過(guò)微地震方法進(jìn)行的壓裂裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示裂縫方位為東南方向127.6°,觀測(cè)東翼縫長(zhǎng)為93 m,西翼縫長(zhǎng)為105.8 m,有效東翼縫長(zhǎng)為69.8 m,有效西翼縫長(zhǎng)為79.4 m,由此可以驗(yàn)證本文模型其解釋裂縫半長(zhǎng)更接近實(shí)際,而常規(guī)模型解釋裂縫半長(zhǎng)過(guò)短,同時(shí),在常規(guī)模型擬合解釋過(guò)程對(duì)裂縫半長(zhǎng)加以限制為60 m時(shí),其擬合效果較差。該井壓后關(guān)井0.5 h 后用8 mm 油嘴放噴0.5 h,然后下生產(chǎn)管柱開(kāi)抽,初期采用沖次8 次/min 進(jìn)行生產(chǎn),日產(chǎn)液18.2 m3,含水90.2%,然后僅在一周后下調(diào)工作制度采用沖次5 次/min 生產(chǎn),日產(chǎn)液10.3 m3,含水70.2%,此時(shí)含水仍較高,累計(jì)排液量也較少,總體排液時(shí)間較短,可能出現(xiàn)裂縫遠(yuǎn)端排液不充分導(dǎo)致裂縫根部出現(xiàn)較明顯的污染,因此本文所構(gòu)建模型擬合解釋結(jié)果相對(duì)于常規(guī)壓裂模型可靠性更好,也驗(yàn)證了本文所建立的模型方法的實(shí)用性。
(1)本文針對(duì)裂縫周圍區(qū)域的污染程度并非均勻單一的問(wèn)題,確定非均勻分布的裂縫表皮因子公式,建立了考慮非均勻分布表皮因子的裂縫井?dāng)?shù)值試井模型,并擴(kuò)展形成多段壓裂水平井試井模型,補(bǔ)充完善了壓裂改造井試井解釋分析理論。
(2)通過(guò)典型曲線對(duì)比分析,結(jié)果表明:裂縫表皮因子中心大兩邊小分布規(guī)律下,試井曲線過(guò)渡段凸起高度更高,線性流段持續(xù)時(shí)間變短,壓降主要集中于裂縫根部位置;裂縫中心小兩邊大分布規(guī)律下,試井曲線過(guò)渡段凸起高度更低,徑向流出現(xiàn)時(shí)間早,壓降主要集中于裂縫中心位置。
(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例計(jì)算,對(duì)比了常規(guī)模型與本文所構(gòu)建模型的計(jì)算結(jié)果,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文模型的實(shí)用性,為裂縫井的裂縫污染評(píng)價(jià)提供了一種新方法。