州6水平井試驗(yàn)區(qū)整體壓裂研究

翁定為 雷 群 丁云宏 楊 峰 王文軍 李存榮

（1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院研究生部，北京 100083；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院壓裂酸化中心，河北廊坊 065007；3.新疆油田公司，新疆克拉瑪依 834000；4.大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江大慶 163000）

州6試驗(yàn)區(qū)位于松遼盆地中央坳陷區(qū)三肇凹陷模范屯鼻狀構(gòu)造上，主力油層為FI4、FI7層，有效厚度范圍分別為0.8~5.8 m和1.7~8.3 m，平均巖心孔隙度11%，空氣滲透率平均1.2×10-3μm2。根據(jù)巖心及測(cè)井資料解釋油層天然裂縫不發(fā)育，最大水平主應(yīng)力方位為近東西向。試驗(yàn)區(qū)采用300 m×60 m矩形井網(wǎng)直井與水平井聯(lián)合開(kāi)發(fā)、線性注水方式布井，井排方向?yàn)闁|西向；共鉆井151口井，其中直井142口，水平井9口。該低孔特低滲區(qū)塊需壓裂完井，因此必須進(jìn)行整體壓裂優(yōu)化研究。

1 模型的建立與驗(yàn)證

水平井裂縫優(yōu)化方面前人已做過(guò)大量研究［1-4］，目前已可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種復(fù)雜井網(wǎng)條件下的裂縫優(yōu)化，因此研究的重點(diǎn)是如何在全面準(zhǔn)確描述低滲油藏的滲流特征的前提下進(jìn)行裂縫優(yōu)化。

1.1 建立

黑油模型適用于低滲透水平井的數(shù)值模擬，采用ECLIPSE 油藏?cái)?shù)值模擬軟件（黑油模型）來(lái)進(jìn)行水力裂縫優(yōu)化，模型控制方程見(jiàn)式（1）。采用局部網(wǎng)格加密和等連通系數(shù)法來(lái)劃分油藏與裂縫系統(tǒng)的網(wǎng)格，按塊中心五點(diǎn)格式建立IMPES方法求解方程。

式中，下標(biāo)l為O（油）或W（水）；ρ為密度；k為滲透率；krl為地層內(nèi)網(wǎng)格點(diǎn)上相對(duì)滲透率；μ為流體黏度；p為壓力；φ為孔隙度；S為地層中含油、含水飽和度。

大部分低滲透油田開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)是：（1）產(chǎn)量下降快；（2）注水壓力不斷升高；（3）注水效果差。原因主要有2個(gè)方面：一是儲(chǔ)層滲透率的應(yīng)力敏感性；另一個(gè)是啟動(dòng)壓力梯度［5］。因此在建立模型時(shí)須考慮以上2個(gè)因素的影響。

滲透率的應(yīng)力敏感性可通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，通過(guò)模擬真實(shí)地層環(huán)境下不同孔隙壓力時(shí)的巖心滲透率，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到滲透率應(yīng)力敏感曲線，得出滲透率與孔隙壓力成指數(shù)函數(shù)關(guān)系

在建立模擬模型時(shí)，將公式（2）離散化，如表1所示，得到不同孔隙壓力時(shí)的滲透率，在軟件中為傳導(dǎo)率因子。

表1 模型中對(duì)滲透率應(yīng)力敏感性的描述

對(duì)于啟動(dòng)壓力的認(rèn)識(shí)雖然目前仍存在許多爭(zhēng)議［6,7］，但無(wú)可否認(rèn)的是，低滲透油田存在非達(dá)西流動(dòng)，目前尚無(wú)公認(rèn)的描述啟動(dòng)壓力的模型和方法，對(duì)非達(dá)西流動(dòng)最常用的描述方法仍是根據(jù)啟動(dòng)壓力定義，改變油水井的壓差模擬儲(chǔ)層的驅(qū)動(dòng)壓力改變的過(guò)程。具體到本模型，首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到啟動(dòng)壓力梯度0.0472 MPa/m，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和水力縫長(zhǎng)的變化，相應(yīng)增加不同的油井井底流壓，如表2所示。

表2 模型中對(duì)啟動(dòng)壓力梯度的描述

儲(chǔ)層和流體的基本參數(shù)如表3所示。

表3 儲(chǔ)層和流體基本參數(shù)表

再根據(jù)各井組井網(wǎng)布置與地應(yīng)力相對(duì)應(yīng)關(guān)系便可建立各井組的模擬模型。

1.2 驗(yàn)證

以州扶73-49井組為例，從儲(chǔ)量和產(chǎn)量2個(gè)方面對(duì)模型的合理性進(jìn)行檢驗(yàn)。

（1）儲(chǔ)量檢驗(yàn)。按實(shí)際資料得到模型應(yīng)有的地質(zhì)儲(chǔ)量1.6632×104t，而建立的模型地質(zhì)儲(chǔ)量為1.8472 ×104m3，即1.6045×104t，實(shí)際與預(yù)計(jì)的相對(duì)誤差為3.7%，該數(shù)值在誤差范圍之內(nèi)。

（2）產(chǎn)量檢驗(yàn)。

①根據(jù)相鄰州201區(qū)塊9口井的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，得到一年累積產(chǎn)量與有效厚度的關(guān)系為：Q=91.869 h，相關(guān)系數(shù)0.829。

②以州扶73-49井組為例，根據(jù)此產(chǎn)量與厚度相關(guān)關(guān)系式計(jì)算得到州扶73-49井1年累積產(chǎn)量應(yīng)為514 t；而按本模型計(jì)算水力裂縫長(zhǎng)度為75~105 m時(shí)，壓后1年累積產(chǎn)量為487~539 t，兩者相吻合。

2 裂縫參數(shù)單因素變化分析

以州扶74-平51井組為例，首先進(jìn)行裂縫參數(shù)的單因素優(yōu)化。圖1所示是該井組的井位及水平井段相對(duì)位置圖，水平井受周圍6口垂直注水井影響，黑色粗線是斷層控制的邊界，根據(jù)水平井與直井的相對(duì)位置，確定水平井需要分段改造的位置如紅色粗線所示。圖2是根據(jù)圖1中對(duì)井位、邊界和水平井裂縫的分析建立的三維模型圖，考慮斷層為封閉斷層，對(duì)斷層外的網(wǎng)格進(jìn)行了“賦0”處理。

圖1 州扶74-平51水平井井組示意圖

圖2 州扶74-平51水平井井組三維模型

在對(duì)水平井井組進(jìn)行整體壓裂優(yōu)化之前，需要先確定直井井組的最優(yōu)水力裂縫參數(shù)。因?yàn)橹本膮^(qū)塊整體壓裂優(yōu)化工作相對(duì)較為成熟，在此不再贅述。根據(jù)直井井組的整體壓裂優(yōu)化工作，確定直井注水井的水力裂縫優(yōu)化結(jié)果為裂縫半縫長(zhǎng)80 m左右，裂縫導(dǎo)流能力25 μm2·cm。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行水平井的水力裂縫優(yōu)化工作。如圖3所示，分別考察各水平井段半縫長(zhǎng)為20 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m、140 m、160 m和180 m時(shí)水平井的日產(chǎn)油和累積產(chǎn)油。可以看出，當(dāng)縫長(zhǎng)從20 m增加到140 m，隨著縫長(zhǎng)的增加累積產(chǎn)油量增加較為明顯，而當(dāng)縫長(zhǎng)超過(guò)了140 m之后，半縫長(zhǎng)再增加，產(chǎn)量增加不明顯，因此確定水平井各段水力裂縫縫長(zhǎng)為140 m左右。

同理，考察裂縫導(dǎo)流能力對(duì)水平井產(chǎn)油量的影響。當(dāng)裂縫導(dǎo)流能力從10 μm2·cm增加到30 μm2·cm時(shí)，累積產(chǎn)油量隨縫長(zhǎng)的增加而增加明顯，當(dāng)裂縫導(dǎo)流能力超過(guò)30 μm2·cm之后，隨裂縫導(dǎo)流的增加累積產(chǎn)油量增加不明顯，因此確定水平井的裂縫導(dǎo)流能力為25 μm2·cm左右。

圖3 州扶74-平51水平井水力裂縫縫長(zhǎng)優(yōu)化

3 井組綜合評(píng)價(jià)和決策分析

通過(guò)單因素優(yōu)化，可以初步確定水平井井組的水力裂縫參數(shù)范圍，如表4所示。但根據(jù)前人研究［8］，由于水平井分段壓裂時(shí)，各段的位置不同導(dǎo)致其滲流形態(tài)也不盡相同，因而最優(yōu)的水力裂縫參數(shù)也不盡相同，因此需在單因素優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行整體優(yōu)化。

表4 州扶74-平51井組整體壓裂優(yōu)化各參數(shù)取值范圍

若對(duì)表4所示的因素進(jìn)行組合計(jì)算，將需要進(jìn)行37次共2187個(gè)方案的計(jì)算，運(yùn)算次數(shù)較多，計(jì)算工作量大。采用正交方案L18（2×37）設(shè)計(jì)，共需要進(jìn)行18次模擬運(yùn)算，大大節(jié)省了計(jì)算工作量和計(jì)算時(shí)間，優(yōu)選出少數(shù)具有代表性的模型，同時(shí)又可以獲得較為全面的結(jié)論。

對(duì)于正交設(shè)計(jì)各方案在進(jìn)行最終整體方案優(yōu)選時(shí)，不能只考慮產(chǎn)油量，而需選擇合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，本次研究進(jìn)行方案優(yōu)選時(shí)，對(duì)以下指標(biāo)：30 d的日產(chǎn)量、30 d的累產(chǎn)量、第1年的日產(chǎn)量、1年的累產(chǎn)量、3年累產(chǎn)量、1年時(shí)的含水率、3年時(shí)的含水率，最終采收率，共8個(gè)指標(biāo)采用模糊模式識(shí)別模型［9］綜合評(píng)價(jià)優(yōu)選方案。比較各方案與最優(yōu)方案間差異，以各方案的最大值作為理想方案，用歐氏貼近度來(lái)表征各方案與理想方案的貼近程度，得到各方案的優(yōu)劣排序，據(jù)此挑選最優(yōu)方案。各正交設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)優(yōu)選的歐式貼近度及排序如表5所示。

表5 州扶74 -平51井組整體壓裂優(yōu)化結(jié)果

由表5可知，最優(yōu)方案為方案17：即水平井第一、二、三段半縫長(zhǎng)分別140 m，120 m和160 m，導(dǎo)流能力35 μm2·cm；水井半縫長(zhǎng)為80 m，裂縫導(dǎo)流能力25 μm2·cm?？梢钥闯觯骄捎诟鞫瘟芽p控制的泄油面積不相同，從而各段縫長(zhǎng)也不相同，整體呈現(xiàn)出中間縫長(zhǎng)較短而兩端縫長(zhǎng)較長(zhǎng)的趨勢(shì)。

根據(jù)整體壓裂方案成果，進(jìn)行裂縫優(yōu)化，9口水平井共需要分31段改造，共設(shè)計(jì)加砂量463 m3，完成加砂量453 m3。水平井壓后產(chǎn)量為直井的3.4倍，增產(chǎn)效果較好。

4 結(jié)論與建議

（1）在考慮低滲透油田儲(chǔ)層滲透率的應(yīng)力敏感和啟動(dòng)壓力梯度的基礎(chǔ)上，建立了水平井井組的整體壓裂優(yōu)化模型，模型合理準(zhǔn)確。

（2）在水平井組單因素優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用正交方案設(shè)計(jì)和模糊識(shí)別方法得到最優(yōu)的水平井整體壓裂方案，最優(yōu)整體壓裂方案整體呈現(xiàn)出中間縫長(zhǎng)較短而兩端縫長(zhǎng)較長(zhǎng)的趨勢(shì)。

［1］ SADRPANAH T, CHARLES J Fulton.Explicit simulation of hydraulic fractures in horizontal wells［R］.SPE 99575, 2006.

［2］ GUO Genliang, EVANS R D.Inflow performance and production forecasting of horizontal wells with multiple hydraulic fractures in low-permeability gas reservoirs［R］. SPE 26169, 1993.

［3］ 徐嚴(yán)波，齊桃，楊鳳波，等.壓裂后水平井產(chǎn)能預(yù)測(cè)新模型［J］.石油學(xué)報(bào)，2006，27（1）：18-21.

［4］ 姜晶，李春蘭，楊敏. 低滲透油藏壓裂水平井裂縫優(yōu)化研究［J］.石油鉆采工藝，2008，30（4）：50-51.

［5］ 王端平，時(shí)佃海，李相遠(yuǎn). 低滲透砂巖油藏開(kāi)發(fā)主要矛盾機(jī)理［J］.石油勘探與開(kāi)發(fā)，2003，30（1）：87-89.

［6］ 李傳亮. 啟動(dòng)壓力梯度真的存在嗎？［J］.石油學(xué)報(bào)，2010，31（5）：867-869.

［7］ 李忠興，韓洪寶，程林松，等. 特低滲油藏啟動(dòng)壓力梯度新的求解方法及應(yīng)用［J］.石油勘探與開(kāi)發(fā)，2004，31（3）：107-109.

［8］ 王曉泉，張守良，吳奇，等. 水平井分段壓裂多段裂縫產(chǎn)能影響因素分析［J］.石油鉆采工藝，2009，31（1）：73-76.

［9］ 翁定為，蔣廷學(xué)，胥云，等.安塞油田重復(fù)壓裂選井選層研究［J］.石油鉆采工藝，2008，30（4）：58-62.