蘇53區(qū)塊致密砂巖氣藏水平井分段壓裂優(yōu)化研究

段瑤瑤，李志龍，王 欣，楊戰(zhàn)偉，哈文雷

(1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007;2．中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探蘇里格氣田項(xiàng)目部，遼寧 盤錦 124010)

近年來，隨著鉆井技術(shù)進(jìn)步和鉆井成本的不斷降低，水平井開發(fā)作為一種提高單井產(chǎn)量和油氣藏綜合開發(fā)效益的有效手段越來越受到重視，而水平井分段壓裂是低滲致密砂巖氣藏有效開發(fā)的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)水平井“少井高產(chǎn)、少井高效”開發(fā)模式的重要保證。蘇里格氣田為典型的低壓、低滲、低豐度、非均值性強(qiáng)的巖性氣藏，儲(chǔ)層橫向分布穩(wěn)定性差，縱向隔夾層發(fā)育，對(duì)水平井的應(yīng)用帶來挑戰(zhàn)［1－6］，因此有必要進(jìn)行水平井分段壓裂系統(tǒng)優(yōu)化研究。蘇53區(qū)塊是在區(qū)塊整體評(píng)價(jià)、含氣性預(yù)測(cè)、水平井適應(yīng)性研究等基礎(chǔ)上選定的水平井部署有利區(qū)，也是目前蘇里格氣田唯一的水平井整體開發(fā)建產(chǎn)區(qū)塊，以該區(qū)塊為例，利用Eclipse數(shù)值模擬軟件和Fracpropt裂縫模擬軟件，通過氣藏?cái)?shù)值模擬和三維裂縫模擬，進(jìn)行水平井段長(zhǎng)度、水平井分壓級(jí)數(shù)、裂縫長(zhǎng)度、導(dǎo)流能力和關(guān)鍵壓裂施工參數(shù)等方面的優(yōu)化研究，得到了蘇53區(qū)塊水平井分段壓裂優(yōu)化參數(shù)組合，以期對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施提供指導(dǎo)和借鑒。

1 儲(chǔ)層基本特征

蘇53區(qū)塊位于蘇里格氣田北部，水平井部署目的層位為盒8下段4，5，6小層，屬辮狀河沉積，河道遷移迅速，砂體在平面上和縱向上交替疊置，隔夾層發(fā)育，非均質(zhì)性極強(qiáng)，具有如下地質(zhì)特征:①有效砂體規(guī)模小，連續(xù)性和連通性差。有效砂體基本呈南北向展布，東西向變化快、范圍小，據(jù)鉆完井資料和氣井試氣結(jié)果，單個(gè)砂體寬度一般300～800 m，長(zhǎng)度1 000～1 500 m。②氣層段內(nèi)隔夾層發(fā)育。隔夾層厚度一般在0.7～6.5 m，平均2.7 m，巖性主要為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，砂泥巖與泥巖的應(yīng)力差為4.47 MPa，泥巖與砂巖的應(yīng)力差為6.19 MPa。③致密低滲。氣層埋深3 150～3 500 m，平均壓力系數(shù)0.87 MPa/100 m，孔隙度5% ～12%，平均8.69%，滲透率(0.1～2.0) ×10－3μm2，平均0.73×10－3μm2，屬致密氣范疇。④氣層厚度薄，儲(chǔ)量豐度低?？v向上單井平均有效氣層厚度11.4 m，豐度多為(0.8～1.5)×108m3/km2，儲(chǔ)量豐度與同類型氣田相比明顯偏低，且平面上差異大。受儲(chǔ)集層致密和強(qiáng)非均質(zhì)性的影響，蘇53區(qū)塊有效砂體鉆遇率低，單井控制儲(chǔ)量低，單井產(chǎn)量低，給氣田開發(fā)帶來難題，需要將水平井地質(zhì)設(shè)計(jì)與儲(chǔ)層改造工藝有機(jī)結(jié)合，確定最佳的水平段長(zhǎng)度、分壓段數(shù)、裂縫參數(shù)和施工參數(shù)，以提高氣藏采收率和經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 蘇53區(qū)塊氣藏水平井分段壓裂數(shù)值模擬模型

2 水平井分段壓裂整體優(yōu)化

2.1 水平井段長(zhǎng)度優(yōu)化

水平段長(zhǎng)度不僅影響水平井的單井產(chǎn)量、鉆井成本和泄流面積，而且影響鉆井?dāng)?shù)目和開發(fā)投資，因此，水平井段長(zhǎng)度優(yōu)化是水平井技術(shù)能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵。根據(jù)蘇53區(qū)塊的地質(zhì)特征、儲(chǔ)層特征及流體性質(zhì)，基于Eclipse油藏?cái)?shù)值模擬軟件，采用局部網(wǎng)格加密和等連通系數(shù)法來劃分氣藏與裂縫系統(tǒng)的網(wǎng)格［8］，建立包含多條橫切裂縫的三維兩相水平井?dāng)?shù)值模擬模型，見圖1。模型中設(shè)置裂縫間距200 m，裂縫半長(zhǎng)120 m，導(dǎo)流能力25 μm2·cm，模擬對(duì)比水平井筒長(zhǎng)度分別為 600，800，1 000，1 200，1 500，2 000 m的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，不同水平井筒長(zhǎng)度條件下的單井控制面積和裂縫條數(shù)的選取以等裂縫間距為準(zhǔn)，由于每種方案的單井控制儲(chǔ)量不同，因此以采出程度為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，模擬時(shí)間根據(jù)開發(fā)方案設(shè)定為14 a，模擬結(jié)果見圖2。

圖2 蘇53塊氣藏水平井水平段長(zhǎng)度優(yōu)化

由圖2可以看出，不同水平段長(zhǎng)度下采收率在83.4%～85.2%之間，并無很大差別，原因可能是致密氣藏的增產(chǎn)主要靠分段壓裂改造來實(shí)現(xiàn)，水平井段長(zhǎng)，分壓級(jí)數(shù)多可以提高初期產(chǎn)量，但無法提高最終采收率;從儲(chǔ)層地質(zhì)特征看，蘇53區(qū)塊為辮狀河沉積，氣層的平面分布受沉積作用的控制明顯，砂體的擺動(dòng)性強(qiáng)，儲(chǔ)層非均質(zhì)性嚴(yán)重，單個(gè)砂體長(zhǎng)度1 000～1 500 m，若水平段長(zhǎng)度過大，鉆遇非儲(chǔ)集層或低效儲(chǔ)集層段的可能性增大從而降低經(jīng)濟(jì)效益;從工程技術(shù)角度看，長(zhǎng)水平井段對(duì)鉆井技術(shù)、井下工具和壓裂施工水平的要求更高，同時(shí)，水平段越長(zhǎng)分壓級(jí)數(shù)越多，需要的液量就越多，施工時(shí)間越長(zhǎng)，增加了儲(chǔ)層傷害的風(fēng)險(xiǎn);因此，綜合蘇53區(qū)塊砂體展布特征、氣藏?cái)?shù)值模擬結(jié)果、鉆井成本和壓裂工藝水平等因素，選取水平段長(zhǎng)度為1 000 m左右比較合適。

2.2 水平井裂縫間距優(yōu)化

水平井壓后各裂縫的流態(tài)為線性流和徑向流并存的復(fù)雜流態(tài)，在生產(chǎn)一定時(shí)間后，水平井中多條裂縫會(huì)相互干擾，影響各裂縫的產(chǎn)量，因此，水平井中裂縫間距的優(yōu)化非常重要，它不僅影響水平井的產(chǎn)能，同時(shí)也影響壓裂施工的安全性和最終經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)置水平井筒長(zhǎng)度為1 000 m，裂縫半長(zhǎng)120 m，導(dǎo)流能力25 μm2·cm，不同的裂縫條數(shù)均勻等分水平井段，研究不同裂縫間距的累計(jì)產(chǎn)量變化情況，結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，隨著裂縫條數(shù)增加，累計(jì)產(chǎn)氣量總體上逐漸增加，但增加幅度逐漸減小，原因是隨著裂縫條數(shù)的增加，裂縫間的距離變得更近，相互之間的干擾加重，每條裂縫的產(chǎn)量減小，使得壓裂水平井的累計(jì)產(chǎn)量增幅減少，因此綜合考慮認(rèn)為水平井長(zhǎng)度1 000 m時(shí)，最優(yōu)裂縫條數(shù)為5條，即優(yōu)化的裂縫間距為166 m左右。

圖3 蘇53塊氣藏水平井分段壓裂裂縫間距優(yōu)化

2.3 水平井裂縫長(zhǎng)度優(yōu)化

致密氣藏水平井采用分段壓裂方式完井投產(chǎn)，裂縫半長(zhǎng)是影響水平井產(chǎn)能的關(guān)鍵因素之一。設(shè)置水平段長(zhǎng)度為1 000 m，裂縫間距166 m，導(dǎo)流能力25 μm2·cm，不同裂縫半長(zhǎng)的累計(jì)產(chǎn)量變化情況見圖4。從圖4可以看出，裂縫半長(zhǎng)對(duì)產(chǎn)量影響非常明顯，隨著裂縫半長(zhǎng)的增加，壓裂水平井的累計(jì)產(chǎn)量逐漸增加，當(dāng)裂縫半長(zhǎng)達(dá)到140 m以后，繼續(xù)增加裂縫半長(zhǎng)累計(jì)產(chǎn)量的增加幅度很小。增加裂縫半長(zhǎng)需加大施工規(guī)模，這會(huì)帶來更大的施工風(fēng)險(xiǎn)和較高的施工成本，結(jié)合本區(qū)塊地質(zhì)情況，砂體寬度較小，裂縫過長(zhǎng)有可能穿出有效砂體的寬度，降低經(jīng)濟(jì)效益，因此不宜采用較大規(guī)模的施工，綜合考慮，推薦最優(yōu)裂縫半長(zhǎng)為140 m左右。

圖4 蘇53塊氣藏水平井分段壓裂裂縫半長(zhǎng)優(yōu)化

2.4 水平井裂縫導(dǎo)流能力優(yōu)化

為減小裂縫內(nèi)流動(dòng)阻力，壓裂施工要形成具有一定導(dǎo)流能力的裂縫，裂縫導(dǎo)流能力的高低以及與其地層滲流能力的良好匹配是影響其增產(chǎn)效果的重要因素，因此要針對(duì)地層進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)置水平段長(zhǎng)度為1000 m，裂縫間距166 m，裂縫半長(zhǎng)140 m，不同裂縫導(dǎo)流能力的累計(jì)產(chǎn)量變化見圖5?？梢钥闯?，在低導(dǎo)流能力區(qū)間，產(chǎn)量增加的幅度很大，在高導(dǎo)流能力區(qū)間，產(chǎn)量增加幅度逐漸減小，當(dāng)導(dǎo)流能力超過30 μm2·cm，繼續(xù)增加導(dǎo)流能力產(chǎn)量增加很少，且要獲得高裂縫導(dǎo)流能力需進(jìn)行高砂比壓裂施工，砂堵風(fēng)險(xiǎn)大大增加，特別是長(zhǎng)水平井段施工，一旦砂堵對(duì)后續(xù)施工帶來很大麻煩，綜合考慮，選取合適的裂縫導(dǎo)流能力為30 μm2·cm 左右。

圖5 蘇53塊氣藏水平井分段壓裂裂縫導(dǎo)流能力優(yōu)化

2.5 關(guān)鍵施工參數(shù)優(yōu)化

蘇53井區(qū)水平井目的層段由4，5，6號(hào)小層組成，氣層段內(nèi)有致密或高泥質(zhì)含量夾層，該類夾層有一定厚度，且與儲(chǔ)層存在一定的應(yīng)力差，對(duì)于這類典型的砂泥巖薄互儲(chǔ)層，由于每一水平段僅鉆遇薄互層中的一個(gè)小層，使得水平井未鉆遇儲(chǔ)層的儲(chǔ)量難以利用，影響了投產(chǎn)產(chǎn)量，這就需要進(jìn)行“一縫穿多層”的壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)，即通過研究人工裂縫高度延伸規(guī)律，優(yōu)化施工參數(shù)和壓裂液性能，利用人工裂縫將多個(gè)儲(chǔ)層在縱向上連通起來，達(dá)到水平井未鉆遇的地層，利用水平井同時(shí)開采，從而提高氣井產(chǎn)能和儲(chǔ)層動(dòng)用程度。影響裂縫高度的不可控因素主要為地層參數(shù)，包括儲(chǔ)隔層應(yīng)力差、巖石力學(xué)參數(shù)以及地層滲透率，影響裂縫高度的可控因素主要包括壓裂液性能和壓裂施工參數(shù)，本區(qū)塊壓裂液體系較為成熟，一般變化不大，且以往研究［9－11］表明，壓裂液黏度從 100 mPa·s增加到300 mPa·s，裂縫高度的增加在3 m范圍內(nèi)，壓裂施工參數(shù)中施工排量直接關(guān)系到人工裂縫的縫內(nèi)凈壓力以及支撐劑的沉降情況(巴布庫克理論)，是影響裂縫高度最為關(guān)鍵的因素。

根據(jù)本區(qū)儲(chǔ)層特征研究和壓裂方案優(yōu)化認(rèn)識(shí)，選取有代表性的地層參數(shù)和施工參數(shù)，設(shè)置儲(chǔ)層有效滲透率0.3 ×10－3μm2，楊氏模量 26 000 MPa，有效氣層厚度11.2 m，隔夾層厚度2.7 m，夾層與儲(chǔ)層應(yīng)力差4.5 MPa，隔層與儲(chǔ)層應(yīng)力差選取8 MPa和12 MPa，壓裂管柱采用88.9 mm N－80EUE加厚油管，每段砂量40 m3，液量300 m3，平均砂濃度385 kg/m3，壓裂液黏度 200 mPa·s，利用三維裂縫模擬軟件Fracpropt研究不同排量下裂縫高度的延伸情況，結(jié)果見圖6。

圖6 蘇53塊氣藏水平井分段壓裂施工排量?jī)?yōu)化

由圖6可以看出，對(duì)于薄互層氣藏，儲(chǔ)隔層應(yīng)力差和施工排量對(duì)裂縫高度影響明顯，裂縫高度隨儲(chǔ)隔層應(yīng)力差的增加而減小，隨施工排量的增加而增加。施工排量為4.0 m3/min時(shí)裂縫高度為18.4～22.6 m，大于此排量裂縫高度急劇增加，裂縫高度在隔層內(nèi)的過度延伸會(huì)導(dǎo)致裂縫長(zhǎng)度不足而難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)會(huì)造成壓裂液和支撐劑的浪費(fèi);施工排量為2.5 m3/min時(shí)裂縫高度為13.8～15.8 m，低于此排量裂縫高度不足以覆蓋整個(gè)儲(chǔ)層厚度，造成小層壓開程度不夠影響產(chǎn)量，影響儲(chǔ)量動(dòng)用程度。因此，本區(qū)塊合理的施工排量為2.5～4.0 m3/min。

2.6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)該區(qū)塊水平井分段壓裂整體方案優(yōu)化結(jié)果，并結(jié)合具體井的實(shí)鉆、電測(cè)解釋結(jié)果及水平井壓裂工藝要求，完成壓裂方案優(yōu)化設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工5口井，施工成功率100%，壓后獲得平均無阻流量69.6×104m3/d，達(dá)到該區(qū)塊前期壓裂井平均無阻流量(43.8×104m3/d)的1.6倍，取得顯著增產(chǎn)效果，具體設(shè)計(jì)及施工參數(shù)和壓后產(chǎn)量如表1所示。

表1 蘇53區(qū)塊水平井分段壓裂設(shè)計(jì)施工參數(shù)與壓后效果

3 結(jié)論

(1)蘇53區(qū)塊橫向砂體分布不連續(xù)，縱向砂泥巖薄互層現(xiàn)象嚴(yán)重，以往的水平井分段壓裂設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)無法滿足該區(qū)塊儲(chǔ)層要求，需進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化研究。

(2)針對(duì)蘇53區(qū)塊的強(qiáng)非均質(zhì)性，研究得到該區(qū)塊水平井分段壓裂關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù):水平井段長(zhǎng)度1 000 m左右，裂縫間距166 m左右，裂縫半長(zhǎng)140 m左右，裂縫導(dǎo)流能力30 μm2·cm 左右。

(3)由于縱向砂泥巖薄互層現(xiàn)象嚴(yán)重，分析得到影響蘇53區(qū)塊水平井開發(fā)儲(chǔ)量動(dòng)用程度的關(guān)鍵可控參數(shù)為施工排量，經(jīng)優(yōu)化得到該區(qū)塊合理施工排量為2.5～4.0 m3/min。

(4)以蘇53區(qū)塊水平井分段壓裂整體方案優(yōu)化結(jié)果為指導(dǎo)，結(jié)合具體井況，進(jìn)一步加強(qiáng)了水平井分段壓裂設(shè)計(jì)的針對(duì)性與有效性，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證實(shí)單井產(chǎn)量得到顯著提高。

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