水平井增產(chǎn)改造“工程-地質(zhì)一體化”技術(shù)體系研究

張玉廣 羅毅 張洪濤 張 浩

(1.大慶油田分公司采油工藝研究院，黑龍江 大慶 163453;2.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，成都 610059)

水平井增產(chǎn)改造技術(shù)以分段壓裂為主［1］。眾學(xué)者曾對水平增產(chǎn)改造進(jìn)行深入研究，發(fā)現(xiàn)水平井壓裂過程中的裂縫啟裂和延伸與井眼軌跡、巖石性質(zhì)、應(yīng)力分布密切相關(guān)［2-5］，對裂縫參數(shù)和壓裂后產(chǎn)能［6-10］也進(jìn)行了研究，但是結(jié)合地質(zhì)情況對水平井增產(chǎn)改造以實現(xiàn)“工程-地質(zhì)一體化”技術(shù)的研究還很欠缺。大慶油田茂興地區(qū)砂體橫向相變較快，儲層平面和縱向上非均質(zhì)性較嚴(yán)重，且水平段上部薄互層發(fā)育情況較難預(yù)測。目前僅依據(jù)臨井或?qū)а鄱蔚刭|(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行水平井分段壓裂改造設(shè)計的方法并不能滿足現(xiàn)場實際需要，必須針對上述問題開展理論研究工作。大慶油田茂15-1井區(qū)為水平井分段壓裂的示范區(qū)，本次研究構(gòu)建了縱橫波關(guān)系模型，主要針對該井區(qū)“工程-地質(zhì)一體化”技術(shù)體系進(jìn)行探索。

1 縱橫波關(guān)系模型構(gòu)建

巖石力學(xué)參數(shù)是地應(yīng)力分析、裂縫啟裂機(jī)理及裂縫延展規(guī)律研究的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開展“工程 -地質(zhì)一體化”技術(shù)體系研究的首要步驟就是對現(xiàn)有的測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)解釋，以獲取巖石力學(xué)和地應(yīng)力參數(shù)的原始數(shù)據(jù)。

茂15-1井區(qū)的茂15-7-1井、茂15-16-1井已實施過X-mac測井，可取得相關(guān)測井?dāng)?shù)據(jù)。由圖1看到，茂15-7-1井、茂15-16-1井縱橫波曲線較吻合，但泥質(zhì)含量對縱橫波關(guān)系曲線影響較大;由圖2可發(fā)現(xiàn)，GR曲線比密度曲線更能代表儲層的泥質(zhì)含量，因而在回歸縱橫波關(guān)系曲線時考慮了GR曲線對縱橫波關(guān)系曲線的影響。

圖1 茂15-7-1井、茂15-16-1井縱橫波時差關(guān)系曲線

圖2 茂15-7-1井、茂15-16-1井自然伽馬與縱橫波時差乘積關(guān)系曲線

2 單井巖石力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力參數(shù)解釋

通過實測的X-mac曲線獲得縱橫波關(guān)系后，將此模型推廣應(yīng)用到整個茂15-1區(qū)塊。利用工區(qū)的聲波時差測井?dāng)?shù)據(jù)結(jié)合前面的關(guān)系模型，可以獲得相應(yīng)的橫波數(shù)據(jù):同時根據(jù)測井密度ρ和獲得的縱橫波時差Δtp、Δts解釋數(shù)據(jù)，利用黃氏模型，可以獲得單井的巖石彈性參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)。

利用前面獲得的巖石力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力參數(shù)解釋模型，對茂15-1井區(qū)單井測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行解釋，并繪制解釋成果圖。圖3所示為茂15-1井巖石力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力參數(shù)解釋圖。目前常規(guī)的巖石力學(xué)測井解釋成果圖沒有標(biāo)注層位、巖性、試油結(jié)論等信息，不便于穿層壓裂時設(shè)計人員參考。本次研究對上述缺陷進(jìn)行了完善，使對穿層起決定性的儲隔層厚度、最大最小水平應(yīng)力差、儲隔層應(yīng)力差等參數(shù)可直觀顯示。在單井解釋的基礎(chǔ)上繪制出相應(yīng)參數(shù)的平面分布圖，可在新井和探井資料缺乏的情況下供設(shè)計人員參考。圖4所示為砂巖水平主應(yīng)力差平面分布圖。圖5所示為儲層最小水平主應(yīng)力差平面分布圖。

圖3 茂15-1井巖石力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力參數(shù)解釋圖

3 三維巖石力學(xué)特性參數(shù)和地應(yīng)力參數(shù)井震預(yù)測

茂15-1井區(qū)相變較快，水平井井筒上下儲層性質(zhì)預(yù)測較困難，且薄互層發(fā)育狀況未知。僅依靠導(dǎo)眼段數(shù)據(jù)和鄰井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行壓裂設(shè)計，只能進(jìn)行定性分析;如果要作定量研究，則必須對儲層的發(fā)育狀況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。目前儲層預(yù)測的方法分為地震方法和測井方法。地震方法用于平面屬性研究時準(zhǔn)確度比較高，但對縱向非均質(zhì)的把握程度較差;而測井?dāng)?shù)據(jù)對縱向非均質(zhì)的刻畫較為準(zhǔn)確，但又不足反映平面屬性。將測井?dāng)?shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù)結(jié)合起來實現(xiàn)預(yù)測儲層的三維空間分布是目前的研究熱點。

圖4 砂巖水平主應(yīng)力差平面分布圖

圖5 儲層最小水平主應(yīng)力差平面分布圖

通過對茂興地區(qū) inline668-938、xline1858-2078三維地震數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，同時利用葡萄花組頂面、P15底面、葡萄花組底面時間域和深度域追蹤數(shù)據(jù)，分別建立相應(yīng)的時間域、深度域平面圖，進(jìn)而建立速度場模型，將時間域地震體轉(zhuǎn)換為深度域地震數(shù)據(jù)體。與此同時，提取深度域地震數(shù)據(jù)體，獲得工區(qū)目標(biāo)層位的地震數(shù)據(jù)體，再通過反演方法獲取橫波、縱波、巖石密度模型數(shù)據(jù)，進(jìn)而根據(jù)上述測井解釋模型，建立工區(qū)的三維巖石彈性參數(shù)模型和巖石力學(xué)參數(shù)模型。圖6所示為三維巖石彈性參數(shù)和力學(xué)參數(shù)地震預(yù)測流程。圖7所示為巖石力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力參數(shù)建模示意圖。

圖6 三維巖石彈性參數(shù)和力學(xué)參數(shù)地震預(yù)測流程

圖7 巖石力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力參數(shù)建模示意圖

從獲得的三維巖石彈性參數(shù)模型和巖石力學(xué)參數(shù)模型可以看出，三維地震的分辨率介于10～15 m，而壓裂施工對縱向精度的要求在1 m以內(nèi)，因此僅僅依靠地震方法獲得的三維石彈性參數(shù)模型和巖石力學(xué)參數(shù)模型不能滿足實際壓裂施工優(yōu)化設(shè)計的需要。

要克服上述問題必須采用井震結(jié)合的思路，即既利用三維地震平面預(yù)測的優(yōu)勢，又要利用測井縱向預(yù)測的優(yōu)勢，二者完美結(jié)合，就可以對三維石彈性參數(shù)模型和巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確刻畫。圖8所示為P21井地震數(shù)據(jù)與細(xì)分層對比圖。圖9所示為P21井地震數(shù)據(jù)與測井資料建模對比圖。三維巖石彈性參數(shù)模型和巖石力學(xué)參數(shù)刻畫分3步完成，即測井?dāng)?shù)據(jù)離散化處理、數(shù)據(jù)分析和模型的實現(xiàn)。茂15-1井區(qū)測井?dāng)?shù)據(jù)間距為0.05 m，為滿足細(xì)分層和穿層壓裂的需要，如果按照縱向0.05 m的精度進(jìn)行網(wǎng)格剖分，單一參數(shù)模型的網(wǎng)格數(shù)將達(dá)到10億網(wǎng)格級，大大超出現(xiàn)有計算機(jī)的處理能力，因此必須對測井曲線進(jìn)行高度離散化處理。同時結(jié)合三維地震預(yù)測數(shù)據(jù)體，利用高斯序貫方法對三維巖石彈性參數(shù)模型、強(qiáng)度參數(shù)和巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行刻畫，獲得了較好的預(yù)測效果。預(yù)測模型完全可以用于真三維壓裂裂縫模擬，解決了水平井井筒上下儲層預(yù)測難度大的難點問題。

圖8 P21井地震數(shù)據(jù)與細(xì)分層對比圖

圖9 P21井地震數(shù)據(jù)與測井資料建模對比圖

4 非均質(zhì)油藏水力壓裂全三維模型裂縫模擬技術(shù)

在獲取三維巖石彈性參數(shù)模型、強(qiáng)度參數(shù)和巖石力學(xué)參數(shù)模型后，沿水平井井筒方向進(jìn)行剖面切取，分析水平井井筒上下段儲層的發(fā)育狀況、薄互層的分布規(guī)律、巖石力學(xué)參數(shù)分布規(guī)律等重要信息。結(jié)合薄互層與井筒的耦合關(guān)系制定了“壓砂穿泥、壓泥找砂”的壓裂施工思路:“壓砂穿泥”思路的重點是有效穿層，特點是高黏攜砂、適當(dāng)提排、井口控壓、砂比優(yōu)化;“壓泥找砂”思路的重點是提高長期導(dǎo)流，特點是組合粒徑、纖維固砂、適度頂替、停泵沖砂。結(jié)合薄互層發(fā)育狀況進(jìn)行壓裂施工參數(shù)優(yōu)化，對于能壓穿的層段盡量實現(xiàn)穿層，不能壓穿的層段盡量形成較長的有效人工裂縫。在此基礎(chǔ)上利用建立的三維巖石彈性參數(shù)模型、強(qiáng)度參數(shù)和巖石力學(xué)參數(shù)模型，提取裂縫延伸方向上的剖面數(shù)據(jù)。圖10所示為均質(zhì)油藏水力壓裂全三維模型裂縫模擬流程圖。

圖10 均質(zhì)油藏水力壓裂全三維模型裂縫模擬流程圖

5 “工程-地質(zhì)一體化研究”實踐分析

古龍南平2井是茂15-1井區(qū)北部新建的一口水平井，古龍南平2井鉆遇的主力油層為PI3層。沿井筒剖面進(jìn)行分析，PI3層下方發(fā)育PI4油層，因此壓裂施工過程中應(yīng)盡量向下穿層，溝通PI4油層。通過分段優(yōu)化結(jié)果，具體分段位置如表1所示，各層位采用螺旋射孔，相位角90°。

表1 古龍南平2井射孔位置

根據(jù)本次“工程-地質(zhì)一體化”技術(shù)研究成果，優(yōu)化壓裂液排量為3.3～4.0 m3/min，液量為80～300 m3。在第二段壓裂(2 310～2 305 m，液量300 m3)施工過程中，進(jìn)行了井下微地震監(jiān)測裂縫擴(kuò)展監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果與理論模擬結(jié)果較吻合。

6 結(jié)語

致密油層砂體橫向相變較快，儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，水平段上部薄互層發(fā)育情況預(yù)測困難，僅依據(jù)臨井或?qū)а鄱蔚刭|(zhì)數(shù)據(jù)不能滿足實際水平井穿層壓裂改造設(shè)計的需要，只有實現(xiàn)“工程-地質(zhì)一體化”才能解決上述難題。同時，水平井壓裂過程中裂縫啟裂和延伸與井眼軌跡、巖石性質(zhì)及應(yīng)力分布密切相關(guān)，致密油層儲層的非均質(zhì)性強(qiáng)，常規(guī)的三維模型已不能滿足人工裂縫模擬的需要，只有實現(xiàn)“工程-地質(zhì)一體化”才能對人工裂縫實現(xiàn)全三維模擬，提高設(shè)計方案的可靠性。

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