基于三維模型的低滲透非均質(zhì)儲層單砂體全縫長壓裂改造與剩余油挖潛

劉培剛,張志強,王曉飛,潘 懋,師永民

(1.北京大學地球與空間科學學院,北京100871;2.中國石油大學計算機與通信工程學院,山東青島266580;3.中石油長慶油田分公司第一采油廠,陜西延安716009)

基于三維模型的低滲透非均質(zhì)儲層單砂體全縫長壓裂改造與剩余油挖潛

劉培剛1,2,張志強1,王曉飛3,潘 懋1,師永民1

(1.北京大學地球與空間科學學院,北京100871;2.中國石油大學計算機與通信工程學院,山東青島266580;3.中石油長慶油田分公司第一采油廠,陜西延安716009)

考慮到對陸相非均質(zhì)儲層壓裂縫擴展規(guī)律及儲層改造程度認識不足,首先通過測井曲線對鄂爾多斯盆地王窯區(qū)塊目標層段進行單砂體細分,采用常規(guī)測井、特殊測井與沉積微相特征結(jié)合開展油藏三維物性與巖石力學場建模,其次進行隨井間儲層和應力場變化的全縫長壓裂數(shù)值模擬,最后通過裂縫的展布情況與油田動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合,對非均質(zhì)儲層動用程度進行分析。研究認為三角洲前緣多期河道側(cè)向疊置砂體儲層單砂體在垂向差異大,側(cè)向變化快,因此須突破傳統(tǒng)的壓裂數(shù)值模擬方法,基于實際三維模型的單砂體全縫長壓裂模擬更為合適。所提方法在鄂爾多斯盆地實施后增產(chǎn)效果明顯,實施井次成功率高達90%以上,平均日增油2 t以上,說明該方法可應用于低滲非均質(zhì)儲層開發(fā)中后期的剩余油挖潛。

鄂爾多斯盆地;非均質(zhì)儲層;單砂體;巖石力學模型;全縫長壓裂;剩余油挖潛

陸相非均質(zhì)儲層砂體側(cè)向延伸范圍小,縱向物性差異大,油水井之間不能建立有效驅(qū)動體系,油層內(nèi)有效動用程度差異大。對油藏整體壓裂后縱橫向上單砂體之間裂縫的展布特征認識不清,難以確定油水井之間及各單砂體之間是否形成了有效的溝通裂縫。針對上述問題,國內(nèi)外學者針對全球不同油田儲層的壓裂縫分布規(guī)律提出了一系列預測理論和方法[1-5]。油田開發(fā)前期主要以大規(guī)模體積壓裂為主,由于低滲儲層非均質(zhì)性較強,因此在縱向上水驅(qū)效果存在很大差別,剩余油分布不均[6],而這種情況直到油田開發(fā)中后期才逐漸被重視。梁文富等[7-8]通過單砂體注采關(guān)系完善程度對單井進行評價,進行特高含水期水驅(qū)精細調(diào)整挖潛。王一博等[9-11]通過河道砂體儲層非均質(zhì)性探討單砂體對剩余油分布的控制作用。張慶國等[12-13]從三維空間展布對單砂體進行精細刻畫,將其分類并采取相應挖潛對策。另外,一些學者針對水力壓裂縫擴展機制及影響因素進行相應研究,Munjiza等[14]認為人工壓裂要考慮油層和巖層的不同力學行為,保證裂縫不能穿透巖層。張林等[15]認為河流沉積作用會對水力壓裂裂縫形態(tài)產(chǎn)生影響,并對其橫向延伸機制進行了研究。Fisher等[16]認為水力壓裂受到巖石物理機制、沉積環(huán)境等的影響,使得非常規(guī)儲層的縫高受到限制,這對油田經(jīng)濟開發(fā)具有積極的作用。吳文娟等[17]提出超低滲油氣藏非對稱壓裂數(shù)值模擬理論及應用技術(shù)。目前針對鄂爾多斯盆地特低滲非均質(zhì)儲層的裂縫擴展特征研究尚缺乏較為系統(tǒng)和精確的適用方法,筆者通過測井曲線對目標層段進行單砂體細分,采用常規(guī)測井、特殊測井與沉積微相特征結(jié)合開展油藏三維地質(zhì)與巖石力學場建模,并進行隨井間儲層和應力場變化的全縫長壓裂數(shù)值模擬,以期對陸相低滲透非均質(zhì)儲層中后期改造與剩余油挖潛提供理論指導。

1 單砂體細分與對比

單砂體指自身垂向上和平面上都連續(xù),但與上、下砂體間有泥巖或不滲透夾層分隔的砂體,單砂體細分與對比是油氣藏開發(fā)的基礎,對于判斷剩余油分布規(guī)律的研究意義重大[18-19]。鄂爾多斯盆地王窯區(qū)塊致密儲層屬于三角洲前緣水下分流河道多期疊加沉積,泥質(zhì)夾層、鈣質(zhì)夾層及物性夾層均很發(fā)育,層間非均質(zhì)性強,平面分布不穩(wěn)定;并受河流流向控制,水下分流河道沉積微相為其骨架砂體,砂體展布方向性明顯,呈北東—南西向展布。將長611小層分為長611-1、長611-2和長611-33個砂體,其內(nèi)部又由若干個多期形成的單砂體相互切疊,形成側(cè)向復合砂體,導致層內(nèi)及平面非均質(zhì)性增強。

為進一步揭示儲層內(nèi)部非均質(zhì)性,建立較為精確的油藏三維空間展布的巖體力學模型,通過野外露頭、連井剖面對比結(jié)合,開展層內(nèi)單砂體連通性描述及單砂體的精細劃分。將研究的主力油層長進一步分為長611-2-1、長611-2-2、長611-2-3和長4個單砂體,每個單油砂體厚2～3 m,單砂體之間發(fā)育應力夾層或?qū)娱g接觸面,特征明顯(圖1)。

鄂爾多斯盆地東緣延長縣長611野外剖面橫向變化模型指導下的安塞油田長611油層連井剖面對比見圖2,從中可以發(fā)現(xiàn)井間單砂體變化快、連通性差,反映本區(qū)多期河道疊加成因的側(cè)向復合砂體特征,可以分為3類儲層。對比結(jié)果表明,各儲層在剖面上夾層的出現(xiàn)頻率相差不大,長611-2和長611-3夾層相對較發(fā)育,在平面上,夾層頻率高的區(qū)域往往出現(xiàn)在河道和靠近分流間灣泥質(zhì)沉積之間[18]。這是由于在河道主體帶上,泥質(zhì)夾層不易保留,在遠離河道主體帶部位,延伸至此的砂體也減少,砂層間的夾層自然也少,而恰恰在二者之間,一般砂體均可延伸到,加上泥質(zhì)夾層不易被沖刷掉,因此夾層出現(xiàn)頻率較高之處往往在主河道與分流間灣泥質(zhì)沉積處之間的部位。

2 精細沉積微相剖析

王窯區(qū)塊位于陜北地區(qū)長6油層的三角洲前緣亞相帶內(nèi),根據(jù)其巖性、物性特征,利用測井曲線將研究區(qū)的沉積微相細分為水下分流主河道、水下分流淺河道、水下分流淺灘與水下分流間灣沉積。通過測井曲線組合得到各單砂體的砂地比,并以大型淺水三角洲水下分流河流沉積模式為指導,再結(jié)合研究區(qū)歷年生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù),最終進一步精細刻畫長611-2-1—長4個單砂體的沉積微相平面展布圖(圖3)。

圖1 延長縣長611油層野外露頭與安塞油田長611油層測井對比Fig.1 Contrast between outcrop photo of Chang 611reservoir in Yanchang county and logging of Chang 611reservoir in Ansai Oilfield

3 特殊測井與巖石力學性質(zhì)

通過偶極子聲波測井得到縱橫波時差,進而計算儲層巖石力學參數(shù)。常規(guī)測井中可以得到巖石密度和縱波時差曲線,橫波時差可以通過陣列或偶極子聲波測井得到,因此須通過研究區(qū)王檢16-157井的偶極子聲波測井進行縱橫波時差相關(guān)關(guān)系分析,推廣到全區(qū)常規(guī)測井的巖石力學參數(shù)計算。儲層地應力場的計算是通過地層垂直應力、構(gòu)造應力和孔隙流體壓力的疊加原理,得到地層總應力,選取該井目的層段實測平均張性破裂壓力24.5 MPa為界,高于24.5 MPa部分視為應力隔夾層,這對儲層壓裂縫縱向延伸規(guī)律的研究至關(guān)重要(圖4)。

處理結(jié)果表明(圖4),最大水平主應力方向約為NE65°,油層縱向剖面上頂、底縱向應力隔層厚度大,分布穩(wěn)定;單砂體之間應力夾層非常發(fā)育,分布穩(wěn)定性差,增加了巖體內(nèi)部應力分布的非均質(zhì)性;通過巖石力學與應力計算,可以細分出多個應力段,將應力較大段作為單砂體之間的應力隔夾層;這些應力隔夾層將對裂縫的縱向擴展起到一定的屏障作用,造成縱向水淹程度的差別,為剩余油挖潛指明方向。

4 三維精細儲層模型建立

在單砂體細分的基礎上,以鄂爾多斯盆地安塞油田研究區(qū)塊為例(圖4),采用測井和沉積微相約束的方法建立三維油藏精細地質(zhì)與巖石力學模型。建模步驟:首先,通過巖心實驗、偶極子聲波測井和常規(guī)測井結(jié)合建立井點物性、巖石力學參數(shù);其次,利用井間沉積微相模型約束建立三維精細物性、巖石力學模型;最后,開展重力應力、構(gòu)造應力、孔隙壓力計算及多應力疊加建立地應力場模型,研究區(qū)最大水平主應力方向為NE65°。設置模型X×Y×Z網(wǎng)格精度分別為5 m×5 m×0.2 m,網(wǎng)格精度和模型層位的設置符合油田中后期精細開發(fā)的需求。三維精細建模屬性指導下的壓裂模擬全面考慮了地層縱橫向非均質(zhì)性變化特征,優(yōu)于傳統(tǒng)意義上的基于測井參數(shù)的半縫長均質(zhì)儲層壓裂模擬,這將為中國陸相非均質(zhì)儲層的水力壓裂縫擴展規(guī)律與特征進行準確精細的表征提供指導[17]。模型層位從上至下依次為:長小層,長611-2-1、長611-2-2、長611-2-3和長611-2-44個單砂體,長611-3小層及長612小層(圖5)。

圖2 延長縣長611野外剖面橫向變化模型指導下的安塞油田長611油層連井剖面Fig.2 Sections parallel of Chang 611reservoir in Ansai Oilfield under guidance of lateral changes of profile in field model of Chang 611reservoir in Yanchang County

通過對所建模型主力層位與非主力層位楊氏模量、泊松比概率統(tǒng)計分布的研究可以發(fā)現(xiàn):主力層位河道砂體發(fā)育部位的楊氏模量主要集中在33.79×106～39.99×106kPa,泊松比主要集中在0.2～0.25;楊氏模量總體分布范圍為27.58×106～44.82×106kPa,泊松比總體分布范圍為0.15～0.3,基本上符合正態(tài)分布。主力層位的泊松比均值比非主力層位的泊松比均值小0～0.3,反映主力層位砂巖含量較高、泥質(zhì)含量較低的特點,說明主力層發(fā)育在水下分流河道沉積相,儲層物性較好。通過以上模型分析認為:儲層物性、巖石力學及地應力模型都存在穩(wěn)定條帶狀分布的應力隔夾層發(fā)育,在壓裂施工參數(shù)相同的情況下,壓裂過程中裂縫形成的展布特征與巖體的力學性質(zhì)及地應力分布直接相關(guān)。

圖3 研究區(qū)單砂體精細沉積微相平面圖Fig.3 Fine sedimentary microfacies classification results of study area

圖4 王檢16-157井偶極子聲波測井巖石力學綜合圖Fig.4 Logging interpretation results of well Wj16-157

圖5 安塞油田某區(qū)塊長61目的層三維精細地質(zhì)模型Fig.5 3D fine geological models of Chang 61in WY zone of Ansai Oilfield

5 非對稱壓裂縫展布特征預測

全縫長壓裂指壓裂后裂縫在井筒以外的實際分布狀況,包括井筒兩側(cè)不對稱分布的縫長、縫高、縫寬、走向、傾向等。由于多期河道疊加致使儲層縱橫向的非均質(zhì)性較強,而適合于海相均質(zhì)儲層的半縫長壓裂模擬(左右對稱的裂縫)難以表征陸相非均質(zhì)性儲層的壓裂縫展布特征?；诮傩灾笇碌膲毫涯M也全面考慮了地層縱橫向非均質(zhì)性變化特征,優(yōu)于傳統(tǒng)意義上的基于測井參數(shù)的壓裂縫模擬,這將為中國致密非均質(zhì)儲層的人工裂縫展布特征進行準確精細的表征提供指導。

為達到預測陸相非均質(zhì)儲層壓裂縫非對稱展布的目的,須實現(xiàn)三維地質(zhì)、巖石力學和地應力模型與壓裂模型的數(shù)據(jù)對接。首先,根據(jù)儲層地質(zhì)模型5 m×5 m×0.2 m的網(wǎng)格精度,設置導入壓裂模擬軟件中的網(wǎng)格精度為橫向5 m,縱向0.2 m;其次,沿最大水平主應力方向穿過井筒切出截面地質(zhì)屬性模型數(shù)據(jù),輸入壓裂計算軟件得出各屬性在網(wǎng)格化界面上的分布圖;最后,設計砂量、混砂比、排量等壓裂施工工序參數(shù),預測壓裂縫非對稱展布情況,實現(xiàn)了儲層地質(zhì)模型與壓裂預測軟件相互對接,考慮了研究區(qū)非均質(zhì)儲層的實際。用于全縫長壓裂縫模擬并最終揭示非均質(zhì)儲層裂縫展布特征,為剩余油挖潛提供方向。王窯區(qū)的水驅(qū)前緣與示蹤劑監(jiān)測結(jié)果表明,NE66°方向為前緣方向,示蹤劑推進速度最快,這與王檢16-157井偶極子聲波測井得出的最大水平主應力方向吻合,為研究區(qū)天然裂縫與壓裂縫的主方向。

以研究區(qū)王21-10井1227～1242 m壓裂層段為例,初次壓裂縫非對稱展布情況如圖6(a)所示(圖中,井筒在網(wǎng)格的最中間列,黑色部分為射孔段,隨著壓裂的實施,裂縫向左右兩端推進)。模擬結(jié)果顯示,該井壓裂三段全縫長最長150 m,總縫高6.5 m,最大縫寬2.1 mm,平均縫寬1.3 mm。雖然是整體壓裂,但是由于中間穩(wěn)定的應力隔夾層的影響,壓裂縫縱向差異明顯,上下層段之間并不連通,壓裂縫向高滲透率的儲層延伸,因此縱向上儲層改造程度不均勻,長611-2-2單砂體和長611-2-4單砂體都壓開,上、下段改造程度較大,對改善儲層導流能力貢獻較多;而中間層長611-2-3未壓開,中間段改造程度較小,裂縫沒有完全張開,儲層并未得到有效動用,且隔夾層發(fā)育穩(wěn)定,儲層縱向動用嚴重不均,剩余油潛力較大。裂縫兩翼擴展長度差異較大,是符合陸相非均質(zhì)儲層的實際情況,能夠最精確地表述致密非均質(zhì)儲層壓裂縫三維展布特征,因此對該井進行重復壓裂,以充分動用611-2-3單砂體內(nèi)油藏。

基于以上情況,對該井進行重復壓裂,圖6(b)為重復壓裂后的裂縫展布特征。與之前相比,裂縫長度、高度和寬度都相應增加,尤其是中間層長611-2-3壓開,將之前未動用的剩余油進行合理采收,實施效果明顯,日增油約為1.5 t。依據(jù)本文中方法,對鄂爾多斯盆地的新井進行縱向選層和壓裂預測,老井進行重復壓裂改造,現(xiàn)場實施結(jié)果(表1)表明:成功率高達90%以上,單井平均日增油2t以上,平均含水量下降明顯,取得較好的實施效果。

圖6 王窯區(qū)塊王21-10井1227～1242 m壓裂縫非對稱展布特征Fig.6 Asymmetric fracture distribution of 1227-1242 m in well W21-10,Wangyao zone

表1 研究區(qū)塊措施選井實施效果Table 1 Effect of implementation of measures in study area

6 結(jié) 論

(1)根據(jù)鄂爾多斯盆地延長組致密砂巖儲層沉積特征,在單砂體細分基礎上,通過測井、三維精細模型與生產(chǎn)動態(tài)相結(jié)合的全縫長壓裂數(shù)值模擬方法可以對壓裂縫擴展特征進行準確預測,適合于低滲非均質(zhì)儲層開發(fā)中后期的剩余油挖潛。

(2)基于三維精細模型的全縫長壓裂模擬方法的研究,近幾年來在鄂爾多斯盆地實施的措施增產(chǎn)效果好。研究表明壓裂改造后裂縫沿單砂體內(nèi)部橫向延伸,應力隔夾層對裂縫的垂向擴展起到很好的封隔作用,解釋了儲層剖面動用不均的主要原因,為提高油田最終采收率有重要的指導作用。

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(編輯 修榮榮)

Revelation on remaining oil and full length hydraulic simulation of single sand bodies based on 3D models in low permeability heterogeneous reservoirs

LIU Peigang1,2,ZHANG Zhiqiang1,WANG Xiaofei3,PAN Mao1,SHI Yongmin1
(1.School of Earth and Space Science,Peking University,Beijing 100871,China;2.College of Computer and Communication Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China;3.The First Oil Production Plant,Changqing Oilfield Company of PetroChina,Yan?an 716009,China)

Crack propagation laws in continental heterogeneity reservoir and the actual development of reservoir reconstruction processes are poorly understood.In this study we divided single sand body in a target zone in the Wangyao zone of Ordos Basin by using logging curves.Combining conventional logging and special logging,as well as sedimentary microfacies modeling of reservoir,we built a three-dimensional model of rock mechanics.Then,we carried outfull-length fracturing simulations of interwell reservoir and varying stress field.Through the distribution of cracks and the field performance data,we analyzed the producing degree in heterogeneous reservoirs.Our results indicate that significant variations of single sand body in tight sandstone reservoirs are present,therefore,fracturing simulations of single sand body based on real data of 3D models are nee-ded.Through applications in Ordos Basin in recent years,increased production rate is obvious,and over 90%success rate is reported among the implemented wells,with an average of more than 2 t/d production increase.The successful application suggests that the method is suitable for improving the residual oil potential in the mid-late development of low permeability heterogeneity reservoir.

Ordos Basin;heterogeneous reservoir;single sand body;mechanics model;full-length fracturing;revelation on remaining oil

TE 348

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劉培剛,張志強,王曉飛,等.基于三維模型的低滲透非均質(zhì)儲層單砂體全縫長壓裂改造與剩余油挖潛[J].中國石油大學學報(自然科學版),2017,41(3):56-64.

LIU Peigang,ZHANG Zhiqiang,WANG Xiaofei,et al.Revelation on remaining oil and full length hydraulic simulation of single sand bodies based on 3D models in low permeability heterogeneous reservoirs[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2017,41(3):56-64.

1673-5005(2017)03-0056-09doi:10.3969/j.issn.1673-5005.2017.03.007

2016-10-08

國家重大科技專項(2016ZX05013005-009)

劉培剛(1979-),男,講師,博士研究生,研究方向為計算機應用、信息地質(zhì)。E-mail:dongfangwy@126.com。

師永民(1966-),男,研究員,博士,博士后,研究方向為低滲油田開發(fā)和儲層地質(zhì)。E-mail:sym@pku.edu.cn。