影響水平井開發(fā)效果的主要因素研究

劉 賽

（中國(guó)石油新疆油田公司實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆克拉瑪依 834000）

近年來(lái)，水平井井網(wǎng)廣泛應(yīng)用于各大油氣田的開發(fā)，水平井聯(lián)合直井井網(wǎng)開發(fā)具有較大優(yōu)勢(shì)。對(duì)于底水油藏，直井開發(fā)生產(chǎn)壓差大，易造成底水錐進(jìn)，而水平井開發(fā)可以發(fā)揮增大泄油面積、減小生產(chǎn)壓差、減緩油井水淹速度的優(yōu)勢(shì)；此外，水平井還廣泛應(yīng)用于低滲油藏、層狀油氣藏、稠油油藏、碳酸鹽巖或火山巖油氣藏、裂縫性油氣藏、煤層氣藏、頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣藏[1]。目前有關(guān)影響水平井網(wǎng)的主要因素的相關(guān)文報(bào)道存在以下局限性：對(duì)地質(zhì)因素、開發(fā)因素考慮不全面；優(yōu)化因素只針對(duì)某一類油藏；優(yōu)化方法通常為油藏工程方法簡(jiǎn)單的公式推導(dǎo)，沒有考慮油藏內(nèi)部復(fù)雜的水動(dòng)力系統(tǒng)。本文以X井區(qū)為例，對(duì)影響水平井開發(fā)效果的地質(zhì)因素和開發(fā)因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并利用數(shù)值模擬軟件對(duì)各因素影響趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)。

1 地質(zhì)因素

X井區(qū)克下組油藏孔隙度11.5%，滲透率6.6×10-3μm2，屬于低孔特低滲儲(chǔ)層，油藏中部深度1 544 m，地層壓力15.86 MPa，原油黏度2.9 mPa·s，原油密度0.852 g/cm3，目前采取350 m×500 m反九點(diǎn)井網(wǎng)開采。從主力油層及隔夾層分布特征來(lái)看，主力油層連續(xù)性好，夾層薄，隔層穩(wěn)定，適合水平井開發(fā)；從構(gòu)造特征來(lái)看，油井位于構(gòu)造高部位，水井位于低部位，導(dǎo)致油井注水見效差，剩余儲(chǔ)量多，加密潛力大。目前X井區(qū)克下組直井井網(wǎng)開采產(chǎn)量遞減快、注水見效差、壓力保持程度低、油藏動(dòng)用程度低、水驅(qū)開發(fā)采收率僅6.2%；目前油價(jià)下，直井加密難以有效開發(fā)，需開展水平井加密調(diào)整研究，提高油藏整體開發(fā)效益。

1.1 地應(yīng)力對(duì)水平井井網(wǎng)開發(fā)效果的影響

壓裂裂縫的延伸方向沿著最大主應(yīng)力方向，故井網(wǎng)部署的原則是注水井和采油井連線方向應(yīng)避開最大主應(yīng)力方向[2]，同時(shí)井網(wǎng)形式推薦使用矩形五點(diǎn)井網(wǎng)系統(tǒng)。該井網(wǎng)注采比大于反九點(diǎn)井網(wǎng)，注水強(qiáng)度大，并且是沿裂縫線狀注水，即井排方向與裂縫走向一致，這樣既避免了油水井發(fā)生水竄，又可擴(kuò)大人工壓裂規(guī)模，提高油井產(chǎn)能和注水井注水能力，從而改善注水開發(fā)效果。

考慮到地應(yīng)力方向，一般有兩種布井方式，即水平井水平段方向平行于最大主應(yīng)力方向和垂直于最大主應(yīng)力方向[3]。利用數(shù)值模擬軟件，優(yōu)化不同滲透率級(jí)別條件下水平井方向與最大主應(yīng)力方向的合適關(guān)系。設(shè)計(jì)四種方案，方案一：基質(zhì)滲透率12×10-3μm2，注水井垂直于裂縫方向向油井驅(qū)油，即水平段方向平行于最大主應(yīng)力；方案二：基質(zhì)滲透率12×10-3μm2，注水井平行于裂縫方向向油井驅(qū)油，即水平段方向垂直于最大主應(yīng)力；方案三：基質(zhì)滲透率1.2×10-3μm2，注水井垂直于裂縫方向向油井驅(qū)油，即水平段方向平行于最大主應(yīng)力；方案四：基質(zhì)滲透率 1.2×10-3μm2，注水井平行于裂縫方向向油井驅(qū)油，即水平段方向垂直于最大主應(yīng)力。由數(shù)值模擬結(jié)果得出，當(dāng)基質(zhì)滲透率較大時(shí)（12×10-3μ m2），注水井垂直于裂縫方向向生產(chǎn)井驅(qū)油，油藏整體剩余油飽和度低，水線推進(jìn)比較均勻，驅(qū)油范圍呈現(xiàn)“短寬狀”，水驅(qū)波及面積更大；注水井平行于裂縫方向向生產(chǎn)井驅(qū)油，注入水向水平井驅(qū)油范圍呈現(xiàn)“窄條狀”，注入水很快沿裂縫突進(jìn)到水平井，導(dǎo)致波及面積小。表明注水井垂直于裂縫方向布井有明顯的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)基質(zhì)滲透率較小時(shí)（1.2×10-3μ m2），注水井與裂縫方向位置關(guān)系對(duì)開發(fā)效果影響較小，但注水井平行于裂縫方向水平井注水波及面積相對(duì)較大，剩余油飽和度相對(duì)較低。

除此之外，當(dāng)水平段方向垂直于最大主應(yīng)力方向時(shí)，考慮X井區(qū)水平井作為生產(chǎn)井可進(jìn)行多段壓裂，產(chǎn)生多條裂縫，生產(chǎn)井產(chǎn)量較高[4]。數(shù)值模擬結(jié)果表明，水平井水平段與最大主應(yīng)力垂直的布井方式在采油速度和采出程度上都優(yōu)于水平段與最大主應(yīng)力平行的布井方式。但是也應(yīng)該注意水平段與最大主應(yīng)力方向垂直的布井方式的不利因素，即注水井可能會(huì)沿著距離最近的水力裂縫突進(jìn)到水平生產(chǎn)井，對(duì)穩(wěn)產(chǎn)造成困難，這就對(duì)水平井多次封堵水層工藝提出較高的要求[5]。

1.2 裂縫發(fā)育程度對(duì)開發(fā)效果的影響

研究 X井區(qū)裂縫滲透率與基質(zhì)滲透率比值的變化對(duì)開發(fā)效果的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明：①水平段平行于裂縫方向時(shí)，隨著裂縫滲透率與基質(zhì)滲透率比值的增加，水驅(qū)波及面積變大，油藏最終采收率略有增加（圖1），此時(shí)注入水進(jìn)入裂縫向水平井線性推進(jìn)，滲流阻力相對(duì)較小，擴(kuò)大了掃油面積[6]；②當(dāng)水平井垂直于裂縫布井時(shí)，隨著裂縫滲透率與基質(zhì)滲透率比值的增加，水平井見效變快，油田開采時(shí)間變短，易形成優(yōu)勢(shì)通道，油藏最終采收率略有降低（圖1）。

1.3 地層參數(shù)對(duì)開發(fā)效果的影響

（1）地層參數(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響。由水平井Joshi產(chǎn)能公式可知，地層滲透率、有效厚度與井產(chǎn)量成正相關(guān)關(guān)系[7]。

（2）滲透率各向異性對(duì)產(chǎn)量的影響。隨滲透率各向異性程度增強(qiáng)，井網(wǎng)的單井產(chǎn)能遞減，主要是因?yàn)榉蔷|(zhì)性導(dǎo)致水線易沿高滲層突進(jìn)，降低了水驅(qū)控制程度；注入水一旦突破，水平井產(chǎn)量就難以控制，降低了穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間，各向異性程度越強(qiáng)，主流線突破點(diǎn)越靠近水平段中點(diǎn)位置，水平段發(fā)揮作用的長(zhǎng)度減小，產(chǎn)量降低[8]。

圖1 裂縫與基質(zhì)滲透率比值對(duì)X井區(qū)采收率的影響

綜上所述，地應(yīng)力、滲透率、有效厚度是影響X井區(qū)水平井開發(fā)效果的主要地質(zhì)因素，裂縫發(fā)育程度、滲透率各向異性是次要影響因素。

2 開發(fā)因素

2.1 穿透比對(duì)開發(fā)效果的影響

利用Eclipse數(shù)值模擬軟件，模擬不同穿透比條件下波及系數(shù)變化。結(jié)果表明，波及系數(shù)隨水平井穿透比的增加而呈遞減趨勢(shì)[9]（圖2）。主要是因?yàn)殡S著水平井穿透比增加，注采井間距離相對(duì)變小，注水井與水平井之間的主流線越來(lái)越密集，見水時(shí)間變短，從而使得見水時(shí)的波及系數(shù)減小。

圖2 波及系數(shù)隨穿透比變化規(guī)律

2.2 水平井井別對(duì)開發(fā)效果的影響

2.2.1 對(duì)含水率的影響

設(shè)計(jì)X井區(qū)水平井為油井和水井兩種情況，利用數(shù)模軟件模擬研究不同開發(fā)階段井網(wǎng)含水率變化特征。結(jié)果表明：①開發(fā)初期（生產(chǎn)半年），水平井作為水井時(shí)井網(wǎng)的含水率明顯高于水平井為油井時(shí)的含水率（圖3）；不同井別的水平井，隨著穿透比的增加，含水率明顯增加；②在開采后期（生產(chǎn)10年），水平井注水時(shí)井網(wǎng)的含水率低于水平井采油時(shí)井網(wǎng)的含水率（圖3）；不同井別的水平井，隨著穿透比的增加，含水率降低，且水平井為注水井時(shí)，井網(wǎng)含水率降低幅度較大；這是因?yàn)殚_采初期，水平井注水波及較快，水平井采油見水較慢，含水上升慢，所以水平井注水時(shí)井網(wǎng)的含水率較高[10]；開發(fā)后期，水平井注水泄壓范圍小于水平井采油的井網(wǎng)，故含水率較低。

圖3 水平井井別對(duì)開發(fā)效果的影響

2.2.2 對(duì)平均注入壓力及注采壓差的影響

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，水平井井別對(duì)注入壓力的影響表現(xiàn)為：①水平井為生產(chǎn)井時(shí)井網(wǎng)平均注入壓力高于水平井為注入井時(shí)井網(wǎng)的平均注入壓力（圖4）。原因主要是水平井采油時(shí)，直井注水相當(dāng)于對(duì)儲(chǔ)層實(shí)施“點(diǎn)注”、“線采”的方式，而水平井注水時(shí)相當(dāng)于“線注”、“點(diǎn)采”，增大了注入井與油藏的接觸面積，水相對(duì)更容易注入，因此前者注入壓力高，后者較低[11]；②隨著井網(wǎng)穿透比的增加，水平井為生產(chǎn)井時(shí)井網(wǎng)的平均注入壓力幾乎保持不變，水平井為注入井時(shí)井網(wǎng)的平均注入壓力略有降低（圖 5）。主要是因?yàn)椋W(wǎng)穿透比越大，注采井距相對(duì)越小，所需注入壓力略有降低。水平井井別對(duì)注采壓差的影響表現(xiàn)為：①水平井為注入井時(shí)井網(wǎng)的平均注采壓差高于水平井為生產(chǎn)井時(shí)井網(wǎng)的注采壓差。雖然水平井為生產(chǎn)井時(shí)注入壓力較高，但注入流體達(dá)到水平井更容易，損失能量較小，因此水平生產(chǎn)井井底流壓相對(duì)較大，導(dǎo)致注采壓差較小[12]；②隨著井網(wǎng)穿透比的增加，不同井別的注采壓差均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)（圖4）。

圖4 水平井井別對(duì)平均注入壓力及注采壓差的影響

2.2.3 對(duì)采出程度的影響

水平井為生產(chǎn)井時(shí)井網(wǎng)的采出程度高于水平井為注入井時(shí)井網(wǎng)的采出程度；開采初期的采出程度相差不大，后期的采出程度相差比較明顯。主要是因?yàn)殚_采初期油藏飽和度較高，注入水波及范圍相差不大，后期水平生產(chǎn)井逐漸顯出泄油面積增大的優(yōu)勢(shì)，采出程度較高（圖5）。

圖5 水平井井別對(duì)采出程度的影響

2.3 水平井參數(shù)對(duì)開發(fā)效果的影響

2.3.1 水平井長(zhǎng)度

水平井長(zhǎng)度對(duì)井網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在以下5個(gè)方面：

（1）對(duì)無(wú)水采收率的影響。水平井長(zhǎng)度越長(zhǎng)，注入水越容易突破到生產(chǎn)井，見水時(shí)間越短，導(dǎo)致無(wú)水采收率減小。

（2）對(duì)產(chǎn)能的影響。隨著水平井長(zhǎng)度的增加，單井產(chǎn)能增大；當(dāng)水平井長(zhǎng)度超過一定范圍時(shí)，累產(chǎn)油增幅變緩，這主要是由于水平井筒內(nèi)摩擦阻力引起的。

（3）對(duì)面積掃油系數(shù)的影響。水平井長(zhǎng)度增加，面積掃油系數(shù)反而減小。造成這種情況的主要原因是：水平井長(zhǎng)度增加后，井筒上各點(diǎn)見水時(shí)間差距增大，離注水井近的點(diǎn)見水過早，其他位置見水較晚，造成水線推進(jìn)不均勻，掃油面積減小。

（4）注入水的突破點(diǎn)。主流線與水平井的交點(diǎn)（即注入水的突破點(diǎn)）一般位于水平井兩端點(diǎn)之間，并隨水平段長(zhǎng)度的增加而向水平井端點(diǎn)靠近。當(dāng)水平井長(zhǎng)度與井網(wǎng)單元寬度相等，即水平井兩兩相連時(shí)突破點(diǎn)將移到水平井端點(diǎn)。

（5）無(wú)量綱長(zhǎng)度。隨著水平井無(wú)量綱長(zhǎng)度的增加，水平井無(wú)量綱產(chǎn)量增加，當(dāng)無(wú)量綱長(zhǎng)度增加到一定幅度之后，進(jìn)一步增加水平井的長(zhǎng)度，無(wú)量綱產(chǎn)量增加幅度不大。因此，從經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，水平井無(wú)量綱長(zhǎng)度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，取 0.5為宜[13-14]。

2.3.2 壓裂水平井裂縫條數(shù)

在設(shè)計(jì)水平井段長(zhǎng)度、裂縫半長(zhǎng)、導(dǎo)流能力相同的條件下，改變裂縫條數(shù)，數(shù)值模擬不同方案的開發(fā)效果。模擬結(jié)果表明，壓裂水平井累計(jì)產(chǎn)量隨裂縫條數(shù)的增加而增大，當(dāng)裂縫條數(shù)大于6條時(shí)，累計(jì)產(chǎn)量增加幅度逐漸減小。因此，X井區(qū)設(shè)計(jì)最佳裂縫條數(shù)為6條。對(duì)于天然裂縫的X油藏，水平井應(yīng)盡可能地穿過最多的裂縫條數(shù)，以增加水平井產(chǎn)能。

2.3.3 壓裂水平井裂縫長(zhǎng)度

在水平井段長(zhǎng)度、裂縫條數(shù)、裂縫導(dǎo)流能力相等的情況下，設(shè)計(jì)不同裂縫半長(zhǎng)開采方案，數(shù)值模擬不同方案的開發(fā)效果。X油藏開采初期，裂縫長(zhǎng)度對(duì)開發(fā)效果影響不大，開發(fā)后期，累產(chǎn)量隨裂縫長(zhǎng)度增加而增大，增幅逐漸減小。這是因?yàn)殚_發(fā)初期主要發(fā)揮水平井對(duì)整個(gè)油藏的泄壓作用，水平段長(zhǎng)度一定時(shí)，各方案累產(chǎn)油量相差不大，而開發(fā)后期裂縫長(zhǎng)度對(duì)流體滲流影響較大，逐漸出現(xiàn)產(chǎn)量差異，裂縫半長(zhǎng)對(duì)產(chǎn)量影響的敏感程度遠(yuǎn)小于裂縫條數(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響。

2.4 井距

以圖6所示的五點(diǎn)法井網(wǎng)為例進(jìn)行說明，來(lái)研究橫向井距與縱向井距之比對(duì)水平井–直井聯(lián)合布井方案開發(fā)效果的影響。由圖7可知，橫向井距與縱向井距之比由小變大時(shí)，產(chǎn)能先增大后減小，這是因?yàn)橐欢ǚ秶鷥?nèi)，隨a /d增大，水平井間垂直距離相對(duì)減小，單井泄壓范圍越“連通”，產(chǎn)能增加，當(dāng) a /d = 2.86時(shí)達(dá)到最大產(chǎn)能，之后再增大a /d，五點(diǎn)法井網(wǎng)趨向于“條帶型”，井間干擾加劇，產(chǎn)能減小。

圖6 五點(diǎn)水平井井網(wǎng)

2.5 流體參數(shù)對(duì)開發(fā)效果的影響

（1）流體黏度。由水平井Joshi產(chǎn)能公式可知，流體黏度與井產(chǎn)量成負(fù)相關(guān)[15]。

（2）流度比。隨流度比增加，波及系數(shù)降低，當(dāng)流度比由0增加到5過程中，波及系數(shù)快速遞減，之后再增加流度比，波及系數(shù)遞減變慢（圖8）。主要是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，流度比增加，油水物性差異逐漸變大，但油相仍然是優(yōu)勢(shì)相，隨水相干擾變大，波及系數(shù)下降較快[16]；流度比超過5之后，水相流動(dòng)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，只有少部分的油可以流動(dòng)，導(dǎo)致波及系數(shù)降低。

圖7 五點(diǎn)水平井網(wǎng)產(chǎn)能與井距關(guān)系

圖8 波及系數(shù)與流度比的關(guān)系

綜上所述，穿透比、水平井長(zhǎng)度、裂縫條數(shù)、井距是影響X井區(qū)水平井井網(wǎng)生產(chǎn)效果的主要開發(fā)因素；水平井井別、裂縫半長(zhǎng)、流體參數(shù)是次要影響因素。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)基質(zhì)滲透率較大時(shí)，注水井垂直于裂縫方向向生產(chǎn)井驅(qū)油即水平段方向平行于最大主應(yīng)力方向驅(qū)油效果更好；當(dāng)基質(zhì)滲透率較小時(shí)，水平段方向應(yīng)垂直于最大主應(yīng)力方向；隨裂縫與基質(zhì)滲透率比值的增加，水平井平行于裂縫的布井方式采收率略有提高，垂直的布井方式采收率略有降低；滲透率、有效厚度與產(chǎn)量成正相關(guān)，滲透率各向異性與產(chǎn)能成負(fù)相關(guān)。

（2）水平井網(wǎng)的波及系數(shù)與穿透比成負(fù)相關(guān)；開發(fā)初期水平井注水時(shí)含水率明顯高于水平井采油時(shí)的含水率，隨著穿透比的增加，含水率明顯增加，開發(fā)后期則相反；水平井采油時(shí)高于注水時(shí)的平均注入壓力，平均注采壓差相反；水平井作為油井時(shí)采收率較高。

（3）水平井網(wǎng)開發(fā)時(shí)產(chǎn)量與水平段長(zhǎng)度、裂縫條數(shù)、裂縫長(zhǎng)度并非呈嚴(yán)格比例關(guān)系，而是產(chǎn)量增幅逐漸變緩?？紤]經(jīng)濟(jì)因素，需針對(duì)具體油藏進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

（4）水平井網(wǎng)產(chǎn)量與流體黏度成負(fù)相關(guān)；流度比小于5時(shí)，波及系數(shù)隨流度比增加快速遞減，之后隨流度比增加緩慢遞減。

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