致密油壓裂水平井產(chǎn)能影響因素研究
——以遼河油田大民屯致密油水平井為例

吳林洪，郭小哲，羅　威，張子明，張文昌

(1.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京　102249；2.中石油遼河油田鉆采工藝研究院,遼寧盤錦　124000)

隨著全世界能源需求的急劇增加，非常規(guī)油氣資源越來越受到重視[1-2]。尤其是致密油，近年來已經(jīng)成為全球油氣勘探的熱點(diǎn)領(lǐng)域[3]。致密油是非常規(guī)油氣資源中比較重要的部分，也是未來油氣資源上產(chǎn)的重要接替資源。因此，致密油的研究和開發(fā)受到持續(xù)廣泛的關(guān)注[4-5]。

美國是目前世界致密油勘探開發(fā)的核心地區(qū),在致密油有效開發(fā)的助推下，其勘探已取得了重大突破，徹底改變了美國能源供應(yīng)的格局[6]。相比之下，中國致密油資源非常豐富[7]，但以前一般將該類油藏歸為低滲透油藏，自2010年以來致密油這一術(shù)語才在國內(nèi)得到廣泛接受和采用[8]。

致密油藏儲(chǔ)集層發(fā)育納微米級(jí)孔喉，具有顆粒細(xì)小、微尺度效應(yīng)明顯、物性差和孔隙度、滲透率值極低等特點(diǎn)，這導(dǎo)致致密油儲(chǔ)層基質(zhì)泄油半徑小、開發(fā)難度大[9]。目前水平井鉆井、大規(guī)模壓裂和壓裂微地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷三大關(guān)鍵技術(shù)，是該類油藏開發(fā)的必要手段[10]。由于技術(shù)進(jìn)步和壓裂設(shè)備的不斷更新，水平井壓裂技術(shù)也從分段壓裂、多級(jí)分段壓裂發(fā)展到大規(guī)模分段多簇的體積壓裂[11]。這種“長(zhǎng)井段水平井+體積壓裂”的開發(fā)模式可以充分利用天然能量，實(shí)現(xiàn)致密油資源的有效動(dòng)用。因此，水平井設(shè)計(jì)和體積壓裂成效對(duì)致密油藏的開發(fā)效果至關(guān)重要。故十分有必要開展致密油水平井產(chǎn)能影響因素分析和對(duì)比工作，以找出各個(gè)影響因素對(duì)致密油水平井產(chǎn)能的影響規(guī)律和篩選出主控因素，為油田現(xiàn)場(chǎng)部署水平井和設(shè)計(jì)水平井壓裂施工提供指導(dǎo)。

針對(duì)這一問題，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開展了大量研究工作。孟展、才博、王瑞、梁濤等人[12-15]采用信息量分析、灰色關(guān)聯(lián)和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)致密油藏壓裂水平井產(chǎn)能的影響參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算與檢驗(yàn)。趙靜、李根生等人[16-17]討論了各參數(shù)變化時(shí)分別引起的壓裂水平井產(chǎn)能的變化情況。楊俊峰等人[18]建立了致密油壓裂水平井產(chǎn)能模型，并對(duì)初始產(chǎn)能的影響因素進(jìn)行了分析。孫兵等人[19]研究了天然裂縫發(fā)育程度和基質(zhì)孔隙度分布等地質(zhì)因素對(duì)致密油水平井產(chǎn)能影響的特征。閔春佳等人[20]以松遼盆地致密油開發(fā)示范區(qū)扶余油層致密油儲(chǔ)層為研究對(duì)象，研究了壓裂參數(shù)對(duì)產(chǎn)能的影響。彭暉等人[21]分析了生產(chǎn)初期和后期以及產(chǎn)能遞減的主控因素。劉雄等人[22]通過建立致密油體積壓裂水平井產(chǎn)能評(píng)價(jià)非穩(wěn)態(tài)半解析模型，研究了生產(chǎn)過程中裂縫間相互干擾下裂縫參數(shù)對(duì)產(chǎn)能的影響。魏漪等人[23]利用考慮了產(chǎn)能敏感性因素的產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型，分析了壓裂水平井在致密油儲(chǔ)層中的開發(fā)動(dòng)態(tài)。梅顯旺等人[24]在不同壓裂裂縫形態(tài)的基礎(chǔ)上，建立了描述油藏與裂縫關(guān)系的物理模型和數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用該模型研究了儲(chǔ)層滲透率和壓裂參數(shù)對(duì)壓后產(chǎn)能的影響。

為了更好地為壓裂設(shè)計(jì)、壓裂效果評(píng)價(jià)以及產(chǎn)能預(yù)測(cè)等服務(wù)，本文從致密油壓裂水平井的滲流機(jī)理和特征出發(fā)，依據(jù)致密油藏壓采一體化的開發(fā)理論[25]，采用數(shù)值模擬方法，建立了致密油儲(chǔ)層單井產(chǎn)能模型，較全面細(xì)致地從地質(zhì)和壓裂兩個(gè)方面研究了各參數(shù)對(duì)致密油壓裂水平井產(chǎn)能的影響規(guī)律，并通過定義影響因子較精確地量化和對(duì)比各參數(shù)對(duì)生產(chǎn)初期、生產(chǎn)五年和累產(chǎn)量的影響情況，找出各階段的主控因素。

1　致密油壓裂水平井滲流特征

對(duì)于致密油壓裂水平井，由于體積壓裂后儲(chǔ)層內(nèi)存在大量的分支縫，流體在儲(chǔ)層內(nèi)的滲流可分為由分支縫向主縫流動(dòng)的滲流階段和由主裂縫向井筒流動(dòng)的滲流階段[26]。在壓裂井單井控制范圍內(nèi)，表現(xiàn)為在不同的生產(chǎn)階段具有不同的滲流區(qū)域[27]、不同的流動(dòng)介質(zhì)和滲流機(jī)理。即壓裂縫網(wǎng)內(nèi)的原油首先流向井筒；然后近井筒區(qū)域的基質(zhì)對(duì)壓裂縫網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)給，基質(zhì)中的原油通過縫網(wǎng)區(qū)域流向井筒。遠(yuǎn)井筒區(qū)域的基質(zhì)對(duì)近井筒區(qū)的基質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)給，遠(yuǎn)井筒區(qū)的原油通過近井筒基質(zhì)孔喉和天然裂縫流向縫網(wǎng)區(qū)域[28]。

2　致密油壓裂水平井產(chǎn)能特征

2.1　地質(zhì)模型建立

本文以遼河油田大民屯凹陷致密油H307井為研究對(duì)象。該水平井段長(zhǎng)600 m，壓裂分6段，每段射孔2簇，共計(jì)產(chǎn)生12條主裂縫，壓裂示意如圖1所示。運(yùn)用Eclipse的E100模塊建立了精細(xì)的壓裂水平井單井?dāng)?shù)值模擬基本模型。模型為雙重介質(zhì)模型，大小為1200 m×960 m×15 m，采用塊中心網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)共計(jì)360×96×2=69120個(gè)。其他基本參數(shù)見表1。

表1　數(shù)值模型基本參數(shù)Table 1　Base parameters in simulation model

圖1　壓裂水平井模型Fig.1　Modeling grid for horizontal well by volume fracturing in tight oil reservoirs

2.2　產(chǎn)能特征

對(duì)該井的定壓生產(chǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，其日產(chǎn)油量變化如圖2所示?？偨Y(jié)其生產(chǎn)規(guī)律大致分為3個(gè)階段：初期高產(chǎn)階段、快速遞減階段和緩慢遞減階段。

圖2　模型產(chǎn)能曲線Fig.2　The production curve of horizontal well by volume fracturing in tight oil reservoirs

初期高產(chǎn)階段的產(chǎn)量維持時(shí)間較短。這是由于這個(gè)階段滲流區(qū)主要為壓裂縫網(wǎng)，裂縫系統(tǒng)的高導(dǎo)流能力及壓裂后儲(chǔ)層壓力的升高，使得初期產(chǎn)量一般較高；但又由于基質(zhì)滲透率很低，竄流系數(shù)較小，基質(zhì)系統(tǒng)中的流體參與自基質(zhì)向裂縫的流動(dòng)很慢，往往需要在裂縫系統(tǒng)采出較多流體后，依靠基質(zhì)和裂縫系統(tǒng)的較大壓差來克服阻力，這便導(dǎo)致了基質(zhì)系統(tǒng)供給裂縫系統(tǒng)的油及能量變慢，從而使高產(chǎn)維持時(shí)間很短，迅速進(jìn)入遞減階段。

快速遞減階段繼短暫的初期高產(chǎn)后呈現(xiàn)快速遞減趨勢(shì)。主滲區(qū)域由裂縫系統(tǒng)向基質(zhì)系統(tǒng)加深轉(zhuǎn)變，滲流阻力變大，壓力傳導(dǎo)變慢，流動(dòng)介質(zhì)主要為近井筒區(qū)內(nèi)的基質(zhì)?？焖龠f減可達(dá)到50%～70%，維持時(shí)間一般為3～5年。

緩慢遞減階段表現(xiàn)為產(chǎn)量低、遞減慢、穩(wěn)產(chǎn)期較長(zhǎng)。在這個(gè)階段，基質(zhì)系統(tǒng)和裂縫系統(tǒng)的滲流區(qū)域擴(kuò)大，壓降區(qū)域相應(yīng)也擴(kuò)大，基本達(dá)到穩(wěn)定，流動(dòng)介質(zhì)主要為遠(yuǎn)井區(qū)內(nèi)的基質(zhì)，從而形成低產(chǎn)量的緩慢遞減區(qū)特征；有時(shí)受限于邊界，遞減幅度會(huì)加大。

3　地質(zhì)因素對(duì)產(chǎn)能的影響

影響致密油產(chǎn)能的地質(zhì)因素主要有基質(zhì)滲透率、裂縫滲透率和儲(chǔ)層有效厚度。通過數(shù)值模擬方法模擬計(jì)算不同地質(zhì)參數(shù)下5年(緩慢遞減之前)的生產(chǎn)情況。保持其他參數(shù)不變，改變單一地質(zhì)影響因素，分別得到此因素對(duì)產(chǎn)能的影響，如圖3～圖5所示。

圖3　不同天然裂縫滲透率對(duì)產(chǎn)能的影響Fig.3　Effect of different natural fracture permeabilities on volume-fractured horizontal well productivity

圖4　不同基質(zhì)滲透率對(duì)產(chǎn)能的影響Fig.4　Effect of different matrix permeabilities on volume-fractured horizontal well productivity

圖5　不同儲(chǔ)層有效厚度對(duì)產(chǎn)能的影響Fig.5　Effect of different effective thicknesses on volume-fractured horizontal well productivity

由圖3可知，在生產(chǎn)初期由于供油通道主要為壓裂縫網(wǎng)中的裂縫，故天然裂縫滲透率對(duì)生產(chǎn)基本沒有影響，但很快差別顯現(xiàn)，呈現(xiàn)出天然裂縫滲透率越大，日產(chǎn)油量越大，產(chǎn)油量下降速度越慢的特征。

由圖4可知，基質(zhì)滲透率對(duì)生產(chǎn)初期的產(chǎn)能也基本沒有影響，但隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，裂縫滲流系統(tǒng)向基質(zhì)滲流系統(tǒng)深度轉(zhuǎn)變，基質(zhì)滲透率的影響會(huì)逐漸加大。由此可見，儲(chǔ)層滲透率是關(guān)系壓后產(chǎn)能的一個(gè)重要因素，儲(chǔ)層滲透率太低的水平井即使通過壓裂改造后產(chǎn)量仍較低，而基質(zhì)滲透率較大和天然裂縫發(fā)育程度較高的致密油儲(chǔ)層更容易取得好的開發(fā)效果。

由圖5可知，儲(chǔ)層厚度越薄，初期產(chǎn)量越大，但遞減也越迅速，累產(chǎn)油量也小。這是因?yàn)閮?chǔ)層有效厚度越薄，則巖塊越小，裂縫密度越大，從而導(dǎo)致形狀因子越大。同時(shí)儲(chǔ)層越薄，地層壓力下降也越快，應(yīng)力敏感所引起的介質(zhì)變形將使裂縫滲透率與基質(zhì)滲透率的比值變小[29]。這兩個(gè)原因使得薄儲(chǔ)層的竄流速度加快，地層流體能更快地由基質(zhì)流入裂縫，從而短時(shí)間就有較大的滲流區(qū)域。但另一方面，儲(chǔ)層越薄，油氣層的生產(chǎn)能力就越小，相較厚儲(chǔ)層而言，薄層顯得后勁不足。同時(shí)還可看到油井累產(chǎn)量隨地層厚度增加的幅度逐漸減小，這說明壓裂水平井產(chǎn)量不是隨地層厚度增大而無限增大的，進(jìn)一步可以認(rèn)為水平井在薄層油藏中更具優(yōu)勢(shì)。

4　壓裂參數(shù)對(duì)產(chǎn)能的影響

體積壓裂是致密油開采的關(guān)鍵，壓裂參數(shù)亦至關(guān)重要，其主要包括縫網(wǎng)半長(zhǎng)、主縫導(dǎo)流能力、段距、簇間距、縫半帶寬、次裂縫滲透率、裂縫走向、裂縫含水飽和度、壓裂時(shí)造成的儲(chǔ)層壓力升高等9個(gè)因素。應(yīng)用數(shù)值模擬，保持其他參數(shù)不變，仍改變單一參數(shù)用以研究其變化對(duì)產(chǎn)能的影響，如圖6～圖14所示。

圖6　不同縫網(wǎng)半長(zhǎng)對(duì)產(chǎn)能的影響Fig.6　Effect of different fracture length on volume-fractured horizontal well productivity

圖7　不同主縫導(dǎo)流能力對(duì)產(chǎn)能的影響Fig.7　Effect of different main fracture conductivity on volume-fractured horizontal well productivity

由圖6和圖7可知，縫網(wǎng)半長(zhǎng)和主裂縫導(dǎo)流能力越大，日產(chǎn)油量越高，產(chǎn)量下降越慢。這是因?yàn)榭p網(wǎng)半長(zhǎng)越大，油的流動(dòng)通道就越長(zhǎng)，能夠溝通到的區(qū)域就越大，也就越有利于水平井遠(yuǎn)處的油產(chǎn)出。而導(dǎo)流能力相當(dāng)于裂縫運(yùn)輸原油的能力，導(dǎo)流能力越大，則運(yùn)輸能力越強(qiáng)。但縫網(wǎng)半長(zhǎng)和主縫導(dǎo)流能力的增加并未帶來產(chǎn)能的線性增加，相反產(chǎn)能增幅逐漸回落。這是因?yàn)榭p網(wǎng)半長(zhǎng)越長(zhǎng)，裂縫末端到水平井筒的距離就越遠(yuǎn)，裂縫內(nèi)的流動(dòng)阻力就越大。此外，縫網(wǎng)半長(zhǎng)越長(zhǎng)，邊界對(duì)裂縫的影響就越強(qiáng)，這也會(huì)阻礙地層向裂縫供液。而裂縫的導(dǎo)流能力對(duì)于一個(gè)特定的油藏則存在一個(gè)最優(yōu)值。另外，縫網(wǎng)半長(zhǎng)對(duì)產(chǎn)能的影響一直貫穿3個(gè)生產(chǎn)階段，主裂縫導(dǎo)流能力只對(duì)初期的生產(chǎn)影響較大，后期影響逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

圖8　不同段距對(duì)產(chǎn)能的影響Fig.8　Effect of different distance fracture sections on volume-fractured horizontal well productivity

圖9　不同簇間距對(duì)產(chǎn)能的影響Fig.9　Effect of different distance between the main fractures on volume-fractured horizontal well productivity

圖10　不同縫半帶寬對(duì)產(chǎn)能的影響Fig.10　Effect of different half fracture bandwidth on volume-fractured horizontal well productivity

圖11　不同次裂縫滲透率對(duì)產(chǎn)能的影響Fig.11　Effect of different subordinate fracture permeability on volume-fractured horizontal well productivity

由圖8和圖9可知，段距或簇間距越小，初期產(chǎn)量越高。因?yàn)樵叫〉亩尉嗷虼亻g距意味著裂縫條數(shù)越多，初期壓力的波及面積越大。也由于此，快速遞減階段的產(chǎn)量下降速度越快，下降幅度越大。但在生產(chǎn)中隨著裂縫滲流區(qū)面積的擴(kuò)大，裂縫間會(huì)逐漸產(chǎn)生相互干擾，裂縫數(shù)量越多，縫間干擾作用就越劇烈，每條裂縫產(chǎn)量受到的影響程度越大，導(dǎo)致產(chǎn)量的增幅逐漸減小。

由圖10和圖11可知，縫半帶寬和次裂縫滲透率的變化對(duì)生產(chǎn)總體影響很小，它們不是增大產(chǎn)量的主要參數(shù)指標(biāo)。這是因?yàn)楫?dāng)主縫間距較小時(shí)，縫網(wǎng)內(nèi)任一點(diǎn)到裂縫的距離不能再大幅度縮短，因此雖然增加次裂縫滲透率可一定程度上提高儲(chǔ)層滲流能力，增加縫半帶寬也可增大縫網(wǎng)面積，但效果改善卻并不明顯。所以在縫網(wǎng)難以形成時(shí)，可通過增加壓裂段數(shù)來實(shí)現(xiàn)相接近的開發(fā)效果。

圖12　不同縫走向?qū)Ξa(chǎn)能的影響Fig.12　Effect of different main fracture directions on volume-fractured horizontal well productivity

由圖12可知，裂縫走向與水平井夾角為90°時(shí)的產(chǎn)油量都明顯高于其他。這是由于隨著裂縫走向與水平井夾角的增大，裂縫之間的距離就越大，每條裂縫的泄油面積也越大，這使得裂縫間的干擾現(xiàn)象出現(xiàn)越晚，每條裂縫的產(chǎn)量也就越大。考慮到壓裂時(shí)裂縫總是沿著最大地應(yīng)力方向擴(kuò)展延伸，故水平井位置平行于最小地應(yīng)力方向的布井為最優(yōu)。

圖13　不同裂縫含水飽和度對(duì)產(chǎn)能的影響Fig.13　Effect of different fracture areas water saturation on volume-fractured horizontal well productivity

圖14　不同壓力升高對(duì)產(chǎn)能的影響Fig.14　Effect of different fracture areas pressure rise on volume-fractured horizontal well productivity

由圖13和圖14可知，壓裂施工過程中壓裂液的注入所引起的裂縫含水飽和度的增加和導(dǎo)致的壓裂區(qū)域的壓力升高對(duì)產(chǎn)量的影響迥異。裂縫含水飽和度的增加基本僅對(duì)初期產(chǎn)量略有影響，隨著壓裂液的返排其影響越來越小。而壓裂區(qū)域的壓力升高則使產(chǎn)量隨壓裂液的返排逐步上升，壓力越高，壓裂液返排時(shí)間越長(zhǎng)，初始產(chǎn)油量越小，產(chǎn)油量上升越緩，但由于地層能量更充足，在快速和緩慢遞減階段產(chǎn)量則更大，累產(chǎn)也更高。

5　影響因素對(duì)比分析

為了量化分析產(chǎn)能對(duì)各地質(zhì)條件和壓裂參數(shù)的敏感性，定義影響因子為：

式中Ai——某一影響因素的影響因子；

ΔFi——某一影響因素下對(duì)應(yīng)量的最大變化量；

Fimax——某一影響因素下對(duì)應(yīng)量的最大值。

通過定義影響因子的方法，可以將各個(gè)影響因素對(duì)產(chǎn)能的影響進(jìn)行歸一化處理(圖15)。

圖15　各影響因素影響因子Fig.15　Comprehensive ranking of influence degree with different influential factors

由圖15可知，生產(chǎn)初期對(duì)壓裂水平井產(chǎn)能影響程度較大的是：主裂縫導(dǎo)流能力、段距和簇間距。生產(chǎn)第5年影響程度較大的是：儲(chǔ)層厚度、主裂縫導(dǎo)流能力、段距、簇間距、天然裂縫滲透率和基質(zhì)滲透率。這6個(gè)因素中有3個(gè)是儲(chǔ)層的客觀因素，無法改變，壓裂因素則仍然是初期就具有較大影響的裂縫導(dǎo)流能力、段距、簇間距，這也進(jìn)一步體現(xiàn)出了這3個(gè)因素的關(guān)鍵。對(duì)累產(chǎn)油量影響較大的是：儲(chǔ)層有效厚度、主裂縫導(dǎo)流能力、段距、簇間距、縫網(wǎng)半長(zhǎng)和天然裂縫滲透率。

在模擬計(jì)算年限內(nèi)，次裂縫滲透率、縫半帶寬、壓力升高和裂縫含水飽和度對(duì)壓裂水平井產(chǎn)能的影響都比較小，且隨時(shí)間的變化不大，說明壓裂過程中所產(chǎn)生的分支縫以及壓裂液在裂縫中的分布對(duì)產(chǎn)能的影響不大，產(chǎn)能分析中可以弱化這些因素。

隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，對(duì)產(chǎn)能影響程度越來越小的因素有：主縫導(dǎo)流能力、段距、簇間距、裂縫走向、次裂縫滲透率、壓力升高、縫半帶寬和裂縫含水飽和度。對(duì)產(chǎn)能影響程度越來越大的因素有：天然裂縫滲透率、基質(zhì)滲透率、縫網(wǎng)半長(zhǎng)和儲(chǔ)層厚度。從這些可以看出，在致密油的開發(fā)過程中，對(duì)油藏所采取的增產(chǎn)措施主要在生產(chǎn)初期起作用，而在模擬計(jì)算后期對(duì)生產(chǎn)影響比較大的是油藏自身的供油能力。這種由壓裂因素逐漸向儲(chǔ)層物性的轉(zhuǎn)變規(guī)律，與致密油壓裂水平井不同生產(chǎn)階段的供油機(jī)理相符。

6　結(jié)論

(1)致密油壓裂水平井在不同的生產(chǎn)階段具有不同的滲流區(qū)域、流動(dòng)介質(zhì)和滲流機(jī)理。

(2)致密油儲(chǔ)層開發(fā)的生產(chǎn)特征可大致分為3個(gè)階段，即初期高產(chǎn)階段、快速遞減階段和緩慢遞減階段。

(3)基質(zhì)滲透率越大和天然裂縫發(fā)育程度越高的致密油開發(fā)效果越好。

(4)從壓裂參數(shù)對(duì)產(chǎn)能影響因素的分析來看，主裂縫導(dǎo)流能力是第一關(guān)鍵，無論對(duì)初期產(chǎn)量還是對(duì)累產(chǎn)量，主裂縫導(dǎo)流能力越大越好，而且其差異帶來的產(chǎn)能變化最為明顯，因此，在排量和加砂量方面應(yīng)考慮增大效果；段距和簇間距是第二關(guān)鍵，這兩個(gè)參數(shù)所反映的實(shí)質(zhì)上是主裂縫條數(shù)，亦即主裂縫條數(shù)越多產(chǎn)能效果越好，但縫間干擾也越嚴(yán)重；縫網(wǎng)半長(zhǎng)可以是第三關(guān)鍵，對(duì)累產(chǎn)量影響較大，因此，縫網(wǎng)半長(zhǎng)也應(yīng)適當(dāng)增大；至于次裂縫為主的半帶寬及其滲透率，影響程度不明顯，因此，壓裂或者產(chǎn)能分析時(shí)可弱化分析。

(5)在致密油的開發(fā)過程中，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，對(duì)產(chǎn)能的影響由壓裂因素向儲(chǔ)層物性轉(zhuǎn)變。