非均質(zhì)氣藏水平井非對稱立體壓裂優(yōu)化方法

劉熔冰，劉 林，曹興榮，劉 斌

（1中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司生產(chǎn)運行處2中石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院3長慶油田分公司第十采油廠）

劉熔冰等.非均質(zhì)氣藏水平井非對稱立體壓裂優(yōu)化方法.鉆采工藝，2019，42（5）：118-120

SF氣田蓬萊鎮(zhèn)組儲層垂深為700～1 900m，地壓系數(shù)為1.23～1.46，巖性以細(xì)砂巖為主，滲透率為0.1～0.3 mD，孔隙度為8%～10%，以小孔-細(xì)喉組合為主，橫向變化大，尖滅較頻繁，透鏡體發(fā)育。由于河道砂體窄，砂、泥巖互層現(xiàn)象嚴(yán)重，水平井有效儲層鉆遇率僅為30%，加之平面上富氣區(qū)有限，單井鉆遇的儲層普遍以Ⅱ、Ⅲ類為主。前期水平井分段壓裂采用均質(zhì)儲層分段壓裂設(shè)計思路，由于水平段存在多個滲流“阻隔帶”，單條水力壓裂裂縫儲量控制有限，水平井分段壓裂后平均測試產(chǎn)量1.63×104m3／d，投產(chǎn)率僅為46%，氣藏開發(fā)難度大，亟待開展砂泥巖互層、透鏡體砂巖水平井分段壓裂優(yōu)化設(shè)計方法研究。

一、非對稱立體壓裂優(yōu)化設(shè)計思路

非對稱立體壓裂目標(biāo)為提高非均質(zhì)儲層水平井儲量動用程度，其優(yōu)化設(shè)計總體思路是：以氣藏滲流特征為基礎(chǔ)，以劃分水平井段儲層滲流阻隔帶為關(guān)鍵，以獨立滲流單元為目標(biāo)，結(jié)合砂體平面和縱向展布，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。技術(shù)核心是將水平段非均質(zhì)儲層轉(zhuǎn)化為均質(zhì)獨立滲流單元，包括滲流特征研究、滲流阻隔帶確定、獨立滲流單元劃分、均質(zhì)儲層優(yōu)化設(shè)計。

二、氣藏滲流特征及地質(zhì)模型建立

1.氣藏滲流特研究

國內(nèi)外大量研究表明，氣藏滲透率較低，含水飽和度較高的狀態(tài)下，氣體滲流時必須考慮啟動壓力的影響，啟動壓力的存在使得氣體呈現(xiàn)下凹型的非線性滲流。通過室內(nèi)實驗測定了致密儲層啟動壓力值，在此基礎(chǔ)上建立了氣藏滲透率與啟動壓力梯度的關(guān)系，揭示了致密砂巖氣藏滲流規(guī)律，表1為氣藏啟動壓力測試情況。

表1 氣藏啟動壓力測定

通過實驗數(shù)據(jù)回歸可擬合出儲層滲透率與初始啟動壓力梯度的關(guān)系式：

式中：λ—啟動壓力梯度，MPa／m；K—儲層滲透率，mD。

建立的啟動壓力梯度隨儲層物性（滲透率）的關(guān)系，對非均質(zhì)儲層生產(chǎn)壓差控制與人工布縫位置選擇提供了依據(jù)。

2.地質(zhì)模型建立

SF氣田蓬萊鎮(zhèn)組氣藏不連續(xù)的分布有Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類儲層，不論那一類儲層類型，砂體都是由連續(xù)的大段與不連續(xù)的小段組合而成的，通過水平井實鉆砂體情況可以歸納三種情況，含阻隔帶的交互層模型、連續(xù)同種類型儲層模型、多砂體組合模型，從而確定了基本的地質(zhì)物理模型如圖1所示。

圖1 非均質(zhì)儲層基本地質(zhì)模型

三、均質(zhì)獨立滲流單元劃分

在特定滲透率和滲流帶寬下，在一定生產(chǎn)時間內(nèi)，壓力未波及到滲流帶邊緣，且產(chǎn)量貢獻(xiàn)較小，可視為滲流阻隔帶。

1.數(shù)學(xué)模型建立

1.1 考慮啟動壓力梯度的運動方程

當(dāng)考慮啟動壓力梯度時，流體滲流過程中總壓降應(yīng)為流體流動壓降與啟動壓力之和，若同時考慮重力的影響，水相和氣相的運動方程可用式（2）表示：

將密度和體積系數(shù)加入到運動方程，可獲得氣相和水相的質(zhì)量流速：

1.2 氣、水兩相滲流方程及壓力方程

引入勢函數(shù)Φα＝pα-ραgH-λαΔL，聯(lián)立連續(xù)性方程、考慮啟動壓力梯度的運動方程，可得氣相、水相滲流方程如式（4）：

引入氣水飽和度滿足歸一條件Sw+Sg＝1整理可得：

式中：Ct—為綜合壓縮系數(shù)。

2.滲流阻隔帶確定方法

考慮到Ⅳ類儲層基本不具有流動特征，將低滲透阻隔帶的滲透率設(shè)定為0.015 mD、0.03 mD、0.05 mD、0.1 mD，同時將阻隔帶的厚度設(shè)置在1～25 m之間。

（1）以阻隔層滲透率0.1 mD，厚度5 m為例（壓力波穿透阻隔層），模擬3個月和1年后的壓力分布圖，見圖2、圖3。

從圖2、圖3可以看出，在隔層滲透率0.1 mD，隔層厚度5 m，在3個月時，左邊儲層壓力波未穿透阻隔層，但是當(dāng)1年以后，壓力波穿透阻隔層，動用右邊儲量。

（2）不同阻隔層滲透率下滲流單元劃分界限確定。分別模擬阻隔層滲透率為0.1 mD、0.05 mD、0.03 mD、0.015 mD，生產(chǎn)3年后不同阻隔層厚度下壓力波傳播情況，由此確定滲流單元劃分的阻隔層厚度界限。

圖2 3個月后壓力分布圖

圖3 1年后壓力分布圖

在阻隔層滲透率為0.1 mD情況，厚度從1 m增加到25 m，隔層壓力阻隔能力逐漸增強，達(dá)到20 m時，3年后壓力波未能穿透阻隔層，左邊儲層未能動用右邊儲層，左右兩個儲層需要分為兩個滲流單元帶，見圖4。綜合0.1 mD、0.05 mD、0.03 mD、0.015 mD阻隔層滲流單元的劃分界限厚度，根據(jù)滲流單元劃分界限與阻隔層滲流率的關(guān)系，擬合關(guān)系如圖5所示。

圖4 滲透率0.1 mD時阻隔層厚度

圖5 阻隔帶滲透率與最小阻擋厚度關(guān)系

3.獨立滲流單元劃分

根據(jù)水平段鉆遇砂體滲透率情況，通過圖4阻隔帶滲透率和最小阻擋厚度關(guān)系可以確定儲層內(nèi)不同滲透率阻隔層情況的滲流單元劃分，進(jìn)而將整個水平段進(jìn)行劃分為多個獨立的滲流單元。

四、非對稱立體壓裂分段壓裂設(shè)計方法

基于建立的非均質(zhì)滲流單元模型，通過改變阻隔帶寬度和滲透參數(shù)，討論壓力是否穿過阻隔帶，由此確定是否要能在阻隔帶兩側(cè)劃分為兩個獨立滲流單元；然后以設(shè)計井產(chǎn)氣量為目標(biāo)，對不同儲層類型組合模型進(jìn)行不同滲流單元的裂縫位置優(yōu)化，確定出最佳布縫方式，見圖6。

圖6 非對稱立體壓裂優(yōu)化設(shè)計方法

五、非對稱立體壓裂應(yīng)用效果

通過非對稱立體壓裂優(yōu)化設(shè)計，水平段裂縫布置合理，充分動用地質(zhì)儲量，通過現(xiàn)場應(yīng)用統(tǒng)計，非對稱立體壓裂壓后平均單井測試產(chǎn)量4.43×104m3／d，較常規(guī)壓裂設(shè)計改造效果提高了41%，投產(chǎn)率從46%提高到83%，見表2。

表2 非對稱立體壓裂現(xiàn)場應(yīng)用效果

六、結(jié)論

（1）非均質(zhì)致密氣藏滲流特征、復(fù)雜砂體展布以及水平段鉆遇儲層的強非均質(zhì)性是影響壓裂效果的關(guān)鍵，常規(guī)均質(zhì)儲層水平井分段壓裂模式不適應(yīng)非均質(zhì)性儲層。

（2）本文在氣藏滲流特征研究的基礎(chǔ)上，建立了非均質(zhì)儲層地質(zhì)模型，提出了滲流阻隔帶的確定方法，劃分了均質(zhì)獨立滲流單元，在獨立滲流單元內(nèi)采用均質(zhì)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而形成了非均質(zhì)水平井非對稱立體壓裂優(yōu)化設(shè)計方法，對于非均質(zhì)儲層分段改造具有較強的針對性。

（3）非均質(zhì)水平井非對稱立體壓裂，可充分動用水平井段地質(zhì)儲量、減少無效裂縫、降低儲層傷害，通過現(xiàn)場應(yīng)，分段壓裂改造效果提高了41%，投產(chǎn)率提高了37%。

（4）形成的水平井分段壓裂優(yōu)化設(shè)計技術(shù)對SF氣田新增產(chǎn)能3.5×108m3，新增探明儲量1 652.07×108m3做出了積極貢獻(xiàn)，對國內(nèi)外其它類似氣藏的勘探開發(fā)具有重要的借鑒意義，應(yīng)用前景廣闊。