徐創(chuàng)朝，陳存慧，王波，吳亞紅，彭長(zhǎng)江

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司油氣工藝研究院，陜西 西安710021；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司工程技術(shù)管理部，陜西 西安710021；3.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

水平井縫網(wǎng)壓裂是低滲致密油藏開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)前沿技術(shù)，在提高水平井產(chǎn)能、延長(zhǎng)穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間方面發(fā)揮了重要作用。與常規(guī)水平井分段壓裂相比，水平井縫網(wǎng)壓裂的主要優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)縫網(wǎng)壓裂在垂直于主裂縫方向形成人工多裂縫，同時(shí)溝通天然裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，改善儲(chǔ)層滲流通道，提高儲(chǔ)層改造效果，延長(zhǎng)增產(chǎn)有效期［1-4］。

黃陵長(zhǎng)6 儲(chǔ)層屬于伊陜斜坡西傾單斜構(gòu)造，層內(nèi)物性較差，平均孔隙度為9.14%，平均滲透率為0.13×10-3μm2，為致密巖性油藏。儲(chǔ)層地應(yīng)力差小、微裂縫發(fā)育、脆性指數(shù)高，適合縫網(wǎng)壓裂改造［5-6］。

目前，水平井縫網(wǎng)壓裂還處在探索研究階段，針對(duì)水平井縫網(wǎng)壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化的研究很少，不能滿(mǎn)足當(dāng)前特低滲儲(chǔ)層縫網(wǎng)壓裂開(kāi)發(fā)的需要。本文采用Eclipse 油藏?cái)?shù)值模擬工具，針對(duì)縫網(wǎng)特征參數(shù)如裂縫長(zhǎng)度、裂縫夾角、改造段數(shù)、導(dǎo)流能力、縫網(wǎng)幾何參數(shù)等開(kāi)展優(yōu)化研究工作。

1 縫網(wǎng)壓裂數(shù)值模型建立

以黃陵長(zhǎng)6 淺層低滲透致密儲(chǔ)層為基礎(chǔ)，使用Eclipse 油藏?cái)?shù)值模擬軟件，考慮啟動(dòng)壓力梯度和井筒摩擦阻力等影響因素，通過(guò)局部網(wǎng)格加密（LGR）和等效導(dǎo)流能力的方法模擬人工裂縫網(wǎng)絡(luò)。

油藏基本參數(shù)： 油的體積系數(shù)1.224，油密度0.748×103kg/m3，地層原油黏度2.626 mPa·s，油的壓縮系數(shù)8.2×10-4MPa-1，水的壓縮系數(shù)5.4×10-4MPa-1。

模型設(shè)置：油藏中深1 200 m，平均原始地層壓力10 MPa，巖石壓縮系數(shù)1.33×10-4MPa-1；采用黑油模型，模型中流體為油、水兩相；模型采用塊中心網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分為100×50×1，網(wǎng)格步長(zhǎng)20 m×20 m×15 m，LGR 加密網(wǎng)格共計(jì)27 180 個(gè)。

縫網(wǎng)的幾何模型［7-8］如圖1所示。模型中啟動(dòng)壓力梯度采用劃分平衡區(qū)的方法模擬，將模擬區(qū)域分為3個(gè)平衡區(qū)，如圖2所示。

圖1 縫網(wǎng)幾何模型示意

圖2 平衡區(qū)設(shè)置局部示意

圖2中的任意非改造網(wǎng)格（藍(lán)色區(qū)或綠色區(qū)網(wǎng)格）都處在其他平衡區(qū)網(wǎng)格包圍中，在不同平衡區(qū)的網(wǎng)格之間設(shè)置啟動(dòng)壓力梯度。本模擬啟動(dòng)壓力梯度設(shè)置為2.5×10-3MPa/m［9-12］。如圖3所示，啟動(dòng)壓力梯度會(huì)阻礙油水的流動(dòng)，造成產(chǎn)量的變化，所以在研究特低滲儲(chǔ)層產(chǎn)能時(shí)應(yīng)考慮該因素的影響。

模型中井筒摩擦損失使用井筒摩擦選項(xiàng)模擬。如圖4所示，井筒摩擦的存在使得靠近根部位置（井口P1處）壓力降低快，端部位置壓力降低慢。本文研究將每段射孔位置設(shè)為節(jié)點(diǎn)，水平段生產(chǎn)套管的絕對(duì)粗糙度取ε=4.57×10-5m。

圖3 啟動(dòng)壓力梯度對(duì)累計(jì)產(chǎn)油量的影響

圖4 水平井筒有摩擦損失時(shí)壓力分布特征

2 裂縫參數(shù)單因素優(yōu)化

2.1 水平段長(zhǎng)

特低滲儲(chǔ)層水平井開(kāi)發(fā)過(guò)程中，水平井的產(chǎn)能隨水平段長(zhǎng)度的增加而增加，但是由于油氣在水平井筒中流動(dòng)的摩擦阻力明顯大于其在直井中的摩擦阻力，則會(huì)造成水平井長(zhǎng)度增加、 產(chǎn)量增加幅度逐步下降的情況，所以，應(yīng)存在適合于一定經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件下的最優(yōu)水平段長(zhǎng)［13］。設(shè)定水平段長(zhǎng)分別為400，500，600，700，800 m，用Eclipse 模擬得到累計(jì)產(chǎn)油量的結(jié)果如圖5所示。水平段長(zhǎng)超過(guò)700 m 時(shí)，水平井的產(chǎn)能增加趨緩，并且產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到較高值。可見(jiàn)，在控制面積為2 km×1 km 的地層中，水平井最優(yōu)段長(zhǎng)為700 m。

圖5 累計(jì)產(chǎn)量與時(shí)間的關(guān)系

2.2 裂縫夾角

水平井分段壓裂的裂縫夾角可以應(yīng)用Eclipse 軟件的NWM 模塊或是采用LGR 方法進(jìn)行模擬，但這都無(wú)法模擬水平井縫網(wǎng)壓裂的裂縫夾角，同時(shí)國(guó)內(nèi)外還缺乏針對(duì)縫網(wǎng)壓裂裂縫夾角的優(yōu)化研究。本文采用角點(diǎn)坐標(biāo)劃分網(wǎng)格，通過(guò)編程獲得角點(diǎn)網(wǎng)格的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了縫網(wǎng)壓裂的裂縫夾角模擬。

水平段與主裂縫的夾角越小，流動(dòng)阻力越大；在主縫總長(zhǎng)一定的情況下，夾角越小，改造油藏的總體積就越?。哼@兩方面原因?qū)е驴偖a(chǎn)量降低。如圖6所示，當(dāng)水平井與主縫垂直時(shí)，總產(chǎn)量達(dá)到最大。隨著裂縫與水平井筒的夾角從90°逐漸減小到15°，總產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)，且?jiàn)A角越小總產(chǎn)量遞減越多。75～90°范圍內(nèi)，總產(chǎn)量差別不大，小于75°后，產(chǎn)量遞減加快。所以，主裂縫與水平段的最優(yōu)夾角要保持在75～90°。

圖6 生產(chǎn)半年時(shí)累計(jì)產(chǎn)油量隨夾角的變化

2.3 改造段數(shù)

設(shè)水平段長(zhǎng)700 m，裂縫半長(zhǎng)170 m，導(dǎo)流能力20 μm2·cm，研究累計(jì)產(chǎn)油量與縫網(wǎng)改造段數(shù)的關(guān)系。裂縫段數(shù)較少的情況下，改造區(qū)內(nèi)壓力下降較慢，而段數(shù)越多，則壓力下降越快，縫間干擾現(xiàn)象在段數(shù)較多的時(shí)候首先顯現(xiàn)。當(dāng)改造段數(shù)超過(guò)8 段后，受裂縫間干擾影響，累計(jì)產(chǎn)油量增幅明顯變緩。所以，700 m 長(zhǎng)的水平段改造縫網(wǎng)的最優(yōu)段數(shù)為8 段，主縫間距優(yōu)化值為100 m。

2.4 裂縫半長(zhǎng)

設(shè)水平段長(zhǎng)為700 m，改造段數(shù)為8 段，導(dǎo)流能力為20 μm2·cm，研究累計(jì)產(chǎn)油量與裂縫半長(zhǎng)的關(guān)系。由圖7可以看出，裂縫網(wǎng)絡(luò)的存在極大地增加了產(chǎn)油量。改造裂縫越長(zhǎng)，累計(jì)產(chǎn)油量越大，其環(huán)比增幅在裂縫半長(zhǎng)200 m 左右出現(xiàn)拐點(diǎn)，說(shuō)明裂縫半長(zhǎng)超過(guò)200 m 后累計(jì)產(chǎn)油量增加變緩。因此可知，改造裂縫半長(zhǎng)200 m為最優(yōu)裂縫半長(zhǎng)。

圖7 累計(jì)產(chǎn)油量環(huán)比增幅變化曲線(xiàn)

2.5 主裂縫導(dǎo)流能力

設(shè)水平段長(zhǎng)為700 m，改造段數(shù)為8 段，裂縫半長(zhǎng)為200 m，研究累計(jì)產(chǎn)油量與導(dǎo)流能力的關(guān)系。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著主裂縫導(dǎo)流能力的增加，累計(jì)產(chǎn)油量也增加，但增加幅度逐漸減小。主裂縫導(dǎo)流能力超過(guò)20 μm2·cm 后，累計(jì)產(chǎn)油量增加幅度趨于平緩。從節(jié)省施工費(fèi)用和保證施工效果的角度看，主裂縫導(dǎo)流能力需達(dá)到20 μm2·cm。

3 縫網(wǎng)參數(shù)組合優(yōu)化

3.1 主縫參數(shù)

研究主縫參數(shù)對(duì)產(chǎn)能的影響，需要考慮裂縫半長(zhǎng)、改造段數(shù)、主縫導(dǎo)流能力等因素。選取這3 個(gè)主要因素設(shè)計(jì)正交方案進(jìn)行模擬研究。正交設(shè)計(jì)如表1所示，模擬結(jié)果的極差分析如圖8所示。由圖可知，本地區(qū)縫網(wǎng)壓裂產(chǎn)能的最大影響因素是裂縫半長(zhǎng)，影響較小的是改造段數(shù)和主縫導(dǎo)流能力。

表1 主縫參數(shù)正交試驗(yàn)因素水平取值

分析認(rèn)為，裂縫長(zhǎng)度的增加可以有效增加儲(chǔ)層的改造面積，這對(duì)于長(zhǎng)期產(chǎn)能的影響最大，也是低滲透儲(chǔ)層壓裂需要造長(zhǎng)縫的理論依據(jù)。正交優(yōu)化的研究表明裂縫的導(dǎo)流能力影響比半縫長(zhǎng)小，所以導(dǎo)流能力只需要達(dá)到一定的值即可，并不必過(guò)分追求高導(dǎo)流能力，這也符合縫網(wǎng)壓裂施工低砂比的要求和特點(diǎn)。

圖8 影響水平井縫網(wǎng)壓裂效果的主縫參數(shù)極差圖

3.2 縫網(wǎng)形狀

縫網(wǎng)形狀對(duì)產(chǎn)能的影響的因素主要有： 分支縫數(shù)量、分支縫間距、分支縫擴(kuò)展長(zhǎng)度、次縫與水平井距離、次縫連通情況等。對(duì)縫網(wǎng)形狀采用五因素四水平正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，如表2所示。模擬結(jié)果的極差分析如圖9所示。由圖可知，影響產(chǎn)能的縫網(wǎng)形狀因素由大到小依次為分支縫數(shù)量、分支縫擴(kuò)展長(zhǎng)度、橫向次縫擴(kuò)展長(zhǎng)度、分支縫間距、橫向次縫與井的距離。

分支縫條數(shù)、分支縫擴(kuò)展長(zhǎng)度、橫向次縫的水平擴(kuò)展長(zhǎng)度3 個(gè)因素?cái)?shù)值越大，產(chǎn)能越高。這是因?yàn)檫@3 個(gè)因素?cái)?shù)值越大，裂縫縫網(wǎng)溝通的體積越大，改造體積越大；而分支縫間距、橫向次縫與井的距離2 個(gè)因素存在最優(yōu)值，主要是這2 個(gè)因素會(huì)受到縫間干擾的影響。

表2 裂縫形狀正交試驗(yàn)因素水平取值

圖9 影響水平井縫網(wǎng)壓裂效果的縫網(wǎng)因素極差圖

4 應(yīng)用實(shí)例

黃陵地區(qū)縫網(wǎng)壓裂采用水力噴砂、環(huán)空加砂、分段多簇壓裂工藝，通過(guò)環(huán)空加砂進(jìn)行大排量、 大液量壓裂，目的是形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。對(duì)11 口水平井進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并實(shí)施了縫網(wǎng)壓裂改造。優(yōu)化段間距為100 m；考慮注水井網(wǎng)的存在［14-15］，裂縫采用雙紡錘形布放；本地區(qū)水平井筒與最小主應(yīng)力方向的夾角小于15°，從而保證了人工裂縫與水平井筒夾角大于75°。應(yīng)用三維壓裂軟件進(jìn)行施工設(shè)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 水平井實(shí)例優(yōu)化及施工設(shè)計(jì)參數(shù)

黃陵長(zhǎng)6 儲(chǔ)層屬于低滲致密油藏，水平井均為壓裂后試油投產(chǎn)。11 口井實(shí)施縫網(wǎng)壓裂后的生產(chǎn)情況見(jiàn)表4。目前，11 口井的日產(chǎn)油量在2.37～9.10 m3，絕大部分井日產(chǎn)油量穩(wěn)定在2.37～4.37 m3，與數(shù)值模擬的結(jié)果相符。與初期相比，目前日產(chǎn)液量均有所下降，前4 口井日產(chǎn)油下降50%左右，但是后面的井日產(chǎn)油有所提高，說(shuō)明縫網(wǎng)壓裂在提高水平井產(chǎn)能、延長(zhǎng)穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間方面是有效的。11 口井累計(jì)產(chǎn)油11 709 m3，說(shuō)明縫網(wǎng)壓裂的增產(chǎn)效果較好。

表4 水平井縫網(wǎng)壓裂效果評(píng)價(jià)結(jié)果

5 結(jié)論

1）低滲致密油藏壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化要考慮啟動(dòng)壓力梯度的影響。縫網(wǎng)壓裂改造應(yīng)保證主縫與水平段夾角在75～90°范圍內(nèi)，使因夾角引起的滲流阻力在最低水平。

2）正交試驗(yàn)研究表明，裂縫長(zhǎng)度和裂縫條數(shù)是影響低滲透致密儲(chǔ)層產(chǎn)能的最主要因素。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，裂縫參數(shù)優(yōu)化研究對(duì)低滲致密油藏的高效開(kāi)發(fā)和水平井縫網(wǎng)壓裂施工，具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

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