范天一,吳淑紅,李巧云,王寶華
(1.北京大學,北京 100871;2.中油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;3.提高石油采收率國家重點實驗室,北京 100083)
近年來,一系列原本裂縫不十分發(fā)育的低滲透油藏,如長慶的安塞油田、吉林的新民油田等,在注水開發(fā)的過程中表現(xiàn)出受裂縫影響的開發(fā)特征[1]。如注水井在未經(jīng)過壓裂的情況下,試井解釋結果顯示了大裂縫的存在,且裂縫長度不斷延伸,而采油井含水率呈臺階狀上升,油藏整體則表現(xiàn)出單方向見水等受裂縫影響的開發(fā)特征。這是由于低滲透油藏開發(fā)過程中,儲層吸水能力差,注入水不能及時進入儲層,導致注水井周圍地層壓力不斷升高,當壓力達到某一極限時,地層產(chǎn)生微裂縫,這些裂縫在特定的注水條件下不斷延伸,形成了動態(tài)裂縫。
目前,國內(nèi)外學者對動態(tài)裂縫的研究尚處于起步階段,王友凈等人[2-4]對典型區(qū)塊的生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)的分析結果揭示了動態(tài)裂縫的存在及其影響。本文進一步分析了動態(tài)裂縫的形成機理,并在油藏數(shù)值模擬中實現(xiàn)了對動態(tài)裂縫的數(shù)值模擬。
長慶、新疆、吉林、大慶等油田均不同程度地發(fā)育了動態(tài)裂縫。分析總結大量地質(zhì)資料及生產(chǎn)動態(tài)資料發(fā)現(xiàn),在相近儲層條件下,同一區(qū)塊同一儲層動態(tài)裂縫的發(fā)育程度相差甚遠,有些區(qū)域動態(tài)裂縫極為發(fā)育,表現(xiàn)出嚴重的方向性見水等開發(fā)特征,而其相鄰區(qū)域動態(tài)裂縫則發(fā)育較差,甚至不發(fā)育。由此,分析動態(tài)裂縫的成因,認為其形成與生產(chǎn)動態(tài)因素密切相關。根據(jù)動態(tài)裂縫成因機理可以將其分成3種類型:天然潛在閉合型動態(tài)裂縫、超破裂壓力型動態(tài)裂縫以及人工措施誘導型動態(tài)裂縫。
低滲透油藏發(fā)育大量的天然微裂隙,這些裂隙在原始條件下呈閉合狀態(tài),裂隙之間由礦物質(zhì)充填,且在地下以薄弱面的形式存在,其中并無流體,對滲流不起直接作用。但這些裂隙會隨著油田注水開發(fā)的進程而逐步開啟,形成動態(tài)裂縫,開啟后的天然裂縫通常不易再次閉合。天然裂縫的走向與現(xiàn)今應力場最大水平主應力方向相近時,裂縫開啟所需壓力較小,受注入水影響極易張開進而形成動態(tài)裂縫。
低滲透油藏具有孔隙度低、孔喉細小等特點,且儲層滲透率越低流體流動所需克服的啟動壓力越大,因此,在油田開發(fā)過程中往往需要不斷提高注水壓力以便達到更好的注水效果。當注水井井底壓力接近或超過地層破裂壓力時,在注水井周圍便會形成微裂縫,注入水通過微裂縫進入地層。在長期高壓注水條件下,裂縫前端不斷延伸,形成動態(tài)裂縫。
超高壓射孔、爆炸壓裂等油氣井措施作業(yè)會造成井周圍區(qū)域地層不同程度的破壞,產(chǎn)生微裂縫,這些裂縫在注水條件下不斷延伸,亦可以形成動態(tài)裂縫。此外,在低滲透油藏開發(fā)中后期,油井進入高含水階段后往往將其轉(zhuǎn)為注水井繼續(xù)生產(chǎn),如果此油井曾經(jīng)過壓裂措施,當注水壓力超過裂縫延伸壓力時,原有人工壓裂裂縫前端可繼續(xù)擴張,形成動態(tài)裂縫。由于促使裂縫延伸的壓力低于地層的破裂壓力,因此,由人工措施誘導的動態(tài)裂縫在相對較低的注水壓力下即可形成。
圖1 動態(tài)裂縫模型
低滲透儲層吸水能力十分有限,注入水無法通過已形成的裂縫及時進入地層,因此,在裂縫中不斷累積。隨著注水量的增加,裂縫中壓力逐步升高,當裂縫前端壓力超過其延伸所需壓力時,裂縫向前延伸一定長度,其吸水能力瞬間增大,裂縫中壓力急劇下降。此后隨著注入水再次累積,裂縫內(nèi)壓力緩慢上升,當再次超過其延伸所需壓力時,裂縫再次向前延伸,如此反復[3]。
動態(tài)裂縫自注水井附近產(chǎn)生,通常沿最大主應力方向延伸,其形態(tài)一般呈垂直裂縫。假設裂縫延伸過程中其高度保持不變,為地層高度,裂縫寬度較小,忽略流體在橫斷面上的流動,可以把動態(tài)裂縫簡化為裂縫長度上的延伸。在油藏數(shù)值模擬的過程中,首先根據(jù)實際情況,給定所有網(wǎng)格動態(tài)裂縫開啟或延伸的臨界壓力,并指定動態(tài)裂縫產(chǎn)生的層位及其延伸的方向。如圖1a所示,藍色條帶即為指定的動態(tài)裂縫所產(chǎn)生的層位,紅色網(wǎng)格為注水井所在位置;如圖1b所示,綠色網(wǎng)格即為指定的動態(tài)裂縫的延伸方向。在數(shù)值模擬計算階段,從注水井所在網(wǎng)格開始逐次判斷動態(tài)裂縫方向網(wǎng)格的地層壓力與臨界壓力的關系,從而計算動態(tài)裂縫的長度,如圖1c所示,黃色網(wǎng)格即為當前動態(tài)裂縫延伸長度。
在動態(tài)裂縫生長的過程中,其滲透率隨地層壓力發(fā)生明顯變化。動態(tài)裂縫產(chǎn)生前,巖石的滲透率為常數(shù),當?shù)貙訅毫Τ^其開啟或延伸的臨界壓力,滲透率突然增大,根據(jù)前人對巖石應力應變與滲透率關系的室內(nèi)實驗結果[5-8],建立動態(tài)滲透率模型:
式中:K為動態(tài)裂縫滲透率,μm2;p為地層壓力,MPa;K1為動態(tài)裂縫初始滲透率,μm2;pc為動態(tài)裂縫開啟或延伸的臨界壓力,MPa;K2為滲透率增大時的基準值,μm2;α為應力敏感系數(shù);σ為上覆巖層壓力,MPa。
將低滲透儲層分為基質(zhì)與裂縫2種介質(zhì),分別建立三維三相滲流基本微分方程。其中,裂縫滲透率采用式(1),則裂縫系統(tǒng)基本微分方程為:
基質(zhì)系統(tǒng)基本微分方程為:
式中:Kr為相對滲透率;ρ為密度,g/cm3;μ為黏度,mPa·s;g為重力加速度,m/s2;H為由某一基準面起算的深度,m;τ為竄流量,m3;q為產(chǎn)量,m3;t為時間,s;φ為孔隙度,%;S為飽和度,%;Rso為溶解氣油比,m3/t;K為基質(zhì)系統(tǒng)滲透率,μm2。下標:o為油相;g為氣相;w為水相;f為裂縫;m為基質(zhì)。
采用有限差分法將上述模型在三維空間進行差分離散。由于裂縫系統(tǒng)滲透率為地層壓力的函數(shù),相比較常規(guī)模型,離散得到的差分方程組的非線性程度更高,采用全隱式方法進行求解。
采用上述可以描述動態(tài)裂縫的低滲透油藏數(shù)學模型,編制了相應的油藏數(shù)值模擬軟件。以國內(nèi)某一典型低滲透油藏的數(shù)據(jù)為例,研究動態(tài)裂縫影響下合理井網(wǎng)類型及動態(tài)裂縫方向與井排方向的匹配關系。模型中的主要參數(shù):基質(zhì)孔隙度為0.16,基質(zhì)滲透率為2.99×10-3μm2,裂縫孔隙度為0.01,裂縫初始滲透率與基質(zhì)相同,油水黏度分別為4.9mPa·s和0.5mPa·s,油藏溫度為44.2℃,油藏初始壓力為9.13MPa。
圖2 動態(tài)裂縫影響下日產(chǎn)油量
圖3 動態(tài)裂縫影響下含水上升規(guī)律
采用不同類型井網(wǎng)開發(fā)時油藏數(shù)值模擬結果如圖2、3所示,考慮注水井周圍產(chǎn)生動態(tài)裂縫的條件下,采用五點井網(wǎng)及矩形井網(wǎng)進行開發(fā)時,初期日產(chǎn)油量下降快,油井受效后日產(chǎn)油量有所提升,但隨著動態(tài)裂縫的延伸,油藏整體含水迅速上升,日產(chǎn)油量迅速降低;采用九點井網(wǎng)及菱形井網(wǎng)進行開發(fā)時,初期日產(chǎn)油量高,且遞減較慢,九點井網(wǎng)與菱形井網(wǎng)相比,后期受動態(tài)裂縫影響較弱,含水上升較緩;七點井網(wǎng)的開發(fā)效果介于五點井網(wǎng)與九點井網(wǎng)中間。綜上,動態(tài)裂縫影響下,采用九點井網(wǎng)進行開發(fā)時效果較為理想,一方面采油井數(shù)較多,在一定程度上保證了日產(chǎn)油量,另一方面受動態(tài)裂縫影響造成水竄、水淹的油井數(shù)較少,有效控制了油藏整體的含水上升速度。
圖4 動態(tài)裂縫影響下日產(chǎn)油量
圖5 動態(tài)裂縫影響下含水上升規(guī)律
動態(tài)裂縫的方向與井排方向的匹配顯著影響著低滲透油藏的開發(fā)效果,油藏數(shù)值模擬結果如圖4、5所示。以九點井網(wǎng)為例,動態(tài)裂縫方向與井排方向呈0°時,易造成裂縫方向油井過早水淹,油藏整體含水上升速度較快;動態(tài)裂縫方向與井排方向呈22.5°時,可大幅延緩油井整體見水時間,油藏整體含水上升速度減慢,日產(chǎn)油量在一定程度上有所提升;動態(tài)裂縫方向與井排方向呈45°時,油井見水時間進一步減緩,日產(chǎn)油量略微提高。綜上,動態(tài)裂縫方向與井排方向呈45°時,延長了沿裂縫方向油井的見水時間,可有效防止該方向油井過早見水及暴性水淹,使油藏整體含水上升速度減慢,日產(chǎn)油量得到相應提升。
(1)分析大量地質(zhì)資料及生產(chǎn)動態(tài)資料,提出了3種成因的動態(tài)裂縫。動態(tài)裂縫的生長與地層壓力和注入量呈周期性變化關系。
(2)建立了可以描述動態(tài)裂縫動態(tài)生長及其屬性動態(tài)變化的數(shù)學模型,同時建立了低滲透油藏三維三相滲流基本微分方程。
(3)油藏數(shù)值模擬結果顯示,采用九點井網(wǎng)進行開發(fā),且動態(tài)裂縫方向與井排方向呈45°時,可以最大程度的降低動態(tài)裂縫所造成的油井水淹等負面影響。
[1]張昌民,穆龍新,宋新民,等 .油氣田開發(fā)地質(zhì)理論與實踐[C].北京:石油工業(yè)出版社,2011:16-21.
[2]王友凈,宋新民,田昌炳,等 .動態(tài)裂縫是特低滲透油藏注水開發(fā)中出現(xiàn)的新的開發(fā)地質(zhì)屬性[J].石油勘探與開發(fā),2015,42(2):222-228.
[3]聶永生,田景春,魏生祥,等 .裂縫三維地質(zhì)建模的難點與對策[J].油氣地質(zhì)與采收率,2013,20(2):39-41.
[4]姜瑞忠,侯建鋒,趙明 .具有裂縫的低滲透砂巖油藏數(shù)值模擬技術[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2003,22(6):30-32.
[5]姜振泉,季梁軍 .巖石全應力—應變過程滲透性試驗研究[J].巖土工程學報,2001,23(2):153-156.
[6]王海洋,楊勝來,李武廣,等 .深層致密雙重介質(zhì)氣藏應力敏感研究及應用[J].天然氣與石油,2013,31(4):51-56.
[7]周文,鄧虎成,單鈺銘,等 .斷裂(裂縫)面的開啟及閉合壓力實驗研究[J].石油學報,2008,29(2):277-283.
[8]郝明強,胡永樂,劉先貴 .裂縫性低滲透油藏特征綜述[J].特種油氣藏,2007,14(3):12-15.