盧惠東，李宇志，張進(jìn)平，黃愛(ài)先，李曉軍，王宇鵬，曲占慶

(1.中國(guó)石化勝利油田有限公司 東辛采油廠，山東 東營(yíng) 247500； 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)油田均進(jìn)入開(kāi)發(fā)的中后期，如何保持穩(wěn)產(chǎn)增效是亟待解決的問(wèn)題[1-2]。采用水力壓裂技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層增產(chǎn)改造和加快低滲及特低滲非常規(guī)油氣藏的勘探開(kāi)發(fā)是保持油田穩(wěn)產(chǎn)增效的重要途徑[3-6]。勝利油田經(jīng)過(guò)五十多年的勘探開(kāi)發(fā)，每年均能發(fā)現(xiàn)大量的中低滲及特低滲儲(chǔ)量，其效益動(dòng)用是實(shí)現(xiàn)勝利油田2300萬(wàn)噸效益穩(wěn)產(chǎn)的一個(gè)重要保證。其中規(guī)模較大的是東辛深層砂礫巖油藏，位于東營(yíng)凹陷北部陡坡帶，陳家莊凸起南坡含油層系沙四段，顯著特征有：埋藏深，滲透率低；儲(chǔ)層縱向分布零散，跨度大，單層厚度小(平均1.4 m)，稱之為“薄互層”發(fā)育。針對(duì)其低滲和“薄互層”發(fā)育的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)時(shí)需進(jìn)行分段水力壓裂改造[7-9]，其有效實(shí)施的關(guān)鍵在于如何進(jìn)行層段劃分和組合。目前現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于直井分段壓裂的層段劃分和組合，并沒(méi)有形成完整的指導(dǎo)方法，大多依靠現(xiàn)場(chǎng)工程師的經(jīng)驗(yàn)。另外，確定深層砂礫巖直井分段壓裂各段裂縫的最佳導(dǎo)流能力和縫長(zhǎng)，可以有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工設(shè)計(jì)。因此，需要開(kāi)展深層砂礫巖油藏直井分段壓裂選層組合及裂縫參數(shù)優(yōu)化研究。本文基于東辛深層砂礫巖油藏，通過(guò)整理和分析現(xiàn)場(chǎng)分段壓裂井例數(shù)據(jù)得到一個(gè)關(guān)于分段數(shù)和儲(chǔ)層跨度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式；然后選取若干反映儲(chǔ)層性質(zhì)的評(píng)價(jià)參數(shù)，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度法進(jìn)行分析評(píng)價(jià)以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層的組合劃分；最后建立深層砂礫巖儲(chǔ)層分段壓裂生產(chǎn)數(shù)值模型，以產(chǎn)能為目標(biāo)對(duì)各壓裂段的裂縫導(dǎo)流能力和縫長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)選。

1 分段壓裂選層組合方法研究

1.1 分段壓裂分段方法

對(duì)東辛深層砂礫巖儲(chǔ)層進(jìn)行分段壓裂的最終目的還是在于提高油井產(chǎn)能，這需要確保分段壓裂施工具有較高的質(zhì)量。如果分段壓裂設(shè)計(jì)的一個(gè)分段包含的小層過(guò)多，由于其縱向跨度過(guò)大，各小層之間的性質(zhì)可能存在較大差別，在壓裂時(shí)可能出現(xiàn)小層之間的相互干擾而影響壓裂效果。本文僅從現(xiàn)場(chǎng)壓裂工藝的角度出發(fā)，通過(guò)收集東辛采油廠近年來(lái)深層沙礫巖儲(chǔ)層分段壓裂井例數(shù)據(jù)，分析分段數(shù)與儲(chǔ)層縱向跨度之間的關(guān)系，總結(jié)出分段壓裂分段方法。根據(jù)東辛采油廠這數(shù)十口深層砂礫巖儲(chǔ)層分段壓裂井?dāng)?shù)據(jù)，在坐標(biāo)系中以分段數(shù)和儲(chǔ)層總跨度為坐標(biāo)軸，對(duì)每口井作出標(biāo)記，見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出，數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布集中在某根直線附近，也就是說(shuō)分段數(shù)與儲(chǔ)層跨度之間存在著一種線性關(guān)系。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得到一個(gè)分段數(shù)與壓裂儲(chǔ)層跨度的經(jīng)驗(yàn)公式，可用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)深層砂礫巖儲(chǔ)層分段壓裂的分段工作。

y=0.017 7x+0.42

(1)

式中，y為分層數(shù)，通過(guò)四舍五入取整；x為壓裂層段總跨度，m。

1.2 分段壓裂選層組合方法

東辛深層砂礫巖儲(chǔ)層分段壓裂的選層組合就是要將綜合性質(zhì)相近的小層放在一起進(jìn)行壓裂，這樣才能保證壓裂過(guò)程中各小層不會(huì)相互干擾，保證收獲較好的壓裂效果[10-12]。儲(chǔ)層選層組合的重點(diǎn)就在于對(duì)儲(chǔ)層綜合性質(zhì)的評(píng)價(jià)，本文創(chuàng)造性地引入灰色關(guān)聯(lián)度分析法[13-14]，對(duì)影響壓裂效果的儲(chǔ)層巖性、物性以及巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層的選層組合。

本文以一口井的待壓裂層段為研究對(duì)象，記為S={S1,S2,…,Sm}，選取影響壓裂效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)：儲(chǔ)層巖石彈性模量、泊松比、地層壓力系數(shù)、泥質(zhì)含量、砂礫含量、孔隙度、滲透率以及含水飽和度，記為A={A1,A2,…,An}。利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法進(jìn)行壓裂分層組合的步驟如下：

1)無(wú)量綱化處理

由于各指標(biāo)量綱不一致，需對(duì)指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，本文采用歸一化方法(式2)進(jìn)行處理。其中正向影響因素是數(shù)值越大對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象越有利的因素；負(fù)向影響因素是數(shù)值越小對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象越有利的因素。

(2)

2)確定參考序列和比較序列

將上述無(wú)量綱化后的數(shù)據(jù)中每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的最大值，即每一列的最大值組成參考序列，記為x0(k)。而無(wú)量綱化后的各儲(chǔ)層評(píng)價(jià)指標(biāo)值，即無(wú)量綱化數(shù)據(jù)矩陣的每一行作為比較序列，記為xs(k),s=1,2,…,m。

3)計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(k)

(3)

式中：i為儲(chǔ)層序號(hào)；k為評(píng)價(jià)指標(biāo)序號(hào)；Xo(t)和Xs(t)分別為參考序列和比較序列的均值化無(wú)量綱值；ρ為分辨系數(shù)，一般取0.5。

4)計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度γi

(4)

5)評(píng)價(jià)分析

灰色關(guān)聯(lián)度的大小表示各壓裂層段與參考對(duì)象的相似程度，儲(chǔ)層之間的灰色關(guān)聯(lián)度大小相近則表示儲(chǔ)層的綜合性質(zhì)相近，可以作為一段進(jìn)行壓裂，以此來(lái)指導(dǎo)壓裂層段的分層組合。

1.3 井例應(yīng)用

以永936井為實(shí)例，應(yīng)用上述方法進(jìn)行分段壓裂選層組合設(shè)計(jì)，其基本數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。該井壓裂儲(chǔ)層縱向跨度為125.5 m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(1)計(jì)算得y=3，可見(jiàn)分三段進(jìn)行壓裂比較合適。然后應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法計(jì)算各小層的灰色關(guān)聯(lián)度，首先根據(jù)(2)式將表1中數(shù)據(jù)無(wú)量綱化，結(jié)果見(jiàn)表2，接著確定參考序列和比較序列，然后根據(jù)(3)式計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，最后由(4)式計(jì)算各小層灰色關(guān)聯(lián)度(見(jiàn)表3)。

表1 永936井基本參數(shù)表

表2 無(wú)量綱化數(shù)據(jù)

表3 灰色關(guān)聯(lián)度及分段組合結(jié)果

從表3可以看出，儲(chǔ)層L9～L14的灰色關(guān)聯(lián)度大小相近，計(jì)算它們的方差為0.0015，這說(shuō)明儲(chǔ)層L9～L14的綜合性質(zhì)比較接近，適合作為同一段進(jìn)行壓裂。同理，儲(chǔ)層L5～L8和儲(chǔ)層L1～L4也可以分別作為一段進(jìn)行壓裂。通過(guò)本方法得到的分段組合結(jié)果與根據(jù)測(cè)井分析得到的結(jié)果(見(jiàn)圖2)基本一致，但是本方法優(yōu)勢(shì)在于，僅針對(duì)反映壓裂儲(chǔ)層的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)應(yīng)用數(shù)學(xué)分析方法計(jì)算出關(guān)聯(lián)度，來(lái)實(shí)現(xiàn)分段壓裂選層組合，更加簡(jiǎn)便靈活。

2 深層沙礫巖分段壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化

利用CMG軟件中的IMEX模塊建立了一個(gè)砂礫巖油藏直井分段壓裂的產(chǎn)能模型，研究不同裂縫參數(shù)(裂縫長(zhǎng)度、裂縫導(dǎo)流能力)對(duì)油井產(chǎn)能的影響，并以此為依據(jù)對(duì)裂縫參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)表1中永936井的儲(chǔ)層基本信息，建立了一個(gè)分段多層壓裂產(chǎn)能黑油模型。該模型大小為500 m×500 m×80 m，網(wǎng)格數(shù)為25×25×14，平面上20 m一個(gè)網(wǎng)格，縱向上根據(jù)各個(gè)儲(chǔ)層厚度設(shè)計(jì)網(wǎng)格高度。在該模型中間布置一口垂直生產(chǎn)井，縱向上所有儲(chǔ)層全部射孔模擬裸眼完井(見(jiàn)圖3a))，通過(guò)網(wǎng)格細(xì)分并重新設(shè)置網(wǎng)格滲透率進(jìn)行模擬人工裂縫(見(jiàn)圖3b))。

根據(jù)分段壓裂選層組合設(shè)計(jì)結(jié)果，將L9～L14層、L5～L8層、L1～L4層分別作為分段壓裂第一段、第二段、第三段。

1)第一段儲(chǔ)層裂縫參數(shù)優(yōu)化。保持其他參數(shù)不變，僅改變裂縫導(dǎo)流能力和半縫長(zhǎng)，設(shè)計(jì)10組數(shù)值模擬，如表4所示。經(jīng)過(guò)模擬，得到不同導(dǎo)流能力下的累產(chǎn)油量和不同半縫長(zhǎng)下的累產(chǎn)油量，產(chǎn)量變化曲線如圖4所示。

表4 第一段壓裂數(shù)值模擬裂縫參數(shù)設(shè)置表

由圖4 a)可以看出，壓裂對(duì)于提高深層砂礫巖儲(chǔ)層產(chǎn)量的效果十分明顯，而且隨裂縫導(dǎo)流能力的增加，累產(chǎn)油量增加。但是，當(dāng)裂縫導(dǎo)流能力大于60 μm2·cm后，累產(chǎn)油量隨導(dǎo)流能力的增加變化不明顯。因此，對(duì)于該砂礫巖油藏的第一段儲(chǔ)層，裂縫導(dǎo)流能力在40～60 μm2·cm就可以達(dá)到理想的生產(chǎn)效果。由圖4 b)可以看出，相比于未壓裂井產(chǎn)能，半縫長(zhǎng)為80 m的裂縫的累產(chǎn)油量均有大幅度增加。油井的累產(chǎn)油量隨著裂縫長(zhǎng)度的增加在投產(chǎn)初期有一定程度增加，但之后隨著投產(chǎn)時(shí)間的增加，累產(chǎn)油量隨著裂縫長(zhǎng)度的增幅變得不明顯。而當(dāng)裂縫半縫長(zhǎng)增加到160 m時(shí)，油井的累產(chǎn)油量隨著裂縫長(zhǎng)度>的增幅就基本不再變化，因此，對(duì)于該砂礫巖油藏的第一段壓裂，最佳的裂縫半縫長(zhǎng)為120～160 m。

2)第二段壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化。設(shè)置第一段裂縫半縫長(zhǎng)為120 m，導(dǎo)流能力為40 μm2·cm，打開(kāi)第二段壓裂儲(chǔ)層。保持其他參數(shù)不變，僅改變裂縫導(dǎo)流能力和半縫長(zhǎng)，設(shè)計(jì)10組數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn),如表5所示。經(jīng)過(guò)模擬，得到不同導(dǎo)流能力下的累產(chǎn)油量和不同半縫長(zhǎng)下的累產(chǎn)油量，產(chǎn)量變化曲線見(jiàn)圖5所示。

表5 第二段壓裂數(shù)值模擬裂縫參數(shù)設(shè)置表

由圖5a)可以看出，第二段壓裂后產(chǎn)能提高效果依然很明顯，同樣隨著裂縫導(dǎo)流能力的增加，累產(chǎn)油量會(huì)增加，但是，當(dāng)裂縫導(dǎo)流能力為60 μm2·cm左右時(shí)，累產(chǎn)油量隨導(dǎo)流能力的增加不明顯。因此對(duì)于該砂礫巖油藏的第二段儲(chǔ)層，裂縫導(dǎo)流能力在60 μm2·cm左右就可以達(dá)到理想的生產(chǎn)效果。由圖5b)可以看出，第二段壓裂對(duì)提高油井產(chǎn)能效果非常明顯，油井的累產(chǎn)油量隨著裂縫長(zhǎng)度的增加在投產(chǎn)初期有一定程度增加，但之后隨著投產(chǎn)時(shí)間的增加，累產(chǎn)油量隨著裂縫長(zhǎng)度的增幅變得不明顯。而當(dāng)裂縫半縫長(zhǎng)為160～200 m時(shí)，油井的累產(chǎn)油量就基本不再變化，所以對(duì)于第二段壓裂儲(chǔ)層，最優(yōu)的裂縫半縫長(zhǎng)為160 m左右。

3)第三段壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化。設(shè)置第一段裂縫半縫長(zhǎng)為120 m，導(dǎo)流能力為40 μm2·cm，設(shè)置第二段裂縫半縫長(zhǎng)160 m，導(dǎo)流能力60 μm2·cm，再打開(kāi)第三段壓裂儲(chǔ)層。保持其他參數(shù)不變，僅改變裂縫導(dǎo)流能力和半縫長(zhǎng)，設(shè)計(jì)10組數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)如表6所示。經(jīng)過(guò)模擬，得到不同導(dǎo)流能力下的累產(chǎn)油量和不同半縫長(zhǎng)下的累產(chǎn)油量，產(chǎn)量變化曲線見(jiàn)圖6所示。

表6 第三段壓裂數(shù)值模擬裂縫參數(shù)設(shè)置表

由圖6a)可以看出，第三段壓裂后產(chǎn)能提高效果依然很明顯。隨著裂縫導(dǎo)流能力的增加，累產(chǎn)油量均會(huì)增加，但是，當(dāng)裂縫導(dǎo)流能力為40 μm2·cm左右時(shí)，累產(chǎn)油量隨導(dǎo)流能力的增加不明顯。因此裂縫導(dǎo)流能力在40 μm2·cm左右時(shí)，第三段壓裂儲(chǔ)層就可以達(dá)到理想的生產(chǎn)效果。由圖6 b)可以看出，第三段壓裂對(duì)提高油井產(chǎn)能效果非常明顯。油井累產(chǎn)油量隨著裂縫長(zhǎng)度的增加在投產(chǎn)初期有一定程度增加，但隨后隨著投產(chǎn)時(shí)間的增加，累產(chǎn)油量隨著裂縫長(zhǎng)度的增幅變得不明顯。而當(dāng)裂縫半縫長(zhǎng)為160～200 m時(shí)，油井的累產(chǎn)油量就基本不再變化，因此對(duì)于第三段壓裂，最優(yōu)的裂縫半縫長(zhǎng)為160 m左右。

3 結(jié)語(yǔ)

1)針對(duì)深層砂礫巖油藏分段壓裂開(kāi)發(fā)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)井例統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出了一個(gè)分段數(shù)與壓裂儲(chǔ)層縱向跨度的經(jīng)驗(yàn)公式，可用于指導(dǎo)分段壓裂如何分段。提出了一種基于灰色關(guān)聯(lián)度分析的分段壓裂選層組合方法，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法對(duì)包括儲(chǔ)層巖石彈性模量、泊松比、地層壓力系數(shù)、泥質(zhì)含量、砂礫含量、孔隙度、滲透率以及含水飽和度在內(nèi)的壓裂儲(chǔ)層的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而將綜合性質(zhì)相近的儲(chǔ)層組合為一層，實(shí)現(xiàn)分段壓裂儲(chǔ)層的快速智能化劃分。

2)利用CMG軟件建立起了深層沙礫巖儲(chǔ)層分段壓裂產(chǎn)能分析模型，通過(guò)依次對(duì)分段壓裂各段裂縫開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)分段壓裂各段裂縫的導(dǎo)流能力和半縫長(zhǎng)的優(yōu)選，為現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工設(shè)計(jì)提供依據(jù)。