羅 攀, 張 磊, 鐘亞軍, 賀 沛, 穆景福, 郭 興， 王仙仙

(1. 陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)有限責(zé)任公司研究院, 西安 710065;2. 陜西省二氧化碳封存與提高采取率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710065)

0 引言

水平井體積壓裂實(shí)施過程中,多條水力裂縫同時(shí)延伸,激活附近儲(chǔ)層的天然裂縫,交錯(cuò)組成復(fù)雜的高導(dǎo)流裂縫網(wǎng)絡(luò),形成儲(chǔ)層的體積改造。儲(chǔ)層改造體積(SRV)是評(píng)價(jià)壓裂效果的一項(xiàng)重要指標(biāo),它通常與壓后產(chǎn)量呈正相關(guān),壓裂設(shè)計(jì)應(yīng)以追求在相同壓裂條件下達(dá)到最大儲(chǔ)層改造體積為目標(biāo)。任嵐等[1]基于裂縫延伸模型、裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)模型、流體壓力場(chǎng)模型和天然裂縫模型形成了一套SRV計(jì)算方法,并優(yōu)化了涪陵頁巖氣北區(qū)體積壓裂最優(yōu)簇間距約為28 m。劉歡等[2]基于ABAQUS平臺(tái)模擬了不同縫內(nèi)流體壓力的SRV,認(rèn)為最優(yōu)簇間距為20～30 m,但模型沒有考慮泵注條件對(duì)裂縫尺寸的影響?；谖⒌卣鸨O(jiān)測(cè)的SRV計(jì)算方法[3-4]存在成本高、不可復(fù)制的問題,并且要在實(shí)時(shí)或事后才能計(jì)算,難以事先預(yù)測(cè)。

延長(zhǎng)探區(qū)陸相頁巖不同于海相頁巖,其滲透性更低,非均質(zhì)性更強(qiáng),針對(duì)該區(qū)域的SRV優(yōu)化研究仍然較少,進(jìn)行相關(guān)研究很有必要。該文針對(duì)目的區(qū)域,基于擬三維裂縫模型[5-7]和彈性力學(xué)理論、不穩(wěn)定滲流理論的SRV計(jì)算模型,以及有限元方法對(duì)壓裂區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力分析,使用摩爾-庫倫準(zhǔn)則[8]判斷巖石破裂區(qū)域,實(shí)現(xiàn)了SRV和層內(nèi)SRV(即排除上下隔層里的改造體積,只考慮處于儲(chǔ)層內(nèi)部的改造體積)的計(jì)算；研究簇間距和排量等關(guān)鍵壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)SRV的影響,以期優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)。

1 延長(zhǎng)陸相頁巖地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地頁巖氣地質(zhì)資源量2.42×1012m3,延長(zhǎng)探區(qū)位于盆地東南部,資源基礎(chǔ)良好,頁巖氣資源量為1.50× 1012m3。與國(guó)內(nèi)外海相頁巖氣相比,陸相頁巖非均質(zhì)性強(qiáng),具有“兩高三低”的特點(diǎn),即“高吸附氣比例、高黏土礦物含量”和“低熱演化程度、低壓、低脆性礦物含量”。陸相頁巖物性極差,油藏壓力水平低,必須要經(jīng)過大規(guī)模壓裂改造才可能具有經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能[9-14]。

儲(chǔ)層物性條件方面,SRV主要受儲(chǔ)層厚度、夾層比、有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)成熟度、泥頁巖脆性、礦物含量及泥頁巖孔滲特征等因素的影響。參考曾秋楠[15]對(duì)鄂爾多斯盆地陸相頁巖的儲(chǔ)層分類研究結(jié)果,根據(jù)頁巖儲(chǔ)層分類標(biāo)準(zhǔn),設(shè)定Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類儲(chǔ)層的物性參數(shù)如表1所示。

表1 不同類型儲(chǔ)層的主要物性參數(shù)Table 1 Main attributes of different reservoirs

2 簇間距優(yōu)化研究

簇間距是壓裂設(shè)計(jì)需考慮的重要因素之一,過大的簇間距易使簇間改造不充分,浪費(fèi)水平段長(zhǎng)度；過小的簇間距易造成重復(fù)改造,浪費(fèi)壓裂資源。為了研究不同儲(chǔ)層條件的最佳簇間距,在Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類3種儲(chǔ)層類型下,設(shè)定了11組壓裂方案,排量均為10 m3/min。由于模型考慮了裂縫擴(kuò)展,液體黏度和壓裂時(shí)長(zhǎng)也會(huì)對(duì)SRV造成影響,因此也考慮了不同液體黏度和不同壓裂時(shí)長(zhǎng)對(duì)SRV的影響。具體方案和得到的SRV、層內(nèi)SRV以及裂縫尺寸見表2。

表2 不同儲(chǔ)層類型的SRV數(shù)值模擬結(jié)果Table 2 SRV numerical simulation results of different reservoirs

與方案1相比,方案2設(shè)定條件下簇間距有所減小,但液體黏度增加,導(dǎo)致濾失系數(shù)低,層間應(yīng)力差異較大,縫長(zhǎng)增長(zhǎng)十分迅速,60 min時(shí)裂縫半長(zhǎng)已經(jīng)達(dá)到327.90 m,縫口裂縫高度為23.62 m；方案2下的SRV為135.50×104m3,層間SRV為81.67×104m3,簇間位改造區(qū)域還較大,因此,在此類儲(chǔ)層條件下不宜提升液體黏度,也不宜過長(zhǎng)時(shí)間壓裂,以免使縫長(zhǎng)過長(zhǎng)。

方案3與方案1的差別僅僅是簇間距不同。方案1的層內(nèi)SRV為79.72×104m3,方案3的層內(nèi)SRV為72.36×104m3,裂縫半長(zhǎng)為203.2 m,縫口裂縫高度為19.88 m。對(duì)于Ⅲ類儲(chǔ)層,建議簇間距小于20 m。

方案4的裂縫半長(zhǎng)為185.1 m,縫口最大縫高為31.7 m,SRV為96.6×104m3,層內(nèi)SRV為69.8× 104m3。與方案3相比,方案4雖然總SRV更小,但層內(nèi)SRV與方案3相差無幾,而液體黏度是方案3的5倍,Ⅱ類儲(chǔ)層的層厚更大,說明相同情況下,低黏度液體更能深入儲(chǔ)層內(nèi)部,形成更大的改造體積。

方案5的裂縫半長(zhǎng)為209.7 m,縫口最大縫高為32.4 m,SRV為113.57×104m3,層內(nèi)SRV為80.57× 104m3。與方案4相比,方案5簇間距更小,壓裂時(shí)間更長(zhǎng),縫間未改造區(qū)域更小。因此,如圖1所示,增加壓裂時(shí)長(zhǎng)(即總液量)也是實(shí)現(xiàn)縫間充分改造的方法之一。

圖1 壓裂時(shí)長(zhǎng)(總液量)與SRV的關(guān)系Fig.1 Relationship between fracturing time(total fluid volume) and SRV

方案7相對(duì)于方案6,液體黏度增加了2倍,如圖2所示,簇間改造仍然比較充分,裂縫半長(zhǎng)增加至284.1 m,縫口最大裂縫高度增加至39.6 m,SRV增加至200.00×104m3,而層內(nèi)SRV為131.20×104m3,略有降低,這是因?yàn)橐后w黏度增大,滲流效果減弱,裂縫尺寸增加是SRV增大的主要因素,同時(shí)滲流效果減弱,因此層內(nèi)SRV幾乎不變,甚至略有增加。同時(shí)參考方案8～方案11,對(duì)于Ⅰ類和Ⅱ類儲(chǔ)層,簇間距約為20 m比較合適。

圖2 黏度對(duì)SRV和裂縫尺寸的影響Fig.2 Effect of viscosity on SRV and fracture size

3 排量?jī)?yōu)化研究

排量是壓裂設(shè)計(jì)考慮的另一個(gè)重要因素,為了研究排量對(duì)SRV的影響,確定最優(yōu)化排量,研究了3種不同簇間距下8,10,12 m3/min這3種排量下的SRV,10 m3/min排量的情形在前面已經(jīng)模擬。山1層孔隙度為2%,滲透率為0.02×10-3μm2,最小水平主應(yīng)力為41.8 MPa,地層壓力為19 MPa,層厚為45 m；長(zhǎng)7層孔隙度為4%,滲透率為0.005×10-3μm2,最小水平主應(yīng)力為26.4 MPa,地層壓力為8 MPa,層厚為60 m。模擬方案以及SRV、層內(nèi)SRV結(jié)果見表3。

表3 3種排量的SRV數(shù)值模擬Table 3 SRV numerical simulation of three cases

3種簇間距下不同排量SRV、層內(nèi)SRV如圖3所示。由圖可見,排量越大,SRV和層內(nèi)SRV越大,這是因?yàn)榕帕看髸r(shí)形成的裂縫尺寸更大。簇間距減小時(shí),易造成SRV重疊,因此,排量增大、液體黏度減小、儲(chǔ)層滲透性等SRV的正向影響因素增加時(shí),合理簇間距可以相應(yīng)增大。

圖3 排量和SRV的關(guān)系Fig.3 The relationship between pump rate and SRV

4 結(jié)論

1)對(duì)于Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類儲(chǔ)層,40 m的簇間距均偏大,30 m的簇間距也略大；對(duì)于Ⅲ類儲(chǔ)層,不建議壓裂時(shí)間過長(zhǎng),盡量減小液體黏度,簇間距可取10～20 m；對(duì)于Ⅱ類和Ⅰ類儲(chǔ)層,建議簇間距取約20 m。

2)排量越大,裂縫尺寸越大,SRV和層內(nèi)SRV越大,有利于相同總液量下提升改造效果。

3)排量增大、液體黏度減小、儲(chǔ)層滲透性增加等影響因素使SRV正向改變時(shí),合理簇間距可以相應(yīng)增大。