楊向同 滕 起 張 楊 于銀華 李 偉 馮覺勇 鄭子君 王振蘭 高欣鑫 董健毅

（ 1中國石油塔里木油田公司；2能新科（西安）油氣技術(shù)有限公司 ）

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

壓裂效果評價是一個全面的、綜合的評價，包括壓裂施工的動態(tài)監(jiān)測、裂縫幾何參數(shù)、設(shè)計的符合率及長期產(chǎn)能分析等方面[1-11]。壓后評估方法大致分為兩大類：直接法和間接法。其中間接法包括施工壓力曲線分析（包括施工壓降曲線分析、施工凈壓力擬合）[12]、不穩(wěn)定試井[包括壓力不穩(wěn)定試井（PTA）、產(chǎn)量不穩(wěn)定試井（RTA）][13]、油藏數(shù)值模擬（主要為生產(chǎn)歷史擬合）[14-17]等；直接方法又分為遠場方法（包括微地震監(jiān)測、測斜儀）和近井筒方法（包括放射性示蹤劑測井、井溫測井、生產(chǎn)測井等）。放射性示蹤劑測井和井溫測井主要對壓后的壓裂縫高度進行評估，井溫測井判斷壓裂縫高度方法簡單，不足之處在于精度相對較低，壓裂縫高度評價結(jié)果存在較大誤差，目前各油田均較少使用。放射性示蹤劑測井是陸地油田使用較多的一種壓裂縫高度評價方法，該方法判斷壓裂縫高度非常簡捷、快速，但不足之處在于放射性物質(zhì)對井筒、儲層會造成污染。目前油田應(yīng)用比較多的主要為施工壓力曲線分析、不穩(wěn)定試井、油藏數(shù)值模擬、微地震監(jiān)測及生產(chǎn)測井（圖1）。

圖1 壓后評估手段

2 研究思路

由于博孜區(qū)塊井深、高溫高壓以及成本控制，許多測試并未實施，本文重點以博孜區(qū)塊E井為例，通過施工壓力曲線分析和油藏數(shù)值模擬技術(shù)，基于有限的資料對地層進行更為準(zhǔn)確的認識，為該區(qū)裂縫性致密砂巖儲層的高效開發(fā)提供技術(shù)支撐。

首先根據(jù)已有的壓裂施工數(shù)據(jù)，通過瞬時停泵壓力、平方根曲線、G函數(shù)曲線、雙對數(shù)曲線對壓降曲線進行分析，獲得地層閉合應(yīng)力、攜砂液液體效率以及縫內(nèi)凈壓力信息；然后通過施工凈壓力擬合方法可以獲得裂縫幾何尺寸（縫長、縫寬、裂縫導(dǎo)流能力等）重要參數(shù)，更加科學(xué)合理地評價壓裂施工質(zhì)量，準(zhǔn)確可靠地分析失效原因，進而指導(dǎo)其他壓裂井的施工設(shè)計。

用油藏數(shù)值模擬方法研究壓裂井產(chǎn)能動態(tài)，可以考慮地層、流體、改造措施等諸多因素的影響，將壓裂井與氣藏結(jié)合起來，較好地評估壓裂井的增產(chǎn)效果。裂縫性致密砂巖儲層中常發(fā)育天然微裂縫，其儲層模型應(yīng)采用雙重介質(zhì)模型[18-19]，而描述天然裂縫發(fā)育和分布的參數(shù)存在巨大挑戰(zhàn)。本文基于對成像測井裂縫描述技術(shù)，重點對天然裂縫孔隙度、滲透率以及形狀因子進行初步評價[20-25]。雙重介質(zhì)模型中輸入的靜態(tài)數(shù)據(jù)包括基質(zhì)滲透率、孔隙度、含氣飽和度，以及裂縫孔隙度、滲透率、形狀因子；動態(tài)數(shù)據(jù)包括氣藏溫壓系統(tǒng)、流體PVT數(shù)據(jù)、相對滲透率曲線、完井參數(shù)以及生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)等。結(jié)合壓后人工裂縫評價結(jié)果，建立雙重介質(zhì)數(shù)值模擬模型，通過合理地調(diào)整模型中的一些不確定參數(shù)（主要為人工裂縫和天然裂縫），達到模擬與真實生產(chǎn)情況的統(tǒng)一，從而進一步評價動態(tài)壓裂效果。該方法既是一套實用的壓裂評價方法，也是一套壓前產(chǎn)能預(yù)測和壓后方案優(yōu)化方法，可為探區(qū)、新井或新層的壓裂方案設(shè)計和實施提供有力支撐。具體流程見圖2。

圖2 主要研究思路及內(nèi)容

3 天然裂縫評價方法

3.1 雙重模型裂縫孔隙度選取

在裂縫性儲層中，總孔隙度φt是原生孔隙度φm和裂縫孔隙度φf直接相加的結(jié)果：

1980年L.H.Reiss研究認為裂縫孔隙度與裂縫寬度及裂縫分隔的基質(zhì)巖塊的形狀相關(guān)，假設(shè)裂縫的寬度為b，裂縫將基質(zhì)巖塊分割成的尺寸分別為a1、a2、a3（圖3），則計算裂縫孔隙度的公式為：

圖3 雙重介質(zhì)示意圖

因為b遠小于a1、a2、a3，則裂縫孔隙度可簡化為：

L.H.Reiss根據(jù)裂縫分割的基質(zhì)巖塊形態(tài)，分別給出了sheets、m atch-sticks、cubes等簡化裂縫孔隙度計算公式[24]。其中用的比較多的為cubes簡化公式為：

式中a——裂縫分割基質(zhì)長度，mm。

3.2 雙重介質(zhì)模型裂縫滲透率選取

1980年L.H.Reiss同樣研究了裂縫滲透率與裂縫寬度、裂縫密度等的關(guān)系，并分別給出了sheets、m atch-sticks、cubes等簡化裂縫滲透率計算公式[24]。其中用的比較多的為cubes簡化公式為：

式中Kf——裂縫滲透率，D。

3.3 雙重介質(zhì)模型形狀因子

假設(shè)基質(zhì)巖塊內(nèi)為線性擬穩(wěn)態(tài)流，Kazem i[25]等推導(dǎo)出的形狀因子σ為：

式中σ——形狀因子，1/m2；

Lx、Ly、Lz——x、y、z方向構(gòu)成基質(zhì)巖塊的特征長度，可看作由實際裂縫模型轉(zhuǎn)化到理想裂縫模型時相鄰兩條裂縫的間距，m。

可見裂縫密度越大，裂縫間距越小，σ值越大，基質(zhì)與裂縫間滲流交換系數(shù)越大，基質(zhì)中的天然氣通過裂縫系統(tǒng)采出量越大。

受到古應(yīng)力場和裂縫類型的控制，在局部范圍內(nèi)，裂縫的發(fā)育方向是較確定的。根據(jù)成像測井資料，可求得單井某一巖性段內(nèi)垂直方向的裂縫密度η。根據(jù)成像測井解釋裂縫密度，可求得裂縫性砂巖氣藏儲層基質(zhì)巖塊在垂直方向上的特征長度Lz。

根據(jù)Lz、裂縫傾角和裂縫走向，可求得基質(zhì)巖塊在水平方向的特征長度Lx和Ly（圖4）。根據(jù)公式（6），便可以求得形狀因子σ。

式中α——裂縫傾角；

β——裂縫走向與y軸的夾角。

圖4 高角度縫裂縫發(fā)育密度示意圖

4 區(qū)域地質(zhì)及儲層改造情況

庫車盆地克拉蘇構(gòu)造帶[26-27]南北向以克拉蘇斷裂為界可進一步劃分為克拉區(qū)帶和克深區(qū)帶，克深區(qū)帶東西向可分為阿瓦特段、博孜段、大北段、克深段4段。博孜區(qū)塊位于克深區(qū)帶博孜段。其平均埋深約7000m，地層壓力系數(shù)達1.76，地溫梯度約為1.71℃/100m，天然氣甲烷平均含量為89.33%，平均相對密度為0.63，氣油比為8339～8668m3/m3，屬于常溫高壓凝析氣藏。主要產(chǎn)層為巴什基奇克組，其中巴一段有不同程度剝蝕，而巴二段儲層較厚，整體上儲層物性要好于巴三段。巴二段孔隙度為2.5%～7%，平均在5%左右，滲透率為0.05～0.36m D，平均為0.12m D，屬于特低孔特低滲儲層。天然裂縫發(fā)育程度相對較低，以高角度縫為主，大多為方解石半充填。

截至2015年12月份，區(qū)塊投產(chǎn)B井、C井和D井3口井，由于儲層致密，自然產(chǎn)能較低[無阻流量為(4.52～6.28)×104m3/d)]，酸壓[28-29]在一定程度上提高了產(chǎn)能[無阻流量為(13.77～20.66)×104m3/d)]，增產(chǎn)倍數(shù)在3～3.5倍之間，但是絕對增量有限，酸壓對裂縫不能起到良好的支撐作用。實際生產(chǎn)過程中由于生產(chǎn)壓差過大（34～62MPa），配產(chǎn)比過高（＞70%），地層出砂比較嚴(yán)重；而且由于產(chǎn)量較低，井口溫度低，井口蠟堵比較嚴(yán)重，出砂和結(jié)蠟的雙重影響使得不能連續(xù)生產(chǎn)。

通過與鄰區(qū)大北段和克深段對比認為，對于裂縫較發(fā)育地區(qū)，采用酸壓改造方式就能達到較高產(chǎn)能；而對于裂縫相對欠發(fā)育區(qū)域，酸壓提高產(chǎn)能有限，地質(zhì)工程一體化綜合研究認為采用加砂壓裂方式能大幅度釋放產(chǎn)能。2016年12月對博孜區(qū)塊E井進行加砂壓裂，取得巨大成功，截至2017年5月，日產(chǎn)氣量達到58.77×104m3，與該區(qū)塊鄰井相比，日產(chǎn)氣量提高了5倍左右。下面就以E井為例對壓后效果進行增產(chǎn)性和工藝性評價。

博孜區(qū)塊E井距離南部斷層和北部邊界約為1000m，儲層壓力為115.76MPa，溫度為124℃，常規(guī)測井解釋該井壓裂井段平均孔隙度為6.9%，平均滲透率為0.52m D。該井裂縫發(fā)育程度較低，主要發(fā)育高角度直劈縫，寬度較大，充填性差，部分可見鈣質(zhì)半充填中低角度縫，以Ⅱ、Ⅲ類裂縫為主。其中6757～6800m裂縫較發(fā)育，主要以Ⅱ類縫為主，裂縫走向為北東—南西向，力縫夾角較大，在30°左右；下部6800～6850m裂縫發(fā)育較差，以Ⅲ類縫為主，裂縫走向為北西—南東向，力縫夾角較小，在10°左右（圖5）。綜合常規(guī)測井、巖石力學(xué)分析、裂縫評價以及力縫夾角信息，將6757～6850m分為上下兩級進行壓裂。

圖5 E井測井評價及壓裂分級

5 壓裂效果增產(chǎn)評估

氣井的產(chǎn)能是氣藏工程中的重要參數(shù)，是通過現(xiàn)場測試并依據(jù)一定的分析理論而獲得的。目前比較常用的產(chǎn)能試井方法包括回壓試井、等時試井、修正等時試井、一點法試井。目前在探井的初期試氣時，普遍采用一點法估算一個無阻流量，由于該方法簡單，又可在試氣早期即可提供有關(guān)產(chǎn)能的重要信息，因此被許多地方采用。但應(yīng)該指出一點法不是一種完善的、可靠的方法：主要體現(xiàn)在：①一點法體現(xiàn)的往往是瞬間的、不穩(wěn)定的產(chǎn)能，對于均質(zhì)地層是可以接受的；②一點法不是一個獨立的產(chǎn)能分析方法，它是各種產(chǎn)能測試方法的簡化版，如果在一個大范圍的氣田，有數(shù)量很多的產(chǎn)能試井資料，則可以經(jīng)過統(tǒng)計，得到對于整個氣田使用的n指數(shù)或B系數(shù)，只要經(jīng)過一個產(chǎn)能點的測試，即可完成基本的產(chǎn)能計算。一點法是一種經(jīng)驗統(tǒng)計法，只適用于經(jīng)驗數(shù)據(jù)來源的區(qū)域和同類型范圍。

E井于2016年12月21日開始至2017年1月5日，采用逐漸增大油嘴（4mm、5mm、6mm和7mm油嘴）的方式進行返排，由于初期受到返排影響，產(chǎn)量和壓力均未穩(wěn)定，不能采用穩(wěn)定試井方法進行產(chǎn)能計算；2017年3月17日后采用7mm油嘴生產(chǎn)，產(chǎn)量和壓力相對比較穩(wěn)定（圖6），可參考鄰區(qū)一點法進行產(chǎn)能計算：

式中qAOF——無阻流量，104m3/d；

pwf——井底流壓，MPa；

pi——地層壓力，MPa；

qg——日產(chǎn)氣量，104m3。

E井在7mm油嘴生產(chǎn)比較穩(wěn)定的情況下產(chǎn)氣量為51.435×104m3/d，對應(yīng)的井口壓力為81.1MPa，折算井底流壓為108.56MPa，地層測試地層壓力為115.76MPa，計算無阻流量為194×104m3/d，較酸壓產(chǎn)能有了大幅度提升，取得了產(chǎn)量突破，獲得了效益開發(fā)。

圖6 E井返排及試采曲線

6 壓裂效果工藝性評估

6.1 主壓裂施工壓力分析

E井于2016年12月20日11：40—17：19進行主加砂壓裂施工，壓裂液類型為滑溜水+凍膠，注入井筒總液量為1153.0m3,擠入地層總液量為1110.81m3,壓裂砂類型為70～140目粉陶+30～50目陶粒+30～50目覆膜陶粒，砂濃度為30～400kg/m3，平均為205kg/m3，擠入地層總砂量為51.2m3，泵壓為46.2～105.7MPa，停泵測壓降，油壓由76.1MPa下降到63.9MPa。具體施工曲線見圖7。

圖7 E井壓裂施工曲線

根據(jù)已有的壓裂施工數(shù)據(jù)，通過瞬時停泵壓力、G函數(shù)曲線、平方根曲線、雙對數(shù)曲線分析及施工凈壓力擬合，可以了解地層閉合應(yīng)力、裂縫幾何尺寸等重要參數(shù)（圖8至圖12）。壓降曲線分析結(jié)果見表1，井底平均閉合應(yīng)力為146.73MPa，縫內(nèi)凈壓力為5.82MPa，攜砂液效率為52.99%。G函數(shù)曲線分析顯示儲層天然裂縫發(fā)育，說明主壓裂施工中采用多級前置液粉陶段塞工藝能夠有效提高裂縫性儲層中的攜砂液效率，為后續(xù)加砂創(chuàng)造良好條件。

圖8 E井主壓裂瞬時停泵壓力分析

圖9 E井G函數(shù)曲線擬合分析

圖10 E井平方根曲線擬合分析

圖11 E井雙對數(shù)曲線擬合分析

圖12 E井壓裂裂縫形態(tài)

表1 E井主壓裂壓降曲線分析結(jié)果

通過施工凈壓力擬合，可獲得二維兩級壓裂裂縫的動態(tài)縫長分別為168.3m、196.9m，支撐縫高分別為60.5m、59.0m（圖12），與方案設(shè)計參數(shù)較接近（表2），兩級裂縫略有重疊，增加了裂縫的復(fù)雜性，形成的裂縫形態(tài)達到了大規(guī)模加砂壓裂造長縫的目的。

6.2 三維水力裂縫形態(tài)

通過對E井施工壓力擬合可以進一步獲得三維水力裂縫形態(tài)，上部6757～6800mⅡ類裂縫較發(fā)育，且力縫夾角較大（30°），易形成復(fù)雜程度較高的網(wǎng)狀裂縫（圖13a）；而下部6800～6850m主要發(fā)育Ⅲ類裂縫，且力縫夾角較小（10°），形成的裂縫形態(tài)相對比較單一（圖13b），主要通過大規(guī)模加砂壓裂造長縫盡量溝通更多天然裂縫，進一步體現(xiàn)了博孜區(qū)塊儲層改造思路[30]的科學(xué)性、合理性。

表2 E井壓裂設(shè)計與施工壓力擬合結(jié)果對比

圖13 E井壓裂裂縫形態(tài)

由于E井在壓裂施工過程中并未進行井下微地震監(jiān)測，故無法對三維裂縫形態(tài)進一步刻度。但在具備微地震監(jiān)測手段情況下，通過對三維裂縫的擬合，可獲得主裂縫寬度和滲透率以及預(yù)測壓裂體積，采用與頁巖氣相類似的辦法模擬復(fù)雜縫網(wǎng)，如圖14所示（黃色區(qū)域代表主裂縫；綠色區(qū)域代表預(yù)測壓裂體積）。其中用一定網(wǎng)格寬度代表主裂縫（通常為1m），主裂縫長度可根據(jù)微地震監(jiān)測結(jié)果進行調(diào)整（雙翼縫、單翼縫等）；在與主裂縫平行方向采用不等距網(wǎng)格代表分支縫（其寬度和長度可根據(jù)微地震監(jiān)測結(jié)果進行調(diào)整）。

圖14 縫網(wǎng)簡化平面示意圖

6.3 歷史擬合評價壓裂效果

鑒于E井距離南部斷層和北部邊界約為1000m，根據(jù)單井控制面積研究結(jié)果，模擬面積采用2400m×2000m；縱向上根據(jù)儲層評價結(jié)果分為19層，基質(zhì)孔隙度、水平滲透率來自測井解釋結(jié)果，垂向滲透率參考巖心分析成果，垂向滲透率為水平滲透率的0.03倍；根據(jù)天然裂縫寬度、裂縫密度、力縫夾角等信息，將儲層分為上下兩套，根據(jù)天然裂縫評價方法確定裂縫孔隙度、裂縫滲透率和形狀因子；鑒于該井未進行微地震監(jiān)測，人工裂縫信息以二維施工凈壓力擬合結(jié)果為參照進行輸入。

E井在地面進行產(chǎn)量和井口壓力測量，需將井口壓力折算成井底流壓，通過定產(chǎn)氣量，擬合井底流壓來實現(xiàn)生產(chǎn)歷史擬合，歷史擬合中最重要的一步為確定參數(shù)可調(diào)范圍：

(1）基質(zhì)孔隙度、滲透率、有效厚度主要來源于測井解釋結(jié)果，對于致密儲層，孔隙度變化范圍較小，基質(zhì)滲透率來源于巖心刻度的測井解釋結(jié)果，兩者在歷史擬合過程中視為確定性參數(shù)；有效厚度參數(shù)也視為確定性參數(shù)。

(2）氣藏溫壓系統(tǒng)來自地層測試結(jié)果,流體PVT來自實驗室結(jié)果，均視為確定性參數(shù)。

(3）對于裂縫性致密儲層，采用雙孔模型進行擬合，由于裂縫孔隙度遠小于基質(zhì)孔隙度，裂縫孔隙度可以認為為確定性參數(shù)；形狀因子越大，表明基質(zhì)與裂縫間滲透交換系數(shù)越大，但是當(dāng)形狀因子大于一定數(shù)值后，其對產(chǎn)量的影響程度相對不明顯。最大的不確定性參數(shù)為裂縫滲透率，在E井模型建立過程中，采用成像測井裂縫評價結(jié)果預(yù)測裂縫參數(shù)作為初始參數(shù)，通過敏感性分析對結(jié)果進行微調(diào)。

(4）人工裂縫參數(shù)來自施工壓力擬合結(jié)果，鑒于施工壓力擬合結(jié)果與設(shè)計結(jié)果較接近，而通常施工壓力擬合得到的為支撐裂縫，有效裂縫通常小于支撐裂縫，可以通過敏感型分析對裂縫長度進行微調(diào)。

由E井?dāng)M合結(jié)果（圖15）可知，通過生產(chǎn)歷史擬合確定的人工裂縫參數(shù)比設(shè)計參數(shù)稍小，與施工凈壓力擬合結(jié)果十分接近。

圖15 E井歷史擬合結(jié)果

通過生產(chǎn)歷史擬合結(jié)果，還可以模擬E井的產(chǎn)氣剖面，確定壓后上下兩級的產(chǎn)氣量貢獻百分?jǐn)?shù)；如果條件允許，可以通過生產(chǎn)測井進一步驗證結(jié)果的合理性。從圖16可見，儲層上部第一級壓裂由于天然裂縫相對較發(fā)育，各層產(chǎn)氣量相對較大，產(chǎn)氣量貢獻百分?jǐn)?shù)約為54.69%；下部儲層第二級壓裂由于天然裂縫欠發(fā)育，各層產(chǎn)氣量相對較小，產(chǎn)氣量貢獻百分?jǐn)?shù)為45.31%，兩級壓裂均起到了較好的壓裂效果。

7 產(chǎn)能預(yù)測

基于成像測井裂縫描述技術(shù)獲得對天然裂縫孔隙度、滲透率以及形狀因子的初步評價結(jié)果，綜合儲層評價、氣藏溫壓/流體系統(tǒng)以及人工裂縫參數(shù)，可以對新井或新層壓后產(chǎn)量進行預(yù)測。下面以博孜區(qū)塊C井為例，C井距離北斷層約200m左右，距離南斷層1000m，模擬面積采用2000m×1200m；總體模擬網(wǎng)格數(shù)為200×120×26；儲層壓力為118.15MPa，溫度為121.4℃；縱向上根據(jù)儲層結(jié)果分為26層，基質(zhì)孔隙度、水平滲透率來自測井解釋結(jié)果，垂向滲透率參考巖心分析成果，垂向滲透率為水平滲透率的0.03倍；根據(jù)天然裂縫寬度、裂縫密度、力縫夾角等信息（圖17），儲層分為上下兩套，采用成像測井裂縫描述技術(shù)，對天然裂縫孔隙度、滲透率以及形狀因子進行評價；人工裂縫參數(shù)來自壓裂設(shè)計，從而建立了三維雙重介質(zhì)模型。

圖16 E井壓后各級產(chǎn)氣剖面預(yù)測

根據(jù)優(yōu)化的壓裂設(shè)計方案，模擬在生產(chǎn)壓差為1 0M Pa時，兩級壓裂改造后初期產(chǎn)氣量為38×104m3/d（圖18），計算無阻流量為118×104m3/d。

圖18 C井產(chǎn)能預(yù)測結(jié)果

8 結(jié)論

(1）通過瞬時停泵曲線、平方根曲線、G函數(shù)曲線及雙對數(shù)曲線對主壓裂施工曲線進行壓降曲線分析和施工凈壓力擬合，可以了解儲層參數(shù)，獲得相對準(zhǔn)確的地層滲透率、地層閉合應(yīng)力、施工后形成的裂縫幾何尺寸等重要參數(shù)。

(2）通過對施工凈壓力擬合的分析，可以進一步刻畫三維壓裂裂縫形態(tài)，在裂縫較發(fā)育且力縫夾角較大的情況下，易形成縫網(wǎng)壓裂；在裂縫相對欠發(fā)育且力縫夾角較小的情況下，裂縫形態(tài)為較單一的雙翼縫，體現(xiàn)了博孜區(qū)塊儲層改造思路的合理性。

(3）對于裂縫性致密砂巖儲層，雙重介質(zhì)模型的建立最具有挑戰(zhàn)性的是對天然裂縫的評價，通過成像測井解釋結(jié)果可以定量計算裂縫孔隙度、裂縫滲透率和形狀因子，給歷史擬合或產(chǎn)能預(yù)測提供參考。

(4）根據(jù)雙重介質(zhì)模型理論，給出了一種建立裂縫性致密砂巖儲層雙重介質(zhì)模型的方法。該方法可以在后續(xù)開發(fā)井中進行應(yīng)用?？朔艘酝芽p參數(shù)賦值的無依據(jù)性和隨意性，提高了產(chǎn)能預(yù)測的精度。

(5）依托于地質(zhì)工程一體化的多學(xué)科綜合研究，通過數(shù)值模擬技術(shù)可以將壓裂井與氣藏有效地結(jié)合起來，為壓裂效果評估提供堅實的依據(jù)。同時可為新井或新層壓后進行較準(zhǔn)確的產(chǎn)能預(yù)測。

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