高振東,吳 玟,王銘偉,孟選剛,汪 洋,陳 強
(1.陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司,陜西西安 717200;2.中國石油西南油氣田分公司,四川成都 610000;3.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院,四川成都 610500;4.重慶大學(xué)資源與安全學(xué)院,重慶 400044)
延長油田長6 儲層巖性主要為中-細粒長石砂巖,埋深550~800 m,儲層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,喉道細,分選差。儲層滲透率主要分布在11.76~100.00 mD,孔隙度主要分布在19%以下,屬低滲透儲層,以孔隙膠結(jié)為主,高嶺石和綠泥石是主要膠結(jié)物,含少量碳酸鹽,與延安組儲層相比,泥質(zhì)含量較高。油層壓力和溫度低,壓力系數(shù)介于0.64~0.80 MPa/l00m,地層溫度梯度3 ℃/l00m。儲層為多期河流疊加,油層段泥質(zhì)夾層較多,單個油層內(nèi)平均2~3 個夾層,厚度0.5~5.0 m。但油層下部大多無明顯的遮擋條件。橫向上物性變化級差大于10,呈現(xiàn)出較為明顯的非均質(zhì)性。儲層油水關(guān)系復(fù)雜,砂體上部為油層,下部有大段底水,縱向上含油飽和度呈“上高下低”的特征,靠近下部水層的儲層滲透率相對較好。長6 油層具有“三低”特征,大部分儲層具有油水同層、底邊水、儲層較致密且連通性差、油水層關(guān)系復(fù)雜、油藏類型多樣等特征[1-5]。
國內(nèi)學(xué)者在壓裂裂縫形態(tài)及分布方面取得了一些研究成果,主要為:壓裂水平縫各種模型的建立和推導(dǎo)、裂縫參數(shù)變化對產(chǎn)能影響,壓裂水平縫識別與監(jiān)測[6-10]。淺層油藏水力壓裂后,存在水平裂縫形態(tài),有必要對壓裂水平裂縫的參數(shù)進行優(yōu)化,指導(dǎo)單井壓裂設(shè)計。
假設(shè)在厚度為h的地層中,壓裂后產(chǎn)生以井軸為中心,填砂半徑為rf的水平裂縫。縫面周圍地層受壓裂液污染,滲透率降低。為了考慮地層系數(shù)和填砂裂縫導(dǎo)流能力的非均勻性,以及壓裂液污染沿縫面程度的不同,將井徑rw與供油半徑re之間的地層分成M 個小環(huán)段,其中rw到rf之間為N 個小環(huán)段(見圖1)。假設(shè)壓裂前后液體均嚴(yán)格按徑向流的方式,從供油半徑re處流向井底??紤]壓裂前后rw~re范圍內(nèi)的流體滲流阻力:
圖1 水平裂縫徑向段劃分示意圖
壓裂前,地層中不存在裂縫,rw~re范圍內(nèi)滲流阻力應(yīng)為此范圍內(nèi)M 個小環(huán)段滲流阻力之和(串聯(lián)):
壓裂后,地層中產(chǎn)生一水平裂縫。rw~re范圍內(nèi)的滲流阻力Z 應(yīng)為rw~re含縫段滲流阻力Z1與rw~re不含縫段滲流阻力Z2之和:
在含縫段,Z1是rw~re約上N 個小環(huán)段滲流阻力Zfi(i=0,1,…,N-1)之和。
而每一個小環(huán)段的滲流阻力又是該環(huán)段上未受壓裂液污染地層的滲流阻力,受壓裂液污染地層的滲流阻力以及填砂裂縫滲流阻力三者并聯(lián)的結(jié)果,即:
式中:Ki-第i 個環(huán)段上未損害儲層滲透率,10-3μm2;Kfi-第i 個環(huán)段上填砂裂縫滲透率,10-3μm2;Wfi-第i 個環(huán)段上填砂裂縫寬度,mm;Kli-第i 個環(huán)段上縫面受損害儲層滲透率,10-3μm2;hfi-第i 個環(huán)段上縫面上下受損害總厚度,m;h-地層厚度,m;μ-液體黏度,mPa·s。
上式整理得:
ΔCDi的物理含義表示為壓裂有效裂縫導(dǎo)流能力。那么,式(5)成為:
rf~re段的滲流阻力完全由地層產(chǎn)生(忽略閉合縫對地層系數(shù)的影響):
將式(6)、(7)代入式(2)有:
壓裂前后的產(chǎn)率比為滲流阻力比的倒數(shù):
式(9)就是預(yù)測水平裂縫壓裂產(chǎn)率比的一般公式。取平均值Kh作為未污染地層的地層系數(shù),填砂裂縫導(dǎo)流能力取平均值KfWf。式(9)中令M=2,N=1,Kih=Kh,i=0,1,ΔCD0=ΔCD=Wf(Kf-K)-hf(K-Kf)。
整理得到:
按照式(10)可形成不同裂縫導(dǎo)流能力與地層系數(shù)比值、裂縫穿透條件下的增產(chǎn)倍比,根據(jù)增產(chǎn)倍比的變化情況確定最優(yōu)裂縫穿透比。
確定裂縫長度后,根據(jù)Cinco 準(zhǔn)則確定滿足增產(chǎn)需求的最小裂縫寬度。對于水平裂縫:
日產(chǎn)油量隨時間先出現(xiàn)降低,后出現(xiàn)一定增幅,最后再降低。出現(xiàn)這樣的趨勢,是因為生產(chǎn)初期,未見注水效果,隨地層壓力降低產(chǎn)油量降低;隨著注水能量不斷補充,地層壓力升高,產(chǎn)油量增加;后期,隨著油井含水率增加以及原油不斷采出,日產(chǎn)油量不斷降低。采油井壓裂后的日產(chǎn)油量比不壓裂大大增加,在生產(chǎn)初期,日產(chǎn)油量隨穿透比增加而不斷增加,穿透比從0.2 增加到0.4 時增幅明顯,從0.4 增加到0.6,增幅減小,并且遞減加快。生產(chǎn)中后期,穿透比對日產(chǎn)油量影響不明顯。綜合來看,穿透比0.4~0.6 最佳(見圖2)。
圖2 采油井不同穿透比下日產(chǎn)油量隨時間變化曲線
采出程度隨時間不斷增加,到后期增加幅度變緩,采出程度隨穿透比增加而不斷增加,穿透比從0 增加到0.2,采出程度增加顯著,說明采油井壓裂的必要性,穿透比從0.2 增加到0.4,采出程度仍有明顯的增加,從0.4 增加到0.6,增幅減小。因此從采出程度來看,穿透比在0.2~0.4 最佳(見圖3)。
圖3 采油井不同穿透比下采出程度隨時間變化曲線
前期含水率保持為初始含水率,隨時間增加,中后期增加迅速。壓裂后含水率比不壓裂含水率增加明顯,隨穿透比增加,含水率不斷增加。從控制油田含水角度出發(fā),油井穿透比不宜過大(見圖4)。
圖4 采油井不同穿透比下含水率隨時間變化曲線
日產(chǎn)油量隨時間先出現(xiàn)降低,后出現(xiàn)一定的增幅,最后再降低。出現(xiàn)這樣的趨勢,是因為生產(chǎn)初期,未見注水效果,隨地層壓力降低產(chǎn)油量降低;隨著注水能量的不斷補充,地層壓力升高,產(chǎn)油量增加;到了后期,隨著油井含水率增加以及原油不斷采出,日產(chǎn)油量不斷降低。采油井壓裂后的日產(chǎn)油量比不壓裂大大增加,在生產(chǎn)初期,日產(chǎn)油量隨導(dǎo)流能力增加而不斷增加,但增幅逐漸減小。在生產(chǎn)中后期,導(dǎo)流能力對日產(chǎn)油量影響不明顯。綜合來看,導(dǎo)流能力在30 D·cm 左右最佳(見圖5)。
圖5 采油井不同導(dǎo)流能力下日產(chǎn)油量隨時間變化曲線
采出程度隨時間不斷增加,采出程度隨導(dǎo)流能力增加而不斷增加,導(dǎo)流能力從0 增加到10 D·cm,采出程度增加顯著,說明采油井壓裂的必要性,導(dǎo)流能力從10 D·cm 增到40 D·cm,采出程度不斷增加,但增幅不斷減小。因此從采出程度看,導(dǎo)流能力在30 D·cm 左右最佳(見圖6)。
圖6 采油井不同導(dǎo)流能力下采出程度隨時間變化曲線
隨時間增加,前期含水率增加平緩,中后期增加迅速。壓裂后含水率比不壓裂含水率增加明顯,隨導(dǎo)流能力增加,含水率不斷增加。從控制油田含水角度出發(fā),油井裂縫導(dǎo)流能力不宜過大(見圖7)。
綜合以上,采油直井裂縫穿透比在0.4 左右最佳,采油直井裂縫導(dǎo)流能力在30 D·cm 左右最佳。
以延長油田長6 儲層為例來說明水平裂縫參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法。油藏基本參數(shù):埋藏深度400~600 m、正方形反九點200×200 m 井網(wǎng)、儲層厚度h=5 m、地層滲透率k=7.5 mD。根據(jù)儲層埋藏深度和選用石英砂作為支撐劑,當(dāng)?shù)貙佑行ч]合應(yīng)力為8 MPa 時,所選用支撐劑能夠提供320.5 μm2·cm,考慮長期導(dǎo)流能力和壓裂液的傷害,取實驗室值的20%,即選擇的支撐劑提供64.1 μm2·cm。那么裂縫導(dǎo)流能力與地層系數(shù)的比值為:
油井壓裂后形成水平裂縫壓裂增產(chǎn)倍比曲線(見圖8)。由圖8 水平裂縫壓裂增產(chǎn)倍比曲線可知,當(dāng)裂縫導(dǎo)流能力與地層系數(shù)比值為17.8 時,壓裂后油藏增產(chǎn)倍數(shù)隨裂縫穿透率增加而增大,當(dāng)裂縫穿透率增加到0.8以后,壓后產(chǎn)量增產(chǎn)倍數(shù)就明顯降低。
圖8 水平裂縫壓裂增產(chǎn)倍比曲線
分析圖8 水平裂縫壓裂增產(chǎn)倍比曲線,裂縫穿透比遠大于裂縫導(dǎo)流能力與地層系數(shù)的比值對增產(chǎn)倍比的影響,因此,壓裂裂縫只要在滿足生產(chǎn)需要的基礎(chǔ)上,應(yīng)主要將支撐劑量用于形成長的裂縫穿透比(見圖9)。考慮到鄰井干擾以及施工風(fēng)險等因素,將支撐縫長優(yōu)選泄油半徑的80%(按井距200 m 計算,泄油半徑為100 m)的80%,即80 m 左右。因此,施工規(guī)模以支撐縫長為80 m 的目標(biāo)來確定。根據(jù)針對水平裂縫的Cinco 準(zhǔn)則,為了取得較好的增產(chǎn)效果,要求FCD≥10。
圖9 支撐劑用量與穿透比關(guān)系曲線
(1)依據(jù)滲流阻力原理,建立了直井壓裂水平裂縫參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法;
(2)以延長油田長6 層位為例,采用反九點井網(wǎng)開采,井距200×200 m,儲層厚度為5 m,儲層滲透率范圍為(5.5~9.5)×10-3μm2,優(yōu)化的裂縫長度為80 m,支撐裂縫寬度為1.3~1.6 mm。