低渗透率油藏压裂水平井产能影响因素重点

石油学报文章编号:025322697(1999 0420051255低渗透率油藏压裂水平井产能影响因素张学文3(中国石油天然气集团公司方宏长裘怿楠章长钐(石油勘探开发科学研究院北京摘要:通过科学的抽象, 建立了大量的非均质地质模型, , 藏中的开发动态, 、K v K h 、裂缝条数、裂缝长度、裂缝导流能力、:3条相对较优; ; , 存在相对较优的裂缝导流能力值; 两条最外边裂缝的; , 建议加大中间裂缝的长度或导流能力, 。在对裂缝条数、长度和导流能力研究的基础上, 建立了增产倍数图版。主题词:水平井; 水力裂缝; 裂缝条数; 裂缝长度; 裂缝导流能力; 裂缝间距1前言国内外油田开发实践证明17, 水平井适用于低渗透油藏的开发 , 而且低渗透油藏水平井开采技术将成为水平井技术发展的一个重要方向。由于低渗透率油藏的渗透率低, 渗流阻力大, 连通性差, 油井自然产能很低, 为了改善其开采经济效益, 通常要对水平井采用压裂试油和压裂投产工艺, 同时也对油藏工程提出了许多新的研究课题, 压裂水平井产能以及影响因素就是其中一个非常关键的问题。本文将针对压裂水平井的产能及其影响因素问题进行油藏数值模拟研究。2基本地质模型为了对压裂水平井产能及影响因素进行深入的研究, 建立了200多个非均质地质模型, 考虑到的因素包括; 人工裂缝条数、裂缝长度、储层渗透率、裂缝导流能力、裂缝间距、垂直渗透率与水平渗透率的比值和裂缝方向与水平段方向关系等因素(表1 。表1地质模型中的影响因素Table 1Factors affect i n geolog ical m odels 项目数值地层渗透率(10-3m 2 014、2、8、5、50裂缝条数0、1、2、3、4、5、6、7、8、9裂缝长度(m 0、40、90、140、240、440裂缝导流能力(m 2c m 5、20、50、100裂缝间距(m 112、168、224、280、336、392、448K v K h0105、011、0115、012、013、014、裂缝等效网格为015m , 水平段所在的网格也是015m 。岩石物性和流体参数使用长庆安塞油田坪桥区的实际数据。模拟软件选用石油勘探开发科学研究院研制的多功能模型。3压裂水平井产能影响因素的讨论311水平裂缝与垂直裂缝比较由于水力裂缝的方向总是与最大主应力方向一吴志宇、呈志华、董延岭, 安塞油田水平井试采综合评价, 水平井钻采技术研讨会论文集, 1997。3张学文, 男, 1967年10月生。1989年毕业于石油大学(华东 , 1998年获博士学位。现任中国石油天然气集团公司国内对外合作经理部工程师。通讯处:北京766信箱国内对外合作经理部勘探开发处。邮政编码100724。谢平安、张显忠、张永平等, 大庆低渗透油田水平井增产及开采技术, 水平井钻采技术研讨会论文集, 1997。本文为中国石油天然气集团公司重点科技攻关项目“低渗透油田高效开采新技术(96050504 ”的部分阶段成果。 致, 在油田开发设计阶段就应该深入研究地应力的方向性, 优化压裂设计, 确定人工裂缝的最优方位。关于人工裂缝与水平段相对方向问题, 不同学者有不同的观点8, 9。数值模拟结果表明, 具有平行裂缝的水平井的开采效果好于压裂直井, 具有3条垂直裂缝的水平井优于只有一条平行裂缝的水平井。模型中裂缝总长度一定, 水平段平行于最小主应力方向的水平井有3条裂缝, 水平段与最大主应力方向一致的水平井和压裂直井均只有一条裂缝, 水平段长度为500m 。在实际油田中, 由于潜在裂缝和部分微细裂缝的存在, 储层渗透率具有一定的各向异性, 一般沿最大主应力方向的水平渗透率最大, 与其垂直方向上, 即最小主应力方向上的水平渗透率则有一定减小, 所以, 与水平段垂直的水力裂缝不仅能改善垂直渗透率, , 。312K v K h 的影响油田开发实践和理论研究10(K v K h 的影响非常严重。但是, , 从而缓解了垂直方向渗透率低的矛盾, , 如果不进行水力压裂, K v K h 与水平井产能关系密切, 尤其是当K v K h 小于012时, 影响相当严重。然而, 在进行水力压裂之后, K v K h 对水平井产能的影响大大减小, 累积产量差别较小 。图1压裂水平井累积产量增产倍数与裂缝条数关系F ig . 1R elati ons betw een Q f Q u and the num ber of fractures313裂缝条数的影响多数文献1认为, 裂缝条数越多, 压裂水平井与未压裂水平井采油指数比越大。而本文通过分析大量的数值模拟结果后发现, 对于一定的水平段长度和裂缝长度, 存在一个相对最优的裂缝条数值。如图1所示, 当生产时间较短时, 储层渗透率较小的油藏中压裂水平井的累积产量比值随裂缝条数的增加而线性增大, 然而, 随着生产时间的延长, 3条裂缝时的产能与4条、5条、6条、7条、8条和9条裂缝时的产能的差别逐步减小; 而对于储层渗透率较大的油藏, 3条裂缝的水平井的产能在前两年便与更多裂缝时相差不大。从图中可以看出, 当储层渗透率较大时, 压裂水平井与未压裂水平井累积产量比较小, 储层渗透率低的油藏中水平井压裂增产幅度要大于储层渗透率较高的油藏中的压裂水平井。当然, 多条裂缝时可能初始产量较大, 可以在较短的时间内收回投资, 但是其产量递减速度很快, 所以, 如果考虑到最佳投入产出比, 则存在一个最佳的裂缝条数值。314裂缝长度的影响裂缝长度是影响压裂水平井产能的一个重要因素。模拟结果表明, 压裂水平井累积产量并不是随着裂缝长度的增加而线性增大, 如果对于具体的油藏, 储层渗透率、裂缝导流能力和裂缝长度一定, 则应该存在一个相对最佳的裂缝长度值。从图1中可看出, 当储层渗透率为210-3m 2和810-3m 2时, 裂缝长度为140m 比较合适, 如果考虑投入产出比, 可能为最佳值。另外, 对于储层渗透率较大的油藏, 随着裂缝长度的增加(大于25石油学报第20卷 图2压裂水平井产量与裂缝导流能力的关系F ig . 2R elati ons betw een o il rate of the fractured ho rizontalw ell and fracture conductivity90m , 压裂水平井累积产量增产倍数变化不大, 可能是由于裂缝渗透率与基质渗透率比值不够大有关。315裂缝导流能力的影响裂缝导流能力对压裂水平井产能影响较大(见图2 。但是, 对于某一具体油藏, 当储层渗透率、裂缝条数和裂缝长度确定时, 也存在一个最佳的裂缝导流能力值。从图2看出, 当储层渗透率为01410-3m 2、3条裂缝和裂缝长度为140m 时, 导流能力为2c 2100m 2c m , 如果考虑经济效益, 可能50m 2c m 为最佳的导流能力值。316储层渗透率的影响储层渗透率与压裂水平井累积产量增产倍数关系十分密切。模拟计算表明, 裂缝条数为3, 裂缝长度为90m , 可以看出, 储层渗透率越低, 如01410-3m 2, 压裂水平井累积产量的增产倍数越大, 并且随着储层渗透率的增大, 累积产量的增产倍数迅速降低, 当储层渗透率增至5010-3m 2时, 增产倍数仅为111倍。由此也提出一个新的值得进一步研究的问题, 水力压裂作为一种增产措施, 其适用范围究竟是多少? 如果单从水力裂缝图3压裂水平井累积产量与裂缝间距关系F ig . 3R elati ons betw een the cum ulative p roducti onof fractured ho rizontal w ell and the distance betw een the outmo st fractures增产的绝对采油量来考虑, 在高储层渗透率油藏中并不比在较低渗透率油藏中少, 只是低渗透率油藏中未压裂水平井产量很低, 致使其增产倍数较大。所以, 在讨论该问题时须考虑具体的经济指标。317外裂缝间距的影响根据对不同裂缝条数的数值模拟研究结果, 初步认为3条裂缝比较适合水平段长度为500m 的水平井。研究中发现, 3条裂缝中两条外裂缝(水平段两端处的裂缝 的间距对压裂水平井产能也有一定的影响(图3 。从图中可看出, 两条外裂缝的间距越大, 其产量也越高, 并且随着生产时间的延长, 累积产量的增量也越明显。这主要是由于不同位置的裂缝泄油面积不同, 裂缝之间存在相互干扰现象, 进一步的理论研究也证明了这种干扰现象的存在。所以, 在进行水平井压裂设计时必须尽可能地加大外裂缝间距, 尽可能地减小裂缝间的干扰。318不同位置裂缝产量贡献值为了进一步研究裂缝位置对水平井累积产量的影响, 分别针对不同的裂缝条数计算了各条裂缝对压裂水平井总产量的贡献(图4 。从图4中可以看出, 均匀分布于水平段上的各条裂缝对总产量的贡献值并不相同, 随着生产时间的延长,35第4期低渗透率油藏压裂水平井产能影响因素 4压裂水平井不同位置裂缝产量分配图F ig . 4P roducti on distributi on of fractured ho rizontalw ell (5fractures 两条外裂缝对水平井总产量的贡献逐步占据绝对的主导地位, 对于3条裂缝的情况, 两条外裂缝产量贡献值达56%, 而内裂缝仅为18%; 而对于4条裂缝的情况, 两条外裂缝贡献约为54%, 两条内裂缝的贡献为30%。另外, 从图4中可看出, 随着裂缝条数的增多, 越靠近水平段中部, 单条裂缝的产量贡献值越低, 但是当裂缝较多时, 中部裂缝的差别不太明显; 而且在水平井生产的初期, 各裂缝的差异并不十分明显, 只是随着生产时间的延长(一般需要1015个月 , 这种差别才逐步形成。319 图5压裂水平井累积产量增产倍数图版(N f =3, T =36个月 F ig 15Q f Q u temp late of fractured ho rizontal w ell (3fractures 同, 同时工艺上也可能压裂出长度或导流能力不同的裂缝, 是否有必要将内裂缝的长度或导流能力增大呢? 在保证压裂裂缝总长度不变的情况下, 分别对较长的内裂缝、较长的外裂缝和相同裂缝长度三种情况的压裂水平井进行了数值模拟研究。总的来说, 差别不太明显, 但内裂缝较长的情况要优于其他两种情况, 而且, 随着生产时间的延长(24个月 , 具有长内裂缝水平井的优势也越明显。4压裂水平井累积产量增产倍数图版在3条裂缝情况下, 不同的裂缝长度(40, 90, 140, 240, 440m 的压裂水平井, 把裂缝导流能力(5, 20, 50, 100m 2c m 除以储层渗透率(014, 2, 8,25, 50 10-3m 2所得的值作为横坐标, 将增产倍数作为纵坐标, 经回归后(表2 得图5。从中可以看出, 当储层渗透率一定时, 裂缝导流能力和裂缝长度可以互为补偿, 即较大的导流能力和较短的裂缝可以取得与较小的导流能力和较长裂缝同样的增产倍数。5结论表2裂缝长度与压裂水平井增产倍数关系(3条裂缝 Table 2Relation s between Q f Q u and fracture length (3fractures 裂缝长度(m 回归公式R 240Q f Q u =110856(C f K m 01086501993590Q f Q u =110927(C f K m 01183401979140Q f Q u =111338(C f K m 012277019736240Q f Q u =111258(C f K m 012572019631440Q f Q u =111289(C f K m 01288301960711低渗透率砂岩油藏中, 水平井压裂时应以与水平段垂直的多条裂缝为主。21压裂水平井产量与人工裂缝条数、裂缝长度、裂缝导流能力和储层渗透率有关。裂缝条数以34条为好, 最佳裂缝长度和导流能力与储层渗透率有关。31压裂水平井中不同位置的裂缝的产量贡献值不同, 两条最外面裂缝的间距对产能有一定的影响, 应尽可能扩大外裂缝间距。同时, 当裂缝条数一45石油学报第20卷 定时, 应适当加大中间裂缝的长度或导流能力, 以达到裂缝间产量贡献的均衡。41压裂水平井累积产量增产倍数图版可在水平井压裂设计及开发方案设计时参考修正。致谢感谢北京石油勘探开发科学研究院韩大匡教授、范子菲博士、武若霞教授和禹长安教授的指导和帮助。符号说明K v 垂直渗透率, m 2; K h 水平渗透率, m 2; T 生产时间, 月;Q f 压裂水平井累积产量, m 3; Q u 未压裂水平井累积产量, m 3L f 裂缝半长, m;C f m 2 c m; K m , 2; N f ; w 水平段长度, m参考文献1Jo sh i S D . Ho rizontal w ell techno logy . Pennw ell Publish ing Co rpo rati on , 1991:310.2Butler R . T he po tential fo r ho rizontal w ells fo r petro leum p roducti on . JCPT , 1989, 28(3 :3947.3T ank W J , Curran B C , W adleigh E E . T argeting ho rizontal w ells 2efficient o il cap ture and fracture insigh ts . SPE 37751, 1997, 601605. 4Gil m an J R , Bow zer J L , Ro thkopf B W . A pp licati on of sho rt radius ho rizontal bo reho les in the naturally fractured Yates F ield . SPE28568, 1994, 2125.5V o D T , M arsh E L , Sienk iew icz L J , etc . Gulf of M exico ho rizontal w ell i m p roves attic 2o il recovery in active w aterdrive reservo ir . SPER eservo ir Engineering , 1997, 12(3 :6368. 6Bodnar D A , C liffo rd P J , Isby J S , etc . F irst ho rizontalw ater injecto rs in P rudhoe Bay F ield , A laska . SPE R eservo ir Engineering , 1997,12(2 :104108.7Giger F M . L ow per m eability reservo irs developm ent using ho rizontal w ells . 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Zhang Xuew en et a l (C h ina N a tiona l P etroleum C orp ora tion O ver 200 heterogeneou s geo logica l m odels w ere estab lished th rough rea sonab le ab straction. B y m ean s of reservo ir num erica l si u la tion, the p ap er had system a tica lly studied the facto rs affecting the p erfo rm ance of fractu red ho rizon ta l w ell, and Q frac m Q unfrac tem p la te w a s con structed. T he facto rs taken in to accoun t include fractu re direction co rresponding to the direction of w ell2 bo re, K v K h , num ber of fractu res, length of fractu res, fractu re conductivity, distance betw een the ou tm o st fractu res and length . of uneven fractu res T he study show s tha t the op ti a l num ber of fractu res m igh t be 3, the op ti a l length of fractu re is rela ted m m to fractu re conductivity and reservo ir p erm eab ility and fo r a sp ecific reservo ir, there does ex ist an op ti a l fractu re conductivity. m . T he p roductivity of fractu res is D istance betw een the ou tm o st fractu res influences the p roductivity of fractu red ho rizon ta l w ell rela ted to the po sition s of fractu res on fractu red ho rizon ta l w ellbo re. So , it is suggested tha t the length o r conductivity of m iddle . fractu re be increa sed to ach ieve the p roductivity ba lance of differen t fractu res F ina lly, Q frac Q unfrac tem p la te w a s estab lished ba sed on the studies of num ber of fractu res, length of fractu re and fractu re conductivity. . L iW enku i et a l (X ian P etroleum Institu te AN ANAL YS IS ON “ DOU BL E HUM P D ISTR I T I BU ON O F I TRU S I E ” ERCU R Y CU RV E ACTA 1999, 20 ( 4 : 61 N V M 68. Key words: ho rizon ta l w ell; hydrau lic fractu re; num ber of fractu res; length of fractu res; fractu re conductivity; distance be2 tw een fractu res TH E FO RM A T I ON O F R EM A I I G CRA CK I FRA CTU R I G ACTA 1999, 20 ( 4 : 56 60. N N N N T he differen t defo rm a tion regu la tion s of rock under loading un loading is ana lyzed in th is p ap er ba sing on theo ry and exp eri2 m en t, the rock defo rm a tion under loading un loading is irreversib le. T he fractu re can no t be fu lly clo sed and w ill p roduce re2 m a in ing defo rm a tion, w hen the loads acting on bound a re discha rged and p together w ith E 2 E 1 ga in s certa in va lue. T he Youngs M odu lu s and Po issons R a tio under un loading a re h igher than tho se under loading by ana lyzing rea l cu rves of rock s. It show s tha t rem a in ing crack s have been p roduced in rock sam p les. T he site p ractices a lso p rove tha t the irreversib le de2 fo rm a tion of rock s is an ob jective rea lity. Key words: rock; loading and un loading; test ; fo rm a tion fractu ring; rem a in ing crack . Yuan H a ihan et a l (C hang qing P etroleum S chool T he in tegra tion ca lcu la tion of cap illa ry p a ram eter is derived theo retica lly. It occu rs com p a ritive erro r w hen ca lcu la ting se2 lected a t the m ea su re po in t w ith the p rogression ha s been taken p lace. It is fitted w ell to eli ina te the p a rt h igh 2 ressu re m ea 2 m p su re po in t. A ll the rock sam p les ex ist w ith th is erro r. T he hum p distribu tion of in tru sive respon se on m ercu ry in jection cu rve app ea rs in the h igh 2 ressu re section, w ho se cha racteristics a re the va riab le slop e of cap illa ry po re diam eter cu rve, w h ich is dif2 p feren t from the m ono tonou s slop e of the ca st th in section and cen trifu