低滲致密油藏分段壓裂水平井滲流規(guī)律物理模擬實(shí)驗(yàn)研究

低滲致密油藏分段壓裂水平井滲流規(guī)律物理模擬實(shí)驗(yàn)研究

在中國(guó)的石油勘探儲(chǔ)量和非動(dòng)用儲(chǔ)量中，低滲密度儲(chǔ)量占很大比例。由于儲(chǔ)層微觀孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這些油藏的喉嚨較小，傳統(tǒng)直井和平井的開(kāi)發(fā)使用程度較低，使用難度較大。近年來(lái),隨著分段壓裂水平井工藝技術(shù)的快速發(fā)展,分段壓裂水平井在低滲/致密油藏中的應(yīng)用取得了很好的開(kāi)發(fā)效果。中國(guó)石油和中國(guó)石化也都相繼開(kāi)展了分段壓裂水平井的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)。但隨著開(kāi)發(fā)試驗(yàn)的不斷進(jìn)行,分段壓裂水平井所暴露的問(wèn)題也越來(lái)越多,迫切需要對(duì)分段壓裂水平井的開(kāi)采機(jī)理和滲流規(guī)律進(jìn)行深入研究,以指導(dǎo)低滲/致密油田的合理開(kāi)發(fā)。而目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于分段壓裂水平井開(kāi)采機(jī)理和滲流規(guī)律的研究尚少,因此,筆者等利用自主研發(fā)的大型露頭巖樣高壓物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和低滲/致密油藏非線性滲流油藏?cái)?shù)值模擬軟件,建立了低滲/致密油藏分段壓裂水平井的物理模擬方法和油藏?cái)?shù)值模擬方法,并利用這些方法,研究了直井和分段壓裂水平井聯(lián)合布井和分段壓裂水平井衰竭式開(kāi)采方式下的滲流規(guī)律,為低滲/致密油藏分段壓裂水平井技術(shù)的大面積推廣奠定了一定的基礎(chǔ)。1壓裂水平井的物理模擬1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成大型露頭巖樣高壓物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由耐高壓的封裝露頭模型、抽真空系統(tǒng)、高壓夾持器(高壓倉(cāng))、環(huán)壓系統(tǒng)、高壓倉(cāng)壓力保護(hù)系統(tǒng)、注入系統(tǒng)、控制采集系統(tǒng)和出口測(cè)量系統(tǒng)組成(圖1)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可對(duì)500mm×500mm×300mm的露頭巖樣模型進(jìn)行物理模擬實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最高壓力可達(dá)到25MPa,露頭模型空氣滲透率可達(dá)到0.1mD。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還改進(jìn)了傳統(tǒng)的中高滲透填砂大模型物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的螺栓緊固方式和電橋式多通道電阻率測(cè)量方法,采用碳纖維密封圈,卡箍式卡緊裝置及新式多通道電阻率測(cè)量方法(圖2),并用液壓系統(tǒng)對(duì)卡箍、蓋體進(jìn)行打開(kāi)、提升、降落和關(guān)閉操作,提高了實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度,降低了實(shí)驗(yàn)操作難度。1.1.1旋轉(zhuǎn)控制及密封優(yōu)化為了滿足500mm×500mm×300mm的露頭模型在25MPa條件下進(jìn)行物理模擬實(shí)驗(yàn),高壓倉(cāng)容積必須達(dá)到350L以上,其屬于3類高壓容器。高壓倉(cāng)還采用鍛壓高強(qiáng)度碳鋼進(jìn)行倉(cāng)體加工,用316L不銹鋼堆焊技術(shù)進(jìn)行內(nèi)壁處理,從而保證了倉(cāng)體強(qiáng)度和耐腐蝕性。以往設(shè)備常采用橡膠密封圈進(jìn)行端面密封,用螺栓緊固方式壓緊密封圈,但由于高壓倉(cāng)倉(cāng)體面積較大,螺栓受到的作用力很強(qiáng)且由于多根螺栓上緊程度很難一致,不同螺栓上的螺扣受力不均,造成螺栓容易損壞,給實(shí)驗(yàn)安全帶來(lái)了很大風(fēng)險(xiǎn),而且螺栓的操作費(fèi)力,一般人員無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)需要。這就造成了目前國(guó)內(nèi)僅有的幾套大模型填砂物理模擬設(shè)備的利用率極低。針對(duì)上述問(wèn)題,大型露頭巖樣高壓物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用碳纖維密封圈和卡箍式卡緊裝置,避免了采用螺栓緊固方式?？ü渴骄o固方式受力均勻,加上相應(yīng)的保險(xiǎn)裝置,使實(shí)驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)大大降低。此外,碳纖維材料的使用,大大降低了由于橡膠圈不穩(wěn)定性造成的危險(xiǎn),并減少了密封圈的損壞率。同時(shí),采用卡箍式緊固方式,為采用液壓系統(tǒng)對(duì)卡箍、蓋體進(jìn)行打開(kāi)、提升、降落和關(guān)閉的操作提供了可能。該系統(tǒng)共使用了4套液壓缸:第1套液壓裝置控制卡箍的張開(kāi)和閉合;第2套液壓缸控制蓋體的提升和降落;第3套液壓缸完成蓋體的旋轉(zhuǎn)和復(fù)位;第4套液壓缸控制卡箍的鎖閉裝置,在卡箍鎖閉后,將無(wú)法打開(kāi)卡箍,保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中蓋體無(wú)法打開(kāi),有效降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。液壓系統(tǒng)的使用,使大模型實(shí)驗(yàn)操作變得簡(jiǎn)單,系統(tǒng)開(kāi)啟或關(guān)閉過(guò)程在5min內(nèi)便可以完成。1.1.2高效測(cè)量電路目前多通道電阻率的測(cè)量,一般采用電橋設(shè)備與繼電器控制系統(tǒng)組合,可利用一臺(tái)電橋設(shè)備進(jìn)行多通道電阻率的測(cè)量。這種測(cè)量方法不但接線復(fù)雜、接線點(diǎn)多、連線順序也要求高,易導(dǎo)致測(cè)量容量降低,而且由于其采用瞬間電阻率測(cè)量方法,沒(méi)有接地絕緣。大型露頭巖樣高壓物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模型接口與設(shè)備連接,多部位出現(xiàn)接地條件,與周圍環(huán)境無(wú)法絕緣,因此,無(wú)法滿足多通道電阻率的實(shí)驗(yàn)需求。針對(duì)上述問(wèn)題,大型露頭巖樣高壓物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改變了原有一個(gè)開(kāi)關(guān)量控制一路測(cè)量通道的方法,將多路開(kāi)關(guān)量并聯(lián)到電橋正極,多路開(kāi)關(guān)量并聯(lián)到電橋負(fù)極,通過(guò)同時(shí)調(diào)整正、負(fù)極開(kāi)關(guān)量的方法,選擇測(cè)量通道。單片機(jī)控制不同的電子開(kāi)關(guān),分別控制電橋兩級(jí)接到不同的電極上,這樣分別在對(duì)電極編號(hào)后,按照順序連接到電橋正極接點(diǎn)后,再按照順序連接到電橋負(fù)極接點(diǎn),就可以完成所有電極間的電阻率測(cè)量(圖2)。該方法不但可以進(jìn)行與周圍環(huán)境無(wú)法絕緣物體的電阻率測(cè)量,而且還降低了設(shè)備復(fù)雜性,提高了設(shè)備的測(cè)量容量,系統(tǒng)理論測(cè)量數(shù)據(jù)量為870路,從而改變了以往設(shè)備60個(gè)端子只能測(cè)量30路電阻率數(shù)據(jù),提高了分析精度。1.1.3數(shù)據(jù)的采集、顯示和記錄在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,需要對(duì)模型各點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)和電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),而監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行采集、顯示和記錄。在系統(tǒng)中,摒棄了過(guò)去常用的PLC技術(shù),采用工控機(jī)和WindowsCE系統(tǒng),使控制系統(tǒng)本身成為一個(gè)操作系統(tǒng),并可以按照需要直接對(duì)操作進(jìn)行編程,從而使系統(tǒng)的升級(jí)能力大大加強(qiáng)。1.2大型露頭模型封裝及飽和方法以及測(cè)試方法在已有的研究中,已經(jīng)提出了大型露頭模型巖樣的篩選標(biāo)準(zhǔn),并給出了大型露頭模型封裝和飽和方法,以及壓力和流場(chǎng)測(cè)試方法。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了分段壓裂水平井的物理模擬實(shí)驗(yàn)方法。1.2.1露頭巖樣的篩選低滲/致密油藏的理論研究和開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明,滲透率已不能完全反映低滲/致密油藏的本質(zhì)特征。在相同滲透率條件下,不同油區(qū)的儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)差異較大。因此,選擇用來(lái)模擬油田開(kāi)發(fā)特征的露頭巖樣就顯得非常重要。從圖3中也可以看出,所取的露頭巖樣與大慶油田某區(qū)塊孔滲相近巖樣的孔喉半徑分布特征相似,與長(zhǎng)慶油田某區(qū)塊孔滲相近巖樣的孔喉半徑分布特征相差較大,如果用該露頭模型模擬長(zhǎng)慶油田某區(qū)塊的滲流特征將會(huì)產(chǎn)生較大誤差。因此,為了使得所取的露頭模型具有代表性,就必須讓所取的露頭模型與所模擬的儲(chǔ)層達(dá)到孔滲相近、孔喉半徑分布特征和滲流特征相似及黏土礦物含量接近。1.2.2膠結(jié)劑和石英砂的用量對(duì)模擬水平井和人工裂縫場(chǎng)的影響根據(jù)分段壓裂水平井的設(shè)計(jì)方案[圖4(a)]和現(xiàn)場(chǎng)裂縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合相似理論,設(shè)計(jì)露頭巖樣裂縫的分段數(shù)和裂縫的導(dǎo)流能力。采用切割鋸切割方法,在露頭巖樣中形成不同長(zhǎng)度的切割縫,用不同的石英砂的粒徑與膠結(jié)劑混合后充填裂縫,來(lái)模擬水平井和人工裂縫的導(dǎo)流能力[圖4(b)]。在分段壓裂水平井模型的封裝過(guò)程中,沒(méi)有采用常用的普通環(huán)氧樹(shù)脂封裝,因?yàn)檫@種封裝方法由于環(huán)氧樹(shù)脂固結(jié)速度太快時(shí),封裝材料會(huì)產(chǎn)生裂紋,從而造成封裝失敗。而是采用不飽和環(huán)氧樹(shù)脂添加韌性劑,從而保證了模型的膠結(jié)強(qiáng)度。通過(guò)采用特殊環(huán)氧樹(shù)脂和設(shè)計(jì)膠結(jié)流程,延緩了環(huán)氧樹(shù)脂的膠結(jié)速度,保證了模型的封裝質(zhì)量。并用特殊材料預(yù)處理模型表面,防止膠結(jié)過(guò)程中的環(huán)氧樹(shù)脂侵入裂縫體內(nèi),造成模型堵塞。1.2.3抽真空飽和實(shí)驗(yàn)低滲/致密露頭模型體積大,滲透率低,封裝成型后與外界連通的只有注采井以及預(yù)留的測(cè)壓孔,且內(nèi)部由于水平井和人工裂縫的存在,造成了嚴(yán)重的平面非均質(zhì)性,利用常規(guī)的單點(diǎn)抽真空飽和方法無(wú)法保證所有部位都能完全飽和液體,且飽和時(shí)間長(zhǎng),無(wú)法對(duì)飽和過(guò)程和飽和效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)。針對(duì)以上問(wèn)題,設(shè)計(jì)了抽真空飽和實(shí)驗(yàn)裝置(圖5)。該裝置采用多點(diǎn)抽真空及飽和法,即多點(diǎn)(含注采井及預(yù)留測(cè)壓孔)抽真空,保證不同位置真空度都很高,同時(shí)設(shè)置真空表觀察真空度變化情況。當(dāng)達(dá)到真空以后從非抽真空點(diǎn)飽和流體,再次觀察真空度變化,當(dāng)真空度恢復(fù)到大氣壓以后,說(shuō)明所在位置已經(jīng)飽和完全。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法很好地解決了低滲/致密露頭模型的抽真空及飽和問(wèn)題。1.2.4有效驅(qū)動(dòng)系數(shù)和有效產(chǎn)能系數(shù)為了評(píng)價(jià)分段壓裂水平井的開(kāi)發(fā)效果,提出了兩個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)其有效驅(qū)動(dòng)的程度。(1)有效驅(qū)動(dòng)系數(shù)。將流體在低滲/致密油藏中滲流流動(dòng)分為3個(gè)區(qū)域:不流動(dòng)區(qū)、非線性滲流區(qū)和擬線性滲流區(qū)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)小巖心(從大模型中鉆取)測(cè)得的非線性滲流曲線,結(jié)合露頭模型實(shí)測(cè)壓力梯度場(chǎng),對(duì)模型平面進(jìn)行滲流區(qū)域的劃分,將平面模型中能夠發(fā)生流動(dòng)的面積(非線性滲流區(qū)面積與擬線性滲流區(qū)面積之和)與整個(gè)模型單元面積的比值稱為有效驅(qū)動(dòng)系數(shù)。有效驅(qū)動(dòng)系數(shù)反映的是流體平面波及的狀況。有效驅(qū)動(dòng)系數(shù)越趨近于0,說(shuō)明非線性滲流區(qū)和擬線性滲流區(qū)越趨近于0,整個(gè)模型基本上處于不流動(dòng)區(qū)域;最大值為1,說(shuō)明整個(gè)模型均處于流動(dòng)狀態(tài)。(2)有效產(chǎn)能系數(shù)。將露頭模型實(shí)測(cè)產(chǎn)量與理論產(chǎn)量(整個(gè)模型中的不流動(dòng)區(qū)域不再減小時(shí)所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量)的比值定義為有效產(chǎn)能系數(shù)。有效產(chǎn)能系數(shù)反映單井產(chǎn)量的相對(duì)大小,其最大值為1,說(shuō)明模型實(shí)測(cè)產(chǎn)量與理論產(chǎn)量相等。有效驅(qū)動(dòng)系數(shù)和有效產(chǎn)能系數(shù)不僅能夠體現(xiàn)非線性滲流對(duì)低滲/致密油藏有效開(kāi)發(fā)的影響,而且油藏非均質(zhì)程度、裂縫發(fā)育程度、井網(wǎng)與儲(chǔ)層的匹配程度等因素都能夠影響有效驅(qū)動(dòng)系數(shù)和有效產(chǎn)能系數(shù)。因此有效驅(qū)動(dòng)系數(shù)和有效產(chǎn)能系數(shù)能夠綜合反映分段壓裂水平井對(duì)低滲/致密油藏的有效開(kāi)發(fā)程度。2分段壓裂水平井開(kāi)采井網(wǎng)參數(shù)分析利用自主研發(fā)的大型露頭巖樣高壓物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和自主研發(fā)的低滲/致密油藏非線性滲流油藏?cái)?shù)值模擬軟件,通過(guò)分析分段壓裂水平井在不同條件下的壓力、壓力梯度、含油飽和度和滲流區(qū)域的變化規(guī)律來(lái)研究分段壓裂水平井的滲流特征,并進(jìn)行了分段壓裂水平井開(kāi)采井網(wǎng)參數(shù)的優(yōu)選。2.1分段壓裂水平井以大慶油田某水平井和直井聯(lián)合布井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)為例(圖4),設(shè)計(jì)了3套方案進(jìn)行對(duì)比。第1套方案為水平井不進(jìn)行分段壓裂,即壓裂半縫長(zhǎng)為0;第2套方案為水平井進(jìn)行分段壓裂,壓裂半縫長(zhǎng)為100m;第3套方案為水平井進(jìn)行分段壓裂,壓裂半縫長(zhǎng)為150m。并進(jìn)行了兩種驅(qū)替壓差的實(shí)驗(yàn),分別為30kPa和50kPa,物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、表1和表2所示。從物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在相同驅(qū)替壓差下,分段壓裂水平井的壓力梯度值要比不壓裂水平井的壓力梯度值高,且隨著壓裂半縫長(zhǎng)的增加,壓力梯度值增加。分段壓裂水平井的不流動(dòng)滲流區(qū)域要比不壓裂水平井的不流動(dòng)滲流區(qū)域小,而分段壓裂水平井的擬線性區(qū)域要比不壓裂水平井的擬線性區(qū)域大。在相同的分段壓裂水平井條件下,擬線性滲流區(qū)域隨壓差的增大而增大,不流動(dòng)滲流區(qū)域隨壓差的增大而減小。因此,對(duì)于低滲/致密油藏水平井可以通過(guò)適當(dāng)增加壓裂規(guī)?；蛱岣咦⒉蓧翰顏?lái)有效地開(kāi)發(fā)低滲/致密儲(chǔ)層。2.2不壓裂水平井模擬分別用物理模擬與數(shù)值模擬兩種方法來(lái)模擬水平井-直井井網(wǎng)不同注采方式下的開(kāi)采結(jié)果和滲流規(guī)律(圖7)。從研究結(jié)果可知:①無(wú)論是物理模擬,還是數(shù)值模擬,不壓裂水平井作為注水井能夠?qū)崿F(xiàn)線狀注水,且水量均勻推進(jìn),可以實(shí)現(xiàn)較大的波及面積。壓裂水平井作為采油井也可以實(shí)現(xiàn)較大的泄油面積,且井筒壓降小。②物理模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果基本吻合,達(dá)到了相互印證。從兩者之間的差異可以看出,物理模擬更能揭示分段壓裂水平井的滲流機(jī)理,并可以為數(shù)值模擬的參數(shù)選取提供指導(dǎo)。2.3基于數(shù)值模擬的分段壓裂水平井開(kāi)采影響因素分析以吉林油田分段壓裂水平井某現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)為例,利用自主研發(fā)的低滲/致密油藏非線性滲流油藏?cái)?shù)值模擬軟件,分析不同因素對(duì)分段壓裂水平井開(kāi)采效果的影響。2.3.1分段壓裂水平井分段確定在水平井長(zhǎng)度為800m時(shí),分別設(shè)計(jì)了5個(gè)滲透率級(jí)別(0.3mD、0.5mD、1.0mD、3.0mD和10.0mD),以及不同的分段數(shù)(1段—8段)、裂縫半縫長(zhǎng)(80m、100m、120m、150m、180m、200m和220m)和裂縫導(dǎo)流能力(10D·cm、20D·cm、30D·cm和40D·cm),共計(jì)1120個(gè)方案來(lái)研究滲透率、分段數(shù)和裂縫導(dǎo)流能力對(duì)分段壓裂水平井開(kāi)采效果的影響。在優(yōu)選出的不同滲透率條件下,分段壓裂水平井的最佳分段數(shù)、最佳裂縫半縫長(zhǎng)和最佳裂縫導(dǎo)流能力的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3和圖8。從模擬結(jié)果可以看出:①當(dāng)水平井長(zhǎng)度一定時(shí),分段壓裂水平井隨著滲透率的降低,最佳分段數(shù)越來(lái)越多。當(dāng)水平段長(zhǎng)度為800m,滲透率為10mD時(shí),最佳分段壓裂數(shù)為4段;滲透率為0.3mD時(shí),最佳分段壓裂數(shù)為7段。即儲(chǔ)層越致密,需要分段壓裂的井段越多。②對(duì)于滲透率級(jí)別的改變,最為敏感的是分段數(shù),其次是裂縫半縫長(zhǎng),裂縫導(dǎo)流能力最為不敏感。③當(dāng)滲透率為0.3mD時(shí),分段數(shù)為7段的分段壓裂水平井的壓力梯度場(chǎng)比分段數(shù)為2段和4段的分段壓裂水平井的壓力梯度場(chǎng)要高。但由于滲透率較低,壓力梯度場(chǎng)僅發(fā)生在裂縫附近,很難擴(kuò)展到儲(chǔ)層的遠(yuǎn)方。2.3.2水平井長(zhǎng)度、分段數(shù)和裂縫導(dǎo)流能力的確定滲透率為0.5mD時(shí),設(shè)計(jì)了5個(gè)水平井長(zhǎng)度(400m、500m、600m、700m和800m),在每個(gè)水平井長(zhǎng)度上,又分別設(shè)計(jì)了不同的分段數(shù)(1段—8段)、裂縫半縫長(zhǎng)(80m、100m、120m、150m、180m、200m和220m)和裂縫導(dǎo)流能力(10D·cm、20D·cm、30D·cm和40D·cm),共計(jì)1120個(gè)方案來(lái)研究水平井長(zhǎng)度、分段數(shù)和裂縫導(dǎo)流能力對(duì)分段壓裂水平井開(kāi)采效果的影響。在優(yōu)選出的不同水平井長(zhǎng)度條件下,分段壓裂水平井的最佳分段數(shù)、最佳裂縫半縫長(zhǎng)及最佳裂縫導(dǎo)流能力的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出,當(dāng)滲透率一定時(shí),隨著水平井長(zhǎng)度的增加,水平井壓裂的最佳段數(shù)也逐漸增加,而