特低滲透油藏壓裂水平井合理段長度研究

特低滲透油藏壓裂水平井合理段長度研究

滲透油的低密度和孔的小滲透性。滲透性低[（0.3.5）10-3m2]。為了改善特低滲透油藏開發(fā)效果,通常對水平井實(shí)施套管完井,分段射孔壓裂,形成多條表面積較大的長而薄的水力裂縫,大幅增加油藏泄油面積,改善儲層與井筒之間的流體連通程度,提高單井產(chǎn)能。特低滲透油藏儲層壓力普遍較低,注水補(bǔ)充能量已經(jīng)成為此類油藏的重要開發(fā)方式。因此,壓裂水平井采油聯(lián)合直井注水對特低滲透油藏開發(fā)提出了許多新的研究課題。筆者以中國某油田壓裂水平井開發(fā)實(shí)例為基礎(chǔ),考慮水平段長度、裂縫數(shù)量和裂縫間距等因素,利用物理模擬和數(shù)值模擬進(jìn)行壓裂水平井開發(fā)效果評價。1水電模擬試驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)方法電模擬實(shí)驗(yàn)以水電相似原理為理論基礎(chǔ),即描述滲流場和電流場的數(shù)學(xué)方程相似(表1)。不可壓縮地下流體通過多孔介質(zhì)的穩(wěn)定滲流符合達(dá)西定律及拉普拉斯方程;而電流在導(dǎo)電介質(zhì)中的流動滿足歐姆定律和拉普拉斯方程。當(dāng)滲流場與電流場的幾何形狀和邊界條件相似時,穩(wěn)態(tài)滲流場與穩(wěn)態(tài)電流場相似。各參數(shù)之間的相似關(guān)系滿足幾何相似、流量相似、阻力相似和壓力相似。幾何相似系數(shù):Cl=Lm/Lo(1)Cl=Lm/Lo(1)流量相似系數(shù):Cq=Ι/Q(2)Cq=I/Q(2)阻力相似系數(shù):Cr=Rm/Ro=(ΚμLo)/(ρLm)(3)Cr=Rm/Ro=(KμLo)/(ρLm)(3)壓力相似系數(shù):Cp=ΔU/Δp(4)Cp=ΔU/Δp(4)歐姆定律:ΔU/(ΙRm)=1(5)ΔU/(IRm)=1(5)達(dá)西定律:Δp/QRo=1(6)Δp/QRo=1(6)聯(lián)立式(1)—式(4)可得Cp=CqCr(7)式中:Lm為模型幾何參數(shù),cm;Lo為井網(wǎng)幾何參數(shù),m;K為滲透率,10-3μm2;μ為流體黏度,mPa·s;ρ為電導(dǎo)率,μs/cm;I為電流,mA;Q為油井產(chǎn)量,m3/d;U為電壓,V;p為壓力,MPa;Cl為幾何相似系數(shù);Cp為壓力相似系數(shù);Cq為流量相似系數(shù);Cr為阻力相似系數(shù)。一般先確定Cp和Cr,然后計(jì)算出Cq值,從而根據(jù)所測電流值計(jì)算出油井的產(chǎn)量。電模擬實(shí)驗(yàn)裝置主要由油藏模擬系統(tǒng)、低壓電路系統(tǒng)和測量系統(tǒng)三部分組成。油藏模擬系統(tǒng)為盛有CuSO4溶液的有機(jī)玻璃池,可配置相應(yīng)濃度的CuSO4溶液模擬油層;低壓電路系統(tǒng)得到實(shí)驗(yàn)所需電壓;測量系統(tǒng)可以測得模擬油井的電流。實(shí)驗(yàn)以交錯排狀井網(wǎng)為例,研究壓裂水平井與裂縫產(chǎn)能關(guān)系、裂縫產(chǎn)能分布以及裂縫數(shù)量對壓裂水平井產(chǎn)能的影響。其中:注水井為直井;采油井為壓裂水平井(水平段封閉)。水電模擬實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)如表2所示。壓裂水平井模型制作:實(shí)驗(yàn)以銅絲模擬水平井筒,銅片模擬垂直裂縫;銅片由銅絲垂直串聯(lián),銅絲未與銅片接觸的水平段部分由橡膠套密封。由于難以找到合適的材料來模擬有限導(dǎo)流能力裂縫,且銅片的電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于電解溶液的電導(dǎo)率,所以實(shí)驗(yàn)?zāi)M的是裂縫無限導(dǎo)流的情況。1.2結(jié)果分析1.2.1水電模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)條件:水平段長度為210m,裂縫數(shù)量為3條,裂縫間距為105m,如圖1所示。分別測量壓裂水平井和獨(dú)立裂縫的電流。Fig.1Productivitymeasurementmodeloffracturedhorizontalwells水電模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(表3):3條獨(dú)立裂縫的總產(chǎn)量比壓裂水平井產(chǎn)量略高,產(chǎn)量差異小于3%。由于特低滲透油藏壓裂水平井單井日產(chǎn)油(液)量普遍較低,且產(chǎn)量遞減較快,因此水平井筒管流摩擦阻力對油井產(chǎn)能的不利影響可以忽略,進(jìn)而認(rèn)為特低滲透油藏壓裂水平井的產(chǎn)能即為裂縫產(chǎn)能之和。1.2.2不設(shè)置有機(jī)溶劑裂縫產(chǎn)量測量結(jié)果表明(表3),邊部裂縫的生產(chǎn)能力較強(qiáng),貢獻(xiàn)率大于40%;中間裂縫的生產(chǎn)能力較小,貢獻(xiàn)率不足20%。裂縫間干擾,尤其是兩條邊縫對中間裂縫的嚴(yán)重干擾是導(dǎo)致3條裂縫產(chǎn)量分布不均的主要原因,適當(dāng)增加裂縫間距有利于減小縫間干擾,充分發(fā)揮各條裂縫的生產(chǎn)能力。1.2.3裂縫間距和數(shù)量人工裂縫是連通油藏與井筒的唯一通道,因此,裂縫數(shù)量是制約油井產(chǎn)能的重要因素。為了綜合考慮裂縫數(shù)量和裂縫間距對壓裂水平井產(chǎn)量的影響,分別進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn):①固定水平段長度,增加裂縫數(shù)量。水平段長度為210m,裂縫數(shù)量為1～6條,相應(yīng)裂縫間距分別為0m、105m、70m、52.5m和42m。②固定裂縫間距,增加裂縫數(shù)量,保持相鄰兩條裂縫的間距為70m,裂縫數(shù)量為1～6條,則水平段長度依次為0m、70m、140m、210m、280m和350m。裂縫數(shù)量對壓裂水平井產(chǎn)能變化起著至關(guān)重要的作用(表4)。隨著裂縫數(shù)量的增加,油藏泄油面積逐漸增大,滲流阻力減小,壓裂水平井產(chǎn)能逐漸增大,但是增加幅度逐漸減小。當(dāng)裂縫數(shù)較少時,壓裂水平井產(chǎn)能增幅較大;裂縫數(shù)較多時,縫間干擾導(dǎo)致油井產(chǎn)能增加幅度較小,因此壓裂水平井的裂縫數(shù)量不易過多。兩種裂縫分布模式對壓裂水平井產(chǎn)能的影響呈現(xiàn)一定差異。固定水平段長度時,裂縫數(shù)量大于3條以后,壓裂水平井產(chǎn)量增加幅度很小;固定裂縫間距時,油井產(chǎn)能持續(xù)較大幅度增加。2儲層指標(biāo)選取根據(jù)研究區(qū)塊實(shí)際地質(zhì)資料,以交錯排狀井網(wǎng)為研究對象,建立數(shù)值模擬模型。油層頂面深度為2549m,地層平均絕對滲透率為0.562×10-3μm2,滲透率各向異性取值:Kx=3Ky,Ky=10Kz。平均孔隙度為9.35%,原始油藏壓力為19.0MPa,油層平均有效厚度為10.4m,原始含油飽和度為70%,地層原油黏度為1.415mPa·s,原油密度為0.852g/cm3,原油體積系數(shù)為1.27,原油壓縮系數(shù)為12.75×10-4MPa-1。直井注水,y方向壓裂水平井采油,井距為480m,排距為130m,裂縫長度為190m,為了盡可能區(qū)別裂縫與基質(zhì)滲透率的差異,且考慮模型計(jì)算收斂性,最終確定裂縫滲透率取值為5000×10-3μm2。以定壓控制方式進(jìn)行生產(chǎn),保持注采壓差為20MPa。2.1壓裂水平井結(jié)構(gòu)水驅(qū)指標(biāo)分布水平段長度分別取300m、600m和900m。由井排距定義可知,水平段越長,單井控制面積(儲量)越大,井網(wǎng)密度越小。①相同裂縫數(shù)量:裂縫數(shù)量為3條,則裂縫間距分別為150m、300m和450m;②相同裂縫間距:裂縫間距為150m,不同長度壓裂水平井的裂縫數(shù)量依次為3條、5條和7條。數(shù)值模擬結(jié)果表明[圖2(a)],相同裂縫數(shù)量或相同裂縫間距條件下,模擬區(qū)域在相同時刻的采出程度隨水平段長度的減小而逐漸增大。不同長度壓裂水平井30年的采出程度滿足以下關(guān)系:300m水平段的采出程度最高,600m的次之,900m的最低。由采出程度和含水率關(guān)系可知[圖2(b)],水平段長度對含水率上升影響較大。壓裂水平井水平段越長,含水率上升速度越快;反之,含水率上升越慢。不同長度水平井在相同含水率的采出程度關(guān)系如下:300m>600m>900m。因此,特低滲透油藏采用較長的壓裂水平井開發(fā)易導(dǎo)致含水率快速上升,階段采出程度和最終采收率降低。Fig.2Developmentoffracturedhorizontalwellswithdifferentlength圖3為相同裂縫間距時壓裂水平井第10年的流線和飽和度分布。流線分布區(qū)域表明了水驅(qū)波及范圍的大小,流線密度則反映了水驅(qū)波及均勻程度。由圖3(a)和圖3(b)可知,研究區(qū)域的流線分布并不均勻,注水井與壓裂水平井邊部裂縫之間的區(qū)域分布著較密集的流線,水平井中部區(qū)域流線密度較小,即壓裂水平井中部的水驅(qū)程度較低;壓裂水平井裂縫數(shù)量越多,進(jìn)入中間裂縫的流線數(shù)量越小;流線分布非均勻程度越強(qiáng),水驅(qū)程度越低。Fig.3Characteristicsofseepagefieldinfracturedhorizontalwells10年的飽和度場分布表明[圖3(c)和圖3(d)],注水井與壓裂水平井邊縫之間區(qū)域的飽和度較低,水平井中部區(qū)域飽和度較高。盡管水平段中部存在人工裂縫,但注入水一旦在水平井邊部裂縫突破,油水前緣很難向水平井中部繼續(xù)快速推進(jìn),導(dǎo)致水平段中部能量供給困難,水驅(qū)效果較差,剩余油飽和度較高;水平段越長,剩余油富集范圍越大,水驅(qū)動用效果越差,即較長的壓裂水平井中間裂縫與注水井間難以建立有效驅(qū)替壓力系統(tǒng)。飽和度分布和流線分布規(guī)律相對應(yīng):流線分布越稀疏,剩余油飽和度越高,水驅(qū)動用效果越差。2.2采出程度分析水平段長度為300m,裂縫數(shù)量分別為2條(裂縫間距為100m)、3條(裂縫間距為75m)、4條(裂縫間距為100m)。表5給出了300m水平井壓裂不同數(shù)量裂縫時的開發(fā)技術(shù)指標(biāo)。由表5可以看出,相同水平段長度時,裂縫數(shù)量越多,泄油面積越大,采油速度越快,相同時刻的采出程度和含水率越高。其中,階段采出程度增加幅度逐漸減小,而含水率上升幅度逐漸增大。隨著裂縫數(shù)量的增加,含水率為90%和95%的采出程度均先增大后減小,當(dāng)裂縫數(shù)量為3條時,采出程度達(dá)到最大值。因此,固定長度的水平井存在最優(yōu)裂縫數(shù)量。對于300m水平井,為了獲得較高的采油速度和最終采收率,建議壓裂3條裂縫(裂縫間距為75m)。裂縫間距為75m,壓裂水平井裂縫數(shù)量分別為1～6條,對應(yīng)水平段長度依次為0m(壓裂直井)、70m、140m、210m、280m和350m。此時,隨裂縫數(shù)量增加,單井控制面積逐漸增大,井網(wǎng)密度逐漸減小。不同裂縫數(shù)量的壓裂水平井與壓裂直井的單井控制儲量倍數(shù)關(guān)系分別為1.00、1.29、1.58、1.87、2.16和2.44。圖4(a)和圖4(b)分別給出了壓裂水平井的階段采出程度以及采出程度與含水率的關(guān)系。由圖4(a)可以看出,隨著裂縫數(shù)量的增加,壓裂水平井的采出程度逐漸減小,壓裂直井的采出程度最高,6條縫壓裂水平井的采出程度最低。含水率和采出程度關(guān)系曲線表明[圖4(b)],裂縫數(shù)量較多的壓裂水平井,其含水率上升越快,相同采出程度條件下的含水率越高;不同裂縫數(shù)量的壓裂水平井在含水率為95%的采出程度依次為24.66%、24.26%、23.72%、22.96%、21.87%和20.73%。相對儲量、相對累積產(chǎn)油量及相對采出程度的定義:多縫壓裂水平井的地質(zhì)儲量(累積產(chǎn)油量、采出程度)與壓裂直井的儲量(累積產(chǎn)油量、采出程度)的比值。對比分析不同裂縫數(shù)量壓裂水平井相對儲量和相對累積產(chǎn)油量可知[圖4(c)],隨著裂縫數(shù)量的增加,壓裂水平井相對儲量呈線性增加,但相同時刻的相對累積產(chǎn)油量增加幅度逐漸減小。由此計(jì)算得到的不同裂縫數(shù)量壓裂水平井的相對采出程度也表明,增加裂縫數(shù)量將導(dǎo)致相同時刻及含水率為90%的相對采出程度逐漸減小,水驅(qū)開發(fā)效果逐漸變差。此時,壓裂直井具有最高的階段采出程度和最終采收率。Fig.4Developmentoffracturedhorizontalwellswithfixedfracturespacing3特低滲透油藏水平井開發(fā)的關(guān)鍵水平井在特低滲透油藏和中、高滲透油藏中具有完全不同的滲流特征和滲流機(jī)理。中、高滲透油藏水平井主要有射孔完井、裸眼完井和篩管完井,依賴水平井筒增加油藏泄油面積,改善滲流場特征[圖5(a)]。水平井近井地帶為徑向滲流,端部為球形向心流。由Joshi公式可知,中、高滲透油藏水平井產(chǎn)能是水平段長度的函數(shù)。特低滲透油藏水平井由套管完井,分段射孔壓裂,井筒本身沒有增加泄油面積,僅依靠水力裂縫大幅增加泄油面積。由表3和圖3可知,油藏流體在天然能量和注水能量作用下,率先流入數(shù)量有限的水力裂縫,然后進(jìn)入水平井筒。注水和人工裂縫導(dǎo)致儲層流體滲流具有很強(qiáng)的方向性,水平井邊部裂縫的流線數(shù)量大于中間裂縫;裂縫數(shù)量越多,中間裂縫的生產(chǎn)能力越低,即特低滲透油藏壓裂水平井主要依賴邊部裂縫生產(chǎn)[圖5(b)]。建立注水井與各裂縫之間有效驅(qū)替,充分發(fā)揮各條裂縫的增產(chǎn)能力是特低滲透油藏壓裂水平井開發(fā)的關(guān)鍵。Fig.5Percolationmechanismofhorizontalwellsinreservoirswithdifferentpermeability4特低滲透油藏壓裂直井技術(shù)評價(1)物理模擬和數(shù)值模擬表明,等縫長壓裂水平井的邊部裂縫生產(chǎn)能力較強(qiáng),中間裂縫生產(chǎn)能力較弱。(2)固定水平段長度時,隨裂縫數(shù)量增加,壓裂水平井產(chǎn)能逐漸增大,但增加幅度逐漸減小,存在最優(yōu)裂縫數(shù)量。(3)相同井排距條件下,特低滲透油藏壓裂水平井以