長慶姬塬油田寬帶壓裂參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬與應(yīng)用

周曉峰，王振軍，黃 卓，史經(jīng)民，陸天瑜，趙新禮

1東北石油大學(xué)“陸相頁巖油氣成藏及高效開發(fā)教育部重點實驗室”

2東北石油大學(xué)非常規(guī)油氣研究院3中國石油吉林油田勘探開發(fā)研究院

4中國石油吉林油田新立采油廠5中國科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所

0 引言

我國低滲致密油資源儲量豐富，且分布非常廣泛，資源總量與可采資源量均可觀，在全球石油資源里占據(jù)重要地位［1-3］。低滲致密油藏的高效開發(fā)一直是石油工業(yè)界關(guān)注的焦點，由于其儲層基質(zhì)滲透率非常低，孔喉很小（通常小于1μm），注水時油水兩相滲流阻力大，因此，針對此類油藏，需要進(jìn)行水力壓裂才能獲得一定的工業(yè)產(chǎn)能［4-7］。

我國長慶油田超低滲透油藏天然裂縫發(fā)育，油田現(xiàn)場中為了提高單井的產(chǎn)量，在開發(fā)前期采用常規(guī)重復(fù)壓裂技術(shù)，但常規(guī)重復(fù)壓裂的有效率較低，一般在80%以下，且單井日增油小于1 t，遞減快，難以達(dá)到理想的開發(fā)效果［8］。這主要是因為常規(guī)重復(fù)壓裂技術(shù)很難形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，且裂縫與井網(wǎng)之間匹配度較低。針對上述問題，本文提出了井組整體寬帶壓裂方法，其基本思想是以水力壓裂獲取初次人工裂縫為主縫，重復(fù)壓裂已開啟的天然裂縫和人工裂縫形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而增加裂縫帶寬，動用側(cè)向剩余油、改善油藏開發(fā)效果［9］。馬駟駒等［10］研究了低滲透油藏中高含水井的側(cè)向?qū)拵毫迅脑靺?shù)，證明了寬帶壓裂動用側(cè)向剩余油的思路是可行的。韓福勇等［11］將寬帶暫堵轉(zhuǎn)向多縫壓裂技術(shù)在蘇里格氣田進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，取得了較好的轉(zhuǎn)向效果，證實了此技術(shù)能夠在致密氣藏的開發(fā)中達(dá)到理想的效果。王飛等［12］優(yōu)化的低滲透油藏寬帶體積壓裂的合理裂縫帶寬范圍為13～46 m。

目前，針對低滲致密油藏側(cè)向?qū)拵毫岩堰M(jìn)行了現(xiàn)場試驗，取得了較為理想的效果，而對其動用剩余油的機理目前還處于探索階段，并且針對不同儲層條件的寬帶壓裂參數(shù)優(yōu)化也缺乏研究。鑒于此，本研究利用油藏數(shù)值模擬軟件，基于油田現(xiàn)場實際井網(wǎng)模式，建立了菱形反九點井網(wǎng)的寬帶壓裂模型，考察了儲層改造寬度對不同裂縫發(fā)育程度和滲透率級別的儲層產(chǎn)油量的影響，以期為低滲致密油藏有效動用提供相應(yīng)的技術(shù)支撐。

1 側(cè)向?qū)拵毫堰x區(qū)選井標(biāo)準(zhǔn)

由于低滲致密油藏受儲層物性及天然微裂縫發(fā)育的影響，注水見效差，難以建立有效注采系統(tǒng)。此外，低滲致密油藏剩余油大面積富集，挖潛潛力較大。從平面上來看，此類儲層剩余油富集在裂縫側(cè)向和油水井三角地帶，水洗寬度小于40 m。而從剖面上來看，此類儲層水驅(qū)油效率低，明顯水洗層段厚度較小（根據(jù)檢查井密閉取心結(jié)果，水洗層段厚度小于1 m），剩余油大面積富集。同時，低滲致密儲層隔層厚度一般大于6 m，儲層與隔層應(yīng)力差大于3.5 MPa。結(jié)合油藏開發(fā)矛盾、剩余油特點，初步明確了選區(qū)選井標(biāo)準(zhǔn)，即油層厚度一般應(yīng)大于10 m，展布穩(wěn)定，且連通性較好，壓力保持水平集中在80%～120%之間為最佳。

2 油藏概況

以長慶姬塬油田為研究區(qū)塊［12-13］，儲層埋深約為2 650 m，孔隙度＜15%，平均滲透率為0.26 mD，是典型的陸相低滲致密油藏，研究區(qū)均在水力壓裂后投產(chǎn)，投產(chǎn)初期采用常規(guī)的超前注水開發(fā)方式。投產(chǎn)50余口井，單井初期日產(chǎn)量在40 t左右，綜合含水在60%以上，但產(chǎn)量遞減速率快，水淹問題突出，含水在80%以上的井占將近30%，剩余油相對比較富集。

本研究以該區(qū)塊中某個寬帶壓裂井組為研究對象，其主要地質(zhì)參數(shù)為：儲層平均埋藏深度為2 600 m，儲層壓力約為26 MPa，油藏飽和壓力為10 MPa，平均厚度為11.2 m，平均孔隙度10.0%，平均滲透率0.24 mD，初始含油飽和度約為56%，原油黏度為1.98 mPa·s，原油密度0.85×103kg/m3，體積系數(shù)為1.2，壓力系數(shù)為1.04。

3 側(cè)向?qū)拵毫褦?shù)值模擬

3.1 模型建立

側(cè)向?qū)拵毫鸭夹g(shù)主要是針對低滲致密油藏進(jìn)行儲層改造，它是在傳統(tǒng)井網(wǎng)模式下，利用壓裂縫網(wǎng)將儲層基質(zhì)充分切割，從而極大地增加基質(zhì)與裂縫間的接觸面積，使得油水兩相滲流時的阻力減小，建立有效驅(qū)替系統(tǒng)。在油田現(xiàn)場，隨著油田開發(fā)注采過程的進(jìn)行，在開發(fā)區(qū)域會出現(xiàn)應(yīng)力場的高低分區(qū)，而通常情況下，剩余油主要是集中在開發(fā)區(qū)的高應(yīng)力區(qū)域。圖1為油田現(xiàn)場中500 m×150 m的菱形反九點井網(wǎng)模式。常規(guī)壓裂只是實現(xiàn)了井與單一裂縫之間的注采驅(qū)替，而側(cè)向?qū)拵毫褎t能實現(xiàn)井與復(fù)雜縫網(wǎng)之間的驅(qū)替，從而縮小驅(qū)替壓差。為了簡化計算，以油田現(xiàn)場實際井網(wǎng)模式為依據(jù)，選取1/4單元為研究對象（圖2），將側(cè)向?qū)拵毫褏^(qū)域設(shè)置成高滲帶，基質(zhì)中的油水先從微裂縫流向?qū)拵毫阎髁芽p，然后流入井筒。模型的建立與計算主要利用油藏數(shù)值模擬軟件ECLIPSE進(jìn)行。

圖1 寬帶壓裂井網(wǎng)示意圖

圖2 菱形反九點井網(wǎng)1/4單元寬帶壓裂模型

3.2 結(jié)果與討論

利用建立的數(shù)值模擬模型進(jìn)行計算，分析不同裂縫發(fā)育程度、不同基質(zhì)滲透率條件下，儲層改造寬度對低滲致密儲層產(chǎn)量的影響。

3.2.1 不同裂縫發(fā)育程度下儲層改造寬度優(yōu)化

以水平方向和豎直方向的儲層滲透率之比表征儲層中裂縫的發(fā)育程度。圖3為不同裂縫發(fā)育程度條件下，儲層改造寬度對產(chǎn)油量的影響。

圖3 裂縫發(fā)育程度與累積產(chǎn)量關(guān)系曲線

從圖3可以看出，在相同的儲層裂縫發(fā)育程度下，累產(chǎn)油隨著儲層改造寬度的增加而增加。而當(dāng)儲層改造寬度一定時，低滲致密儲層中裂縫越發(fā)育，累產(chǎn)油則呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。究其原因，是由于當(dāng)儲層改造程度一定時，儲層中裂縫越發(fā)育，則水竄的可能性就越大，從而導(dǎo)致產(chǎn)量降低。具體來講，裂縫發(fā)育程度由不發(fā)育（發(fā)育程度為0）到發(fā)育（發(fā)育程度為50），當(dāng)儲層改造寬度為230 m時，其產(chǎn)量由14.2×103m3左右遞減到13.6×103m3，遞減5%；當(dāng)儲層改造寬度為180 m時，其產(chǎn)量由13.9×103m3左右遞減到10.9×103m3，遞減21.9%；當(dāng)儲層改造寬度為110 m時，其產(chǎn)量由13.6×103m3左右遞減到9.1×103m3，遞減33.1%；當(dāng)儲層改造寬度為50 m時，其產(chǎn)量由13.2×103m3左右遞減到7.8×103m3，遞減40.9%；在儲層沒有進(jìn)行改造的情況之下，其產(chǎn)量由12.4×103m3左右遞減到7.1×103m3，遞減42.7%。由此可知，側(cè)向?qū)拵毫涯軌蚱鸬窖泳彯a(chǎn)能遞減速度的作用。

3.2.2 不同基質(zhì)滲透率下儲層改造寬度優(yōu)化

圖4為不同基質(zhì)滲透率下儲層改造寬度與累產(chǎn)量之間的關(guān)系曲線。

圖4 儲層改造寬度與累產(chǎn)量關(guān)系曲線

從圖4中可以看出，在低滲致密儲層改造規(guī)模一定的前提下，儲層基質(zhì)滲透率越高，其產(chǎn)能也越高。但隨著儲層改造寬度的增加，產(chǎn)量的增加速率逐漸變緩，這說明儲層改造具有合理的改造區(qū)間，而不是說儲層改造規(guī)模越大越好，改造規(guī)模超過一定值之后可能出現(xiàn)注水時水竄嚴(yán)重的問題。具體來講，當(dāng)儲層改造寬度由0增大至250 m時，對于基質(zhì)滲透率為1 mD的儲層，其累計產(chǎn)量由13.7×103m3增加到16.6×103m3，增加幅度為17.5%；當(dāng)基質(zhì)滲透率為0.8 mD的儲層，其累計產(chǎn)量由12.8×103m3增加到16.1×103m3，增幅為20.6%；對于基質(zhì)滲透率為0.5 mD的儲層，其累計產(chǎn)量由11.0×103m3增加到15.5×103m3，增加幅度為28.6%；對于基質(zhì)滲透率為0.3 mD的儲層，其累計產(chǎn)量由最初的9.3×103m3增加到14.9×103m3，增加幅度為38.1%；對于基質(zhì)滲透率為0.2 mD的儲層，其累計產(chǎn)量由最初的8.0×103m3增加到14.6×103m3，增加幅度為44.9%；對于基質(zhì)滲透率為0.1 mD的致密儲層，其累計產(chǎn)量由最初的7.0×103m3增加到13.6×103m3，增加幅度為48.4%。因此，基質(zhì)滲透率越低，增大儲層改造寬度能發(fā)揮的增產(chǎn)作用越明顯。

綜上可知，對于低滲致密油藏，在常規(guī)壓裂難以達(dá)到增產(chǎn)效果情況下，通過選取合適的井區(qū)，進(jìn)行寬帶壓裂能夠達(dá)到建立有效驅(qū)替系統(tǒng)的目的。儲層中裂縫的發(fā)育程度和基質(zhì)滲透率對于最佳的儲層改造規(guī)模均有重要的影響。

4 側(cè)向?qū)拵毫盐锬嶒?/h2>

儲層改造過程中，水力裂縫在地下擴展主要受地應(yīng)力控制，在最大水平主應(yīng)力方向擴展。對于均質(zhì)天然裂縫不發(fā)育、水平兩向應(yīng)力差比較大的儲層，水力壓裂后，人工裂縫以傳統(tǒng)雙翼對稱縫為主，裂縫寬度較小，無法實現(xiàn)寬帶壓裂的目的。天然裂縫較發(fā)育且水平兩向應(yīng)力差較小的儲層，可借助天然裂縫，實現(xiàn)水力裂縫與天然裂縫的耦合側(cè)向延伸，擴大裂縫在橫向平面的擴展范圍，達(dá)到寬帶壓裂的目的。

長慶姬塬油田長8超低滲透油藏天然裂縫發(fā)育，埋深2 500～2 600 m，儲層水平兩向應(yīng)力差小于5 MPa。壓裂過程局部借助激活天然裂縫實現(xiàn)水力裂縫側(cè)向擴展，達(dá)到側(cè)向?qū)拵毫训哪康摹Ｌ烊涣芽p激活開啟需具備一定條件，其剪切及張性開啟，受裂縫面上的正應(yīng)力及側(cè)向應(yīng)力及縫內(nèi)孔隙壓力變化的影響，天然裂縫的傾向傾角及其走向與最大水平主應(yīng)力的夾角，對天然裂縫的開啟均有影響。與水平最大主應(yīng)力夾角較大時，天然裂縫開啟困難。水力裂縫開啟后，泵注暫堵劑，在已有的水力裂縫中形成橋架堵塞，提高縫內(nèi)凈壓力，進(jìn)而開啟水力裂縫側(cè)向的天然裂縫系統(tǒng)，可提高側(cè)向改造寬帶。基于姬塬油田長8段儲層地質(zhì)條件，采集了本層段的露頭巖心，通過開展水力壓裂暫堵物模實驗，論證側(cè)向?qū)拵毫训目尚行浴?/p>

巖樣尺寸為30 cm×30 cm×30 cm，兩向應(yīng)力差為5 MPa。實驗?zāi)康氖菈毫言炜p后，連續(xù)泵入暫堵材料，研究暫堵材料封堵能力及論證暫堵轉(zhuǎn)向形成側(cè)向裂縫的可行性。實驗液體是黏度為30 mPa·s的壓裂液基液，液體內(nèi)加入示蹤劑。具體做法：首先利用少量壓裂液造縫，然后泵注含纖維及粉末的組合暫堵劑材料。實驗結(jié)束后打開巖樣裝載設(shè)備，觀察巖心內(nèi)部裂縫分布情況。

水力壓裂暫堵轉(zhuǎn)向物模實驗結(jié)果如圖5所示。暫堵前，水力裂縫以單一主裂縫為主，裂縫側(cè)向延伸較少，難以形成寬帶壓裂模式。加入暫堵劑后形成的水力裂縫形態(tài)較為復(fù)雜，示蹤劑及暫堵纖維的分布位置也較為復(fù)雜，裂縫側(cè)向延伸較為明顯，達(dá)到了寬帶壓裂的效果。分析其原因，加入暫堵前水力裂縫延伸主要受兩向應(yīng)力差控制，水力裂縫沿最大主應(yīng)力方向擴展，裂縫內(nèi)凈壓力較低，無法開啟天然裂縫實現(xiàn)側(cè)向延伸。加入暫堵劑后，封堵已有的水力裂縫，隨著縫內(nèi)凈壓力增加，天然裂縫開啟，人工裂縫借助天然裂縫開始側(cè)向延伸，擴大了水力裂縫在平面上的擴展面積，達(dá)到了側(cè)向?qū)拵毫训哪康摹Ｔ搶嶒炚撟C了側(cè)向?qū)拵毫训目尚行裕蠢脮憾罗D(zhuǎn)向?qū)嵤拵毫眩瑢嶋H施工增加暫堵轉(zhuǎn)向級數(shù)，可達(dá)到大幅度增加水力裂縫側(cè)向延伸范圍的目的。

圖5 水力壓裂暫堵轉(zhuǎn)向物理模擬實驗

5 現(xiàn)場應(yīng)用

對于目標(biāo)低滲致密油藏，儲層平均滲透率為0.24 mD，裂縫發(fā)育程度約為2.35，應(yīng)用本文中的數(shù)值模擬方法，得到儲層改造寬度與累產(chǎn)量的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 儲層滲透率為0.24 mD下改造寬度與累產(chǎn)量關(guān)系數(shù)曲線

對于儲層改造寬度分別為0、50 m、110 m、180 m和230 m的情況，隨著儲層改造寬度的增大，產(chǎn)量增幅逐漸變緩，綜合考慮施工成本和產(chǎn)量提高，優(yōu)選儲層改造寬度為110 m。根據(jù)優(yōu)化的寬帶壓裂方案在現(xiàn)場施工，壓后生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，單井初期產(chǎn)量由40×103m3/d左右提高至82×103m3/d，綜合含水率由60%降低至38%，取得了良好的增產(chǎn)效果，有效動用了剩余油儲量。

6 結(jié)論

（1）對低滲致密油藏，側(cè)向?qū)拵毫涯軌蚱鸬皆霎a(chǎn)效果，實施側(cè)向?qū)拵毫研柽x擇合適的井區(qū)。

（2）儲層中裂縫發(fā)育程度較高，需要的改造寬度就越小，反之，則越大；側(cè)向?qū)拵毫涯軌蚱鸬窖泳彯a(chǎn)能遞減的作用。

（3）儲層基質(zhì)的滲透率越小，增大儲層改造規(guī)模的增產(chǎn)效果越明顯，但其累計產(chǎn)量小于高滲透率的儲層。

（4）含天然裂縫儲層，實施暫堵轉(zhuǎn)向水力壓裂，水力裂縫沿天然裂縫側(cè)向擴展，可大幅度增加水力裂縫延伸范圍，達(dá)到寬帶壓裂的目的。