濱425區塊非均質油藏壓裂裂縫參數優化

蔣寶云, 周玉龍, 陳 莉, 袁浩仁, 湯志斌, 馬 蒞, 盧 聰*

(1.中國石化勝利油田魯明油氣勘探開發有限公司， 東營 257000； 2.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610500)

濱425區塊位于渤海灣盆地利津洼陷西斜坡，其主要含油層段為沙河街組第四段，埋藏深度為2 500～3 000 m，具有儲層物性差、非均質性強等特點，屬于典型的非均質斷塊油藏[1]。該類油藏無自然產能或自然產能很低，一般需要經過大規模壓裂改造才能獲得有效的工業油氣產量[2-6]。常規方式壓裂后該區塊存在層間產能差異大、儲層動用不充分以及增產有效期短等問題，對其裂縫參數進行優化是解決該類問題的關鍵措施[7-9]。

2008年，李林地等[10]考慮了氣體非達西滲流對產量的影響，建立了氣井壓裂產量預測模型，并分析了各向異性對產氣量的影響。2012年，肖勇等[11]針對低滲透非均質油藏，建立低滲透非均質地質模型，研究結果表明，裂縫導流能力和裂縫穿透比不是越大越好，均存在一個最佳值。2014年，徐創朝等[12]針對低滲致密油氣藏縫網壓裂，運用Eclipse軟件進行正交模擬，對水平井縫網壓裂參數進行優化。2016年，Zeng等[13]針對非均質氣藏水平井壓裂，考慮非達西效應的影響，提出一種新的裂縫參數設計方法，研究認為滿足小縱橫比和高滲透率的儲層需要短而寬的裂縫，以減少非達西效應；而大縱橫比和低滲透率儲層需要長而窄的裂縫。2017年，趙春艷等[14]建立整體壓裂井組的油藏數值模擬模型，并用正交試驗設計法對壓裂的油、水井裂縫參數進行優化。2018年，曹廣勝等[15]采用電模實驗結合數值模擬的方法，對薄差儲層注采井組的裂縫參數進行優化，研究表明，采用注采井組對應壓裂技術進行改造，具有良好的增產效果。2020年，雷群等[16]建立了非平面三維裂縫擴展模型，提出了基于縫控壓裂優化設計的致密油儲集層改造方法，優化了致密油儲集層水平井裂縫參數。針對這類典型非均質斷塊油藏，儲層在縱向上以及平面上具有極強的非均質性，由于其地質特征的復雜性，目前中外很少有學者對其裂縫參數優化方面進行深入研究。現以濱425區塊為例，建立精細化油藏非均質地質模型，差異化研究不同層段壓裂改造最優裂縫參數，使其與目標儲層相匹配，得到最優壓裂井產能。與常規方法相比，通過該方法優化裂縫參數能顯著提高水力壓裂增產效果。

1 壓后產能數學模型

根據濱425區塊特征，假設在滲濾過程中：①油藏基質非均質且各向異性，水平等厚的三維六面體；②裂縫內均質且各向同性，流體流動為不考慮裂縫寬度方向的二維流動；③流體只考慮油水兩相，可一定程度壓縮，流體壓縮系數恒定；④油藏處于恒溫，油藏中油、水兩相都遵循達西定律；⑤油井為定壓生產，水井定壓或定量注入。

油相和水相在基質滲流的數學方程[7]為

(1)

式(1)中：ρo為油相，g/cm3；ρw為水相密度，g/cm3；k為油藏基質滲透率，mD；kro為油相相對滲透率，無因次；krw為水相相對滲透率，無因次；μo為油相黏度，mPa·s；μw為水相黏度，mPa·s；po為油相壓力，MPa；pw為水相壓力，MPa；qo為油相流量，m3/d；qw為水相流量，m3/d；φ為油藏基質孔隙度，無因次；so為油相飽和度，無因次；sw為水相飽和度，無因次；t為油井生產時間，s。

油相和水相在裂縫流動的數學方程為

(2)

式(2)中：qofin為從油藏基質中流向裂縫的油相流量，m3/d；qwfin為從油藏基質中流向裂縫的水相流量，m3/d；f為在裂縫條件下。

由于在地層流體流動中，油藏基質和裂縫之間存在流體交換，因此在裂縫壁面應該滿足壓力相等和流量相等，同時油井生產滿足井底流壓保持不變，由此可建立油藏基質和垂直裂縫之間的邊界條件。最后通過差分的方式對壓后產能模型進行求解[10]。

2 精細化地質模型

濱425區塊為濱淺湖相的灘壩砂沉積，如圖1所示，屬于典型薄互層油藏。沙四段是濱425區塊主要開采層位，針對其非均質性強的特征，通過縱向精細分層、網格方向調整以及局部網格加密等方式[17]，建立濱425區塊沙四段精細化地質模型，定量表征儲層地質和油氣藏特征參數三維空間分布。

2.1 三維構造模型

結合濱425區塊沙四段鉆井資料以及儲層分層數據，模型中建立4個砂層組，劃分27個油層。網格方向調整為水平主應力方向，平面上網格劃分164×97，縱向上54個網格，網格總數達859 032。為了保證構造模型的可靠性，與鉆井數據相互結合，網格化計算與三維可視化交互編輯相結合的工作方法，對構造模型進行了嚴格的精度控制和反復校正。

2.2 儲層參數模型

通過對屬性參數場的定量研究，準確界定有利儲層的空間位置及其分布范圍。

2.2.1 孔隙度模型

孔隙度模型反映儲存流體的孔隙體積分布，如圖2所示。濱425區塊沙四段的四個砂層組非均質性較強，孔隙度差異較大，主要分布在10%～15%，其中一、二砂組孔隙度總體大于三、四砂組。

2.2.2 滲透率模型

如圖3所示，四個砂組滲透率差異較大，主要分布在0.01～20 mD，其中一、二砂組滲透率總體大于三、四砂組，屬于良好的滲透儲層，有利于油氣的流通與運移。

圖3 濱425區塊沙四段滲透率模型

2.2.3 含油飽和度模型

儲層含油飽和度是油藏評價以及研究剩余油分布的基礎，根據測井數據，建立原始油水兩相流體分布模型，如圖4所示。儲層中含油性質差異很大，含油飽和度主要分布在40%～60%。其中一、二砂組含油飽和度總體大于三、四砂組，原始含油飽和度偏低。

圖4 濱425區塊沙四段含油飽和度模型

3 水力壓裂數值模擬

在濱425區塊沙四段地質模型基礎上，對儲層壓裂后的產能進行分析，以優化儲層的壓裂裂縫參數。其主要步驟為：①基于濱425區塊沙四段的地質模型，建立了典型注采井組地質模型；②對該區塊已壓裂井的生產動態指標進行歷史擬合，分析典型壓裂井的生產動態規律，驗證并優化地質模型；③在此基礎之上，開展新井壓裂方案數值模擬，對單井壓裂后的產能進行預測與分析，以此優化水力壓裂裂縫參數。

3.1 儲層基本參數

以極限井注采井距212 m，經濟合理井距340 m，建立五點注采井網模型，如圖5所示。前期微地震監測水力裂縫方向約為北偏東65°，采用局部網格加密方法實現水力裂縫的植入，如圖6所示。油藏流體主要物性參數如表1所示。

表1 濱425區塊流體物性參數表

圖5 五點注采井網模型

圖6 水力裂縫模型

3.2 模型歷史擬合

以濱425區塊典型壓裂井X146井為例，對其壓裂前后累產液量、累產油量、累產水量及日產油量等生產數據進行擬合。

3.2.1 壓裂前生產數據擬合

X146井生產分為三個階段：自噴階段、轉抽階段、水力壓裂后生產階段。采用定液量擬合的方法，對該井從投產到壓裂前生產數據進行歷史擬合，如圖7所示。如表2所示，生產數據模擬值與實際值的擬合相對誤差小于5.0%，擬合效果良好。

表2 X146井壓裂前生產數據對比

圖7 X146井壓裂前生產數據歷史擬合曲線

3.2.2 壓裂后生產數據擬合

X146井通過機械工具分兩層壓裂，基于微地震監測數據，第一層支撐半縫長為98 m，支撐縫高23.6 m，第二層支撐半縫長為88 m，支撐縫高17.7 m。通過局部網格加密功能實現水力裂縫植入，模擬壓裂后的生產過程。

在前期未壓裂生產動態擬合的基礎上，得到壓裂前剩余油和地層壓力場分布，然后采用定液量擬合的方法，得到生產擬合曲線，如圖8所示。如表3所示，模擬值與實際值的相對誤差小于4%，壓裂后生產擬合情況總體較好。因此可以在此地質模型基礎上預測濱425區塊后期生產情況，進一步優化水力壓裂裂縫參數。

表3 X146井壓裂后生產數據對比

圖8 X146井壓裂后生產數據歷史擬合曲線

3.3 裂縫參數優化

裂縫長度和導流能力是影響壓后產能的兩個重要參數[18]。在地質模型建立和生產動態歷史擬合的基礎之上，以濱425區塊的X153井為例，進行產能預測并優化裂縫參數。基于精細化地質模型分析，對沙四段一、二油組主油層以及三油組部分油層進行壓裂改造，根據測井解釋結果進一步劃分壓裂改造層段(3段)，如表4所示。

表4 X153井測井解釋及壓裂分層

在定生產壓差下，以三年累計產油量為指標，逐一優化最優的壓裂裂縫長度和導流能力。模擬初始導流能力為20 D·cm，裂縫半長在60～100 m變化時累產油量情況。如圖9(a)所示，隨著裂縫半長的增加，三年累計產油量不斷增大，但是增加的幅度在不斷降低，裂縫半長增加到90 m時，累計產油增幅明顯降低。因此，確定X153井第一段壓裂的最優裂縫半長為90 m。

基于最優裂縫長度，以裂縫半長90 m為基礎，模擬導流能力15～35 D·cm下的三年累計產油量。如圖9(b)所示，導流能力從15 D·cm增加到35 D·cm，累計產量不斷增加，但增幅逐漸減小。支撐裂縫導流能力越大，但考慮經濟效益，優化第一段裂縫導流能力為20 D·cm。

圖9 第一段累計產油與裂縫參數關系曲線

采用相同的方法對X153井的第二段與第三段進行裂縫參數優化，結果如圖10、圖11所示。以三年累計產油量為主要技術指標，結合壓裂成本的經濟指標，優化第二段裂縫半長為70 m，裂縫導流能力為25 D·cm；優化第三段裂縫半長為80 m，裂縫導流能力為30 D·cm，具體結果如表5所示。

表5 X153井三段裂縫參數優化結果

圖10 第二段累計產油與裂縫參數關系曲線

圖11 第三段累計產油與裂縫參數關系曲線

4 現場應用

以濱425區塊X153為例，基于優化得到的三段裂縫參數，對壓裂施工參數進行優化調整，據此進行壓裂施工。根據區塊地質特征和壓裂施工資料數據，采用縫內凈壓力擬合對X153井壓裂后實際裂縫參數進行驗證。擬合得到的三段壓裂后裂縫長度分別為87.6、70.6、80.7 m，與裂縫參數優化設計結果誤差小于2.7%，表明X153井壓裂后的裂縫形態達到裂縫參數優化的要求。

X153井壓裂后的生產曲線如圖12所示，壓裂后初期平均自噴產量可達5.3 t/d，同區塊鄰井X146井為3.8 t/d，通過此方法進行裂縫參數優化，可以使單井壓后產量增加40%，且穩產期延長，能顯著提高水力壓裂增產效果。

圖12 X153井壓后生產曲線

5 結論

(1)濱425區塊沙四段的孔隙度為10%～15%，滲透率為0.01～20 mD，含油飽和度40%～60%。四個砂層組非均質性較強，物性差異較大，其中一、二砂組的儲層物性以及含油性質總體好于三、四砂組。

(2)通過歷史生產數據擬合發現，X146井壓裂前后的數值模擬結果和實際生產情況很接近，相對誤差小于5%，生產過程擬合情況總體較好。表明該模型能很好地定量表征濱425區塊沙四段儲層地質特征和油氣藏特征參數三維空間分布。

(3)以三年累計產油量為主要技術指標，結合壓裂成本的經濟指標，優化濱425區塊X153井的第一段裂縫半長為90 m，裂縫導流能力為20 D·cm；優化第二段裂縫半長為70 m，裂縫導流能力為25 D·cm；優化第三段裂縫半長為80 m，裂縫導流能力為30 D·cm。該方法能顯著提高水力壓裂增產效果，為非均質油藏壓裂裂縫參數優化提供參考。