海上特低滲油藏寬帶壓裂數(shù)值模擬研究

熊 琪，李 黎，蘭正凱，張 亮

1中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司 2南京特雷西能源科技有限公司

0 引言

我國(guó)特低滲油氣資源儲(chǔ)量豐富，是保障國(guó)內(nèi)石油自給自足的重要組成部分[1-3]，海上特低滲透油藏高效開(kāi)發(fā)更是目前海洋石油工業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。致密/特低滲砂巖儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，喉道細(xì)小(通常小于1 μm)，基質(zhì)滲透率低，啟動(dòng)壓力梯度大，需要進(jìn)行水力壓裂才能獲得一定的工業(yè)產(chǎn)能[4-7]。

常規(guī)水力壓裂或重復(fù)壓裂技術(shù)難以形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，壓裂有效率一般低于80%，且單井日增油量少、遞減快，難以達(dá)到理想開(kāi)發(fā)效果[8]。寬帶壓裂技術(shù)是近年來(lái)提出的非常規(guī)儲(chǔ)層改造新工藝[9-13]，施工時(shí)采取暫堵措施,臨時(shí)封堵近井裂縫，進(jìn)而對(duì)應(yīng)力較高的層、簇進(jìn)行改造，提高縫網(wǎng)復(fù)雜度和裂縫覆蓋面，達(dá)到增產(chǎn)目的。該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)海上特低滲油藏有效改造和高效開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)潛在手段。馬駟駒等[14]研究證明了寬帶壓裂動(dòng)用側(cè)向剩余油的可行性。韓福勇等[15]將寬帶壓裂技術(shù)應(yīng)用于蘇里格氣田，證實(shí)了該技術(shù)在致密氣藏開(kāi)發(fā)中的良好應(yīng)用效果。然而，目前對(duì)于海上特低滲油藏寬帶壓裂開(kāi)發(fā)規(guī)律研究較少，對(duì)于寬帶壓裂開(kāi)發(fā)效果的數(shù)值模擬多采用均勻布置的高滲條帶或高滲區(qū)域表征壓裂縫網(wǎng)，模型過(guò)于粗糙簡(jiǎn)單，且計(jì)算精度較低。

本文以南海東部某特低滲砂巖油藏地質(zhì)情況為基礎(chǔ)，結(jié)合壓裂施工微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果及壓后產(chǎn)液剖面，建立了常規(guī)壓裂與寬帶壓裂的精細(xì)化縫網(wǎng)模型，并采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)施工后的開(kāi)發(fā)情況進(jìn)行模擬，研究了寬帶壓裂提高開(kāi)發(fā)效果的原理、適應(yīng)性和增產(chǎn)規(guī)律。

1 區(qū)塊概況及壓裂施工概況

1.1 區(qū)塊地質(zhì)概況

以南海東部某特低滲透油藏為研究區(qū)塊。儲(chǔ)層埋深約為4 500 m，儲(chǔ)層有效厚度50 m，孔隙度小于10%，平均滲透率1～5 mD，天然裂縫不發(fā)育，且啟動(dòng)壓力梯度效應(yīng)明顯，是典型的特低滲透油藏。現(xiàn)有探井多數(shù)有油氣顯示，但均需進(jìn)行儲(chǔ)層改造才能獲得工業(yè)油流。

1.2 壓裂施工概況

沉積及儲(chǔ)層特征分析表明，該區(qū)儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，不利于超長(zhǎng)水平井的部署和鉆探，結(jié)合工程條件限制，確定水平井長(zhǎng)度在400 m左右。水平井采用套管完井，完井后分4段進(jìn)行壓裂，段間距80～110 m。每段均按6簇射孔，采用小孔徑射孔槍，每簇長(zhǎng)0.305 m，孔密20孔/m，每段共射36孔。壓裂作業(yè)時(shí)間平均每井4 d。每一段的加砂規(guī)模為73.9～94.3 t，并用30/50目及20/40目的組合粒徑支撐劑，加砂尾追階段優(yōu)化用20/40目的覆膜支撐劑。

該區(qū)塊分別開(kāi)展了常規(guī)水力壓裂和寬帶壓裂作業(yè)，且寬帶壓裂所用的支撐劑和液體總量與傳統(tǒng)的壓裂作業(yè)基本保持一致。開(kāi)展寬帶壓裂井的壓裂過(guò)程為：在常規(guī)壓裂的加砂階段結(jié)束后，泵入暫堵材料和頂替液，當(dāng)頂替液全部進(jìn)入炮眼，封堵成功、壓裂液轉(zhuǎn)向，施工泵壓不再上升基本保持穩(wěn)定后，開(kāi)始二次加砂作業(yè)。因此，目標(biāo)區(qū)寬帶壓裂中每一個(gè)作業(yè)步驟的支撐劑量和液量均為傳統(tǒng)作業(yè)的一半。

從圖1實(shí)施寬帶壓裂井和實(shí)施常規(guī)壓裂井的微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果看出，常規(guī)壓裂井中絕大多數(shù)微地震事件發(fā)生在射孔簇根部，遠(yuǎn)端微地震事件稀少，壓裂裂縫縫長(zhǎng)70～120 m。而用寬帶壓裂的井中，施工作業(yè)前期，微地震事件發(fā)生在遠(yuǎn)端；在第一作業(yè)步驟進(jìn)行到一半左右，微地震事件向根端附近發(fā)展；暫堵材料泵入后，微地震事件發(fā)生在先前兩個(gè)部分的中間。由此可見(jiàn)，第二壓裂步驟主要對(duì)中間的射孔簇進(jìn)行了改造，寬帶壓裂井的裂縫縫長(zhǎng)75～105 m。

圖1 常規(guī)壓裂與寬帶壓裂井微地震監(jiān)測(cè)事件點(diǎn)

壓裂返排結(jié)束后，使用壓阻式產(chǎn)出剖面測(cè)井儀對(duì)常規(guī)壓裂和寬帶壓裂的產(chǎn)液剖面進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。從開(kāi)發(fā)效果來(lái)看，常規(guī)壓裂井平均日產(chǎn)液112 m3，產(chǎn)液剖面表明各段產(chǎn)液量差異大，段內(nèi)僅1～2個(gè)壓裂簇供液量大，總體有效射孔簇比例低，平均為27.7%；寬帶壓裂井平均日產(chǎn)液167 m3，各段有3～5個(gè)有效射孔簇，占總射孔簇的平均比例為44.2%。

2 縫網(wǎng)重構(gòu)

為精細(xì)描述不同壓裂工藝的縫網(wǎng)特征，使用破裂樹(shù)生長(zhǎng)法[16]生成壓裂縫網(wǎng)。水平段及射孔簇位置根據(jù)壓裂井實(shí)際施工情況設(shè)置，對(duì)照井每段隨機(jī)選擇1～2個(gè)壓裂簇產(chǎn)生較長(zhǎng)壓裂縫(半縫長(zhǎng)100～120 m)，其余為較短壓裂縫(半縫長(zhǎng)5～20 m)；寬帶壓裂井每段隨機(jī)選擇3～5個(gè)壓裂簇產(chǎn)生較長(zhǎng)壓裂縫(半縫長(zhǎng)70～105 m)，其余為較短壓裂縫(半縫長(zhǎng)5～20 m)。

為精確模擬不同壓裂方式壓后縫網(wǎng)的開(kāi)發(fā)效果，采用二維離散裂縫模型(Discrete Fracture Model,DFM)進(jìn)行縫網(wǎng)重構(gòu)建模。離散裂縫模型能夠更加準(zhǔn)確的描述壓裂改造后儲(chǔ)層中的流動(dòng)[17-18]，在二維模型中采用三角形網(wǎng)格和線段網(wǎng)格分別描述儲(chǔ)層基質(zhì)與裂縫(圖2)。本文建立的離散裂縫模型中，基質(zhì)系統(tǒng)孔隙度為8%，滲透率為1 mD，微裂縫系統(tǒng)孔隙度為50%。

圖2 常規(guī)壓裂后縫網(wǎng)建立的離散地質(zhì)模型

3 數(shù)值模擬結(jié)果及討論

為評(píng)估壓裂對(duì)儲(chǔ)層的改造效果，在已建立的離散裂縫網(wǎng)格模型上進(jìn)行油藏?cái)?shù)值模擬。離散裂縫模型屬于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，必須用基于鄰接表的非結(jié)構(gòu)化數(shù)值模擬器進(jìn)行模擬。本研究使用南京特雷西能源科技有限公司研發(fā)的油藏?cái)?shù)值模擬器CLOUD進(jìn)行流動(dòng)模擬，模型中考慮了基質(zhì)中的啟動(dòng)壓力梯度，模擬中使用通用控制體積法及多點(diǎn)流動(dòng)近似。

3.1 開(kāi)發(fā)效果對(duì)比

對(duì)于常規(guī)壓裂和寬帶壓裂，當(dāng)達(dá)到相同程度時(shí)，儲(chǔ)層壓力分布如圖3所示。從圖3中可以看出，相同采出程度時(shí)，寬帶壓裂極大地增加了基質(zhì)與裂縫之間的接觸面積，使得流體滲流阻力減小，動(dòng)用范圍更廣，開(kāi)發(fā)效果也更好。

圖3 不同壓裂縫網(wǎng)相同采出程度時(shí)的儲(chǔ)層壓力分布

3.2 寬帶壓裂開(kāi)發(fā)規(guī)律分析

為研究寬帶壓裂井注水驅(qū)替開(kāi)發(fā)效果，在400 m井距條件下，截取最小注采單元，建立“一注一采”概念模型。

圖4是注采井均采用寬帶壓裂注水開(kāi)發(fā)5年后的含油飽和度場(chǎng)。從圖4看出，注水井附近驅(qū)替較充分，縫間剩余油少，剩余油主要分布在生產(chǎn)井附近，整體開(kāi)發(fā)效果較好。圖5是常規(guī)壓裂后注水開(kāi)發(fā)5年的剩余油分布，相比寬帶壓裂方案，常規(guī)壓裂形成的有效縫更少，單縫更長(zhǎng)，因此生產(chǎn)井見(jiàn)水更早，驅(qū)替前緣更加不均勻，注采井縫間剩余油較多。

圖4 注采井寬帶壓裂后注水開(kāi)發(fā)5年后含油飽和度場(chǎng)

圖5 注采井常規(guī)壓裂后注水開(kāi)發(fā)5年后含油飽和度場(chǎng)

兩種壓裂方式的累產(chǎn)油曲線如圖6所示。寬帶壓裂初期產(chǎn)量更高，最終累產(chǎn)油與常規(guī)壓裂方案接近。為確定不同縫網(wǎng)的裂縫開(kāi)度及滲透率的關(guān)系，采用數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。最終確定本文算例中常規(guī)壓裂工藝的平均縫網(wǎng)開(kāi)度為570 μm，寬帶壓裂平均縫網(wǎng)開(kāi)度為438 μm。這是由于寬帶壓裂形成的縫網(wǎng)系統(tǒng)更加復(fù)雜，裂縫間相互干擾比常規(guī)壓裂更加嚴(yán)重。

圖6 不同壓裂縫網(wǎng)衰竭開(kāi)發(fā)累產(chǎn)油曲線

3.3 基質(zhì)滲透率敏感性分析

研究了基質(zhì)滲透率0.1～5 mD之間寬帶壓裂相對(duì)于常規(guī)壓裂的初產(chǎn)和累產(chǎn)提升倍數(shù)(如圖7)。根據(jù)初產(chǎn)倍比隨基質(zhì)滲透率的變化規(guī)律可知，滲透率越低，寬帶壓裂提高產(chǎn)能比例越高，當(dāng)基質(zhì)滲透率在0.1 mD時(shí)，初產(chǎn)約提高到3.8倍。根據(jù)不同基質(zhì)滲透率下寬帶壓裂井10年累產(chǎn)油與常規(guī)壓裂井累產(chǎn)的比值可知，當(dāng)基質(zhì)滲透率小于1 mD，寬帶壓裂增油效果顯著，基質(zhì)滲透率大于1 mD，兩種工藝的最終累產(chǎn)油相近。對(duì)于特低滲透油藏，在常規(guī)壓裂難以達(dá)到增產(chǎn)目標(biāo)的背景下，通過(guò)選取合適的井區(qū)進(jìn)行寬帶壓裂可大幅提高油田開(kāi)發(fā)效果。

圖7 不同基質(zhì)滲透率時(shí)寬帶壓裂產(chǎn)能/累產(chǎn)提升倍比

4 結(jié)論

(1)提出了基于微地震監(jiān)測(cè)和產(chǎn)液剖面的寬帶壓裂縫重構(gòu)建模方法，能夠精確表征寬帶壓裂后的縫網(wǎng)展布情況，準(zhǔn)確模擬寬帶壓裂開(kāi)發(fā)效果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單井產(chǎn)能和累產(chǎn)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

(2)注采井均采用寬帶壓裂注水開(kāi)發(fā)，注水井附近驅(qū)替較充分，縫間剩余油少，剩余油主要分布在生產(chǎn)井附近，整體開(kāi)發(fā)效果較好。相比寬帶壓裂，常規(guī)壓裂形成的有效縫更少，單縫更長(zhǎng)，生產(chǎn)井見(jiàn)水更早，驅(qū)替前緣更加不均勻，注采井縫間剩余油較多。

(3)對(duì)于特低滲透油藏，寬帶壓裂能提高壓后單井產(chǎn)能和累產(chǎn)。儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率越低，寬帶壓裂提高初產(chǎn)和累產(chǎn)的倍數(shù)越高，當(dāng)基質(zhì)滲透率大于1 mD，寬帶壓裂最終累產(chǎn)油與普通壓裂工藝相近。