砂礫巖油藏分段壓裂選層組合及裂縫參數(shù)優(yōu)化方法

盧惠東，李宇志，張進平，黃愛先，李曉軍，王宇鵬，曲占慶

(1.中國石化勝利油田有限公司 東辛采油廠，山東 東營 247500； 2.中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)

目前國內(nèi)大多數(shù)油田均進入開發(fā)的中后期，如何保持穩(wěn)產(chǎn)增效是亟待解決的問題[1-2]。采用水力壓裂技術(shù)進行儲層增產(chǎn)改造和加快低滲及特低滲非常規(guī)油氣藏的勘探開發(fā)是保持油田穩(wěn)產(chǎn)增效的重要途徑[3-6]。勝利油田經(jīng)過五十多年的勘探開發(fā)，每年均能發(fā)現(xiàn)大量的中低滲及特低滲儲量，其效益動用是實現(xiàn)勝利油田2300萬噸效益穩(wěn)產(chǎn)的一個重要保證。其中規(guī)模較大的是東辛深層砂礫巖油藏，位于東營凹陷北部陡坡帶，陳家莊凸起南坡含油層系沙四段，顯著特征有：埋藏深，滲透率低；儲層縱向分布零散，跨度大，單層厚度小(平均1.4 m)，稱之為“薄互層”發(fā)育。針對其低滲和“薄互層”發(fā)育的特點，開發(fā)時需進行分段水力壓裂改造[7-9]，其有效實施的關(guān)鍵在于如何進行層段劃分和組合。目前現(xiàn)場對于直井分段壓裂的層段劃分和組合，并沒有形成完整的指導方法，大多依靠現(xiàn)場工程師的經(jīng)驗。另外，確定深層砂礫巖直井分段壓裂各段裂縫的最佳導流能力和縫長，可以有效指導現(xiàn)場壓裂施工設(shè)計。因此，需要開展深層砂礫巖油藏直井分段壓裂選層組合及裂縫參數(shù)優(yōu)化研究。本文基于東辛深層砂礫巖油藏，通過整理和分析現(xiàn)場分段壓裂井例數(shù)據(jù)得到一個關(guān)于分段數(shù)和儲層跨度的經(jīng)驗關(guān)系式；然后選取若干反映儲層性質(zhì)的評價參數(shù)，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度法進行分析評價以實現(xiàn)儲層的組合劃分；最后建立深層砂礫巖儲層分段壓裂生產(chǎn)數(shù)值模型，以產(chǎn)能為目標對各壓裂段的裂縫導流能力和縫長進行優(yōu)選。

1 分段壓裂選層組合方法研究

1.1 分段壓裂分段方法

對東辛深層砂礫巖儲層進行分段壓裂的最終目的還是在于提高油井產(chǎn)能，這需要確保分段壓裂施工具有較高的質(zhì)量。如果分段壓裂設(shè)計的一個分段包含的小層過多，由于其縱向跨度過大，各小層之間的性質(zhì)可能存在較大差別，在壓裂時可能出現(xiàn)小層之間的相互干擾而影響壓裂效果。本文僅從現(xiàn)場壓裂工藝的角度出發(fā)，通過收集東辛采油廠近年來深層沙礫巖儲層分段壓裂井例數(shù)據(jù)，分析分段數(shù)與儲層縱向跨度之間的關(guān)系，總結(jié)出分段壓裂分段方法。根據(jù)東辛采油廠這數(shù)十口深層砂礫巖儲層分段壓裂井數(shù)據(jù)，在坐標系中以分段數(shù)和儲層總跨度為坐標軸，對每口井作出標記，見圖1。

從圖1可以看出，數(shù)據(jù)點的分布集中在某根直線附近，也就是說分段數(shù)與儲層跨度之間存在著一種線性關(guān)系。通過對數(shù)據(jù)進行線性擬合得到一個分段數(shù)與壓裂儲層跨度的經(jīng)驗公式，可用于指導現(xiàn)場深層砂礫巖儲層分段壓裂的分段工作。

y=0.017 7x+0.42

(1)

式中，y為分層數(shù)，通過四舍五入取整；x為壓裂層段總跨度，m。

1.2 分段壓裂選層組合方法

東辛深層砂礫巖儲層分段壓裂的選層組合就是要將綜合性質(zhì)相近的小層放在一起進行壓裂，這樣才能保證壓裂過程中各小層不會相互干擾，保證收獲較好的壓裂效果[10-12]。儲層選層組合的重點就在于對儲層綜合性質(zhì)的評價，本文創(chuàng)造性地引入灰色關(guān)聯(lián)度分析法[13-14]，對影響壓裂效果的儲層巖性、物性以及巖石力學參數(shù)進行綜合評價，來實現(xiàn)儲層的選層組合。

本文以一口井的待壓裂層段為研究對象，記為S={S1,S2,…,Sm}，選取影響壓裂效果的評價指標：儲層巖石彈性模量、泊松比、地層壓力系數(shù)、泥質(zhì)含量、砂礫含量、孔隙度、滲透率以及含水飽和度，記為A={A1,A2,…,An}。利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法進行壓裂分層組合的步驟如下：

1)無量綱化處理

由于各指標量綱不一致，需對指標進行無量綱化處理，本文采用歸一化方法(式2)進行處理。其中正向影響因素是數(shù)值越大對評價對象越有利的因素；負向影響因素是數(shù)值越小對評價對象越有利的因素。

(2)

2)確定參考序列和比較序列

將上述無量綱化后的數(shù)據(jù)中每個評價指標的最大值，即每一列的最大值組成參考序列，記為x0(k)。而無量綱化后的各儲層評價指標值，即無量綱化數(shù)據(jù)矩陣的每一行作為比較序列，記為xs(k),s=1,2,…,m。

3)計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(k)

(3)

式中：i為儲層序號；k為評價指標序號；Xo(t)和Xs(t)分別為參考序列和比較序列的均值化無量綱值；ρ為分辨系數(shù)，一般取0.5。

4)計算灰色關(guān)聯(lián)度γi

(4)

5)評價分析

灰色關(guān)聯(lián)度的大小表示各壓裂層段與參考對象的相似程度，儲層之間的灰色關(guān)聯(lián)度大小相近則表示儲層的綜合性質(zhì)相近，可以作為一段進行壓裂，以此來指導壓裂層段的分層組合。

1.3 井例應(yīng)用

以永936井為實例，應(yīng)用上述方法進行分段壓裂選層組合設(shè)計，其基本數(shù)據(jù)見表1。該井壓裂儲層縱向跨度為125.5 m，根據(jù)經(jīng)驗公式(1)計算得y=3，可見分三段進行壓裂比較合適。然后應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法計算各小層的灰色關(guān)聯(lián)度，首先根據(jù)(2)式將表1中數(shù)據(jù)無量綱化，結(jié)果見表2，接著確定參考序列和比較序列，然后根據(jù)(3)式計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，最后由(4)式計算各小層灰色關(guān)聯(lián)度(見表3)。

表1 永936井基本參數(shù)表

表2 無量綱化數(shù)據(jù)

表3 灰色關(guān)聯(lián)度及分段組合結(jié)果

從表3可以看出，儲層L9～L14的灰色關(guān)聯(lián)度大小相近，計算它們的方差為0.0015，這說明儲層L9～L14的綜合性質(zhì)比較接近，適合作為同一段進行壓裂。同理，儲層L5～L8和儲層L1～L4也可以分別作為一段進行壓裂。通過本方法得到的分段組合結(jié)果與根據(jù)測井分析得到的結(jié)果(見圖2)基本一致，但是本方法優(yōu)勢在于，僅針對反映壓裂儲層的關(guān)鍵參數(shù)指標應(yīng)用數(shù)學分析方法計算出關(guān)聯(lián)度，來實現(xiàn)分段壓裂選層組合，更加簡便靈活。

2 深層沙礫巖分段壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化

利用CMG軟件中的IMEX模塊建立了一個砂礫巖油藏直井分段壓裂的產(chǎn)能模型，研究不同裂縫參數(shù)(裂縫長度、裂縫導流能力)對油井產(chǎn)能的影響，并以此為依據(jù)對裂縫參數(shù)進行優(yōu)化。

根據(jù)表1中永936井的儲層基本信息，建立了一個分段多層壓裂產(chǎn)能黑油模型。該模型大小為500 m×500 m×80 m，網(wǎng)格數(shù)為25×25×14，平面上20 m一個網(wǎng)格，縱向上根據(jù)各個儲層厚度設(shè)計網(wǎng)格高度。在該模型中間布置一口垂直生產(chǎn)井，縱向上所有儲層全部射孔模擬裸眼完井(見圖3a))，通過網(wǎng)格細分并重新設(shè)置網(wǎng)格滲透率進行模擬人工裂縫(見圖3b))。

根據(jù)分段壓裂選層組合設(shè)計結(jié)果，將L9～L14層、L5～L8層、L1～L4層分別作為分段壓裂第一段、第二段、第三段。

1)第一段儲層裂縫參數(shù)優(yōu)化。保持其他參數(shù)不變，僅改變裂縫導流能力和半縫長，設(shè)計10組數(shù)值模擬，如表4所示。經(jīng)過模擬，得到不同導流能力下的累產(chǎn)油量和不同半縫長下的累產(chǎn)油量，產(chǎn)量變化曲線如圖4所示。

表4 第一段壓裂數(shù)值模擬裂縫參數(shù)設(shè)置表

由圖4 a)可以看出，壓裂對于提高深層砂礫巖儲層產(chǎn)量的效果十分明顯，而且隨裂縫導流能力的增加，累產(chǎn)油量增加。但是，當裂縫導流能力大于60 μm2·cm后，累產(chǎn)油量隨導流能力的增加變化不明顯。因此，對于該砂礫巖油藏的第一段儲層，裂縫導流能力在40～60 μm2·cm就可以達到理想的生產(chǎn)效果。由圖4 b)可以看出，相比于未壓裂井產(chǎn)能，半縫長為80 m的裂縫的累產(chǎn)油量均有大幅度增加。油井的累產(chǎn)油量隨著裂縫長度的增加在投產(chǎn)初期有一定程度增加，但之后隨著投產(chǎn)時間的增加，累產(chǎn)油量隨著裂縫長度的增幅變得不明顯。而當裂縫半縫長增加到160 m時，油井的累產(chǎn)油量隨著裂縫長度>的增幅就基本不再變化，因此，對于該砂礫巖油藏的第一段壓裂，最佳的裂縫半縫長為120～160 m。

2)第二段壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化。設(shè)置第一段裂縫半縫長為120 m，導流能力為40 μm2·cm，打開第二段壓裂儲層。保持其他參數(shù)不變，僅改變裂縫導流能力和半縫長，設(shè)計10組數(shù)值模擬實驗,如表5所示。經(jīng)過模擬，得到不同導流能力下的累產(chǎn)油量和不同半縫長下的累產(chǎn)油量，產(chǎn)量變化曲線見圖5所示。

表5 第二段壓裂數(shù)值模擬裂縫參數(shù)設(shè)置表

由圖5a)可以看出，第二段壓裂后產(chǎn)能提高效果依然很明顯，同樣隨著裂縫導流能力的增加，累產(chǎn)油量會增加，但是，當裂縫導流能力為60 μm2·cm左右時，累產(chǎn)油量隨導流能力的增加不明顯。因此對于該砂礫巖油藏的第二段儲層，裂縫導流能力在60 μm2·cm左右就可以達到理想的生產(chǎn)效果。由圖5b)可以看出，第二段壓裂對提高油井產(chǎn)能效果非常明顯，油井的累產(chǎn)油量隨著裂縫長度的增加在投產(chǎn)初期有一定程度增加，但之后隨著投產(chǎn)時間的增加，累產(chǎn)油量隨著裂縫長度的增幅變得不明顯。而當裂縫半縫長為160～200 m時，油井的累產(chǎn)油量就基本不再變化，所以對于第二段壓裂儲層，最優(yōu)的裂縫半縫長為160 m左右。

3)第三段壓裂裂縫參數(shù)優(yōu)化。設(shè)置第一段裂縫半縫長為120 m，導流能力為40 μm2·cm，設(shè)置第二段裂縫半縫長160 m，導流能力60 μm2·cm，再打開第三段壓裂儲層。保持其他參數(shù)不變，僅改變裂縫導流能力和半縫長，設(shè)計10組數(shù)值模擬，實驗如表6所示。經(jīng)過模擬，得到不同導流能力下的累產(chǎn)油量和不同半縫長下的累產(chǎn)油量，產(chǎn)量變化曲線見圖6所示。

表6 第三段壓裂數(shù)值模擬裂縫參數(shù)設(shè)置表

由圖6a)可以看出，第三段壓裂后產(chǎn)能提高效果依然很明顯。隨著裂縫導流能力的增加，累產(chǎn)油量均會增加，但是，當裂縫導流能力為40 μm2·cm左右時，累產(chǎn)油量隨導流能力的增加不明顯。因此裂縫導流能力在40 μm2·cm左右時，第三段壓裂儲層就可以達到理想的生產(chǎn)效果。由圖6 b)可以看出，第三段壓裂對提高油井產(chǎn)能效果非常明顯。油井累產(chǎn)油量隨著裂縫長度的增加在投產(chǎn)初期有一定程度增加，但隨后隨著投產(chǎn)時間的增加，累產(chǎn)油量隨著裂縫長度的增幅變得不明顯。而當裂縫半縫長為160～200 m時，油井的累產(chǎn)油量就基本不再變化，因此對于第三段壓裂，最優(yōu)的裂縫半縫長為160 m左右。

3 結(jié)語

1)針對深層砂礫巖油藏分段壓裂開發(fā)，通過對現(xiàn)場井例統(tǒng)計分析，總結(jié)出了一個分段數(shù)與壓裂儲層縱向跨度的經(jīng)驗公式，可用于指導分段壓裂如何分段。提出了一種基于灰色關(guān)聯(lián)度分析的分段壓裂選層組合方法，應(yīng)用數(shù)學方法對包括儲層巖石彈性模量、泊松比、地層壓力系數(shù)、泥質(zhì)含量、砂礫含量、孔隙度、滲透率以及含水飽和度在內(nèi)的壓裂儲層的關(guān)鍵參數(shù)進行綜合評價，從而將綜合性質(zhì)相近的儲層組合為一層，實現(xiàn)分段壓裂儲層的快速智能化劃分。

2)利用CMG軟件建立起了深層沙礫巖儲層分段壓裂產(chǎn)能分析模型，通過依次對分段壓裂各段裂縫開展模擬實驗，可以實現(xiàn)分段壓裂各段裂縫的導流能力和半縫長的優(yōu)選，為現(xiàn)場壓裂施工設(shè)計提供依據(jù)。