考慮應力敏感及啟動壓力梯度的低滲氣藏壓裂優化研究

薛國慶，蔣 開，彭建峰，向耀權

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考慮應力敏感及啟動壓力梯度的低滲氣藏壓裂優化研究

薛國慶，蔣 開，彭建峰，向耀權

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司研究院，廣東湛江 524057）

通過對低滲壓裂水平井流動進行合理的假設和簡化，建立了物理模型，在徑向地層穩態壓降公式的基礎上，結合壓降疊加原理和節點分析方法，建立了考慮應力敏感、啟動壓力梯度、非達西效應的有限導流壓裂水平氣井穩定產能預測模型，并運用產能模型分析應力敏感、啟動壓力梯度、非達西效應和裂縫參數對產能的影響，結果表明：低滲氣藏必需考慮應力敏感對產能的影響，啟動壓力梯度和非達西效應影響較小，可適當考慮；低滲氣藏壓裂水平井存在合理的裂縫條數、裂縫長度值、裂縫夾角和裂縫間距值；在進行壓裂設計時，需要考慮“屏蔽”效應對產能的影響。

低滲氣藏；應力敏感；啟動壓力梯度；壓裂水平井；參數優化

水平井具有泄流面積大、穿透度大、動用程度高和單井產量高等優點，但對于低滲-特低滲氣藏的水平井，由于氣藏滲透率低、連通性差，并且存在應力敏感、啟動壓力梯度和非達西效應等原因，僅采用水平井開發往往達不到預期效果，為了進一步提高水平井產能，需要對其實施壓裂增產技術[1–2]。低滲氣藏水平井壓后考慮應力敏感和啟動壓力梯度產能預測及影響因素分析是水平氣井壓裂技術的一大難題，韓樹剛[3]、岳建偉[4]、曾凡輝[5]、雷征東[6]等人對其進行了一系列的研究。本文通過對低滲壓裂水平井流動進行合理的假設和簡化，建立了物理模型，在徑向地層穩態壓降公式的基礎上，通過壓降疊加原理和節點分析方法建立了考慮應力敏感、啟動壓力梯度、非達西效應的有限導流壓裂水平氣井穩定產能預測模型，并利用半解析法進行求解，在此基礎上開展壓裂水平氣井產能分析和壓裂優化分析，尋求低滲氣藏水平井壓裂的優化設計策略。

1 壓裂水平井產能模型

圖1 氣藏壓裂水平井物理模型

圖2 壓裂水平井裂縫分段示意圖

根據壓降疊加原理，壓裂水平氣井的總擬壓降等于裂縫各小段所產生的擬壓降的代數和。

2 產能分析及壓裂優化設計

低滲氣藏壓裂水平氣井D1井的主要參數：氣層厚度為10 m，孔隙度為0.093 9，原始地層壓力25.77 MPa，地層溫度88℃，地層滲透率0.04×10-3μm2，水平井段長度612 m，氣體相對密度0.655，含氣飽和度50.78%，地層水的壓縮系數4.3×10-4MPa-1，巖石壓縮系數7.238×10-4，生產壓差10 MPa。D1井壓裂后形成三條裂縫，裂縫寬度5.4 mm，裂縫滲透率12 μm2，裂縫平面與水平井筒的夾角為45°，三條裂縫距水平井左端的距離分別為150 m，303 m，455 m，第一條裂縫左右翼縫分別長為102 m和67 m，第二條左右翼縫長分別為105 m和63 m，第三條左右翼縫長為57 m和109 m。

2.1 產能分析

2.1.1 模型驗證

采用本文模型，對壓裂后D1H井進行了產能計算，計算的結果見表1，可以看出：模型計算的產量和實測穩定日產氣量的相對誤差僅為3.49%，表明本文所建立的壓裂水平氣井產能預測模型準確可靠。

分析單因素對產氣量的影響程度，從計算結果可以看出：單因素對產氣量的影響越大，表現出的相對誤差越小；根據各因素影響大小排序，依次為應力敏感>啟動壓力梯度>非達西滲流，因此在計算低滲氣藏壓裂水平井產能時，必須要考慮應力敏感對產能的影響，對啟動壓力梯度和非達西效應可做適當考慮。

表1 D1H井實例計算結果

2.1.2 應力敏感系數對產能的影響

應力敏感現象在低滲氣藏中普遍存在，應力敏感效應是影響低滲氣藏壓裂水平井產能的一個重要因素[10]，并且隨著生產壓差的增大，應力敏感效應也越嚴重，對產能的影響也越大。取應力敏感系數為0、0.01、0.05、0.1 MPa-1，分析不同應力敏感系數對產能的影響。

圖3 不同應力敏感系數下的IPR曲線

由圖3可以看出，隨著應力敏感系數的增大，低滲透氣藏壓裂水平井產量逐漸降低。在相同生產壓差下，應力敏感系數越大，儲層滲透率越小，氣體要克服的滲流阻力也越大，因此壓裂水平井的產量越小。S氣藏應力敏感現象較嚴重，應力敏感系數為0.05 MPa-1，考慮應力敏感現象的無阻流量為6.75×104m3/d，不考慮應力敏感的無阻流量為9.79×104m3/d，下降約30%，應力敏感對產能的影響較大。因此，在S氣藏壓裂水平井產能評價中必需考慮應力敏感對產能的影響。

2.1.3 啟動壓力梯度對產能的影響

低滲氣藏往往存在啟動壓力梯度，氣體必須克服由啟動壓力梯度引起的附加壓降才能流動。為了分析啟動壓力梯度對低滲氣藏水平井產能的影響，分別取啟動壓力梯度為0、0.000 5、0.005和0.01 MPa/m四種情況進行計算，得到不同啟動壓力梯度下的IPR曲線。

圖4 不同啟動壓力梯度下的IPR曲線

從圖4可以看出，壓裂水平井的產氣量隨著啟動壓力梯度的增加而減小。在相同生產壓差情況下，啟動壓力梯度越大，氣體流動要克服由于啟動壓力梯度引起的附加壓降也越大，壓裂水平井產量因此也越低。當啟動壓力梯度分別取0.000 5、0.005、0.01 MPa/m時，壓裂水平井的無阻流量較不考慮啟動壓力梯度時下降0.66%、6.57%和13.16%。S氣藏實驗測得的啟動壓力梯度值較低，僅為0.000 5 MPa/m，對產能的影響不到1%，因此在S氣藏壓裂水平井產能評價時可以忽略啟動壓力梯度的影響。

2.1.4 非達西效應對產能的影響

非達西效應也是影響低滲透氣藏水平井產能的因素之一。采用本文推導的模型，分別對考慮非達西效應和不考慮非達西效應兩種情況進行計算，分析非達西效應對產能的影響程度。由圖5可以看出，隨著生產壓差的增大，水平氣井產量也隨之增大，非達西效應也顯得越明顯。非達西效應對大牛地氣田壓裂水平井產量存在一定影響，考慮非達西效應水平井無阻流量為6.64×104m3/d，不考慮時為6.75×104m3/d，下降1.74%，非達西效應對產能的影響較小。因此，在S氣藏壓裂水平井產能評價中可適當考慮非達西效應對產能的影響。

圖5 非達西效應對低滲氣藏水平井產能的影響

2.2 壓裂優化分析

2.2.1 裂縫條數優化

裂縫條數是水平井分段壓裂首要設計參數，合理的裂縫條數值可以在保證單井產氣量的同時，節約壓裂施工作業成本，提高經濟效益[11]。分別取水平井長度為600 m和1 000 m，分析產氣量隨裂縫條數的變化規律。

從圖6可以看出：壓裂水平井的產氣量隨著裂縫條數的增加而增加；但當裂縫條數值大于某一值時，隨著裂縫條數的增加，產氣量的增加幅度明顯減小。這是因為在水平井長度一定的情況下，隨著裂縫條數的增多，裂縫的間距減小，裂縫間的相互干擾作用加劇，使得壓裂水平井的總產量增加幅度減小，考慮到最佳投入產出比，則存在一個最佳的裂縫條數值。同時，不同的水平段長度對應的最佳裂縫條數值也不相同，僅從產氣量隨裂縫條數的關系角度出發，水平段長度為600 m時的最佳裂縫條數值為2~4條，水平段長度為100 m時最佳裂縫條數值為3~5條。

圖6 裂縫條數對壓裂水平氣井產能的影響

2.2.2 裂縫長度

裂縫長度是影響壓裂水平氣井產能的一個重要因素。取裂縫導流能力為5、15、30 μm2·cm，分析裂縫長度對壓裂水平井產氣量的影響。從圖7可以看出，當裂縫導流能力較大時，隨著裂縫長度的增加，壓裂水平井產量成正比例增加；但當裂縫導流能力較小時，產量隨著裂縫長度的增加而增加，增加到一定幅度時，產量的增加幅度明顯減小。因此，在裂縫導流能力較大時，裂縫長度越大越好；在裂縫導流能力較小時，存在一個合理的裂縫長度取值范圍。本例中，如果不考慮地質和投入成本因素，在裂縫導流能力為15和10 μm2·cm時，裂縫長度越長越好；在裂縫導流能力為5 μm2·cm時，合理的裂縫長度取值為80~150 m。

圖7 裂縫長度對壓裂水平氣井產能的影響

2.2.3 裂縫角度優化

受鉆井技術和地質等因素的限制，裂縫平面與水平井井筒就會產生一個夾角，取裂縫夾角為10~90°時，分析產量隨裂縫夾角的變化規律。從圖8可以發現，隨著裂縫夾角的增加，壓裂水平井產能也逐漸增大，但當裂縫角度大于50°時，產能增加幅度明顯變緩。因此，在鉆井設計時應考慮后期壓裂增產施工因素，盡量使可能進行后期壓裂作業的水平井軌跡保持在最小主應力方向，使得壓后裂縫能夠垂直于水平井，從而提高氣井產量。

圖8 裂縫夾角對壓裂水平氣井產能的影響

2.2.4 裂縫間距優化

為了分析裂縫間距對產量的影響，假設壓裂水平井僅有2條裂縫，計算裂縫間距從50~800 m內不同裂縫間距下壓裂水平井的產量。從圖9可以看出，隨著裂縫間距的增加，壓裂水平井產量也逐漸增加，當裂縫間距大于400 m時，產量增加幅度明顯變緩，并趨于穩定。所以在進行水力壓力設計時應確定合理的裂縫間距值，減小裂縫間的相互干擾，提高裂縫利用效率。本例中，在不考慮地質因素的情況下，裂縫間距為400 m可以有效減小裂縫間的相互干擾，提高壓裂水平井產能。

圖9 裂縫間距對壓裂水平氣井產能的影響

2.2.5 非均勻裂縫長度優化

當同時存在多條裂縫時，裂縫間就不可避免地存在一定的相互干擾作用，由于中間裂縫受到的干擾作用要比兩端裂縫強，兩端的裂縫對中間裂縫有“屏蔽”效應，兩端裂縫形態相同的中間裂縫的產能要相對較小一些。取裂縫總長度為450 m，裂縫左翼和右翼長度相同的四種情況進行模擬計算，如圖10。模擬計算結果見圖10.

圖10 非均勻裂縫長度方案

從圖11中可以看出：方案3下的產氣量較大，這是因為方案3能有效地減小中間裂縫的干擾，降低“屏蔽”效應對產能的影響；同時應注意到方案1的產氣量較方案2和方案4大，這是由于中間裂縫越長，受到兩側裂縫的干擾就越大，“屏蔽”效應對產能的影響也越明顯。因此，進行壓裂設計時，應該考慮“屏蔽”效應對產能的影響，減小中間裂縫的長度，適當增加兩側裂縫的長度，以保證在壓裂施工成本相當的情況下帶來更大的收益。

圖11 非均勻裂縫長度對產能的影響

3 結論

（1）通過對壓裂水平井流動進行合理的假設和簡化，建立了物理模型；在徑向地層穩態壓降公式的基礎上，通過壓降疊加原理建立了考慮應力敏感、啟動壓力梯度、非達西效應的有限導流壓裂水平氣井穩定產能預測模型，用半解析法耦合求解得到壓裂水平井產量。

（2）低滲氣藏壓裂水平井考慮應力敏感效應和不考慮應力敏感效應產能下降約30%，在產能評價中必需考慮應力敏感效應對產能的影響；啟動壓力梯度和非達西效應對壓裂水平井產能的影響較小，在產能評價中可適當考慮。

（3）低滲氣藏壓裂水平井存在合理的裂縫條數、裂縫長度值、裂縫夾角和裂縫間距值；在壓裂設計時，需要考慮“屏蔽”效應對產能的影響。

符號注釋

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[4] 岳建偉，段永剛．含多條垂直裂縫的水平壓裂氣井產能研究[J]．天然氣工業，2004，24（10）：102–104．

[5] 曾凡輝，郭建春，徐嚴波，等．壓裂水平井產能影響因素[J]．石油勘探與開發，2007，34（4）：474–477．

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編輯：岑志勇

2017–11–06

薛國慶，碩士，油藏工程師，1981年生，2008年畢業于西南石油大學油氣田開發工程專業，現主要從事油氣田開發及生產方面的工作。

1673–8217（2018）04–0101–05

TE357.11

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