水平井壓裂工藝參數與產能關系研究與認識

張傳緒 苗國晶 王忠凱 張井龍

（1.大慶油田有限責任公司第九采油廠；2.大慶油田有限責任公司第一采油廠）

1 問題提出

近年來，針對外圍油田“單井產量低、經濟效益差、有效動用難”的實際，通過在低豐度葡萄花層和致密高臺子層實施水平井穿層壓裂和體積壓裂，初步見到了較好效果。但從單井生產效果看，同一砂體類型壓裂水平井，壓裂段數、規模、時機不同，對產量影響不同。

通過水平井壓裂工藝參數與產能關系研究，進一步優化布縫段數、規模，滿足方案產量的同時，進一步降低壓裂成本[1]。

2 建立工藝參數與產能關系分析方法

為明確同一區塊參數變化對水平井產量影響，分析壓裂優化過程中，影響水平井產量的水平段長度、布縫間距、砂巖厚度、裂縫長度、裂縫高度、施工排量和施工砂比7項參數。針對單一因素對產量影響程度不同、無規律的問題，應用灰色關聯分析方法[2-3]，建立各影響因素與產量的關聯度，根據關聯度大小確定主要因素。

1）確定母序列和子序列：

母序列為單井年產液Y0=（2 979，2 322……），子序列分別為水平段長度 X1=（495，653，…）、縫間距 X2=（62，93，…）、……施工砂比 X7=（20.0，20.2，…），組成矩陣。

2）變量進行無量綱化：

其Xi(k)為母序列或子序列數值， Xi(l)為母序列或子序列平均值，為無量綱值，組成新矩陣。

3）計算關聯系數：

關聯系數是指第k個指標子序列與母序列的相對差值，其中 ρ稱為分辨系數， ρ∈(0 ，1)，常取0.5。

4）計算關聯度：

將各個分散關聯系數集中為一個值，即求其平均值，作為子序列與母序列關聯程度的數量表示。

因素間的關聯程度，主要是用關聯度的大小次序描述，而不僅是關聯度的大小。將k個子序列對同一母序列的關聯度按大小順序排列起來，便組成了關聯序，反映對于母序列來說各子序列的“優劣”關系。

通過灰色關聯分析方法進行計算，結果表明，裂縫高度、水平段長度、縫間距、砂巖厚度和裂縫長度與年產液量關聯度相對較高（表1）。

表1 壓裂工藝參數灰色關聯分析計算結果

為此，重點對影響較大的5項參數開展研究，圍繞產量歸一化處理，確定了研究縫間距、百米有效支撐砂量與百米水平段產液量的關系（圖1）。

圖1 縫間距與產量歸一化處理流程

3 明確水平井最大布縫間距

按照歸一化處理方法，在其他參數相當的情況下，縫間距、水平度長度和產量的關系，歸一化為縫間距與百米水平段產液量關系。為此，建立水平井布縫間距與產能關系圖版，評價縫間距對產量的影響[4]。

統計龍A區塊切割壓裂9口井，建立布縫間距與日產液的關系圖版（圖2）。結果表明70～80 m布縫間距水平井百米日產液量最高。

圖2 裂縫間距與日產液量關系圖版

上述統計分析的方法，可確定已開發區塊的最優布縫間距，但無法確定未開發區塊的布縫間距，需要尋找理論方法，指導方案優化。為此，創新制定了水平井布縫間距計算方法，為水平井布縫間距優化設計提供參考。

根據非達西滲流理論，隨著井筒半徑的增加，油藏的驅替壓力梯度降低，直到驅替壓力梯度降低到啟動壓力梯度時，井筒中沒有可流動的液體，井筒的半徑即為該油井的極限泄油半徑[5]（圖3）。

圖3 低滲透油藏中流體滲流流態分布示意圖

借鑒上述原理，將水平井每條裂縫作為1口采出井，最大縫間距為2倍極限泄油半徑，當裂縫間距L小于或等于2r極限時，裂縫間的流體能夠滲流至裂縫匯入井筒（圖4）；當 L大于2r極限時，裂縫間出現死油區，部分儲量無法動用（圖5）。

圖4 低滲透油藏水平井中流體滲流示意圖（L＜2r極限）

圖5 低滲透油藏水平井中流體滲流示意圖（L＞2r極限）

經調研，在眾多極限泄油半徑的計算公式中，確定了適合砂巖油藏兩相平面滲流的極限泄油半徑計算公式[6]。

式中：r極限——油井的極限泄油半徑，m；

Pe——有效邊界壓力，MPa；

Pw——油井井底壓力，MPa；

Κ ——有效滲透率，10-3μm2；

μ——流體的地下黏度，mPa·s；

n——油水兩相驅替系數，取值2～3。

根據極限泄油半徑公式，分別計算了茂A和古B水平井區塊極限泄油半徑，推算出不同區塊最大布縫間距（表2）。從計算結果看，理論與實際吻合度較高。

表2 各區塊水平井極限布縫間距計算結果

4 不同區塊合理壓裂規模

從低滲透的茂A和古B區塊百米水平段有效支撐砂量與百米水平段日產液關系看（圖6），茂A區塊百米水平段有效支撐砂量增加，日產液變化無明顯規律；古B區塊百米水平段有效支撐砂量增加，日產液量隨規模變化不明顯。

圖6 百米有效支撐砂量與百米日產液關系

從茂A和古B區塊百米水平段有效支撐砂量與百米水平段年產液關系看（圖7），茂A區塊年產液隨規模增加有降低趨勢，百米有效支撐砂量3.2～5.4 m3，年產液相對較高；古B區塊年產液隨規模增加有增加趨勢，百米有效支撐砂量7.0～9.7 m3，年產液相對較高。

圖7 百米有效支撐砂量與百米年產液關系

從茂A和古B區塊百米水平段有效支撐砂量與百米水平段年收益關系看（圖8），茂A區塊百米水平段有效支撐劑砂量3.2～4.4 m3，效益相對較高，古B區塊百米水平段有效支撐劑砂量7.0～9.7 m3，效益相對較高。

圖8 百米水平段有效支撐砂量與百米水平段年收益關系

表3 不同區塊最優有效支撐砂量及單縫砂量優化結果

考慮百米水平段砂量對壓裂初期日產液，年產液和年度收益的影響規律不一致，選取每項單一評價因素最優值，取其交集為區塊最優有效支撐砂量，結合布縫間距，給出了不同區塊最優單縫改造砂量區間（表3），供類似油田開發提供參考。

5 應用效果

近幾年，在茂A和古B區塊，共優化水平井壓裂方案35口井，實施后初期平均日產液10.4 t，為方案預測產量的1.3倍（表4）。

表4 水平井壓裂效果統

水平井最大布縫間距計算方法和不同區塊水平井壓裂規模優化圖版對于水平井高效開發及致密油水平井的有效動用具有重要指導意義。

6 結論與認識

1）應用大數據統計分析，灰色關聯評價和歸一化處理方法，建立了水平井工藝參數與產量關系研究方法。

2）應用極限泄油半徑計算方法，建立了不同物性條件下水平井最大布縫間距計算方法，為水平井壓裂布縫間距優化提供理論依據。

3）應用統計分析的方法，繪制各水平井區塊壓裂規模與產量的關系圖版，兼顧效益，給出已開發區塊最優壓裂規模。