特低滲氣藏水平井分段多級(jí)壓裂數(shù)值模擬研究

王 理

（中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200335）

M氣田位于東海陸架盆地西湖凹陷，主力含氣層系為漸新統(tǒng)F組，其中M氣田深層F8層為低孔特低滲儲(chǔ)層，孔隙度9%～11%，滲透率小于1 mD，有效開發(fā)難度大，因此需要在M氣田設(shè)置一口多級(jí)壓裂水平井W4井。根據(jù)西湖凹陷區(qū)域地層對(duì)比框架，通過開發(fā)井與已鉆探井對(duì)主要目的層進(jìn)行了精細(xì)對(duì)比，F(xiàn)8砂層組進(jìn)一步分為F8a0、F8a、F8b砂體，根據(jù)測(cè)試產(chǎn)能、儲(chǔ)層沉積微相、巖性、物性和孔喉結(jié)構(gòu)等特征參數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)及分類，認(rèn)為F8b層發(fā)育相對(duì)穩(wěn)定，物性相對(duì)較好，適合作為水平井布井目標(biāo)層位，縱向上將F8b層精細(xì)劃分為4個(gè)小層。為實(shí)現(xiàn)M氣田深層特低滲氣藏有效開發(fā)，開展了精細(xì)的特低滲氣藏壓裂數(shù)值模擬研究，在空間上鎖定多級(jí)壓裂水平井W4井布井位置，優(yōu)選壓裂參數(shù)，進(jìn)行開發(fā)指標(biāo)預(yù)測(cè)，為后期特低滲氣藏開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 油藏模型建立

在進(jìn)行油藏?cái)?shù)值模擬之前，需要對(duì)相滲、PVT、覆壓孔滲和可動(dòng)水飽和度等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[1-2]進(jìn)行前期處理，作為輸入?yún)?shù)加載到油藏模型中，完成整個(gè)油藏模型的搭建。

1.1 相滲及PVT參數(shù)

在油藏?cái)?shù)值模擬過程中，用水驅(qū)氣相滲實(shí)驗(yàn)?zāi)M氣藏開發(fā)過程中的氣水兩相滲透率變化。M氣田共進(jìn)行了11塊巖心水驅(qū)氣相滲實(shí)驗(yàn)，其中F2層4塊、F8a層7塊。本次研究目的層位為F8b層，其物性與F8a層相近，因此油藏模型借用F8a層7條相滲曲線（圖1）歸一化處理得到F8b層水驅(qū)氣相滲曲線（圖2），根據(jù)F8a層水驅(qū)氣相滲實(shí)驗(yàn)得到的平均殘余氣飽和度為42.24%。

圖1 F8a層7條水驅(qū)氣相滲實(shí)驗(yàn)曲線

圖2 F8b層油藏模型相滲歸一化曲線

M氣田無深層高壓物性資料，僅有地面常規(guī)天然氣組分資料和相對(duì)密度數(shù)據(jù)，F(xiàn)8b層屬于彈性驅(qū)動(dòng)邊水氣藏，中部海拔-3 930.5 m，原始地層壓力58.274 MPa，壓力系數(shù)1.512，地層溫度151.68℃。利用以上資料可通過油藏工程方法計(jì)算得到PVT參數(shù)，根據(jù)不同油藏工程方法的適用范圍，最后利用Sutton（1985）法計(jì)算擬臨界溫度和壓力、擬對(duì)比溫度和壓力，利用Hall and Yarborough（1973）法計(jì)算氣體偏差因子Z，利用Lee，Gonzales and Eakin（1966）方法計(jì)算氣體粘度，得到油藏模型的PVT曲線（圖3）。

圖3 油藏模型天然氣PVT曲線

1.2 覆壓孔滲參數(shù)

油藏模型網(wǎng)格的孔隙度、滲透率一般通過地質(zhì)建模的方法得到，其數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是測(cè)井及常規(guī)巖心分析數(shù)據(jù)。但這種方式得到的孔滲值可能只反映巖心在地面條件下的流動(dòng)能力，而無法真正表征儲(chǔ)層從原始地層狀態(tài)到廢棄條件下的整個(gè)開發(fā)過程的滲流規(guī)律，因此需要利用覆壓孔滲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型網(wǎng)格的孔滲數(shù)據(jù)進(jìn)行校正[3]。

M氣田深層共進(jìn)行了兩井13次（6塊巖心+7塊壁心）的覆壓孔滲實(shí)驗(yàn)，其中選取9塊特低滲（0.1 mD～1 mD）巖樣進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。上覆巖石壓力與孔隙壓力之差稱為有效流體壓力，本次覆壓孔滲實(shí)驗(yàn)的有效流體壓力范圍是10～50 MPa，不能全部覆蓋F8b層開發(fā)過程的有效流體壓力范圍（30～85 MPa），因此在回歸覆壓孔滲曲線時(shí)需外推至85 MPa。從相關(guān)系數(shù)及單調(diào)性考慮，確定覆壓滲透率變化率按指數(shù)回歸（圖4），覆壓孔隙度變化率按對(duì)數(shù)回歸（圖5），并最終得到油藏模型的覆壓孔滲數(shù)據(jù)。

圖4 滲透率變化率隨壓力變化圖

圖5 孔隙度變化率隨壓力變化圖

1.3 可動(dòng)水飽和度參數(shù)

M氣田現(xiàn)有一口鄰井直井W2井在F8b層、F10層共進(jìn)行了5次核磁共振（NMR）實(shí)驗(yàn)（表1），由表1可知，位于F8b-22小層的3塊巖樣的可動(dòng)水飽和度僅在4%～5%之間，而F8b-41小層和F10層的可動(dòng)水飽和度均超過10%，該結(jié)果與W2井飽和度測(cè)井解釋的可動(dòng)水分布規(guī)律較吻合，因此在油藏模型中，F(xiàn)8b層上部可動(dòng)水飽和度取F8b-22小層3個(gè)巖樣的平均值4.66%，下部可動(dòng)水飽和度根據(jù)線性回歸方程隨海拔深度增大而線性增加。

表1 W2井核磁共振實(shí)驗(yàn)含水飽和度結(jié)果表

2 壓裂井?dāng)?shù)值模擬

數(shù)值模擬的最終目的是要在現(xiàn)有的油藏模型基礎(chǔ)上得到一個(gè)最優(yōu)方案。結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研[4-10]，對(duì)于壓裂水平井?dāng)?shù)值模擬來說，首先要進(jìn)行井位優(yōu)化，即將水平段部署在最有利的位置，其次還要對(duì)壓裂參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，即在保證施工可行性的前提下達(dá)到最大的改造效果。

2.1 井位優(yōu)化

W4井的井位優(yōu)化遵循以下4個(gè)布井原則：①由于M氣田最大主應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西向，壓裂裂縫一般更容易沿著最大主應(yīng)力方向延伸，因此水平段應(yīng)垂直于最大主應(yīng)力方向，為近南北向；②根據(jù)F8b層物性分布可知其中上部物性要比下部好，因此建議水平段位于F8b層中上部；③為了避免開發(fā)過程中F8b層邊水突破及與頂部F8a層邊水溝通，建議水平段位于F8a層、F8b層的內(nèi)含氣邊界內(nèi)；④建議水平段部署兼顧優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層分布（反演成果）。在遵循上述布井原則的基礎(chǔ)上對(duì)W4井縱向及平面位置進(jìn)行優(yōu)化。

縱向上，按照網(wǎng)格數(shù)將W4井水平段依次放置于每層網(wǎng)格中，進(jìn)行數(shù)值模擬批處理運(yùn)算；平面上以構(gòu)造高點(diǎn)為中點(diǎn)，沿垂直于最大主應(yīng)力方向設(shè)計(jì)1 000 m的水平段，并以此為基礎(chǔ)井軌跡，每隔50 m分別向北及向南移動(dòng)至F8b層的內(nèi)含氣邊界進(jìn)行數(shù)值模擬批處理運(yùn)算。最終得到各方案的數(shù)值模擬結(jié)果（圖6），縱向上，水平段位于縱向網(wǎng)格第10～34層效果均較好，即部署在F8b-2小層，其中第18層累產(chǎn)量最大，即F8b-21底部，因此建議水平段縱向位置布在H8b-21段底部；平面上，水平段越接近F8b層北部內(nèi)含氣邊界，累產(chǎn)氣越少而水氣比增加，而水平段位于F8b層高點(diǎn)以南時(shí)，由于動(dòng)用儲(chǔ)量受限，累產(chǎn)氣小于F8b層高點(diǎn)附近，當(dāng)水平段中點(diǎn)位于F8b層高點(diǎn)以南100 m時(shí)，累產(chǎn)氣最大，水氣比也較小，因此建議水平段平面位置布在F8b層高點(diǎn)偏南。

圖6 W4井井位優(yōu)化數(shù)值模擬方案結(jié)果

2.2 壓裂參數(shù)優(yōu)選

壓裂參數(shù)不僅直接影響著儲(chǔ)層改造的效果，還與施工規(guī)模緊密相關(guān)，因此必須對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，進(jìn)而在這兩者之間達(dá)到最優(yōu)平衡點(diǎn)，分別對(duì)W4井壓裂級(jí)數(shù)、裂縫導(dǎo)流能力、裂縫高度及裂縫半長進(jìn)行敏感性分析，從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出（圖7）：累產(chǎn)氣隨壓裂級(jí)數(shù)的增加而增加，但級(jí)數(shù)達(dá)到10級(jí)后遞增減緩，同時(shí)9級(jí)壓裂水氣比最小，因此建議9級(jí)壓裂；累產(chǎn)氣隨裂縫導(dǎo)流能力（由儲(chǔ)層滲透率和裂縫寬度的乘積確定）的增加而增加，但導(dǎo)流能力達(dá)到5 D·cm后遞增減緩，同時(shí)水氣比遞減變緩，因此建議裂縫導(dǎo)流能力5 D·cm；累產(chǎn)氣隨縫高的增加而增加，但縫高達(dá)到40 m后遞增減緩，同時(shí)水氣比遞減變緩，因此建議縫高不高于40 m；累產(chǎn)氣隨半縫長的增加而增加，但半縫長達(dá)到150 m后遞增減緩，同時(shí)水氣比遞減變緩，因此建議半縫長150 m。

圖7 W4井壓裂參數(shù)優(yōu)選數(shù)值模擬方案結(jié)果

3 推薦方案及指標(biāo)預(yù)測(cè)

根據(jù)井位優(yōu)化與裂縫參數(shù)優(yōu)選結(jié)果，得到W4井推薦方案，并進(jìn)行開發(fā)指標(biāo)預(yù)測(cè)（圖8）：初期日產(chǎn)氣10萬m3，日產(chǎn)水2.94 m3，穩(wěn)產(chǎn)期1年，十年累產(chǎn)氣1.52億m3，十年累產(chǎn)水1.13萬m3。

圖8 W4井推薦方案開發(fā)指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

1）不同于常規(guī)氣藏開發(fā)，特低滲氣藏由于其儲(chǔ)層物性差、強(qiáng)應(yīng)力敏感性和出水風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)，需要在進(jìn)行數(shù)值模擬研究時(shí)綜合考慮低滲氣藏相滲、PVT、覆壓孔滲和可動(dòng)水飽和度等參數(shù)的影響。

2）綜合考慮儲(chǔ)層預(yù)測(cè)成果及數(shù)值模擬方案結(jié)果，建議W4井井位水平段平面上部署在F8b層高點(diǎn)附近、縱向上布在F8b層中上部，建議壓裂級(jí)數(shù)9級(jí)，裂縫導(dǎo)流能力5D·cm，建議縫高不高于40m，半縫長150m，并在此基礎(chǔ)上給出最優(yōu)化方案。

3）建議利用鄰近開發(fā)井對(duì)W4井壓裂裂縫進(jìn)行微地震監(jiān)測(cè)。