應用物質點法實現非常規油氣藏水平井壓前模擬
——以鄂爾多斯盆地杭錦旗區塊為例

李克智,邊樹濤,郭曉輝

(中國石化華北油氣分公司,河南鄭州 450006)

由于非常規油氣藏(致密油氣、頁巖油氣、煤層氣、天然氣水合物等[1])滲透率低,采用常規方式開采沒有工業產能,必須使用水平井+多級壓裂方式進行開發[2],即通過長水平井鉆井和多級水力壓裂方式擴大井筒附近的滲流通道,最大化地擴大泄油面積,提高單井產量和最終可采儲量,因此,對前期地質研究及壓裂設計也提出更高的要求。

大量的微地震監測表明,非常規油氣藏開發中的人工裂縫不是對稱的[3],即受地層物性、天然裂縫及應力場非均質影響,水平段兩側人工裂縫是非對稱的[4-6]。因此,在非常規油氣藏大規模開發前或隨著開發的進行,需要不斷明確地層的物性、裂縫展布、巖石彈性參數、應力場分布等,同時,也需要采取合適的方法在壓裂前模擬出人工壓裂的改造范圍,一方面優化壓裂施工,另一方面也為充分動用非常規油氣藏、合理的井網井距優化奠定基礎。

本文應用物質點法對鄂爾多斯盆地北部杭錦旗區塊P2井進行壓裂模擬,預測的巖石應變與微地震監測結果相吻合,進一步應用該方法定量研究水平段方位和平均壓裂段長的優選,為后期區塊水平井部署及完井方案優化提供借鑒。

1 物質點法簡介

物質點法(MPM)起源于20世紀50年代的質點網格(PIC)方法。采用質點離散材料,質點上儲存材料的所有信息,表征材料的運動和變形狀態;采用規則的歐拉背景網格計算空間導數和動量方程,實現質點間的相互作用與聯系,同時避免網格畸變問題。因此,物質點法適合處理材料特大變形的問題,每一步都包含以下5個步驟[7]:

1)根據質點位置生成背景網格,使用插值函數把質點上儲存的信息(質量、動量等)傳遞到背景網格結點上。

2)使用背景網格速度場計算應變,并更新應力,賦回到質點上。

3)使用質點積分計算背景網格結點的結點力、積分動量方程。

4)采用背景網格結點的速度場和加速度場更新質點的位置和速度。

5)丟棄變形的背景網格。

國內外學者也在進一步改善或擴展物質點法,Bardenhagen等(2004)提出廣義插值物質點法(GIMP),有效減弱數值噪音;Nairn課題組(Nairn 2003, 2006, Guo2005)開發的MPM/CRAMP程序,基于單背景網格多速度場,快速計算斷裂參數,有效模擬裂紋的動態擴展;Nairn等(2007)在CRAMP基礎上模擬不連續面的變化,并使用物質點法研究動態裂紋擴展;同時,學者、專家對物質點法的邊界條件、接觸算法、自適應算法、并行算法及與其他算法的耦合也進行了深入的研究。

2 石油領域應用

Aimenne和Nairn于2014年應用CRAMP方法研究人工壓裂和天然裂縫的交互作用,是物質點法在石油領域的較早應用之一[7],通過研究不同各向異性地層,且天然裂縫與人工裂縫以不同角度相交時,人工壓裂過程中的應力場變化,分析壓裂時人工裂縫與天然裂縫的交互作用。應用彈性斷裂力學描述物質斷裂和裂縫生長,使用CRAMP算法計算多級人工壓裂和天然裂縫間的相互作用,Raymond和Nairn[8](2015)應用物質點法研究了人工壓裂與天然裂縫間相互作用、以及支撐劑的分布;Ahmed Ouenes、Paryani、Nairn等[9]應用MPM方法,在北美非常規油氣藏中進行多井次的壓裂模擬,均與微地震監測結果有很好的可比性;McKetta等[10](2016)使用物質點法模擬Fayetteville非常規儲層人工壓裂后的巖石應變,與微地震監測事件分布有很好的一致性;Paryani等[11]于2016年應用物質點法研究Eagle Ford非常規儲層,通過壓裂模擬得到不對稱裂縫半長,進一步優化了壓裂設計參數。

國內石油領域也應用這一技術開展壓裂模擬及優化壓裂設計工作。趙爽等[12]通過反演計算獲得彈性參數構建物質點,模擬龍馬溪組地應力差分布情況,有利于水平井軌跡設計及后期壓裂改造;馮江榮等[13]使用物質點法模擬人工壓裂改造面積,為水平井井軌跡設計和施工參數優化提供技術支撐。

3 國內致密砂巖壓前模擬

杭錦旗錦30井區P2井的目標儲層為下石盒子組盒1段2、3小層,水平段長1 457.0 m,鉆遇砂巖1 331.0 m,其中624.0 m砂巖有全烴顯示。該井附近盒1段砂巖厚度20.0～35.0 m,平均孔隙度6.0%～10.0%,楊氏模量24.0～26.0 GPa。由于天然裂縫不發育,僅在水平段趾部兩側發育少量天然裂縫。從過水平段的砂泥巖、孔隙度、楊氏模量和天然裂縫面密度屬性剖面可知,該井中部鉆遇少量泥巖,孔隙度較低,楊氏模量也略低;水平段整體天然裂縫不發育,僅在靠近趾部和中部下方天然裂縫密度略高(圖1)。

圖1 過P2井水平段砂泥巖、孔隙度、楊氏模量和裂縫面密度屬性剖面

該井于2021年10月按照17級35簇的方式進行水力壓裂,在地面部署微地震監測,記錄人工壓裂過程中的微地震事件,以了解人工裂縫的幾何特征(縫長、縫高)。壓裂過程中,根據井區天然裂縫密度展布(圖2a),使用物質點法模擬水平段附近的水平應力差(圖2b),并模擬人工壓裂后儲層的巖石應變。該井水平段趾部應力差較小,中部及靠近跟部應力差略高,受西側局部發育天然裂縫影響,中部部分壓裂級水平應力差略低,從圖2c可以看出,紅色部分為巖石應變較大區域,與微地震監測事件吻合很好。使用物質點法模擬了水力壓裂后的儲層改造范圍,確定了各級、各簇地質力學裂縫半長,結合儲層屬性三維展布,進行三維自適應壓裂設計,達得單井壓裂效果的最優化;同時,確定了單井改造范圍,為后期相鄰位置加密井的部署及合理壓裂規模的確定提供依據。

a.彩色為目標層裂縫面密度屬性,粉色為低值,淺藍色為高值,小短線為等效裂縫;b.基于等效裂縫模型得到的差應力分布,綠色為差應力低值,桔黃色為高差應力區域;c.模擬得到的巖石應變與微地震事件疊合圖,彩色平面圖為模擬得到的巖石應變,紅色為高值,藍色為低值,井筒周圍彩色點為各段監測的微地震事件

4 在水平段軌跡和壓裂段長優選的初步應用

4.1 優選水平段方位

礦場實踐及理論分析均表明,在平行于最小水平主應力方向部署水平井,壓裂后能夠形成與水平段垂直的水力裂縫,可大幅度提高單井改造體積(SRV),獲得較高產量。實際操作時,受多種因素(如砂體展布、天然裂縫發育方向等)影響,很難選取平行于最小水平主應力方向作為水平井方向,需要定量的評價不同方向水平段壓裂改造范圍,明確水平段方位對壓裂改造的影響,從而更好地部署水平井。

壓裂前,應用物質點法模擬人工壓裂改造范圍,通過對比不同水平段方位壓裂后的改造范圍,定量評估水平段方位對壓裂效果的影響。考慮到目標儲層非均質性強,局部發育天然裂縫,把儲層劃分為天然裂縫發育區和裂縫不發育區,分別進行模擬,優選最佳的水平段方位。

P2H井目標層位為盒1段3小層,水平段周圍發育天然裂縫,如圖3所示,圖中背景為天然裂縫面密度屬性,黑色表示天然裂縫較高,白色則表示為低值,彩色為井軌跡,以該井水平段為基礎,設置其他角度的水平段,即分別設置向左、向右偏轉10°、20°、…、90°,圖中標注角度為與正北方向的夾角,紅色箭頭為區域水平最大主應力角度。對P2H井壓裂段劃分方案,模擬不同方位水平段人工壓裂改造范圍,如圖4所示,展示了6種角度下的壓裂改造范圍,彩色為模擬得到的巖石應變,紅色為高剪切應變,粉色和藍色為低剪切應變,隨著水平段偏離水平最小主應力方向越遠,預測改造范圍減小。模擬裂縫發育區不同方位水平段壓裂后改造面積,如圖5所示,柱狀圖展示了向左、向右各偏50°模擬改造范圍,當水平段與水平最小主應力夾角介于-20°～20°時,人工壓裂導致天然裂縫被激活,改造面積相差不大,但超出這一角度后,面積降低較多。因此,針對裂縫發育區推薦水平段與水平最小主應力夾角介于-20°～20°,錦30井區水平段方位與正北方向的夾角介于北偏西35°到北偏東5°之間時,預測改造面積較大。

裂縫不太發育區域的水平井,只有當水平段與水平最小主應力夾角介于-10°～10°時,改造面積最大。

4.2 優選平均壓裂段長

使用物質點法模擬不同段長下進行人工壓裂的巖石應變,并對比巖石應變所反映的壓裂改造范圍,優選出最佳的段長。以P2H井為例,該井周圍天然裂縫發育,分別設置平均段長為60、70、80、90、100 m,使用物質點法模擬人工壓裂改造范圍,如圖6所示,彩色為模擬得到的巖石應變,紅色為高剪切應變,粉色和藍色是低剪切應變,根據巖石應變圈定人工壓裂改造范圍。最右側是段長為100 m的巖石應變,段長大,導致段間仍存在改造不充分的現象;隨著段長減小,段間改造不充分的現象逐漸得到緩解,改造面積也不斷增加;如段長為100 m時,預測改造面積為0.311 km2,當段長減少到80 m時,預測改造面積為0.357 km2;段長為70 m時,預測改造面積為0.368 km2;進一步減少至60 m時,預測改造面積為0.370 km2,增加幅度變小。因此,針對裂縫發育區,推薦段長為70 m(圖7)。

圖7 預測天然裂縫發育區不同段長壓裂改造范圍與段長交匯

若井周圍天然裂縫不發育,完全依靠人工壓裂擴大水平井的泄油面積,需要更短的段長才能達到好的壓裂效果,使用相同的方法模擬不同段長下(段長從50 m到90 m五個不同的方案)人工壓裂后的巖石應變,結果表明,隨著段長減小,段間改造不充分的現象大為緩解,改造面積緩慢增加;當段長小于60 m時,預測改造面積增加幅度變緩。因此,針對裂縫不發育區域,推薦段長為60 m。

5 結論

1)物質點方法可有效避免網格變形導致誤差傳遞的現象,非常適合解決材料大規模變形及爆炸的數值模擬問題。

2)國外應用物質點法,研究了人工裂縫與天然裂縫的相互作用,及支撐劑在壓裂過程中濃度的變化,并可模擬水力壓裂后的巖石應變,與微地震吻合較好。

3)在杭錦旗地區P2井應用物質點法模擬壓裂后巖石應變,與微地震監測事件吻合很好,可較好地描述壓裂后水力裂縫形態。

4)應用物質點法模擬不同水平段方位及不同平均段長壓裂改造范圍。裂縫發育區域,推薦水平井軌跡與水平最大主應力夾角-20°～20°,平均段長取70 m左右;裂縫不發育區域,推薦水平井軌跡與水平最大主應力夾角-10°～10°,平均段長取60 m左右,改造面積最大。