特低渗透油藏压裂水平井衰竭开采参数优选研究

徐庆岩，朱大伟，凌浩川，高天放，王学武

(1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083;2.中国科学院渗流流体力学研究所，河北廊坊 065007;3.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊 065007)

利用压裂水平井开发特低渗透油藏已逐渐成为提高储量控制程度和改善油田开发效果的重要手段，在我国很多油田开始得到普遍应用［1］。压裂水平井的参数优选是水平井开发设计的重要研究内容，是水平井技术论证的重要依据。特低渗透油藏孔隙度和渗透率低，孔喉细小，微观结构复杂，流体渗流具有非线性渗流特征，在压裂水平井参数优选中有必要考虑非线性渗流的影响。影响压裂水平井开发效果的参数很多，主要包括水平井长度、裂缝形态、裂缝条数、裂缝长度和裂缝导流能力。前人在进行参数优选时［2～8］，普遍未考虑特低渗透油藏的非线性渗流特征，且仅分析每种参数对开发效果的影响，对各参数的敏感性强弱研究较少。本文利用特低渗非线性渗流数值模拟软件对压裂水平井衰竭开采的参数进行优选，并分析了裂缝条数、裂缝长度和裂缝导流能力等对开发效果的敏感性。

1 基本模型的建立

所谓衰竭开采，即采用天然能量开发，不采用注水或注气等方式补充能量。为了对压裂水平井衰竭开采的产能及影响因素进行系统的研究，本文利用非线性渗流数值模拟软件［9～11］，考虑特低渗透油藏的非线性渗流特征，通过建立数模模型，进行压裂参数最优化及参数敏感性分析。以长庆油田某一具体典型区块为研究对象，在确定了水平段的层位及延伸方向以后，优化压裂水平井的各项主要参数，包括:水平井长度、裂缝形态、裂缝条数、裂缝长度、裂缝导流能力。

数模模型的各项参数和压裂水平井的各项参数选取如表1所示 (参数选自长庆油田元284区块，在具体优化某参数时，会改变其中某一参数的数值)。考虑到模型计算结果的收敛性和准确性，网格步长和时间步长不宜过大，模型采用块中心网格，人工水力压裂裂缝采用局部网格加密的方法实现。模拟计算的时间步长一般为30天，模拟时间一般为10年。

表1 地质模型主要参数表Table.1 Default parameters of geological model

续表

2 参数优选及敏感性分析

2.1 水平井长度优化

水平井井筒内的流体流动与直井有着明显的差别，水平井水平段的流动为变质量流动，需要考虑井筒摩阻效应对水平井产能的影响。软件内嵌多段井模型，将井筒分为不同的段，每段都可以有不同的流体压力和流量。为了研究压裂水平井衰竭开采时水平段长度最优化的问题，考虑水平井筒内部的压力损失，即沿水平井筒的摩擦阻力不可忽略，模型参数及裂缝设计见表1。设计水平井长度分别为500m、600m、700m、800m、900m、1000m，利用非线性渗流数值模拟软件，分别建立地质模型，并对比各模型的采出程度 (图1)。

图1 不同水平井长度不同时间采出程度对比曲线图(考虑井筒摩阻)Fig.1 Recovery efficiency contrast curve of different length of horizontal well

由图1可以看出，考虑水平井筒摩阻，采出程度曲线与水平井长度的关系并不是线性关系，而是呈向下弯曲的曲线。而由图2可以看出，不考虑井筒摩阻，采出程度曲线与水平井长度的关系是线性关系。考虑井筒摩阻，随着水平井长度的增加，储层的采出程度逐渐增加，但增幅逐渐变缓，其中800m是拐点，当水平井长度达到800m时，产量增速明显变小，且水平井长度增加，成本也会相应增加。因此，优选水平井长度800m为最佳长度。

图2 不同水平井长度不同时间采出程度对比曲线图(不考虑井筒摩阻)Fig.2 Recovery efficiency contrast curve of different length of horizontal well

2.2 裂缝形态优化

不同水力裂缝形态直接影响水平井压裂后的产能，水平井人工裂缝一般有3种形态:横向缝、纵向缝和水平缝 (图3)。横向缝是指裂缝面与水平井筒相垂直的裂缝，纵向缝是裂缝面平行水平井筒方向的裂缝，水平缝是裂缝面沿水平方向延伸的裂缝 (这种裂缝实际情况很少见)。当水平井筒轴线与最大主应力方向垂直时产生横向裂缝，当水平井筒轴线与最大主应力方向平行且展布方向为垂向时产生纵向裂缝，当水平井筒轴线与最大主应力方向平行且展布方向为平面时产生水平裂缝。

图3 水平井水力裂缝不同裂缝形态图Fig.3 Different hydraulic fracture morphology of horizontal well

本文对比了不同渗透率级别下，水平井压裂纵向缝和横向缝 (以压开4条裂缝为例)的开发效果。由图4可知，水平井压开横向缝的开发效果明显要好于纵向缝，且渗透率越低差异越明显。

同时从压力场的对比图(图5)中可以看出，水平井压裂横向缝的压力衰竭影响范围更大，泄油面积也更大，反映出对地层能量的利用率更高。综合横向缝和纵向缝的产油和压力场对比，水平井压裂横向缝开发效果要好于纵向缝。

图4 油藏水平井压裂横向缝与纵向缝累计产油量对比图Fig.4 Cumulative oil contrast curve between transverse fractures and longitudinal fracture

图5 水平井压裂纵向缝和横向缝的压力场对比图Fig.5 Pressure field of horizontal well with longitudinal fracture and transverse fractures

2.3 裂缝条数优化

当水平井套管完井时，人工压裂裂缝是连通油藏与井筒的唯一通道，因此，裂缝条数是制约油井产能的重要因素。为了研究裂缝条数对开发效果影响，模型方案设计不同了裂缝条数 (1条、2条、3条、4条、5条、6条、7条、8条、9条)，模型其他参数见表1(固定裂缝长度和裂缝导流能力等参数)。裂缝间采用等距分布的方式，模拟不同裂缝条数时的生产情况，分析不同裂缝条数对累计产油量的影响，进行水平井合理裂缝条数的优选 (图6)。

由图6可知，随着裂缝条数的增加，压裂水平井的累计产油量量总体上逐渐增加;但随着裂缝条数的增加，累计产油量增幅逐渐减小。这是因为随着裂缝条数的增加，裂缝间的距离变得更近，相互间的干扰加重，使每条裂缝的产量减小，因而使得压裂水平井的累计产油量增幅变缓。当裂缝条数较多时，会增加压裂工艺的难度和经济成本，因此对于具体的油藏存在最佳的裂缝条数。本区块优选最佳裂缝条数为6条。对于压裂水平井，若裂缝是等间距分布，当最佳的裂缝条数确定后，最佳的裂缝间距也就确定了，因此本区最佳的裂缝间距在100m左右。

图6 不同裂缝条数的累计产油量对比图Fig.6 Cumulative oil contrast curve of different fracture number

2.4 裂缝长度优化

裂缝长度也是影响压裂水平井产能的一个重要因素。为了研究裂缝长度对压裂水平井产能的影响，设计了不同裂缝长度 (50m、100m、150m、200m)，模型其他参数选用表1中参数，建立不同裂缝长度下的模型，分析不同裂缝长度对水平井累计产油量的影响，并进行合理裂缝长度的优选(图7)。

图7 不同裂缝长度的累计产油量对比图Fig.7 Cumulative oil contrast curve of different fracture length

模拟结果表明 (图7)，压裂水平井累计产量并不是随着裂缝长度的增加而线性增大;对于具体的油藏，储层渗透率、水平井长度、裂缝导流能力和裂缝条数一定时，存在一个相对最佳的裂缝长度值，本例优选最佳裂缝长度为150m。

2.5 裂缝导流能力优化

裂缝导流能力对于压裂水平井产能也有影响。但是，对于某一具体油藏，裂缝导流能力并不是越大越好.当裂缝导流能力越大时，需要的压裂工艺难度更高，相应成本也越高。当储层渗透率、水平井长度、裂缝条数和裂缝长度确定时，存在一个相对最佳的裂缝导流能力值 (图8)。

图8 不同裂缝导流能力的累计产油量对比图Fig.8 Cumulative oil contrast curve of different fracture conductivity

模拟结果表明 (图8)，随着裂缝导流能力的增加，压裂水平井累计产油量增加;但裂缝导流能力增加到一定值时，累计产油量增幅逐渐变缓，优选最佳裂缝导流能力为30D·cm。

2.6 参数敏感性分析

上述一系列水平井压裂参数优选是在固定渗透率级别、水平井长度的条件下进行的;但实际上，当储层渗透率、水平井长度发生改变时，水平井压裂参数最佳值也会发生改变，且裂缝各参数的敏感性并不一样。

2.6.1 渗透率对参数优化的影响

为了研究渗透率级别对压裂参数优化的影响，以及各参数对于渗透率改变的敏感性，设置了0.3mD、0.5mD、1mD、3mD、10mD这 5个渗透率级别。在各渗透率级别下，通过建立一系列模型进行优选，前面所述的各参数 (裂缝条数、裂缝长度、裂缝导流能力)最优值如表2所示。

表2 不同渗透率级别下各参数最优值表Table.2 Optimal value parameter values under different permeability levels

由表2可知，随着渗透率的增加，压裂水平井的最佳裂缝条数逐渐减少，最佳裂缝长度也呈现减小的趋势，最优裂缝导流能力则没有变化。可见，对于渗透率级别的改变，最为敏感的是裂缝条数，其次是裂缝长度，裂缝导流能力最为不敏感。

2.6.2 水平井长度对参数优化的影响

为了研究水平井长度对压裂参数优化的影响，以及各参数对于水平井长度改变的敏感性，设计了400m、500m、600m、700m、800m 5个水平井长度级别。在各水平井长度级别下各参数最优值见表3。

表3 不同水平井长度下各参数最优值Table.3 Optimal value parameter values under different horizontal well length

随着水平井长度的增加，压裂水平井的最佳裂缝条数逐渐增加，最优裂缝长度呈现减小的趋势，最优裂缝导流能力则基本没有变化。可见，对于水平井长度的改变，最为敏感的是裂缝条数，其次是裂缝长度，裂缝导流能力最为不敏感。

3 结 论

(1)利用特低渗透油藏非线性渗流数值模拟软件，对压裂水平井衰竭开采的水平井长度和压裂裂缝的裂缝形态、裂缝条数、裂缝长度、裂缝导流能力进行了优化。

(2)当固定水平井长度和渗透率级别，通过控制变量法进行研究可以发现，压裂水平井衰竭开采具有最优的裂缝条数、裂缝长度和裂缝导流能力。

(3)通过不同渗透率级别和水平井长度下的裂缝参数优选可知，对于压裂水平井衰竭开采开发效果，最为敏感的是裂缝条数，其次是裂缝长度，裂缝导流能力最为不敏感。

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