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基于电模拟实验的水平井裂缝参数优化

2016-06-13李占东

关键词:正交试验水平井

马 婧,李占东,申 彤

(东北石油大学,黑龙江 大庆 163318)



基于电模拟实验的水平井裂缝参数优化

马婧,李占东,申彤

(东北石油大学,黑龙江 大庆163318)

摘要:针对实际生产中水平井井身设计及储层渗流机理十分复杂的情况,运用水电相似原理进行电模拟实验对渗流场进行模拟,通过设置不同的参数级别分析各裂缝参数对产能的影响,在此基础上分别分析了单因素的最佳值,并运用正交实验方法对参数进行综合优选。将最终得到的试验结果应用于研究区,增产效果明显。研究成果可为压裂水平井产能和效率的提高以及低渗透油藏的高效开采提供参考。

关键词:低渗透油气藏;水平井;裂缝参数;电模拟实验;正交试验

水平井压裂技术作为低渗透油气田高效开发的一项重要技术已广泛应用于各大油气田生产中[1-2]。实施水平井压裂改造的关键是按照施工设计要求造缝并对裂缝参数进行优化[3]。但水平井的井身设计极为复杂,仅依靠数学方法对压裂水平井储层流体渗流规律进行描述非常困难[4]。依据水电相似原理,应用电流场对渗流场进行模拟,可以较为直观地研究压裂水平井各参数对于裂缝产能的影响,进而对各参数进行优化,提高裂缝的最终产能.

1电模拟实验

1.1实验原理

电模拟实验以水电相似原理为理论基础[5-6]。流体在储层中的渗流符合达西定律及拉普拉斯方程,电流在导电介质中的流动满足欧姆定律和拉普拉斯方程[7]。由此可知,当二者的几何条件相似时,渗流场与电流场具有相似性,因此可以通过建立电流场测得相应的电流、电压及电阻等数据,通过换算关系就可以得到渗流场的相应数据。渗流场与电流场的参数对应关系见表1。

表1  渗流场与电流场的参数对应关系

表1中:

(1)

(2)

(3)

(4)

由欧姆定律、达西定律及式(1)~(4)可以得到:

(5)

式(1)~(5)中:MP为压力相关系数;MQ为流量相关系数;ML为几何相关系数;MR为阻力相关系数;K为渗透率;μ为黏度。在实际操作中,由式(1)与式(4)分别计算出压力相关系数与阻力相关系数,根据式(5)计算出流量相关系数,再由式(2)与测得的电流值计算得出油井产量。

1.2实验装置与步骤

水电模拟实验装置主要由油藏模拟系统、低压电路系统、测点定位系统和数据采集系统 4 部分组成[8]。油藏模拟系统由长、宽、高分别为1 500,1 500,350 mm的电解槽构成。电解槽内装有一定浓度的硫酸铜溶液以模拟油藏。实验以铜丝模拟水平井筒,铜片模拟垂直裂缝;铜片由铜丝垂直串联,铜丝未与铜片接触的水平段部分由橡胶套密封[9]。通过数据采集系统获得所需要的各项油藏参数。电模拟实验装置如图1所示。

图1 电模拟实验装置

实验步骤分为3步:① 对供给边界加上直流的稳定电压;② 通过低压电路及测点定位系统测量通过压裂水平井及裂缝的电流;③ 改变原有井网参数,重复进行步骤①和②。

1.3实验结果分析

通过数据采集系统获得通过裂缝及水平井的电流大小,进行相关系数的换算,得到3条裂缝与压裂水平井的最终产量,如表2所示。

由表1数据可以得到:压裂水平井平均产量与3条裂缝产量的平均值之差小于4%,且3条裂缝产量之和要大于压裂水平井的产量。由于研究区为低渗透油藏,单井日产量较低且产量下降快,因此可以忽略对最终产量有影响的不利因素。由此可以认定裂缝的产量之和即为压裂水平井的产量。

同时,由表1裂缝产能分布情况可以看出:裂缝1与裂缝3的产量要大于裂缝2的产量,说明中部裂缝的产量要小于边部裂缝。这是由于中部裂缝容易受到两侧边部裂缝的干扰,因此产量有所降低。所以应该采取扩大裂缝间距的措施以减小裂缝之间的相互影响,保证裂缝产量的平均分布,使单个裂缝能达到自身的最大产量。

表2  裂缝与水平井产量

2裂缝产能影响因素分析

根据研究区数据资料建立模型,分别分析裂缝数量、裂缝长度、裂缝间距对水平井压裂产能的影响,并对以上3个参数进行优选。

2.1裂缝数量

裂缝条数对于累积产油量具有一定的影响,但当裂缝条数超过一定数量时,裂缝间的互相干扰会影响最终产能的大小,因此选取合理的裂缝条数对于提高裂缝的最终产能十分必要。通过建立的模型模拟裂缝的产能状况。固定水平段总长度为420 m,裂缝数量分别为3,4,5,6,7条,即裂缝间距分别为140,105,84,70及60 m。最终累积产油量如图2所示。

由图2可知:累积产油量随裂缝数量的增加呈现不断增大的趋势。当裂缝数量为5条时,曲线呈现出最陡峭的趋势;当裂缝数量大于5条时,曲线逐渐趋于平缓。这是由于随着裂缝数量的增加,裂缝之间的干扰越加明显,裂缝产能受到不利影响。因此,保证最终产能的最优裂缝数量为5条。

图2 裂缝数量对产油量的影响

2.2裂缝长度

裂缝长度对压裂水平井产能具有一定的影响。根据地应力的分布、 压裂方法的限制以及连通天然裂缝密集带的需要,各条裂缝的长度可能不同[10]。为此,研究不同长度裂缝对最终产能的影响就十分必要。选取长度分别为30,60,90,120,150 m的裂缝模拟它们在1~5年内的累积产油量,如图3所示。

图3 裂缝长度对产油量的影响

由图3可知:累积产油量随着裂缝长度的增加而不断增大。当长度达到120 m时,曲线的斜率最大;但当长度大于120 m时,曲线已趋于平缓,并且增加幅度不大。这是由于裂缝越长,地层原油从裂缝流到井底所受到的渗流阻力也越大[11]。因此,保证最终产能的最优裂缝长度为120 m。

2.3裂缝角度

在进行压裂时,裂缝的延伸方向总是垂直于最小主应力方向,但是受钻井情况及地质条件的影响,水平井井筒方向不一定沿最小主应力方向,因此裂缝方向会与井筒方向成一定的夹角[12]。分别选取裂缝与水平井筒呈30°,45°,60°,75°,90°的夹角,得到的累积产油量如图4所示。

图4 裂缝角度对产油量的影响

由图4可以看出:累积产油量随着裂缝与水平井筒夹角的增大而不断增大。当夹角大于75°后,累积产油量受夹角变化的影响程度逐渐减小。由此可以认为:夹角取75°或90°时对产能的影响最佳。但考虑到实际施工的状况,75°的夹角对于施工来说较难把握,因此将90°视为最佳夹角。

2.4裂缝宽度

裂缝宽度对裂缝的产能具有一定的影响。在施工过程中,选择不同的支撑剂会导致裂缝宽度不同,最终影响裂缝的导流能力。在其他条件一定的情况下,分别选取2,2.5,3,3.5,4 mm的裂缝宽度,得到的累计产油量如图5所示。

图5 裂缝宽度对产油量的影响

由图5可以看出:随着裂缝宽度的增加,累积产油量不断增加。当裂缝宽度大于3.5 mm时,累积产量的变化幅度已有所减小。考虑到实际生产中的操作条件以及经济因素的影响,最优的裂缝宽度为3.5 mm.

3正交实验与参数优化

正交实验是研究多因素、多水平影响的一种设计方法,它通过直观分析方法来确定最优实验参数组合[13]。张士诚等[14]指出低渗透油藏整体压裂方案优化的目标是多样的,因此采用正交实验法建立了整体压裂方案优化的经济评价方法和多变量、多目标的优化模型。

选取裂缝数量、裂缝长度、裂缝夹角、裂缝宽度4个参数进行正交实验。分别设置4个参数的5级水平值(如表3所示),共组成了625组实施方案,但只需要进行25次实验就能得到最优方案。正交实验方案如表4所示,试验结果如表5所示。

代表每个参数对采出程度影响的因子X为每个参数在每一水平(W1,W2,W3,W4,W5)下的采出程度的平均值,同一参数的X值的最大值与最小值的差值为极差。极差数值越大,说明该参数对采出程度的影响越大。由表5可知:裂缝长度对采出程度的影响最大,其次是裂缝夹角与裂缝宽度,裂缝数量影响最小。同时,对于每一参数,X的最大值对应的参数水平即为该参数的最优水平,即:裂缝数量为7条,裂缝夹角为90°,裂缝长度为120 m,裂缝宽度为2 mm。以上数据可为实际生产提供参考。

表3 参数水平划分

表4 正交实验方案

表5  正交实验结果

4现场应用

针对研究区M区块的5口井,采用压裂技术按照以上得到的最优裂缝参数进行压裂,即设置7条裂缝,裂缝夹角为90°,裂缝长度为120 m,裂缝宽度为2 mm。将这5口井的产量与同一区块未按照优化参数进行压裂的邻近5口井的产量进行对比,结果如表6、7所示,可见产量提高了6.26万m3/d,增产效果明显。

表6  邻井压裂参数及产油量

表7  目的井压裂参数及产油量

5结束语

依据水电相似原理建立电流场以模拟渗流场,根据达西定律、欧姆定律以及拉普拉斯方程推导出电流场和渗流场参数间的关系系数,进而实现对二者参数的换算。

根据电模拟实验数据采集系统得到的数据,应用相关系数得到裂缝与水平井的最终产量。通过比较压裂水平井及3条裂缝的独立产量及总产量可知:压裂水平井产量等于3条裂缝的产量之和。由3条独立裂缝产量分布可知,中缝的产量要小于两条边缝的产量,这是由于缝间干扰作用对裂缝产能产生了不利影响,因此在实际生产中,应控制好裂缝间的间距以最大限度发挥单个裂缝的产能。

依据研究区的数据资料建立模型,单独分析裂缝的数量、长度、夹角、宽度4个因素对裂缝产能的影响,并对4个参数分别进行筛选,最终得到最佳参数分别为:裂缝数量为5条,裂缝长度为110 m,裂缝与水平井井筒的夹角为90°,裂缝宽度为3.5 mm。

采用正交实验方法建立25种实验方案对4个参数进行优化,最终得到对采出程度影响最大的参数是裂缝长度,其次是裂缝夹角与裂缝宽度,裂缝数量影响最小。各参数的最优值分别为:裂缝长度为120 m,裂缝夹角为90°,裂缝宽度为2 mm,裂缝数量为7条。将最优裂缝参数应用于研究区M区块的5口井,与相邻未进行参数优化的5口井的产量进行对比,可见产量提高了6.26万m3/d,增产效果明显。

参考文献:

[1]魏明臻,王鸿勋,张士诚.水平裂缝参数优化技术研究[J].断块油气田,1999,6(3):36-39.

[2]苏建政.水平井压裂选井选层技术探讨[J].断块油气田,2010,17(4):455-457.

[3]吴英,程林松,张斌,等.低渗透气藏提高采收率方法研究现状及发展趋势[J].油气地质与采收率,2005,12(6):46-48.

[4]吴晓东,隋先富,安永生,等.压裂水平井电模拟实验研究[J].石油学报,2009,31(6):13-18.

[5]高海红,曲占庆,赵梅.压裂水平井产能影响因素的实验研究[J].西南石油大学学报(自然科学版),2008,30(4):74-76.

[6]李廷礼,李春兰.低渗透油气藏压裂水平井产能电模拟实验研究[J].中国上海油气,2005,17(6):389-393.

[7]曲占庆,曲冠政,何利敏,等.压裂水平井裂缝分布对产能影响的电模拟实验[J].天然气工业,2013,33(10):52-58.

[8]苏玉亮,曹国梁,袁彬,等.低渗透油藏压裂井网水电模拟[J].深圳大学学报(理工版),2013,30(3):294-298.

[9]曾保全,程林松,李春兰,等.特低渗透油藏压裂水平井开发效果评价[J].石油学报,2010,31(5):791-796.

[10]曲占庆,黄德胜,李小龙,等.低渗气藏压裂水平井裂缝参数优化研究与应用[J].断块油气田,2014,21(4):486-491.

[11]王新杰,唐海,佘龙,等.低渗透油藏水平井裂缝参数优化研究[J].岩性油气藏,2014,26(5):129-132.

[12]曲占庆,赵英杰,温庆志,等.水平井整体压裂裂缝参数优化设计[J].油气地质与采收率,2012,19(4):106-110.

[13]田冷,何永红,王石头,等.超低渗透油藏水平井参数正交试验设计与分析[J].石油天然气学报,2012,34(7):106-108.

[14]刘哲,曾凡辉,周晓玲,等.正交实验法优选整体压裂裂缝参数研究[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2013,15(5):68-71.

(责任编辑刘舸)

Optimization Research of Horizontal Well Fracture Parameters Based on Electrical Analog Experiments

MA Jing, LI Zhan-dong, SHEN Tong

(Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

Abstract:According to the fact that the actual production in the design of the horizontal wellbore and reservoir percolation mechanism is very complex, using similarity principle of water and electricity, we simulated the electric simulation of seepage field by setting different parameters level analysis of the fracture parameters influence on capacity, and on the above basis, we analyzed the best value for the single factor and had integrated optimization of the parameters with orthogonal experiment method. The final result was applied to the study area and the production increased obviously. The achievements can provide the reference for realizing the high efficient production of the fractured horizontal wells and efficient exploitation of low permeability reservoirs.

Key words:low permeability reservoirs; horizontal well; fracture parameter; electrical analog experiment; orthogonal test

收稿日期:2016-03-18

基金项目:国家自然科学基金资助项目(41172134)

作者简介:马婧(1992—),女,黑龙江大庆人,硕士,主要从事油气田开发理论与技术的研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.014

中图分类号:TE357

文献标识码:A

文章编号:1674-8425(2016)05-0075-06

引用格式:马婧,李占东,申彤.基于电模拟实验的水平井裂缝参数优化[J].重庆理工大学学报(自然科学),2016(5):75-80.

Citation format:MA Jing, LI Zhan-dong, SHEN Tong.Optimization Research of Horizontal Well Fracture Parameters Based on Electrical Analog Experiments[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science),2016(5):75-80.

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