基于三维模型的低渗透非均质储层单砂体全缝长压裂改造与剩余油挖潜

刘培刚,张志强,王晓飞,潘 懋,师永民

(1.北京大学地球与空间科学学院,北京100871;2.中国石油大学计算机与通信工程学院,山东青岛266580;3.中石油长庆油田分公司第一采油厂,陕西延安716009)

基于三维模型的低渗透非均质储层单砂体全缝长压裂改造与剩余油挖潜

刘培刚1,2,张志强1,王晓飞3,潘 懋1,师永民1

(1.北京大学地球与空间科学学院,北京100871;2.中国石油大学计算机与通信工程学院,山东青岛266580;3.中石油长庆油田分公司第一采油厂,陕西延安716009)

考虑到对陆相非均质储层压裂缝扩展规律及储层改造程度认识不足,首先通过测井曲线对鄂尔多斯盆地王窑区块目标层段进行单砂体细分,采用常规测井、特殊测井与沉积微相特征结合开展油藏三维物性与岩石力学场建模,其次进行随井间储层和应力场变化的全缝长压裂数值模拟,最后通过裂缝的展布情况与油田动态数据结合,对非均质储层动用程度进行分析。研究认为三角洲前缘多期河道侧向叠置砂体储层单砂体在垂向差异大,侧向变化快,因此须突破传统的压裂数值模拟方法,基于实际三维模型的单砂体全缝长压裂模拟更为合适。所提方法在鄂尔多斯盆地实施后增产效果明显,实施井次成功率高达90%以上,平均日增油2 t以上,说明该方法可应用于低渗非均质储层开发中后期的剩余油挖潜。

鄂尔多斯盆地;非均质储层;单砂体;岩石力学模型;全缝长压裂;剩余油挖潜

陆相非均质储层砂体侧向延伸范围小,纵向物性差异大,油水井之间不能建立有效驱动体系,油层内有效动用程度差异大。对油藏整体压裂后纵横向上单砂体之间裂缝的展布特征认识不清,难以确定油水井之间及各单砂体之间是否形成了有效的沟通裂缝。针对上述问题,国内外学者针对全球不同油田储层的压裂缝分布规律提出了一系列预测理论和方法[1-5]。油田开发前期主要以大规模体积压裂为主,由于低渗储层非均质性较强,因此在纵向上水驱效果存在很大差别,剩余油分布不均[6],而这种情况直到油田开发中后期才逐渐被重视。梁文富等[7-8]通过单砂体注采关系完善程度对单井进行评价,进行特高含水期水驱精细调整挖潜。王一博等[9-11]通过河道砂体储层非均质性探讨单砂体对剩余油分布的控制作用。张庆国等[12-13]从三维空间展布对单砂体进行精细刻画,将其分类并采取相应挖潜对策。另外,一些学者针对水力压裂缝扩展机制及影响因素进行相应研究,Munjiza等[14]认为人工压裂要考虑油层和岩层的不同力学行为,保证裂缝不能穿透岩层。张林等[15]认为河流沉积作用会对水力压裂裂缝形态产生影响,并对其横向延伸机制进行了研究。Fisher等[16]认为水力压裂受到岩石物理机制、沉积环境等的影响,使得非常规储层的缝高受到限制,这对油田经济开发具有积极的作用。吴文娟等[17]提出超低渗油气藏非对称压裂数值模拟理论及应用技术。目前针对鄂尔多斯盆地特低渗非均质储层的裂缝扩展特征研究尚缺乏较为系统和精确的适用方法,笔者通过测井曲线对目标层段进行单砂体细分,采用常规测井、特殊测井与沉积微相特征结合开展油藏三维地质与岩石力学场建模,并进行随井间储层和应力场变化的全缝长压裂数值模拟,以期对陆相低渗透非均质储层中后期改造与剩余油挖潜提供理论指导。

1 单砂体细分与对比

单砂体指自身垂向上和平面上都连续,但与上、下砂体间有泥岩或不渗透夹层分隔的砂体,单砂体细分与对比是油气藏开发的基础,对于判断剩余油分布规律的研究意义重大[18-19]。鄂尔多斯盆地王窑区块致密储层属于三角洲前缘水下分流河道多期叠加沉积,泥质夹层、钙质夹层及物性夹层均很发育,层间非均质性强,平面分布不稳定;并受河流流向控制,水下分流河道沉积微相为其骨架砂体,砂体展布方向性明显,呈北东—南西向展布。将长611小层分为长611-1、长611-2和长611-33个砂体,其内部又由若干个多期形成的单砂体相互切叠,形成侧向复合砂体,导致层内及平面非均质性增强。

为进一步揭示储层内部非均质性,建立较为精确的油藏三维空间展布的岩体力学模型,通过野外露头、连井剖面对比结合,开展层内单砂体连通性描述及单砂体的精细划分。将研究的主力油层长进一步分为长611-2-1、长611-2-2、长611-2-3和长4个单砂体,每个单油砂体厚2～3 m,单砂体之间发育应力夹层或层间接触面,特征明显(图1)。

鄂尔多斯盆地东缘延长县长611野外剖面横向变化模型指导下的安塞油田长611油层连井剖面对比见图2,从中可以发现井间单砂体变化快、连通性差,反映本区多期河道叠加成因的侧向复合砂体特征,可以分为3类储层。对比结果表明,各储层在剖面上夹层的出现频率相差不大,长611-2和长611-3夹层相对较发育,在平面上,夹层频率高的区域往往出现在河道和靠近分流间湾泥质沉积之间[18]。这是由于在河道主体带上,泥质夹层不易保留,在远离河道主体带部位,延伸至此的砂体也减少,砂层间的夹层自然也少,而恰恰在二者之间,一般砂体均可延伸到,加上泥质夹层不易被冲刷掉,因此夹层出现频率较高之处往往在主河道与分流间湾泥质沉积处之间的部位。

2 精细沉积微相剖析

王窑区块位于陕北地区长6油层的三角洲前缘亚相带内,根据其岩性、物性特征,利用测井曲线将研究区的沉积微相细分为水下分流主河道、水下分流浅河道、水下分流浅滩与水下分流间湾沉积。通过测井曲线组合得到各单砂体的砂地比,并以大型浅水三角洲水下分流河流沉积模式为指导,再结合研究区历年生产动态数据,最终进一步精细刻画长611-2-1—长4个单砂体的沉积微相平面展布图(图3)。

图1 延长县长611油层野外露头与安塞油田长611油层测井对比Fig.1 Contrast between outcrop photo of Chang 611reservoir in Yanchang county and logging of Chang 611reservoir in Ansai Oilfield

3 特殊测井与岩石力学性质

通过偶极子声波测井得到纵横波时差,进而计算储层岩石力学参数。常规测井中可以得到岩石密度和纵波时差曲线,横波时差可以通过阵列或偶极子声波测井得到,因此须通过研究区王检16-157井的偶极子声波测井进行纵横波时差相关关系分析,推广到全区常规测井的岩石力学参数计算。储层地应力场的计算是通过地层垂直应力、构造应力和孔隙流体压力的叠加原理,得到地层总应力,选取该井目的层段实测平均张性破裂压力24.5 MPa为界,高于24.5 MPa部分视为应力隔夹层,这对储层压裂缝纵向延伸规律的研究至关重要(图4)。

处理结果表明(图4),最大水平主应力方向约为NE65°,油层纵向剖面上顶、底纵向应力隔层厚度大,分布稳定;单砂体之间应力夹层非常发育,分布稳定性差,增加了岩体内部应力分布的非均质性;通过岩石力学与应力计算,可以细分出多个应力段,将应力较大段作为单砂体之间的应力隔夹层;这些应力隔夹层将对裂缝的纵向扩展起到一定的屏障作用,造成纵向水淹程度的差别,为剩余油挖潜指明方向。

4 三维精细储层模型建立

在单砂体细分的基础上,以鄂尔多斯盆地安塞油田研究区块为例(图4),采用测井和沉积微相约束的方法建立三维油藏精细地质与岩石力学模型。建模步骤:首先,通过岩心实验、偶极子声波测井和常规测井结合建立井点物性、岩石力学参数;其次,利用井间沉积微相模型约束建立三维精细物性、岩石力学模型;最后,开展重力应力、构造应力、孔隙压力计算及多应力叠加建立地应力场模型,研究区最大水平主应力方向为NE65°。设置模型X×Y×Z网格精度分别为5 m×5 m×0.2 m,网格精度和模型层位的设置符合油田中后期精细开发的需求。三维精细建模属性指导下的压裂模拟全面考虑了地层纵横向非均质性变化特征,优于传统意义上的基于测井参数的半缝长均质储层压裂模拟,这将为中国陆相非均质储层的水力压裂缝扩展规律与特征进行准确精细的表征提供指导[17]。模型层位从上至下依次为:长小层,长611-2-1、长611-2-2、长611-2-3和长611-2-44个单砂体,长611-3小层及长612小层(图5)。

图2 延长县长611野外剖面横向变化模型指导下的安塞油田长611油层连井剖面Fig.2 Sections parallel of Chang 611reservoir in Ansai Oilfield under guidance of lateral changes of profile in field model of Chang 611reservoir in Yanchang County

通过对所建模型主力层位与非主力层位杨氏模量、泊松比概率统计分布的研究可以发现:主力层位河道砂体发育部位的杨氏模量主要集中在33.79×106～39.99×106kPa,泊松比主要集中在0.2～0.25;杨氏模量总体分布范围为27.58×106～44.82×106kPa,泊松比总体分布范围为0.15～0.3,基本上符合正态分布。主力层位的泊松比均值比非主力层位的泊松比均值小0～0.3,反映主力层位砂岩含量较高、泥质含量较低的特点,说明主力层发育在水下分流河道沉积相,储层物性较好。通过以上模型分析认为:储层物性、岩石力学及地应力模型都存在稳定条带状分布的应力隔夹层发育,在压裂施工参数相同的情况下,压裂过程中裂缝形成的展布特征与岩体的力学性质及地应力分布直接相关。

图3 研究区单砂体精细沉积微相平面图Fig.3 Fine sedimentary microfacies classification results of study area

图4 王检16-157井偶极子声波测井岩石力学综合图Fig.4 Logging interpretation results of well Wj16-157

图5 安塞油田某区块长61目的层三维精细地质模型Fig.5 3D fine geological models of Chang 61in WY zone of Ansai Oilfield

5 非对称压裂缝展布特征预测

全缝长压裂指压裂后裂缝在井筒以外的实际分布状况,包括井筒两侧不对称分布的缝长、缝高、缝宽、走向、倾向等。由于多期河道叠加致使储层纵横向的非均质性较强,而适合于海相均质储层的半缝长压裂模拟(左右对称的裂缝)难以表征陆相非均质性储层的压裂缝展布特征。基于建模属性指导下的压裂模拟也全面考虑了地层纵横向非均质性变化特征,优于传统意义上的基于测井参数的压裂缝模拟,这将为中国致密非均质储层的人工裂缝展布特征进行准确精细的表征提供指导。

为达到预测陆相非均质储层压裂缝非对称展布的目的,须实现三维地质、岩石力学和地应力模型与压裂模型的数据对接。首先,根据储层地质模型5 m×5 m×0.2 m的网格精度,设置导入压裂模拟软件中的网格精度为横向5 m,纵向0.2 m;其次,沿最大水平主应力方向穿过井筒切出截面地质属性模型数据,输入压裂计算软件得出各属性在网格化界面上的分布图;最后,设计砂量、混砂比、排量等压裂施工工序参数,预测压裂缝非对称展布情况,实现了储层地质模型与压裂预测软件相互对接,考虑了研究区非均质储层的实际。用于全缝长压裂缝模拟并最终揭示非均质储层裂缝展布特征,为剩余油挖潜提供方向。王窑区的水驱前缘与示踪剂监测结果表明,NE66°方向为前缘方向,示踪剂推进速度最快,这与王检16-157井偶极子声波测井得出的最大水平主应力方向吻合,为研究区天然裂缝与压裂缝的主方向。

以研究区王21-10井1227～1242 m压裂层段为例,初次压裂缝非对称展布情况如图6(a)所示(图中,井筒在网格的最中间列,黑色部分为射孔段,随着压裂的实施,裂缝向左右两端推进)。模拟结果显示,该井压裂三段全缝长最长150 m,总缝高6.5 m,最大缝宽2.1 mm,平均缝宽1.3 mm。虽然是整体压裂,但是由于中间稳定的应力隔夹层的影响,压裂缝纵向差异明显,上下层段之间并不连通,压裂缝向高渗透率的储层延伸,因此纵向上储层改造程度不均匀,长611-2-2单砂体和长611-2-4单砂体都压开,上、下段改造程度较大,对改善储层导流能力贡献较多;而中间层长611-2-3未压开,中间段改造程度较小,裂缝没有完全张开,储层并未得到有效动用,且隔夹层发育稳定,储层纵向动用严重不均,剩余油潜力较大。裂缝两翼扩展长度差异较大,是符合陆相非均质储层的实际情况,能够最精确地表述致密非均质储层压裂缝三维展布特征,因此对该井进行重复压裂,以充分动用611-2-3单砂体内油藏。

基于以上情况,对该井进行重复压裂,图6(b)为重复压裂后的裂缝展布特征。与之前相比,裂缝长度、高度和宽度都相应增加,尤其是中间层长611-2-3压开,将之前未动用的剩余油进行合理采收,实施效果明显,日增油约为1.5 t。依据本文中方法,对鄂尔多斯盆地的新井进行纵向选层和压裂预测,老井进行重复压裂改造,现场实施结果(表1)表明:成功率高达90%以上,单井平均日增油2t以上,平均含水量下降明显,取得较好的实施效果。

图6 王窑区块王21-10井1227～1242 m压裂缝非对称展布特征Fig.6 Asymmetric fracture distribution of 1227-1242 m in well W21-10,Wangyao zone

表1 研究区块措施选井实施效果Table 1 Effect of implementation of measures in study area

6 结 论

(1)根据鄂尔多斯盆地延长组致密砂岩储层沉积特征,在单砂体细分基础上,通过测井、三维精细模型与生产动态相结合的全缝长压裂数值模拟方法可以对压裂缝扩展特征进行准确预测,适合于低渗非均质储层开发中后期的剩余油挖潜。

(2)基于三维精细模型的全缝长压裂模拟方法的研究,近几年来在鄂尔多斯盆地实施的措施增产效果好。研究表明压裂改造后裂缝沿单砂体内部横向延伸,应力隔夹层对裂缝的垂向扩展起到很好的封隔作用,解释了储层剖面动用不均的主要原因,为提高油田最终采收率有重要的指导作用。

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(编辑 修荣荣)

Revelation on remaining oil and full length hydraulic simulation of single sand bodies based on 3D models in low permeability heterogeneous reservoirs

LIU Peigang1,2,ZHANG Zhiqiang1,WANG Xiaofei3,PAN Mao1,SHI Yongmin1
(1.School of Earth and Space Science,Peking University,Beijing 100871,China;2.College of Computer and Communication Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China;3.The First Oil Production Plant,Changqing Oilfield Company of PetroChina,Yanıan 716009,China)

Crack propagation laws in continental heterogeneity reservoir and the actual development of reservoir reconstruction processes are poorly understood.In this study we divided single sand body in a target zone in the Wangyao zone of Ordos Basin by using logging curves.Combining conventional logging and special logging,as well as sedimentary microfacies modeling of reservoir,we built a three-dimensional model of rock mechanics.Then,we carried outfull-length fracturing simulations of interwell reservoir and varying stress field.Through the distribution of cracks and the field performance data,we analyzed the producing degree in heterogeneous reservoirs.Our results indicate that significant variations of single sand body in tight sandstone reservoirs are present,therefore,fracturing simulations of single sand body based on real data of 3D models are nee-ded.Through applications in Ordos Basin in recent years,increased production rate is obvious,and over 90%success rate is reported among the implemented wells,with an average of more than 2 t/d production increase.The successful application suggests that the method is suitable for improving the residual oil potential in the mid-late development of low permeability heterogeneity reservoir.

Ordos Basin;heterogeneous reservoir;single sand body;mechanics model;full-length fracturing;revelation on remaining oil

TE 348

:A

刘培刚,张志强,王晓飞,等.基于三维模型的低渗透非均质储层单砂体全缝长压裂改造与剩余油挖潜[J].中国石油大学学报(自然科学版),2017,41(3):56-64.

LIU Peigang,ZHANG Zhiqiang,WANG Xiaofei,et al.Revelation on remaining oil and full length hydraulic simulation of single sand bodies based on 3D models in low permeability heterogeneous reservoirs[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2017,41(3):56-64.

1673-5005(2017)03-0056-09doi:10.3969/j.issn.1673-5005.2017.03.007

2016-10-08

国家重大科技专项(2016ZX05013005-009)

刘培刚(1979-),男,讲师,博士研究生,研究方向为计算机应用、信息地质。E-mail:dongfangwy@126.com。

师永民(1966-),男,研究员,博士,博士后,研究方向为低渗油田开发和储层地质。E-mail:sym@pku.edu.cn。