水力压裂裂缝参数优化研究

马云贵

（西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065）

水力压裂裂缝参数优化研究

马云贵

（西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065）

水力压裂是油气增产的重要措施，而压裂裂缝的长度、裂缝导流能力等参数对压裂井的产能有很大影响，因此优化水力压裂裂缝参数很有必要。本文通过讨论水力裂缝参数对产能的影响，并分析水力压裂裂缝参数优化的方法，对比各方法的优缺点得出，综合考虑经济成本和效益，运用水电相似原理，结合数值模拟方法以及净现值法（NPV）进行裂缝参数优化，最后得出最佳裂缝长度、最佳裂缝导流能力等参数。

水力压裂；裂缝；参数优化

水力压裂对低渗透油气田增产具有重要意义。正确认识水力压裂裂缝的特征，可将水力裂缝的作用最大化，这对于提高低渗透油田的产能有战略性的意义[1-4]。本文主要讨论裂缝长度、裂缝导流能力及其他裂缝参数对压裂井产能的影响，并分析水力压裂裂缝参数优化的方法，对比各方法的优缺点，为低渗透油田压裂开发设计提供宝贵意见。

1 裂缝参数对产能的影响

1.1 裂缝长度

研究表明，压裂井的产能并不是随裂缝长度的增加而线性增大。若裂缝长度过大，会在地层中形成高渗通道，影响注水波及面积，造成油井过早水淹等问题，不利于生产。通过建立无因次生产指数与无因次裂缝导流能力、裂缝长度三者之间的关系式[5-8]，得出，存在一个最佳裂缝长度，使得压裂井的产能最优。在整体压裂中，裂缝长度需要和井网相匹配，避免裂缝过长而导致油井过早水淹。

1.2 裂缝导流能力

裂缝导流能力的主要影响因素为裂缝宽度及裂缝渗透率。研究表明压裂井的产量随着压裂裂缝导流能力的增大而增加，但增长速度逐渐减慢，考虑经济成本和效益，存在最佳的无因次裂缝导流能力。另外，裂缝导流能力的时效性对产能影响较大，在压裂后生产早期，裂缝导流能力随时间的推移迅速下降，产能也不断的快速降低；而在压裂后生产后期，裂缝导流能力趋于不变，产能下降速度变慢。

1.3 其他裂缝参数

在水力压裂过程中,裂缝会沿着与裂缝走向垂直的方向上扩展延伸,当缝高过大时，裂缝有可能会进入隔层，会影响水力压裂效果，而且当裂缝延伸进入邻近含水层时，会导致油井见水，含水率升高，当油藏有气顶时，引气入井的隐患需要考虑。裂缝条数和裂缝方位也是影响压裂井产能的因素，相比于单一的水平缝或者垂直缝，复杂的缝网能够极大地提高储层渗透率，从而提高产能。

2 水力压裂缝参数优化方法

目前水力压裂裂缝参数优化的方法以解析法和数值模拟法为主。

2.1 解析法

2.1.1 无因次支撑指数法 R.Oligeny等定义支撑剂指数的概念为：

式中：Np－支撑剂指数；Kf－裂缝渗透率；K－基质渗透率；Vp－支撑剂体积；Vres－气藏体积；IX－穿透比；xf－裂缝单翼缝长；xe－气藏边长；CfD－无因次裂缝导流能力；wp－裂缝平均宽度。

该方法忽略了裂缝导流能力随时间会发生变化、压后裂缝有效渗透率变化等情况，因此，应用支撑剂指数法，需要结合压裂后裂缝有效渗透率和裂缝导流能力随时间的变化关系式，得到与生产实际相匹配的最优裂缝参数。

2.1.2 水电相似原理 水电相似原理是根据渗流场与电场的形状以及分布类似的特点，在相似的边界条件下能够得到相似的解，具体的相似系数如下。

各相似系数之间应满足：CQ=CLCρCp

上述各式中，X，Y，Z-油藏中的长度；x，y，z-电流场中的长度；k-渗透率；μ-黏度；ρ-电导率；Δp-压差；ΔU-电压差；v-渗流速度；i-电流密度；Q-流体流量；I-电流。

利用相似系数，由电流密度的大小来模拟裂缝的有效渗透率，由电流场中的导体模拟裂缝参数，建立渗流场与电场的解析关系式，得到裂缝参数的变化对产能的影响，最终得到最优裂缝参数的解析解。

2.2 数值模拟法

运用数值模拟法对水力压裂裂缝参数进行优化，首先通过达西渗流定律和物质平衡原理，根据油藏特征和水力裂缝的渗流特征，建立油藏与裂缝的物理模型和数学模型来模拟压后油藏的生产动态，由于压裂井产量和注入量的变化规律即为裂缝导流能力的变化规律，可建立产量、注入量等油藏生产动态参数与水力压裂裂缝参数的关系，达到优化水力压裂裂缝参数的目的。

目前最常用的二维裂缝模型主要有PKN、KGD和Penny模型。二维的裂缝模型的特点为理论成熟、输入参数较少、计算方便，但其裂缝高度一定的假定并不符合实际情况。在此基础上提出了三维裂缝模型，三维裂缝模型能更接近描述实际油藏中的裂缝渗流特点。

考虑储层非均质性、天然裂缝发育情况、气体的非达西渗流等情况，得到适合于实际油藏的裂缝模型对于裂缝参数优化具有重要意义。

除解析法和数值模拟法外，净现值法（NPV）也可运用到裂缝参数优化中。压裂要获得收益，压裂后所增加的收益要大于压裂成本费用，采用净现值法，建立裂缝参数优化的经济模型，得到最经济的与储层相匹配的裂缝参数。

3 结语

水力压裂裂缝参数优化方法主要有解析法和数值模拟法，由于地层的非均质性，水力压裂裂缝非常复杂，单依靠解析法和数值模拟法不能完全解决油田生产问题。在解析法的基础上，运用水电相似原理，结合数值模拟方法以及净现值法（NPV），多种方法相结合进行水力压裂裂缝参数优化，以达到油田生产要求。

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Study on optimization of fracture parameters in hydraulic fracturing

MA Yungui
（College of Petroleum Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China）

Hydraulic fracturing is an important measure for oil and gas production,and the parameters such as the length of crack and the ability of crack diversion in hydraulic fracturing are important parameters that affect the productivity of fracturing wells.Therefore,it is necessary to optimize the parameters of hydraulic fracturing.In this paper,by discussing the influence of hydraulic fracture parameters on the production capacity and analyzing the means of crack parameters optimization in hydraulic fracturing,the advantages and disadvantages of each method are compared,considering the economic cost and benefit,using the similarity principle of hydropower,combined with net present value （NPV）,to optimize the crack parameters to obtain the optimal crack length,cracks diversion capability and other parameters.

hydraulic fracturing；cracks；parameter optimization

TE357.11

A

1673-5285（2017）10-0094-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.024

2017－09-29

马云贵，男（1992-），陕西延安人，硕士研究生，主要从事油气田开发方面的研究工作，邮箱：1123916981@qq.com。