压裂充填防砂完井增产规律的数值模拟研究

梁 丹，康晓东，曾 杨，王旭东

（海洋石油高效开发国家重点实验室，中海油研究总院有限责任公司，北京100028）

疏松砂岩油藏埋藏浅，储层胶结疏松，油井出砂是开发过程中的主要问题之一［1-2］。采用常规防砂完井方式，在防止地层出砂的同时也限制了油井产能，对高效开发油田十分不利。 因此，针对疏松砂岩油藏出砂限产的问题， 上世纪末，Grubert提出了压裂充填防砂技术［3］，用以控制地层出砂并有效提高油井产能。 虽然该技术已应用十多年，但研究领域主要集中在压裂充填工艺、施工参数设计、裂缝展布和药剂优选等方面［4-7］，对该技术的适应性研究涉及有限。 本文基于数值模拟方法，以油井产能为目标函数，对比分析了不同储层物性、流体参数及井距等条件下压裂充填防砂的增产效果，为该技术在现场应用中筛选出合适的油藏提供借鉴。

1 压裂充填防砂完井技术概述

压裂充填防砂完井技术是利用非常规压裂技术，结合机械防砂工艺，达到控制地层出砂及提高油井产量的储层改造工艺［8-9］。 其主要工艺流程是通过水力压裂产生裂缝，然后用与地层砂粒度相匹配的砾石充填裂缝以及筛管与套管的环空 （见图1）。

图1 压裂充填防砂完井示意图

与低渗透储层压裂需要造长缝不同，压裂充填通过控制携砂液的砂比，促使储层产生短而宽的裂缝，裂缝形成后，有效提升了近井地带的渗流能力，达到增产的目的［10］。 裂缝及筛套环空充填的砾石形成了滤砂屏障，结合机械防砂，有效提高了防砂效果，同时，压裂过程中对地层的挤压也具有一定减缓地层出砂的作用。

2 压裂充填井的产能影响因素分析

2.1 建立压裂充填井典型数学模型

基于渤海疏松砂岩S油藏的地质特征，建立了一注一采的典型模型进行数值模拟研究， 采用的基础参数见表1所示。 模型应用直角坐标系，网格划分为：NxNyNz=15×27×32= 12 960个网格，网格大小为均质网格，Dx、Dy和Dz分别为50 m、50 m 和1 m。注采井都为定向井。 软件为Petrel 的Reservoir Engineering模块。 生产井按照定液量的工作制度设置。

表1 典型模型基础参数

在Petrel软件中，压裂充填防砂完井和常规防砂完井的井身结构如图2所示。 其中裂缝的位置、宽度、渗透率、角度等相关参数的设置见图3所示。

图2 Petrel软件中的井身结构

图3 裂缝参数的设置

2.2 不同因素对压裂充填井产能的影响

基于建立的典型数学模型，研究了不同储层物性、原油黏度及井距等因素对压裂充填防砂井产能的影响。

为了定量评价压裂充填防砂对油井产能的影响，定义了增产倍数：即压裂充填与不压裂充填情况下的米采油指数比值。 增产倍数一般大于1，数值越大，增产效果越好。 其计算公式如下：

式中：RH为增产倍数， 无因次；JH为压裂充填井的米产油指数，m3/（d·MPa·m）；JO为不压裂充填井的米产油指数，m3/（d·MPa·m）。

2.2.1 储层平均渗透率

针对不同平均渗透率的储层，对压裂充填防砂后对产能的影响进行了敏感性分析，计算结果如图4所示。

图4 增产倍数与平均渗透率的关系曲线

从图中可以看出，平均渗透率越高，压裂充填后对产能提高的幅度越小，其原因是原始平均渗透率越高，产能原本相对较高，与原始平均渗透率较低的油藏相比，压裂充填后，增产幅度自然有限。

2.2.2 渗透率级差

针对相同平均渗透率，但不同渗透率级差的储层，对压裂充填防砂后对产能的影响进行了敏感性分析，计算结果如图5所示。

图5 增产倍数与渗透率级差的关系曲线

从图中可以看出， 在平均渗透率相同的情况下，随着渗透率级差的变大，增产倍数有所提高，但是变化不明显。

2.2.3 储层厚度

针对不同厚度的储层， 对压裂充填防砂后对产能的影响进行了敏感性分析，计算结果如图6所示。

图6 增产倍数与储层厚度的关系曲线

从图中可以看出，储层厚度越大，压裂充填后产能提高的幅度越小，原因是储层厚度大本身产能就相对较高，压裂充填后，增产的效果自然不如薄储层明显。

2.2.4 低渗与高渗储层厚度比

针对相同储层厚度，但低渗与高渗厚度比不同的储层，对压裂充填防砂后对产能的影响进行了敏感性分析，计算结果如图7所示。

图7 增产倍数与低/高渗储层厚度比的关系曲线

从图中可以看出， 在储层厚度相同的情况下，随着低渗与高渗厚度比的增加，增产倍数变化不明显。

2.2.5 原油黏度

针对不同原油黏度，对压裂充填防砂后对产能的影响进行了敏感性分析，计算结果如图8所示。

图8 增产倍数与原油黏度的关系曲线

从图中可以看出，原油黏度越小，压裂充填后对产能提高的幅度越小， 原因是低黏原油流动性好，即使在不压裂充填的情况下，产能都相对较高，压裂充填后，增产的效果不如高黏原油明显。

2.2.6 压裂层位

对于非均质储层，在压裂充填过程中，不同渗透率层位的裂缝发育情况不一样， 一般情况下，高渗层位的缝长比低渗层位的缝长发育短。 针对在高渗、低渗储层中裂缝的缝长比，对产能的影响进行了敏感性分析，计算结果如图9所示。

从图中可以看出，高渗层如果不压裂（缝长比为零），增产倍数最小。 压裂后高渗、低渗层增产效果都很好，即使高渗的缝长相对较短。

图9 增产倍数与压裂层位的关系曲线

2.2.7 井距

针对不同注采井距， 对压裂充填防砂后对产能的影响进行了敏感性分析（见图10）。 可以看出，注采井距越小，增产倍数越大。 分析原因，主要是因为井距小，注水开发后含水快速上升，产油量下降快，压裂充填后，相比于大井距，增产效果更加明显。

图10 增产倍数与注采井距的关系曲线

3 现场应用

S油田是渤海海域典型的疏松砂岩油田， 储层含有大量的砂岩和粉砂岩， 胶结疏松， 成岩性差。2014年， 该油田N区块新钻4口调整井N1、N2、N3和N4（见图11），各井之间相距约330～350 m，所开发的层位储层物性相近（见表2）。

图11 注采井位

表2 4口调整井的储层物性参数

N1、N2和N3 井采用压裂充填防砂完井方式，N4采用高速水砾石充填防砂完井方式。 4口井投产后， 产油量在一年左右达到高峰值并开始逐渐递减， 但采用压裂充填防砂完井的3口井的日产油量明显高于采用高速水砾石充填的N4井，N1、N2和N3投产一年的平均日产油量是N4井的2.2～3.4倍，平均2.6倍，截止到目前累产油量是N4井的1.5～2.4倍，平均2.0倍，说明压裂充填防砂完井增产效果明显（见图12）。

图12 4口调整井的日产油量曲线

4 结语

（1）压裂充填防砂完井技术不同于应用于低渗透储层的常规压裂技术， 将压裂与机械防砂相结合， 通过压裂产生短而宽的高导流能力渗流通道，砾石充填后又形成有效的防砂屏障，从而实现疏松砂岩油藏控制地层出砂及提高油井产量的目的。

（2）基于数值模拟方法对不同储层、流体及井距等条件下的压裂充填防砂增产效果进行了分析计算，其中增产效果对渗透率级差、低/高渗储层厚度比、原油黏度的变化不敏感，与储层渗透率、厚度及井距近似呈线性负相关的关系，因此对于渗透率相对较低、厚度较薄及井距较小的油井，应用压裂充填防砂技术后，增产效果会更加明显。

（3）渤海S油田的现场应用表明，压裂充填防砂技术有效提高了单井产能，该技术对疏松砂岩油藏的长期稳产具有重要意义。