砂砾岩油藏分段压裂选层组合及裂缝参数优化方法

卢惠东，李宇志，张进平，黄爱先，李晓军，王宇鹏，曲占庆

(1.中国石化胜利油田有限公司 东辛采油厂，山东 东营 247500； 2.中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

目前国内大多数油田均进入开发的中后期，如何保持稳产增效是亟待解决的问题[1-2]。采用水力压裂技术进行储层增产改造和加快低渗及特低渗非常规油气藏的勘探开发是保持油田稳产增效的重要途径[3-6]。胜利油田经过五十多年的勘探开发，每年均能发现大量的中低渗及特低渗储量，其效益动用是实现胜利油田2300万吨效益稳产的一个重要保证。其中规模较大的是东辛深层砂砾岩油藏，位于东营凹陷北部陡坡带，陈家庄凸起南坡含油层系沙四段，显著特征有：埋藏深，渗透率低；储层纵向分布零散，跨度大，单层厚度小(平均1.4 m)，称之为“薄互层”发育。针对其低渗和“薄互层”发育的特点，开发时需进行分段水力压裂改造[7-9]，其有效实施的关键在于如何进行层段划分和组合。目前现场对于直井分段压裂的层段划分和组合，并没有形成完整的指导方法，大多依靠现场工程师的经验。另外，确定深层砂砾岩直井分段压裂各段裂缝的最佳导流能力和缝长，可以有效指导现场压裂施工设计。因此，需要开展深层砂砾岩油藏直井分段压裂选层组合及裂缝参数优化研究。本文基于东辛深层砂砾岩油藏，通过整理和分析现场分段压裂井例数据得到一个关于分段数和储层跨度的经验关系式；然后选取若干反映储层性质的评价参数，应用灰色关联度法进行分析评价以实现储层的组合划分；最后建立深层砂砾岩储层分段压裂生产数值模型，以产能为目标对各压裂段的裂缝导流能力和缝长进行优选。

1 分段压裂选层组合方法研究

1.1 分段压裂分段方法

对东辛深层砂砾岩储层进行分段压裂的最终目的还是在于提高油井产能，这需要确保分段压裂施工具有较高的质量。如果分段压裂设计的一个分段包含的小层过多，由于其纵向跨度过大，各小层之间的性质可能存在较大差别，在压裂时可能出现小层之间的相互干扰而影响压裂效果。本文仅从现场压裂工艺的角度出发，通过收集东辛采油厂近年来深层沙砾岩储层分段压裂井例数据，分析分段数与储层纵向跨度之间的关系，总结出分段压裂分段方法。根据东辛采油厂这数十口深层砂砾岩储层分段压裂井数据，在坐标系中以分段数和储层总跨度为坐标轴，对每口井作出标记，见图1。

从图1可以看出，数据点的分布集中在某根直线附近，也就是说分段数与储层跨度之间存在着一种线性关系。通过对数据进行线性拟合得到一个分段数与压裂储层跨度的经验公式，可用于指导现场深层砂砾岩储层分段压裂的分段工作。

y=0.017 7x+0.42

(1)

式中，y为分层数，通过四舍五入取整；x为压裂层段总跨度，m。

1.2 分段压裂选层组合方法

东辛深层砂砾岩储层分段压裂的选层组合就是要将综合性质相近的小层放在一起进行压裂，这样才能保证压裂过程中各小层不会相互干扰，保证收获较好的压裂效果[10-12]。储层选层组合的重点就在于对储层综合性质的评价，本文创造性地引入灰色关联度分析法[13-14]，对影响压裂效果的储层岩性、物性以及岩石力学参数进行综合评价，来实现储层的选层组合。

本文以一口井的待压裂层段为研究对象，记为S={S1,S2,…,Sm}，选取影响压裂效果的评价指标：储层岩石弹性模量、泊松比、地层压力系数、泥质含量、砂砾含量、孔隙度、渗透率以及含水饱和度，记为A={A1,A2,…,An}。利用灰色关联度分析法进行压裂分层组合的步骤如下：

1)无量纲化处理

由于各指标量纲不一致，需对指标进行无量纲化处理，本文采用归一化方法(式2)进行处理。其中正向影响因素是数值越大对评价对象越有利的因素；负向影响因素是数值越小对评价对象越有利的因素。

(2)

2)确定参考序列和比较序列

将上述无量纲化后的数据中每个评价指标的最大值，即每一列的最大值组成参考序列，记为x0(k)。而无量纲化后的各储层评价指标值，即无量纲化数据矩阵的每一行作为比较序列，记为xs(k),s=1,2,…,m。

3)计算灰色关联系数ξi(k)

(3)

式中：i为储层序号；k为评价指标序号；Xo(t)和Xs(t)分别为参考序列和比较序列的均值化无量纲值；ρ为分辨系数，一般取0.5。

4)计算灰色关联度γi

(4)

5)评价分析

灰色关联度的大小表示各压裂层段与参考对象的相似程度，储层之间的灰色关联度大小相近则表示储层的综合性质相近，可以作为一段进行压裂，以此来指导压裂层段的分层组合。

1.3 井例应用

以永936井为实例，应用上述方法进行分段压裂选层组合设计，其基本数据见表1。该井压裂储层纵向跨度为125.5 m，根据经验公式(1)计算得y=3，可见分三段进行压裂比较合适。然后应用灰色关联度分析法计算各小层的灰色关联度，首先根据(2)式将表1中数据无量纲化，结果见表2，接着确定参考序列和比较序列，然后根据(3)式计算灰色关联系数，最后由(4)式计算各小层灰色关联度(见表3)。

表1 永936井基本参数表

表2 无量纲化数据

表3 灰色关联度及分段组合结果

从表3可以看出，储层L9～L14的灰色关联度大小相近，计算它们的方差为0.0015，这说明储层L9～L14的综合性质比较接近，适合作为同一段进行压裂。同理，储层L5～L8和储层L1～L4也可以分别作为一段进行压裂。通过本方法得到的分段组合结果与根据测井分析得到的结果(见图2)基本一致，但是本方法优势在于，仅针对反映压裂储层的关键参数指标应用数学分析方法计算出关联度，来实现分段压裂选层组合，更加简便灵活。

2 深层沙砾岩分段压裂裂缝参数优化

利用CMG软件中的IMEX模块建立了一个砂砾岩油藏直井分段压裂的产能模型，研究不同裂缝参数(裂缝长度、裂缝导流能力)对油井产能的影响，并以此为依据对裂缝参数进行优化。

根据表1中永936井的储层基本信息，建立了一个分段多层压裂产能黑油模型。该模型大小为500 m×500 m×80 m，网格数为25×25×14，平面上20 m一个网格，纵向上根据各个储层厚度设计网格高度。在该模型中间布置一口垂直生产井，纵向上所有储层全部射孔模拟裸眼完井(见图3a))，通过网格细分并重新设置网格渗透率进行模拟人工裂缝(见图3b))。

根据分段压裂选层组合设计结果，将L9～L14层、L5～L8层、L1～L4层分别作为分段压裂第一段、第二段、第三段。

1)第一段储层裂缝参数优化。保持其他参数不变，仅改变裂缝导流能力和半缝长，设计10组数值模拟，如表4所示。经过模拟，得到不同导流能力下的累产油量和不同半缝长下的累产油量，产量变化曲线如图4所示。

表4 第一段压裂数值模拟裂缝参数设置表

由图4 a)可以看出，压裂对于提高深层砂砾岩储层产量的效果十分明显，而且随裂缝导流能力的增加，累产油量增加。但是，当裂缝导流能力大于60 μm2·cm后，累产油量随导流能力的增加变化不明显。因此，对于该砂砾岩油藏的第一段储层，裂缝导流能力在40～60 μm2·cm就可以达到理想的生产效果。由图4 b)可以看出，相比于未压裂井产能，半缝长为80 m的裂缝的累产油量均有大幅度增加。油井的累产油量随着裂缝长度的增加在投产初期有一定程度增加，但之后随着投产时间的增加，累产油量随着裂缝长度的增幅变得不明显。而当裂缝半缝长增加到160 m时，油井的累产油量随着裂缝长度>的增幅就基本不再变化，因此，对于该砂砾岩油藏的第一段压裂，最佳的裂缝半缝长为120～160 m。

2)第二段压裂裂缝参数优化。设置第一段裂缝半缝长为120 m，导流能力为40 μm2·cm，打开第二段压裂储层。保持其他参数不变，仅改变裂缝导流能力和半缝长，设计10组数值模拟实验,如表5所示。经过模拟，得到不同导流能力下的累产油量和不同半缝长下的累产油量，产量变化曲线见图5所示。

表5 第二段压裂数值模拟裂缝参数设置表

由图5a)可以看出，第二段压裂后产能提高效果依然很明显，同样随着裂缝导流能力的增加，累产油量会增加，但是，当裂缝导流能力为60 μm2·cm左右时，累产油量随导流能力的增加不明显。因此对于该砂砾岩油藏的第二段储层，裂缝导流能力在60 μm2·cm左右就可以达到理想的生产效果。由图5b)可以看出，第二段压裂对提高油井产能效果非常明显，油井的累产油量随着裂缝长度的增加在投产初期有一定程度增加，但之后随着投产时间的增加，累产油量随着裂缝长度的增幅变得不明显。而当裂缝半缝长为160～200 m时，油井的累产油量就基本不再变化，所以对于第二段压裂储层，最优的裂缝半缝长为160 m左右。

3)第三段压裂裂缝参数优化。设置第一段裂缝半缝长为120 m，导流能力为40 μm2·cm，设置第二段裂缝半缝长160 m，导流能力60 μm2·cm，再打开第三段压裂储层。保持其他参数不变，仅改变裂缝导流能力和半缝长，设计10组数值模拟，实验如表6所示。经过模拟，得到不同导流能力下的累产油量和不同半缝长下的累产油量，产量变化曲线见图6所示。

表6 第三段压裂数值模拟裂缝参数设置表

由图6a)可以看出，第三段压裂后产能提高效果依然很明显。随着裂缝导流能力的增加，累产油量均会增加，但是，当裂缝导流能力为40 μm2·cm左右时，累产油量随导流能力的增加不明显。因此裂缝导流能力在40 μm2·cm左右时，第三段压裂储层就可以达到理想的生产效果。由图6 b)可以看出，第三段压裂对提高油井产能效果非常明显。油井累产油量随着裂缝长度的增加在投产初期有一定程度增加，但随后随着投产时间的增加，累产油量随着裂缝长度的增幅变得不明显。而当裂缝半缝长为160～200 m时，油井的累产油量就基本不再变化，因此对于第三段压裂，最优的裂缝半缝长为160 m左右。

3 结语

1)针对深层砂砾岩油藏分段压裂开发，通过对现场井例统计分析，总结出了一个分段数与压裂储层纵向跨度的经验公式，可用于指导分段压裂如何分段。提出了一种基于灰色关联度分析的分段压裂选层组合方法，应用数学方法对包括储层岩石弹性模量、泊松比、地层压力系数、泥质含量、砂砾含量、孔隙度、渗透率以及含水饱和度在内的压裂储层的关键参数进行综合评价，从而将综合性质相近的储层组合为一层，实现分段压裂储层的快速智能化划分。

2)利用CMG软件建立起了深层沙砾岩储层分段压裂产能分析模型，通过依次对分段压裂各段裂缝开展模拟实验，可以实现分段压裂各段裂缝的导流能力和半缝长的优选，为现场压裂施工设计提供依据。