裂缝长度和压裂级数对储层改造的影响规律

2022-11-06甘洲孔祥伟

石油化工应用 2022年9期

甘洲，孔祥伟

（长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100）

近年来，在一些低渗等非常规油气藏中使用水平井分段压裂技术的效果越来越明显，同时对压裂段数的提高也从之前的5～10 段增加到目前的20 段以上[1-4]。之前国内外在对水平井的压裂改造技术研究时，主要集中在水力裂缝的起裂压力和延伸方面。之后，学者针对水平井的产能做了大量研究，然后建立多簇压裂时的产量模型，以此来对裂缝的条数和裂缝的形状进行优化设计。与此同时，对水平井的分段压裂施工工艺技术方面和井下的封隔等工具[2]的研究也有了一些成果。2013年，曾凡辉等在以诱导应力场模型为依据，对低渗油藏射孔参数和裂缝簇间距等参数进行优化，对现场的产量有明显的提高。2020年，刘威[3]通过对不同泵注参数对支撑剂在缝内的铺置层数进行模拟，对影响储层压裂效果的排量、压裂液类型、含砂量以及前置液比例等关键参数进行优化，从而实现了体积改造最优化。近年来，夏海帮[4-10]通过采用了新型的压差聚合胶结型暂堵剂用于页岩气压裂优化暂堵，从而使得形成的裂缝网络更加的复杂。本文针对秦皇岛29-2 区块低渗储层进行水平井压裂优化设计，对裂缝长度、压裂级数和储层改造体积进行优化筛选，为该区块的缝网压裂设计提供了一定的指导。

1 秦皇岛29-2-X 井物理模型建立

体积压裂是以主裂缝为主干的最终形态，以次生缝与主裂缝呈相连的错综复杂的裂缝网络系统。缝网的不规则性给计算其几何形态带来了很大的困难。为了计算的可行性，首先要对不规则缝网进行有序化表征。

假设缝网由一条主裂缝及多条不规则分布的次生缝组成，用两簇分别垂直于最大、最小水平主应力方向的平行缝簇表征不规则次生缝[11-15]，并以水平井筒及主裂缝为中心对称分布，以此来建立裂缝网络扩展模型，见图1。

图1 缝网扩展模拟三维示意图

1.1 主裂缝拟三维扩展模型

在对主裂缝在地层中满足拟三维裂缝扩展规律时，做出如下假设：

（1）认为储层为连续性弹性体，并且具有足够大的厚度，裂缝只在储层内扩展；

（2）假设压裂液以恒排量注入时，其在裂缝中沿缝长方向的流动为一维流动，流动方式为层流；

（3）主裂缝为垂直于井的水平段的横断缝，并以井筒为轴心对称分布；

（4）不考虑支撑剂的铺设及温度对压裂液性质的影响。

将裂缝沿缝长方向分成若干段，可依照平面应变问题对任意裂缝垂直剖面均求解裂缝宽度。假设主裂缝只在储层内扩展，则对England 和Green 公式进行简化可获得计算主裂缝缝宽的表达式：

因为主裂缝的横截面是椭圆形，缝宽以满足椭圆公式的方式在缝高及缝长方向上均分布，为了之后模型计算的方便，表征主裂缝缝宽可以用一平均缝宽表示，其表达式为：

根据线弹性力学理论，裂缝尖端的应力强度因子为：

根据断裂力学，当裂缝的尖端应力强度因子达到裂缝断裂韧性时，裂缝开始扩展。联立式（1）和式（3），得到裂缝的缝高方程为：

式中：pf-主裂缝流体压力，MPa；σmin-储层最小水平主应力，MPa；hD-主裂缝缝高，m；KⅡ-应力强度因子；l-裂缝半缝高，m；-平均缝宽，mm。

1.2 次生缝几何计算模型

通过设定次生缝缝间距dx、dy以及椭圆形纵横比γ 和次生缝缝宽与主裂缝缝宽的孔径比λx、λy。根据主裂缝的形态特征和设定的次生缝与主裂缝之间的几何可以获得次生缝几何形态的表达式。

根据主裂缝及次生缝的位置，由关系式可得次生缝的缝长为：

式中：Lxs，Lys-分别为垂直于X 轴、Y 轴次生缝的总缝长，m；Lxis-垂直于X 轴第i 条次生缝的长度，m；Lyjs-垂直于Y 轴第j 条次生缝的长度，m。

设定次生缝与主裂缝的缝宽比值为0.25，已知主裂缝的缝宽，可得次生缝缝宽为：

式中：wxs，wys-分别为垂直于X 轴、Y 轴的次生缝缝宽，mm；λx，λy-分别为垂直于X 轴、Y 轴的次生缝缝宽与主裂缝缝宽的比值，无因次。

次生缝的缝高为：

式中：hsxi-垂直于X 轴第i 条次生缝的缝高，m；hsyi-垂直于Y 轴第j 条次生缝的缝高，m。

2 秦皇岛29-2-X 井储层压裂参数影响因素分析

通过对秦皇岛29-2 区储层岩性分析，其平均孔隙度为14.4%、平均渗透率为8 mD，导致其采油效果很差，需要进行水平段压裂改造。根据国外多年的开发实践和研究，常规砂岩改造，压裂的核心是提高裂缝的导流能力，尽量要形成“缝网系统”，沟通人工裂缝和天然裂缝，使得储层获得较大的油气接触面积。主要从裂缝缝长、多级压裂和主、次裂缝构成的裂缝网络等方面进行研究，设计出最适合秦皇岛29-2-X 井的压裂方案。

2.1 秦皇岛29-2-X 水平井缝长优化

利用MProd 模块对裂缝的流速、累计产量和裂缝导流能力进行分析，压裂参数见表1，通过比较30～300 m 裂缝长度的导流能力和无因次导流能力，以此筛选出符合秦皇岛29-2-X 井的最优缝长方案。

表1 秦皇岛29-2-X 井压裂射孔参数设计

裂缝导流能力见图2，裂缝导流能力随着缝长的增加而逐渐增加，导流能力越高，其油气产量越高，因为距离井筒越来越远时，裂缝的铺砂浓度和裂缝缝宽较小，所以其增长趋势逐渐下降。当裂缝长度大于180 m时，其无因次导流能力小于1，而无因次导流能力表示裂缝传输流体至井眼的裂缝导流能力与地层输送流体至裂缝的导流能力的比值，其值大于1 才具有压裂改造效果。结合裂缝长度对导流能力和无因次导流能力的影响规律（图3），故其裂缝长度选择150 m 比较合适。

图2 裂缝导流能力与裂缝长度的关系图

图3 无因次导流能力与裂缝长度的关系

2.2 水平井分级优化

压裂液的用量、裂缝长度、水平段长等参数保持不变，研究1～10 级的压裂情况（图4）。由图4 可以看出，随着裂缝数的增加，累计产油量呈现出先增长后逐渐下降的趋势，这是由于地层压力的下降幅度较大和各条裂缝之间产生的相互干扰越来越严重导致的；当横向裂缝数为7、8时，其10 年内的累计产油量的趋势较平缓，反映出其日产油量越来越小，这是由于初期的高产生产消耗的地层能量过多，使得后期能力较低，生产量降低。综合考虑，压裂级数小，其消耗的钻井液越少，故压裂级数选择7 级比较合适。