页岩油双水平井逐级加密压裂辅助重力开采研究

刘帅，焦平格，宋佳，李天月

西安石油大学石油工程学院（陕西 西安 710065）

0 引言

页岩油主要以游离态、吸附态及少量溶解态赋存于纳米级孔隙的泥页岩层中，通常大面积连片分布于盆地坳陷或斜坡区。我国页岩油主要分布在中新生代湖相地区，具有较大的资源潜力，但由于页岩油构造复杂、有机碳含量低、热演化程度中等、沉积环境特殊、分布不均、相变较快、非均质性较强等问题，开发页岩油难度较大[1]。实践证明，开发页岩油气田最经济有效的方式是水平井压裂技术。传统页岩油增产技术[2-5]包括水平井技术、CO2驱替技术和压裂增产技术：①水平井技术具有井筒和储层接触面积大，裂缝相交机率高，开采延伸范围大的优点，但其开采投资大、且钻完井和开采机理较复杂；②CO2驱替技术可以有效改善油水流度比、降低原油黏度，增大波及面积，提高驱油效率，但容易使蜡和沥青质从原油中沉淀析出，油井CO2气窜，工艺成本高；③压裂技术[6-9]又可分为同步压裂、重复压裂[10-11]、分段压裂等技术，主要通过对井进行水力压裂产生的应力干扰提高网状裂缝密度和复杂程度，提高储层渗流能力，增加改造体积从而有效提高采收率。

在以往页岩油压裂增产技术基础上，本文提出一种双水平井逐级加密压裂辅助重力驱页岩油开发技术，通过油藏工程计算确定合理参数，采用数值模拟的方法建立双水平井逐级加密压裂模型，对比分析不同压裂方式开采效果，优选最佳压裂方案。

1 双水平井逐级加密压裂页岩油开发技术理论

1.1 基本原理

双水平井逐级加密压裂是在靠近油层底部钻取一对上下平行的双水平井，并对上方水平井进行加密压裂，压出较深的裂缝缝网，提高油层的孔隙度和渗透率，从而使得目的层中的页岩油在重力驱的作用下泄到下方水平井中，最终开采至地面。逐级加密压裂具体步骤包括：①对水平井先进行较大裂缝间距的初次压裂；②当生产达到油藏开采经济极限后，在两裂缝之间再次进行等距压裂，使裂缝排布逐渐紧密；③再次到达油藏开采经济极限后，重复步骤②对水平井进行体积压裂。

双水平井逐级加密压裂开发页岩油数值模拟步骤：①收集油藏特性参数数据和地质因素数据；②根据页岩油储层顶、底部埋藏深度设计布置井位，建立两口水平井，注入井在上，生产井在下；③对水平井进行逐级加密压裂，进而提高原油采收率；④利用数值模拟通过和常规压裂进行对比分析，确定其最佳压裂级数、年限等数据，提高采收率。水平井逐级加密压裂物理模型如图1、图2所示。

图1 注入井逐级加密压裂过程图

图2 生产井逐级加密压裂过程图

1.2 主要参数设计

1.2.1 水平井布置相关参数

为了更好地进行参数设计，在进行双水平井逐级加密压裂之前，先进行地质分析确定页岩油储层顶部和底部的埋藏深度；然后设计布置井位，确定水平压裂井和水平生产井的井位，将水平面方向上两井之间水平段在垂向上的距离控制在20 m 以上。最后钻井，在钻井过程中，在压裂井井位钻取垂直井眼，垂直井眼钻至页岩油储层底部以上1.3～2.3 m。水平井眼轨迹通常设计为沿着最小主应力方向，为了降低钻井成本，采用长水平井开发，通常采用中长半径，水平段长度介于1 000～1 500 m。利用注入井向地层连续注入蒸汽加热原油，降低原油黏度在重力作用下流向下部生产井。重力作为驱动原油的动力，主要进行注蒸汽重力辅助开采，利用蒸汽的汽化潜热加热原油。

1.2.2 利用油藏工程通过产能求出油井极限控油半径

低渗透油藏裂缝间距取极限控油半径的2 倍，通过水平井水平段长度和裂缝间距求出裂缝条数，进而求出压裂级数。

低渗透油藏油井极限控油半径公式[12]：

式中：r极限为极限泄油半径，m；Δp为油井生产压差，MPa；k为有效渗透率，10-3μm2；μ为流体黏度，mPa·s。

裂缝条数公式：

式中：S为水平井长度，m；n为裂缝条数。

压裂级数公式为：

式中：b为压裂级数。

1.2.3 确定单井产量极限

压裂水平井会产生多条裂缝[13]。根据达西公式求出单个裂缝的日产量公式如下，进而求出整个水平井的产量，结合油藏剩余可采储量计算生产年限。

单个裂缝产量公式[14]：

式中：qj为一条裂缝产量，m3/d；Δp为生产压差，MPa；h为油层厚度，m；a为油层长度，m。

压裂水平井产量：

式中：qF为压裂水平井产量，m3/d。

水平井产量递减通用方程[15]:

式中：Qsc为水平井t时刻的产量，104m3/d;qsci为水平井产量递减前的稳产量，104m3/d;n′为递减指数，大于等于0且小于等于1的小数；ai为初始递减率；t为水平井生产时间，年；t0为水平井稳产时间，年。

采用指数递减规律，取n′=0，

整个油藏生产年限Y（一年按365天计算）为：

式中：C为油藏剩余可采储量，m3。

2 双水平井逐级加密压裂方式分析

2.1 数值模拟模型的建立

以某油藏为例，油藏温度为141.7 ℃，泡点压力为11.34 MPa，原油密度为891 kg/m3，黏度为2.25 mPa·s，油藏平均孔隙度为1.3%，平均渗透率为5.6×10-3μm2。利用CMG软件建立8×16×52的数值模型，总网格数6 656个，模型分为52个小层，4 210.4 m处建立一口水平生产井，4 172.4 m处建立一口水平注入井，进行逐级加密压裂辅助渗流模拟研究，其中，注汽作为驱动原油的主要动力，蒸汽温度为200 ℃，蒸汽干度0.7。由于水平生产井需要部署靠近在油层底部的位置，以便最大限度地利用重力泄油的高度，因此，首先钻取上方水平注入井并进行逐级加密压裂，再根据缝高尺寸确定底部水平生产井位置。两口水平井在XOZ 平面的井位如图3 所示，其中Well-1为下面方生产井，Well-2为上面方注入井。

图3 双水平井位置图

水平井未进行压裂时，油藏日产油量和累产油量曲线如图4所示。

图4 未进行压裂处理时日产油量、累产油量变化曲线

从未进行压裂处理产油量曲线可以看出，随着生产的进行，日产油量逐渐降低，截至2029 年其日产油量为0.38 m3，累产油量为3 192.04 m3。并且，逐级加密压裂后注入井周围地层含油饱和度明显降低（图5、图6），水平井根端含油饱和度由0.58 降为0.32，说明逐级加密压裂技术可较好地改善了地层的渗透性，将更多的原油排泄至生产井，大大提高原油的采收率。

图5 压裂前后注入井周围XOY平面含油饱和度变化情况

图6 压裂前后注汽井周围XOZ平面含油饱和度变化情况

2.2 两口井进行不同压裂方式的对比分析

在上例油藏中建立一口生产井、一口注入井，井长1 600 m，两井之间水平段在垂向上的距离为30 m，地层供给压力为29 MPa，井底流压为20 MPa。根据1.2.2中的式（1）计算可得油井极限控油半径r极限为50 m，根据式（2）、式（3）计算可得需要16条裂缝，三级压裂。一级压裂在2019年1月压出5条裂缝，根据日产油曲线得出二级压裂在2019年5月开始压出4条裂缝，同理三级压裂在2021 年开始压出8 条裂缝。根据式（4）计算一条裂缝的产量为372.45 m3/d。油藏的可采储量为144.74×105m3。该区块设置2019年开始生产，常规压裂为2019年一次性压裂，裂缝间距500 m；双水平井逐级加密压裂是在常规压裂的基础上，在裂缝之间继续进行压裂，生产到2029年；裂缝宽度为0.2 cm，裂缝半长为150 m。

1）对注入井分别进行常规压裂和双水平井逐级加密压裂处理发现：在生产井不进行压裂处理的前提下，对注入井进行逐级加密压裂和常规压裂，其日产油量、累产油量与不进行压裂时相比变化不大，这是因为储层物性较差，并且注入气体波及范围较小，对生产井影响较小。

2）对生产井分别进行常规压裂和双水平井逐级加密压裂得到其日产油和累产油如图7 所示，由图7可以看出，对生产井进行压裂处理，日产油量和累产油量显著提高，相比常规压裂，进行逐级加密压裂后日产量曲线明显上升，日产油量为3.46 m3，累产油量为30 971.4 m3，相比于常规压裂提高了67.37%。

图7 生产井两种不同压裂方式下日产油量、累产油量变化曲线

3）对两口井同时进行压裂得到不同压裂曲线如图8所示，包括以下4种压裂方式：注入井常规压裂、生产井逐级加密压裂；注入井逐级加密压裂、生产井常规压裂；两口井同时进行逐级加密压裂；两口井同时进行常规压裂。由图8 可以看出，对注入井进行逐级加密压裂后，其日产油量和累产油量都有明显的下降，这是因为注入井加密后与生产井裂缝相沟通，形成渗流优势通道，导致产水增加，没有成功驱替地层中的原油，致使产油量降低。对生产井进行逐级加密压裂能有效提高累产油量，以上4种压裂方式中采用注入井常规压裂、生产井逐级加密压裂的方式累产油量最大，为32 273.1 m3，相比两口井均采用常规压裂产量提高了24 584.31 m3，即提高了3倍。这是因为对生产井进行逐级加密压裂增加了储层有效改造体积，扩大了油气渗流通道，有效提高了原油的采收率。

图8 两口井不同压裂方式下日产油、累产油曲线

通过采用不同压裂方式对比发现，进行双水平井逐级加密压裂能有效提高原油的采收率。对于此油田，对注入井进行压裂对油藏采收率影响不大。综合考虑经济等因素，采用注入井常规压裂、生产井逐级加密压裂的方式进行开采原油采收率最高。

3 结论

1）双水平井逐级加密压裂辅助重力开采可有效提高页岩油储层的产油量。双水平井、重力驱辅助和逐级加密压裂这3种技术的结合，一方面，通过加密压裂提高了泥页岩的孔隙度和渗透率,通过水力裂缝沟通天然裂缝增强渗流能力，从而降低了页岩油的渗流阻力；另一方面，通过重力驱的辅助降低了采油过程中的能量损耗，降低了采油成本，采用双水平井大大提高了原油的波及效率，从而提高了采收率。

2）对生产井进行逐级加密压裂能有效提高累产油量。对于不同的油藏，可通过数值模拟对比，选择最优加密压裂方式。

3）此油田考虑经济因素，采用注入井常规压裂、生产井逐级加密压裂的方式开采原油采收率最高，累产油量为32 273.1 m3，相比于其常规压裂提高了3倍。