葉成林

（中國石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探蘇里格氣田項(xiàng)目部）

0 引言

蘇里格氣田是國內(nèi)迄今發(fā)現(xiàn)的最大氣田之一[1]。蘇53區(qū)塊位于蘇里格氣田的西北部，含氣層為上古生界二疊系下石盒子組的盒8段及山西組的山1段，屬于典型的致密砂巖氣藏[2]。蘇53區(qū)塊于2010年投產(chǎn)，是蘇里格地區(qū)采取水平井整體開發(fā)的唯一區(qū)塊，蘇53區(qū)塊開發(fā)的成功驗(yàn)證了蘇里格地區(qū)采取水平井開發(fā)的適用性及合理性[3]。

對(duì)于低滲透油氣藏，后期壓裂改造是單井增產(chǎn)增效的有效手段之一，目前蘇53區(qū)塊水平井投產(chǎn)前均進(jìn)行壓裂改造[4]。水平井壓裂后可以在儲(chǔ)層中打開新的流體流動(dòng)通道,更大范圍地溝通未動(dòng)用的油氣層,大幅度增加油氣產(chǎn)量,極大地提高油藏的采出程度。理論和實(shí)踐證明，對(duì)壓裂水平井進(jìn)行裂縫參數(shù)優(yōu)化對(duì)于實(shí)現(xiàn)水平井高效開發(fā)具有重要意義[5-6]。許多學(xué)者對(duì)低滲透氣藏壓裂水平井參數(shù)進(jìn)行了研究，但縱觀這些文獻(xiàn)，很少有針對(duì)蘇里格氣田的研究，其研究成果在蘇里格地區(qū)應(yīng)用價(jià)值不大。因此，為了指導(dǎo)蘇里格地區(qū)水平井開發(fā)，筆者根據(jù)蘇53區(qū)塊水平井整體開發(fā)的優(yōu)勢(shì)和成功經(jīng)驗(yàn)，利用數(shù)值模擬方法對(duì)蘇里格地區(qū)壓裂水平井裂縫參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 裂縫參數(shù)模擬優(yōu)化

1.1 機(jī)理模型的建立

裂縫長(zhǎng)度、方位和裂縫導(dǎo)流能力是壓裂水平井裂縫的最基本參數(shù)，也是影響水平井生產(chǎn)的重要?jiǎng)討B(tài)因素［7］。以蘇53區(qū)基本儲(chǔ)層參數(shù)為基礎(chǔ)建立數(shù)值模擬機(jī)理模型，模型網(wǎng)格：x×y×z=60×60×9，網(wǎng)格步長(zhǎng)DX=DY=20 m，DZ=2 m，模型大小為1200×1200 m。根據(jù)氣藏工程關(guān)于井網(wǎng)井距的研究成果，選定水平井單井控制面積為1200×600 m，區(qū)域中部署2口水平井，水平段長(zhǎng)度800 m，水平井間距600 m；水平井壓裂投產(chǎn)，定產(chǎn)氣量衰竭式開采，設(shè)定初期產(chǎn)能水平為6.0×104m3/d，模擬時(shí)間15年，模擬4條壓裂縫。

1.2 裂縫長(zhǎng)度優(yōu)化

研究裂縫長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)能的影響時(shí)，設(shè)定裂縫方向與水平段垂直，裂縫導(dǎo)流能力取30 mD·cm。

模擬方案分別設(shè)定20 m、100 m、200 m、300 m、400 m、500 m共計(jì)6種不同裂縫長(zhǎng)度，以研究在不同裂縫長(zhǎng)度條件下產(chǎn)能變化情況，對(duì)比各方案確定合理的裂縫長(zhǎng)度。

由模擬得出的裂縫長(zhǎng)度與累計(jì)產(chǎn)氣量的關(guān)系圖可以看出，隨著裂縫長(zhǎng)度的增加，水平井累積產(chǎn)氣量也呈上升趨勢(shì)，但上升速度逐漸變緩，在裂縫長(zhǎng)度超過300 m之后再增加裂縫長(zhǎng)度累積產(chǎn)氣量增長(zhǎng)速度明顯變緩，因此合理的裂縫長(zhǎng)度應(yīng)該在200～300 m之間，即裂縫半長(zhǎng)應(yīng)該在100～150 m之間（圖1）。

圖1 裂縫長(zhǎng)度與累積產(chǎn)氣量的關(guān)系圖

1.3 裂縫方位優(yōu)化

根據(jù)機(jī)理模型，設(shè)定裂縫半長(zhǎng)100 m，裂縫導(dǎo)流能力取30 mD·cm。

模擬方案設(shè)定裂縫與水平段垂直和裂縫與水平段成45°夾角的兩種不同的裂縫方位，以研究裂縫方向與水平段延伸方位夾角對(duì)產(chǎn)能的影響，對(duì)比各方案確定合理的裂縫方位。

對(duì)于壓裂水平井而言，裂縫與水平井井筒夾角越大，產(chǎn)能越高［8］。經(jīng)模擬計(jì)算得到裂縫與水平段垂直和裂縫與水平段成45°夾角兩種方案累積產(chǎn)氣量的關(guān)系如圖2所示：

圖2 裂縫方位與水平段成不同夾角時(shí)對(duì)應(yīng)的累積產(chǎn)氣量

由圖2可以看出，當(dāng)裂縫方向與水平段垂直時(shí)，水平氣井累積產(chǎn)氣量要高于裂縫方向與水平段成45°時(shí)的累積產(chǎn)氣量。所以設(shè)計(jì)裂縫應(yīng)與水平段延伸方向垂直。由于壓裂施工過程中，人工裂縫的延伸方位與最小水平地應(yīng)力方向垂直，所以考慮到壓裂時(shí)能形成與水平段垂直的壓裂縫，設(shè)計(jì)水平井水平段的延伸方向應(yīng)平行最小水平地應(yīng)力方向。

1.4 裂縫導(dǎo)流能力優(yōu)化

裂縫導(dǎo)流能力對(duì)壓裂水平井產(chǎn)能影響較大，當(dāng)儲(chǔ)層滲透率、裂縫長(zhǎng)度和裂縫條數(shù)確定時(shí)，存在一個(gè)最佳裂縫導(dǎo)流能力值［9］。一般常用數(shù)值模擬方法優(yōu)化最佳裂縫導(dǎo)流能力。研究表明，隨著裂縫導(dǎo)流能力的提高，水平井產(chǎn)能增加，但增加幅度逐漸變緩，最佳的裂縫導(dǎo)流能力與油藏基質(zhì)滲透率相關(guān)[10]。

采用與裂縫長(zhǎng)度和方位優(yōu)化方案相同的油藏機(jī)理模型，設(shè)定不同裂縫導(dǎo)流能力的9個(gè)模擬方案，根據(jù)裂縫導(dǎo)流能力與最終累積產(chǎn)氣量的關(guān)系來優(yōu)選合適的裂縫導(dǎo)流能力。裂縫導(dǎo)流能力與方案累積產(chǎn)氣量之間的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 裂縫導(dǎo)流能力與累計(jì)產(chǎn)氣量關(guān)系圖

由圖3可以看出，隨著裂縫導(dǎo)流能力的增加，累積產(chǎn)氣量迅速上升，但當(dāng)裂縫導(dǎo)流能力達(dá)到40 mD·cm以后累積產(chǎn)氣量上升趨勢(shì)變緩，因此合理的裂縫導(dǎo)流能力應(yīng)在30～40 mD·cm之間。

2 壓裂級(jí)數(shù)優(yōu)化

裂縫級(jí)數(shù)優(yōu)化主要包括在給定水平井段長(zhǎng)度條件下裂縫間距優(yōu)化（或裂縫數(shù)量?jī)?yōu)化）。在水平井段長(zhǎng)度一定的情況下，合理的裂縫間距應(yīng)綜合考慮儲(chǔ)量動(dòng)用程度和保證水平井具有較高的產(chǎn)能。裂縫間距過大，會(huì)造成裂縫間儲(chǔ)量的損失，間距過小，裂縫之間存在相互干擾現(xiàn)象[11]。學(xué)者Soliman研究認(rèn)為，在壓裂后油井投產(chǎn)初期，裂縫數(shù)目越多，生產(chǎn)井的日產(chǎn)量越大，但隨著生產(chǎn)時(shí)間的延續(xù)，不同裂縫條數(shù)下的井日產(chǎn)量之間的差距越來越小[12]。

2.1 裂縫間距優(yōu)化

儲(chǔ)層數(shù)據(jù)：孔隙度Φ=10.81%，滲透率K=1.23 mD，儲(chǔ)層中深H=3274.3 m，壓力系數(shù)=0.88，地層溫度T=105.67℃。裂縫半長(zhǎng)130 m，設(shè)定間距150 m的3條長(zhǎng)裂縫情況的壓力動(dòng)態(tài)典型曲線（圖4）。曲線反映了3條正交裂縫在四種不同表皮系數(shù)時(shí)，壓力隨時(shí)間的變化特征。

圖4 水平井多級(jí)壓裂后典型壓力動(dòng)態(tài)曲線

從圖4中可以看出，模擬的裂縫間距為150 m時(shí)，四條不同表皮系數(shù)壓力曲線提前趨于一致，表明裂縫間壓力產(chǎn)生相互干擾，從而影響流態(tài)，影響生產(chǎn)效果。

根據(jù)建產(chǎn)區(qū)壓力場(chǎng)和流態(tài)分析，裂縫動(dòng)態(tài)半長(zhǎng)130 m、間距150 m時(shí)，后期容易產(chǎn)生壓力干擾，方案設(shè)計(jì)裂縫與井軸呈接近于90°正交，因此，最優(yōu)裂縫間距應(yīng)為150 m以上，既能實(shí)現(xiàn)較高的初期產(chǎn)量，也能減少裂縫間的壓力干擾，有利于長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)。

2.2 裂縫級(jí)數(shù)優(yōu)化

水平段參數(shù)優(yōu)化結(jié)果表明，蘇里格氣田最優(yōu)水平段長(zhǎng)度在1000～1200 m之間[13]。截止到2012年底，蘇53區(qū)塊共完鉆73口水平井，平均水平段長(zhǎng)度1030 m，按照開發(fā)方案要求，配產(chǎn)6×104m3/d，穩(wěn)產(chǎn)3年。同時(shí)，由上文分析可知，裂縫間距應(yīng)該大于150m，即1000 m水平井長(zhǎng)度壓裂級(jí)數(shù)應(yīng)該小于7段為宜。因此，分別模擬了當(dāng)水平井長(zhǎng)度為1000 m，初期配產(chǎn)6×104m3/d時(shí)，壓裂1～6條裂縫時(shí)的產(chǎn)能變化。

由模擬結(jié)果可以看出，隨著裂縫條數(shù)的增加，累產(chǎn)氣量總體上逐漸增加。當(dāng)裂縫大于3條時(shí)，裂縫條數(shù)對(duì)產(chǎn)能的影響明顯優(yōu)于1～3條裂縫，但隨裂縫條數(shù)的進(jìn)一步增加，產(chǎn)能增加幅度明顯減小。結(jié)合裂縫干擾模擬結(jié)果，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工要求，認(rèn)為水平段1000 m時(shí)，水平段間距應(yīng)該大于150 m，裂縫條數(shù)4～6條為優(yōu)（圖5、圖6）。

圖5 裂縫條數(shù)對(duì)日產(chǎn)氣量的影響

圖6 裂縫條數(shù)對(duì)累積產(chǎn)氣量的影響

3 結(jié)論

（1）裂縫長(zhǎng)度優(yōu)化結(jié)果表明，蘇里格氣田壓裂水平井合理的裂縫長(zhǎng)度應(yīng)該不大于300 m，最優(yōu)裂縫長(zhǎng)度為200～300 m之間。

（2）不同裂縫方位對(duì)水平井產(chǎn)能的影響不同。研究認(rèn)為，當(dāng)裂縫方向與水平段保持垂直時(shí)對(duì)產(chǎn)能的貢獻(xiàn)最大。

（3）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，蘇里格氣田合理的裂縫導(dǎo)流能力應(yīng)在30～40 mD·cm之間。

（4）根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，蘇里格地區(qū)壓裂水平井壓裂裂縫間距應(yīng)該大于150 m。水平井長(zhǎng)度為1000 m時(shí)，最優(yōu)裂縫條數(shù)為4～6條。

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