摘 要 使用Eclipse軟件建立了體積壓裂中Y341封隔器裂縫控制模型，在該模型中以不同段數(shù)、段長、裂縫夾角、裂縫半長、裂縫密度和裂縫導流能力作為控制因素，約束Y341封隔器對裂縫的控制能力。模擬結(jié)果顯示：在約束參數(shù)控制下，Y341封隔器可完成裂縫控制，提高致密砂巖氣藏水平井中的天然氣采集量。

關(guān)鍵詞 Y341封隔器 致密砂巖 氣藏水平井 體積壓裂 裂縫調(diào)控模擬

中圖分類號 TE925.3" "文獻標志碼 A" "文章編號 0254?6094（2024）05?0728?06

作者簡介：樊永濤（1989-），工程師，從事鄂爾多斯盆地延安氣田致密區(qū)域的鉆井、試氣、壓裂等研究工作，919977400@qq.com。

引用本文：樊永濤，梁東陽，張照鴻，等.砂巖氣藏水平井體積壓裂中Y341封隔器裂縫控制模擬［J］.化工機械，2024，51（5）：728-733.

致密巖層氣藏作為一種重要的天然氣資源儲存方式，已經(jīng)引起了天然氣行業(yè)研究者的廣泛關(guān)注。實際上，致密巖層氣藏是指以游離狀態(tài)存在于致密巖層中，但沒有長距離大規(guī)模運移的聚集性天然氣［1］。目前，水平井體積壓裂是致密巖層氣藏開采中最常用的方法［2～4］。雖然20世紀末期就已經(jīng)對水平井體積壓裂進行了相關(guān)研究，但當時使用的試井模型只能假設(shè)單一主裂縫，無法模擬復雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，這導致最終研究結(jié)果與實際體積壓裂結(jié)果存在較大差異，獲取的有關(guān)裂縫網(wǎng)絡(luò)的具體參數(shù)失去了準確性和研究價值［5］。水平井體積壓裂造成的裂縫網(wǎng)絡(luò)中的各個裂縫，無論是長度還是間距等參數(shù)均不相同。如果裂縫間距差異較大，會直接導致最終計算結(jié)果的偏差。由此可見，調(diào)控優(yōu)化裂縫相關(guān)參數(shù)是水平井體積壓裂技術(shù)中的一項重要工作［6～8］。

近年來，諸多研究者都對致密巖層氣藏水平井整體開發(fā)以及開裂進行了研究。例如，胡納川等以提升開采率為目的，使用數(shù)值模擬的方式進行模擬分析，該方法充分分析了氣藏情況以及多種開采方式對最終開采結(jié)果的影響，但其側(cè)重點并不是開壓裂縫方面，研究內(nèi)容也不夠充分［9］。張衍君等針對體積裂縫的漏失類型采取了對應(yīng)的控制措施，但該方法在壓裂參數(shù)優(yōu)選方面的效果較差，導致體積壓裂裂縫控制不佳，開采量不高［10］。余佩蓉等以瑪湖凹陷風城組為對象分析了壓力裂縫擴展情況，該方法結(jié)合Petrel軟件與Abaqus軟件模擬出了裂縫的擴展情況，雖然獲得了較為準確的裂縫擴展分析結(jié)果，但并未給出針對這些裂縫的詳細控制方法［11］。綜上，裂縫的控制仍有較廣的擴展研究空間。

筆者以Y341封隔器為研究對象，在體積壓裂過程中，完成裂縫控制過程建模；利用該模型模擬分析各裂縫參數(shù)變化下Y341封隔器對裂縫的控制過程，從而確定Y341封隔器應(yīng)用中的調(diào)控裂縫參數(shù)。

1 水平井體積壓裂中Y341封隔器裂縫調(diào)控模擬方法

1.1 研究區(qū)域概況

筆者選取我國中部某天然氣儲存區(qū)域作為研究區(qū)域，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復雜，面積約143.7平方千米，天然氣儲量約2178.53×104 t。該區(qū)域地下水資源豐富，分布有淺湖相水下分流河道、天然堤等結(jié)構(gòu)，地理分布呈現(xiàn)向西傾斜的單斜構(gòu)造特征。由于多期河道疊加，區(qū)域內(nèi)沙體呈現(xiàn)垂直向上的變化特點。儲層的主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)由巖屑長石砂巖和長石砂巖組成，平均孔隙度為9.24%，具有較強的非均質(zhì)性儲層特點，該地層的平均滲透率為0.45 mD，礦化度約16 291 mg/L，主要水質(zhì)類型為CaCl2。水平井地質(zhì)參數(shù)如下：

水平井儲層壓力 70.6 MPa

水平井段長度 1 614 m

水平井儲層壓力系數(shù) 1.7

水平井泊松比 0.4

水平井最大水平主應(yīng)力 99.2 MPa

水平井最小水平主應(yīng)力 91.8 MPa

水平井地層溫度 128 ℃

水平井垂向水平主應(yīng)力 108.5 MPa

水平井彈性模量 46.7 GPa

1.2 Y341封隔器裂縫擴展路徑控制模型設(shè)計

1.2.1 復雜裂縫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

體積壓裂導致的氣藏區(qū)域裂縫網(wǎng)絡(luò)是一種隨機性強且形態(tài)各異的復雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使用微地震監(jiān)測設(shè)備獲得的結(jié)果顯示，裂縫網(wǎng)絡(luò)可以分成中間窄兩端寬、等寬或兩端窄中間寬3種形態(tài)［12］。因此，在構(gòu)建裂縫網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型時，可以分別使用雙曲形、橢圓形或矩形等形狀來描述裂縫數(shù)據(jù)。按照主次級別也可以把裂縫網(wǎng)絡(luò)劃分成主裂縫、支裂縫和次裂縫3種類型，此時支裂縫與水平井段所在方向平行，另兩種裂縫則與水平井段所在方向垂直。

1.2.2 Y341封隔器裂縫擴展路徑控制模型構(gòu)建

將待研究的砂巖區(qū)域看作數(shù)個基質(zhì)塊體單元，彈簧在各塊體單元之間發(fā)揮連接作用，模型中的彈簧出現(xiàn)斷裂則代表致密砂巖出現(xiàn)較為明顯的斷裂，即砂巖中出現(xiàn)裂縫［13，14］。壓裂液在每兩個塊體單元（Y341封隔器）之間的流動情況使用一個裂縫單元表征，裂縫承載的外部荷載是壓裂液導致的Y341封隔器壓力，利用有限元法求解各塊體單元所發(fā)生的變形，使用離散元法計算彈簧的斷裂情況，最終構(gòu)建的Y341封隔器裂縫擴展路徑控制模型如圖1所示。

在使用體積壓裂開采天然氣時，模型構(gòu)建不需要考慮超低滲透率的影響，Y341封隔器裂縫控制中的關(guān)鍵參數(shù)只考慮應(yīng)力、儲層壓力及天然裂縫等［15］。然后，對壓裂裂縫表征，評估裂縫的方向以及Y341封隔器分布法向應(yīng)力和切向應(yīng)力等，從而確定最佳的裂縫控制條件，提高油氣產(chǎn)能和油氣采收率。

1.2.3 模型裂縫控制過程模擬

裂縫單元上隨機一點記為S，兩個Y341封隔器塊體單元與裂縫單元相對的兩個面分別記為裂縫面1和裂縫面2，這兩個裂縫面上的隨機兩點記為S和S。裂縫面上任一點沿x方向和y方向的變形量分別記為Δu和Δv，用u、u與v、v分別表示這兩個變形在裂縫面1和裂縫面2上的響應(yīng)變量值，其關(guān)系如下：

點S在法向和切向兩個方向上的變形量用Δv和Δu表示，把坐標整體向沿著邊界結(jié)構(gòu)建立的坐標系轉(zhuǎn)換，則可以得到：

其中，θ表示坐標系旋轉(zhuǎn)角度。

裂縫面隨機一點的法向應(yīng)力σ與切向應(yīng)力τ計算式為：

其中，k、k表示兩個方向上的抗裂系數(shù)；u、u表示裂縫面上的兩個切向應(yīng)力分量；v、v表示裂縫面上的兩個法向應(yīng)力分量。

以上完成裂縫控制路徑模擬。

1.3 模型模擬中的裂縫控制條件

通過上述模型設(shè)計，并結(jié)合地質(zhì)和巖石物理數(shù)據(jù)，進行水平井體積壓裂的Y341封隔器裂縫控制，控制條件約束原則如下：

a. 裂縫路徑控制中的數(shù)量限制。致密砂巖氣藏水平井受到水平壓裂作用影響，地下內(nèi)部結(jié)構(gòu)中會產(chǎn)生較多的復雜裂縫，這些復雜裂縫會與自然環(huán)境中的現(xiàn)有裂縫相互連通，導致裂縫數(shù)量增多，使得致密砂巖氣藏發(fā)生較為嚴重的滲透［16］。使用Y341封隔器體積壓裂裂縫擴展模型開展計算時，為了使計算結(jié)果更加精簡，按照裂縫情況根據(jù)Y341封隔器特點，將復雜裂縫網(wǎng)絡(luò)劃分成高滲透區(qū)域與主裂縫區(qū)域。按照水平井水平段特點，將水平井劃分成多個不同的段，每段按照裂縫的情況劃分成多個不同的簇，2簇、3簇、4簇的帶寬分別為60、70、80 m，經(jīng)過劃分后的高滲透區(qū)域滲透率為3×10-3 μm2。

b. 劃分裂縫網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域。開展體積壓裂工作時，壓裂工具的具體布置方式是按照固定壓裂段長度，在水平井上均勻布置Y341封隔器，通常各Y341封隔器之間的距離設(shè)置為10 m。水平井的總長度為900 mm，在此基礎(chǔ)上，分析每2個簇至4個簇范圍內(nèi)，裂縫長度或壓裂段數(shù)對Y341封隔器壓裂效果的影響情況。

c. 裂縫控制中需要考慮水平井的水平段長度。Y341封隔器裂縫控制時，水平段長度與水平井產(chǎn)能呈現(xiàn)出正比例關(guān)系，但是相比直井，天然氣在水平井中產(chǎn)生的摩擦阻力更高，這種阻力會導致水平段長度增大，同時間接造成天然氣產(chǎn)量降低。因此，為實現(xiàn)水平井體積壓裂裂縫調(diào)控，在綜合考慮節(jié)約成本與優(yōu)化施工技術(shù)的前提下優(yōu)化水平井的水平段長度，從而實現(xiàn)Y341封隔器對體積壓裂裂縫的有效控制。設(shè)定水平段長度分別為450、550、650、750 m，在模型中利用Eclipse軟件模擬出不同水平段長度、體積壓力下的天然氣開采量變化情況。

d. 優(yōu)化體積壓力裂縫夾角。利用Y341封隔器壓裂形成的裂縫之間會形成夾角，在模型中使用Eclipse軟件自帶的LGR方法對裂縫之間形成的夾角開展計算，然后在模型中優(yōu)化水平井Y341封隔器體積壓裂中的裂縫夾角。

e. 優(yōu)化體積壓力裂縫長度。在模型中模擬調(diào)控裂縫的平均長度分別在110、160、210、260 m，最終確定出合適的調(diào)控優(yōu)化體積壓裂裂縫的裂縫長度。

f. 優(yōu)化體積壓力裂縫密度。統(tǒng)計1 000 m水平井中的裂縫數(shù)量，將該數(shù)量表征體積壓力裂縫密度，以4.5 a內(nèi)的天然氣開采量為評價標準，根據(jù)模型模擬的分析結(jié)果優(yōu)化裂縫密度。

g. 優(yōu)化體積壓力裂縫導流能力。導流能力是影響體積壓力裂縫、改變天然氣產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。按照研究經(jīng)驗，設(shè)定裂縫導流能力分別為15、25、35 D×m（1 D=9.869233×10-13 m2），在模型中模擬不同裂縫導流能力下的天然氣開采情況。

2 模擬實驗與結(jié)果分析

2.1 模擬參數(shù)設(shè)置

Y341封隔器的模擬參數(shù)如下：

最大外徑 114 mm

最小內(nèi)徑 75 mm

坐封壓力 10～15 MPa

最大工作壓力 35 MPa

解封負荷 40～60 kN

工作溫度 不大于120 ℃

兩端連接螺紋尺寸 3 1/2UP（加厚螺紋，直徑88.9 mm）

Y341封隔器模型如圖2所示。

其他相關(guān)的水平井體積壓裂裂縫控制模擬參數(shù)如下：

滲透率 0.51×10-3 μm2

注液速度 20 m3/min

最大注液壓力 40 MPa

水平井半縫長 240 m

水平井帶寬 165 m

頁巖彈性模量 50 GPa

泊松比 0.25

在上述模型參數(shù)下，采用Eclipse軟件進行Y341封隔器裂縫控制模擬。

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 水平井段數(shù)優(yōu)化效果

水平井段設(shè)置為2簇，水平井體積壓裂中Y341封隔器裂縫控制的段數(shù)分別設(shè)置為5段、10段、15段，模擬研究區(qū)域的天然氣采集量隨時間的變化關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，隨著時間的增加，天然氣采集量呈上升趨勢，尤其在天然氣采集初期，各體積壓裂段數(shù)下均呈現(xiàn)出天然氣采集量迅速上升的趨勢，此后上升趨勢逐漸減緩，4.0 a后，天然氣采集量增幅平緩。在時間一定的情況下，隨著體積壓裂段數(shù)的增加，天然氣采集量增大，其中體積壓裂段數(shù)為15段時，天然氣采集量最大，5段時天然氣采集量最小。

2.2.2 水平井壓裂段長度優(yōu)化效果

不同水平井壓裂段長度下天然氣采集量隨時間的變化關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，隨著開采時間的增加，天然氣采集量均呈現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢，說明無論使用何種壓裂段長，均能提升致密砂巖氣藏的開采量。4種段長相比而言，當段長為750 m時天然氣開采量最大，因此筆者選擇750 m段長作為調(diào)控體積壓裂Y341封隔器裂縫控制的參數(shù)。

2.2.3 裂縫夾角優(yōu)化效果

不同裂縫夾角下天然氣采集量隨時間的變化關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，當裂縫夾角呈垂直狀態(tài)（90°）時天然氣采集量最大，而在裂縫夾角較小的情況下，研究區(qū)域的天然氣采集量明顯較低，說明較小的裂縫夾角不利于改善致密砂巖氣藏的開采，因此為實現(xiàn)水平井體積壓裂裂縫控制，宜選取裂縫夾角參數(shù)為90°。

2.2.4 裂縫半長優(yōu)化效果

不同裂縫半長（125、195、295、335 m）下天然氣采集量隨時間的變化關(guān)系如圖6所示。可以看出，當裂縫半長較?。?25 m）時，天然氣采集量的增長趨勢相對平緩，表明采用較小的裂縫半長，即使配合體積壓裂技術(shù)，也無法有效提高天然氣的采集量。當裂縫半長為335 m時，天然氣采集量達到最大，說明可以通過Y341封隔器擴大裂縫半長，從而顯著提高研究區(qū)域的天然氣采集量。因此，只要實際環(huán)境滿足要求，可以通過Y341封隔器擴大裂縫半長來優(yōu)化體積壓裂技術(shù)中的裂縫參數(shù)，從而提高天然氣的采集量。

2.2.5 裂縫密度優(yōu)化效果

設(shè)定每1 000 m水平井分別存在10、15、20條裂縫（裂縫密度），得到不同裂縫密度下天然氣采集量隨時間的變化關(guān)系如圖7所示?？梢钥闯觯S著裂縫密度的增加，天然氣采集量呈上升趨勢，說明在裂縫密度較大的情況下，能夠提升致密砂巖氣藏水平井的天然氣采集量。因此，在Y341封隔器裂縫控制中應(yīng)提高裂縫密度。

2.2.6 裂縫導流能力優(yōu)化效果

設(shè)定裂縫導流能力分別為15、25、35 D×m，不同裂縫導流能力下天然氣采集量隨時間的變化關(guān)系如圖8所示。由圖8可知，裂縫導流能力越大，研究區(qū)域的天然氣采集量越大，當裂縫導流能力為35 D×m時，4.5 a后天然氣采集量幾乎突破1.1×104 t，與開采初期相比開采量的增長率得到了極大提升。因此，在調(diào)控致密砂巖氣藏水平井體積壓裂裂縫時，選擇35 D×m的裂縫導流能力能夠顯著提升研究區(qū)域的裂縫性能，最終達到提升天然氣采集量的目的。

3 結(jié)束語

筆者采用模擬軟件構(gòu)建研究區(qū)域體積壓裂范圍的區(qū)域模型，利用該模型分析Y341封隔器裂縫路徑控制中，不同裂縫參數(shù)變化下的天然氣采集量的變化情況，并根據(jù)分析結(jié)果確定體積壓裂Y341封隔器裂縫路徑控制中最終的參數(shù)優(yōu)化值。將模擬計算確定的裂縫參數(shù)應(yīng)用到實際的致密砂巖氣藏水平井體積壓裂施工中，可以綜合性提升研究區(qū)域的天然氣產(chǎn)量。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-10-12，修回日期：2024-09-18）

Simulation of Y341 Packer Fracture Control in Volume Fracturing

of Horizontal Wells in Sandstone Gas Reservoirs

FAN Yong?tao， LIANG Dong?yang， ZHANG Zhao?hong， HUANG Xin?yu， WANG Xin

（Oil amp; Gas Exploration Company， Shaanxi Yanchang Petroleum （Group） Co.， Ltd.）

Abstract" "Making use of Eclipse software establish the crack control model of Y341 packer in volume fracturing was implemented. In which， the different stage number， stage length， fracture angle， fracture half? length， fracture density and fracture diversion ability were taken as the control factors to constrain control ability of Y341 packer to fractures. Simulation results show that， the Y341 packer can complete fracture control and improve gas collection in horizontal wells of tight sandstone gas reservoirs under the control of constraint parameters.

Key words" " Y341 packer， dense sandstone， gas reservoir horizontal wells， volume fracturing， crack control simulation