低渗透地区水平井压裂产能因素分析

低渗透地区水平井压裂产能因素分析

王刚 尚元元 王建来

延长油田质量监督中心

摘要：水平井压裂改变近井筒区域流体的渗流方式，提高油井产量及采收率，己成为开发低渗透油气藏的一项重要技术手段。该压裂同样面临着应力场、油藏工程、压裂设计、工艺工具等诸多问题。本次研究基于Stehfest数值反演算法，分析地质、施工以及裂缝参数对压裂水平井产能的影响，并利用延长油田低渗透水平井现场资料对水平井压裂裂缝形态和生产动态预测进行了模拟研究；分别优化井筒轨迹、水平段长度、裂缝参数、施工参数，形成了有一定区块指导性的总体方案，更好地指导水平井压裂的优化设计和现场施工。

关键词：水平井；压裂技术；延长油田；低渗透地区

Key words：horizontal well; fracturing technology; Yanchang Oilfield; low permeability areas

1. 前言

水平井技术是低渗透油气藏开发行之有效方法，可大幅提升勘探开发经济效益[1-2]。由于水平井对储层具有很大的穿透度，水平井技术能够有效的增大生产井段与地层的接触面积，降低生产压差，提高生产井的产能[3]。因此，水平气井技术适合于低渗油气藏的开发，同时，水平井技术也可以在较低的生产压差下获得垂直气井所无法达到的经济产量[4-6]。延长油田所在鄂尔多斯盆地属于典型的低渗透地区，地质储量巨大，但开发困难。作为百年油田，延长油田老油区都在逐渐减产，因而后续会大力投入水平井的生产开发。延长油田自2008年起油田产建以水平井开发为主，急需延长油田水平井开发配套技术的完善和成熟，本次研究结合低渗透油气藏实际的地质及开发特征，对水平井的水平段参数、挖井方式及部分开发参数进行优化，利用油藏工程和数值模拟方法完成对水平井与直井开发指标的比较，为后续水平井挖潜有效性提供理论依据。

2. 水平井压裂模型

建立数学模型是渗流问题定量化研究的前提，数学模型的形式一般是微分方程，根据Ozkan和Raghavan提出的方法，将物理模型和数学方法结合，就可以求解空间中的点源响应，将沿水平井筒轴线上的压力点源响应映像和叠加，再进行积分，就能获得水平井的线源压力表达式，本文以矩形封闭气藏中的一口水平井为例，研究水平井的渗流特征。本次研究以无限导流裂缝为例，分析压裂井和压裂水平井的渗流动特征。在深度超过652m的地层中，水力压裂形成的裂缝多为垂直裂缝[7-10]。目前的延长油田水平井目的层大多数超过一千米，故此我们考虑垂直裂缝的情况，充分考虑水平井筒压降和裂缝导流能力，利用Stehfest数值反演算法建立相应产能数学模型。

延长油田A井1996年完成压裂，采用套管密封段插入管柱方式压开四条垂直对称人工裂缝，该井基本参数：油藏厚度为14m；地层渗透率为0.0078D；地层孔隙度为0.2；表皮系数为0.11；水平井长度为554m；水平井井筒半径为0.16m；体积系数为1.0899，原油黏度为4.3mPa.s;原油密度为781kg/m3，井底压力为4MPa；原始地层压力为11.21MPa；裂缝条数4；裂缝宽度5.43mm，裂缝渗透率34µm2，单翼裂缝长度76m，裂缝形态为垂直横向缝，生产时间为366天，综合压缩系数0.00036MPa-1。运用无限大边界下模型[11-13]，设压力梯度为0，按照生产数据进行产能模拟，且与相关文献数据进行对比，不同方法得出的结果产能差值较小，不同方法结果基本一致的。

3. 水平井产能单因素分析

3.1裂缝条数

一般裂缝条数越多，能获得的产能越大；但压裂裂缝条数越多，施工成本越高。对目的层的水平井，开发前需取得目前成本下压裂裂缝条数最优解。本文以延长油田1井的油藏参数为例，分析了不同裂缝条数下的产量变化情况。图3-1给出压出2-8条缝时的理论计算结果。

图3-1 不同裂缝条数条件下产量示意图（裂缝渗透率30µm2）

结果表明，不论裂缝条数是多少，井产量均随着时间的增加而降低，而且降幅越来越小。同时，裂缝条数不同，稳定后的产能也不一样，图中显示，压开2条、4条、6条和8条裂缝时，在生产的最初阶段，裂缝条数越多，产量越高，随着时间增加产量逐渐降低，而且其稳定期产能绝对值相差并不大。在产量变化趋缓后，增加裂缝条数增加，并无产能增量。分析其中的原因，应该是模型中裂缝渗透率数值较高，将裂缝渗透率数值减半(15µm2)，计算得到的不同裂缝条数下产能随时间变化图以及产能随裂缝条数变化图3-2。

图3-2 不同裂缝条数条件下产量示意图（裂缝渗透率15µm2）

分析上图可知（1）讨论裂缝条数对产能的影响时，需分析裂缝最终导流能力：当裂缝渗透率较低时，适当多压裂几条裂缝产能增长；当渗透率较高时，裂缝增加产量反而下降。（2）在不同的生产时期最优裂缝条数不同。生产初期，缝数以多为好（最优裂缝为10），随时间增加，缝数以少为好（中期最优裂缝数为8，后期为6）。最终最优裂缝的多少取决于预期增产时间内的累计产量。

3.2导流能力

压裂产生不同宽度的裂缝，再加上使用的不同支撑剂性能的差异，使得压裂形成的填砂裂缝的导流能力有很大的差异。计算了不同裂缝导流能力下的水平井压裂产能（图3-3）。如图所示，裂缝的导流能力对水平井的产能有明显的影响，裂缝水平井的产能随着裂缝的导流能力增大而增大。这种影响效果在导流能力很小时体现的尤为明显，而导流能力增加到一定程度后，影响熬果逐渐减弱，产量增加值也越来越小。所以，在施工中，裂缝宽度一定情况下，为了形成更好的导流能力，有必要选用性能适度的支撑剂，在适度提高裂缝导流能力的情况下，尽可能地节约成本。

图3-3 不同导流能力条件下产能示意图（裂缝渗透率15µm2）

3.3裂缝长度

在施工的过程中，由于地层条件、施工方式的影响或者沟通天然裂缝的需要，人工裂缝长度可分为等长度和不等长度，本次研究分别计算两种情况下水平井产能变化。

3.3.1裂缝等长度

计算裂缝长度分别为 40m，80m，120m，160m 时的产能，分析了日产量随着生产时间的变化，生产初期(第1天)和中后期(第183天、第365天)产能随裂缝长度的变化，结果如图3-4。裂缝长度并不影响水平井压裂的产量变化趋势，初期产量大，然后逐渐减小。井的产量随着裂缝长度的增加产量随之增加，但是产量增加并不明显，特别是生产时间较长的时候，产量几乎看不出变化，表明等长度裂缝时，裂缝对水平井压裂的产能影响较小。

图3-4 不同裂缝长度条件下产能变化示意图

3.3.2裂缝不等长度

本次研究总设计裂缝长度不同的5种方案，分别是等长、从短到长、从长到短、两边长中间短、两边短中间长，具体裂缝长度如下表3-1，计算得不同方案的井产量和各个裂缝产量随时间变化。分析可知，各个方案的井产量相差都不大，趋势变化也基本相同。对于单条裂缝而言，裂缝越长产能越大，裂缝越靠近水平井筒跟端时产能越大。进一步讨论裂缝长度的对水平井产能影响，本文同时计算了各个方案井的平均产能和每条裂缝年均产能（图3-5）。

表3-1不等长裂缝方案长度表

从年平均产能来看，方案3的平均产能最小，方案2的平均产能最大。方案4和方案5 平均产能基本持平。说明设计压裂方案时，选择从跟端到趾端的裂缝长度逐渐增加类别方案，可提高平均产能。另一方面，不同方案最终平均产能相差不大，说明裂缝长度为影响油井的产量的敏感性因素，但在人工裂缝已沟通储层的条件下，该因素需与其他影响因素综合考虑。

图3-5 不同方案下平均产量

3.4方位角

在钻井过程中，由于地层非均质性的影响，水平井筒不可能准确地沿着地层最大主

应力或者最小主应力方向。这样一来，在压裂施工中所形成的横向缝裂缝平面将会与水

平井筒呈一定的夹角。为了考察方位角的影响，本文详细计算了在不同方位角下(150、

300、450、600、750、900)水平井的产能和各个裂缝的平均产能。

随着夹角的增大，水平井压裂的平均产能逐步增大，这是因为随着角度的增大，裂缝尖端距水平井筒的垂直距离越远，裂缝可以沟通更大范围内的储层。但是，方位角对产能的影响效果体现的并不明显在计算中夹角为15°和夹为90°时的年平均产量相差不过 10%。并且裂缝的产量不但受到夹角的影响，还受到裂缝位置的制约。总的来说，水平井压裂夹角对水平井产能的影响并不显著。

本文通过建立的模型，以延长油田1井参数为基础，假定油藏半径1000m，分析封闭边界和定压边界下水平井压裂的产能动态，启动压力梯度对封闭边界和定压边界下水平井的产能影响很明显，产量均随着启动压力梯度的增大而减小。启动压力梯度对封闭边界下油井的产能影响更加显著：该条件下产量递减更加迅速，油井经济寿命更短，经济效益较差。

4.优化方案

从经济效益角度出发，为保证水平井最终获得较高产量，在压裂设计前必须首先明确水平井压裂的最优裂缝条数、裂缝长度和施工排量、加砂量；其他相关参数对产能的影响相对较小，压裂设计时可以将这些因素放在次要位置。

鄂尔多斯盆地储层属于低孔隙度低渗透率的储层，储层特征为弱速敏、弱水敏、弱盐敏、弱应力敏感、中等偏弱碱敏、中等偏弱酸敏。针对低渗透储层的油藏和裂缝性质，开发开采时需讨论当前成本条件下最优裂缝形态参数和施工参数。本区块最优裂缝条数为6-7条，裂缝长度为120m，裂缝间距应该保持在180m左右，以减小裂缝间的相互干扰作用，施工参数中排量为3-4m3/min，平均每条裂缝加砂量为25-35m3。

5.结论

利用本次研究设计水平井压裂模型，对低渗透地区水平井压裂进行生产动态模拟，并讨论多条件下水平井产能单影响因素分析，可得如下结论：

（1）影响延长油田水平井产量人工裂缝因素主要有：加砂规模，无因次导流能力，裂缝总高，裂缝条数，支撑裂缝总高，携砂液效率，裂缝半长，支撑裂缝半长，最大裂缝宽度，平均裂缝宽度，平均铺砂浓度。其中，最优裂缝条数、裂缝长度和施工排量、加砂量为主要影响因素，在压裂设计前需设计水平井压裂的最优裂缝条数、裂缝长度和施工排量、加砂量，其他参数对产能的影响相对较小。

（2）支撑剂的选择要考虑到裂缝闭合后的导流能力以及压裂液的伤害对导流能力的影响，根据储层的闭合压力，来优选合适的支撑剂，支撑剂的数量要根据储层的加砂规模来优选。

（3）针对低渗透储层的油藏和裂缝性质，结合延长油田水平井产量的人工裂缝因素，根据可设计低渗透地区水平井压裂相对最优的裂缝形态参数和施工参数，保证水平井较高产量。

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