低渗透油气藏水平井压裂优化设计重点.docx
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低渗透油气藏水平井压裂优化设计重点
2009年5月第24卷第3期
西安石油大学学报(自然科学版)
May2009
文章编号:
1673-064X(2009)03-0045-04
低渗透油气藏水平井压裂优化设计
孙良田,孙宜建,黄志文,夏洪玖,李宗田
1
2
1
2
1
(1.中国石化石油勘探开发研究院,北京100083;2.中国石化中原油田,河南濮阳457000)
摘要:
介绍了水平井压裂裂缝的形态、压裂水平井的渗流特征、压后产能预测;探讨了裂缝条数、裂
缝长度和裂缝导流能力的优化以及不同的裂缝布局和不同位置的裂缝对压后产量的影响.通过X井水加喷砂压裂位置测井数据进行压裂裂缝模拟,优化设计与现场施工的加砂量和排量比较一致.关键词:
低渗透油气藏;水平井;压裂;优化设计
+
中图分类号:
TE357.11 文献标识码:
A 国内外于20世纪80年代开始研究水平井的压裂增产改造技术,在水力裂缝的起裂、延伸,水平井压后产量预测,水力裂缝条数和裂缝几何尺寸的优化,储层保护,分段压裂施工工艺技术与井下分隔工具等方面取得了一定进展,但总体来讲不配套、不完善
[1-2]
沿水平井井筒方向延伸的裂缝;水平缝是指裂缝面沿水平方向延伸的裂缝.平行于水平井筒的裂缝可以改善水平井的开采状况,将径向流动改善为两个线性流动,但并不能大幅度增加水平井控制的储量;而垂直于水平井筒的裂缝在大大改善流动状态的同时,还可以达到大幅度增加控制储量的目的,也就是达到利用一口水平井代替多口垂直井的目的.特别是在开采非均质严重的低渗透油田时,只有利用垂直水平井筒的裂缝大大增加水平井控制储量才能增加开采效益.因此,对于水平井压裂希望形成垂直于水平井井筒的横向多裂缝.
.
水平井压裂后一般形成多条裂缝,在压裂过程
中,由于地应力在水平井长度方向上的差异以及压裂工艺技术的限制,使得形成的多条裂缝在长度、导流能力等方面不尽相同,而且在生产过程中各裂缝间相互干扰,进一步增加了水平井压裂优化设计的复杂性.本文结合水平井压裂后的裂缝形态和生产过程中油气在裂缝中的渗流机理,应用复位势理论和势叠加原理
[3]
2 压裂水平井的流动形态特点
1995年,Horne
[3-4]
,推导了压裂水平井多条裂缝相互
干扰的产能预测模型,然后分析了影响压裂水平井
产能的主要因素.
研究了水平井中多条横向人
工裂缝的瞬态压力特性,其流态见图1.由图1可知,可将水平井中多裂缝的流动形态分为4部分:
1 水平井压裂水力裂缝形态
水力裂缝方位垂直于最小主地应力方位,因此,依据水平井井筒方向与最小主地应力方位的关系,水平井人工裂缝一般有3种形态:
横向缝、纵向缝、
水平缝.横向缝是指裂缝面与水平井井筒相垂直的裂缝,一般可以产生多条横向缝;纵向缝是指裂缝面
图1 水平井横向裂缝的流态示意图
收稿日期:
2009-02-13
作者简介:
孙良田(1970-),男,博士,高级工程师,主要从事压裂酸化工艺方面的研究.E-mail:
sunlt@pepris.com
(1)第一线性流,指地层向各条裂缝和裂缝向井筒的线性流动;
(2)第一径向流,指裂缝较短且间距较大,则在各裂缝周围产生的拟径向流.需要指出的是,若裂缝不是很短且间距不是很大,则不能产生这样的拟径向流;
(3)第二线性流,指在流动后期,若边缘很远且缝很短很密,则产生流线相互平行且垂直于水平井轴线的线性流动;
(4)第二径向流,指对于整个油藏,如果生产时间很长,则流体以径向流的形式向水平井及裂缝区
Nk=1n
域的流动.
3 压裂水平井产能预测
考虑无限大均质地层中心一口水平井,压裂后
形成多条裂缝.原油从地层线性地流向裂缝,从裂缝流向水平井筒时满足径向流渗流规律.利用无限大均匀地层点汇定流量的压降公式,根据复位势理论和势叠加原理,可以得出压裂水平井产能预测模[5]
型,即
∑∑
j=1
n
22
ii(-x+x)+(x-x)
-Ei4πKh4ηt
+
pi-pwf=
2
∑
j=1Nk=1n
22
ii(-x+x)+(x-x)
-Ei4πKh4ηtn
+
+
∑∑
j=1
22
ii(-
x+(x-Ei4πKh4ηt
iiμBln+s
4πKfii2rw
(1)
∑
j=1
22
μB(-x+(x-Ei4πKh4ηt
假设,除裂缝与井筒相交处,井筒其余的地方
均封闭,压裂水平井产量等于各条裂缝产量之和,即
Q=∑qif.
i=1N
(2)
这样就可以得到一个含N个未知数qif、N个方程的
线性方程组,该方程组可封闭求解.
4 水平井分段压裂裂缝的优化
4.1 裂缝条数
随着裂缝条数(N)的增加,压裂水平井的日产油量总体上逐渐增加,但在相同生产时间内,随着裂缝条数的增加,日产量增幅随着裂缝条数的进一步增加逐渐减小.
研究还表明,在生产一定时间后,水平井中的多条裂缝之间将产生干扰,愈靠近内部的缝所受到的干扰愈大,产量则愈低.因此,水平井中裂缝条数的优化非常重要,它不仅影响水平井的产能,同时也影响压裂施工的安全性和最终经济效益.研究认为,如果沿裂缝方向的渗透率(Kx)与沿井筒方向的渗透率(Ky)相等或相差较小,那么裂缝的最佳条数为3~5条,如果沿裂缝方向的渗透率比沿井筒方向的渗透率大,那么裂缝的最佳条数将有所增加.
图2 裂缝条数对压裂水平井产量的影响
4.2 裂缝长度
从图3可以看出,随着裂缝长度(Lf)的增加,压裂水平井的日产量逐渐增加,随着裂缝长度的进一步增加,产量的增幅变小.
图3 裂缝长度对压裂水平井产量的影响
4.3 裂缝导流能力
由图4可见,随着裂缝导流能力(Df)的增加,
压裂水平井日产量增加,但是随着裂缝导流能力的进一步增加,产量增幅逐渐变小,这与裂缝长度对产
量的影响结果很相似.
间大(情形Ⅳ)、两端大中间小(情形Ⅴ)5种情况下模拟裂缝间距对压裂水平井产量的影响(见图5、表1).
计算结果表明,不同的裂缝间距组合对水平井的累计产量有较大影响.模拟结果表明,当水平井筒根部和端部的裂缝间距小、中部的缝间距大时产量最高(情形Ⅳ),反之产量最低(情形Ⅴ),其他几种组合情形下的累计产量居中,这说明可以通过减少
根部和端部的裂缝间距来提高压裂水平井的产量.
图4 裂缝导流能力对压裂水平井产量的影响
4.4 裂缝间距
为了研究裂缝间距对压裂水平井产量的影响,在总间距一定的情况下,取等间距(情形Ⅰ)、间距从小到大(情形Ⅱ)、从大到小(情形Ⅲ)、两端小中
图5 不同裂缝间距组合方案示意图
表1 不同裂缝间距组合情形下压裂水平井累计产量统计
生产时间/月
261012
1-2
情形Ⅰ
2-31736.863862.215732.656620.46
3-4
1-250m
情形Ⅱ
2-31617.833674.305491.326355.04
3-4
1-2
情形Ⅲ
2-31617.833674.305491.326355.04
3-450m
1-275m
情形Ⅳ
2-3150m1787.283938.455828.806725.57
3-475m
1-2125m
3情形Ⅴ2-3-3450m1474.583433.225173.646002.68
125m
100m100m100m100m150m150m100m
注:
d1-2表示第1条和第2条裂缝之间的距离;d2-3表示第2条和第3条裂缝之间的距离;d3-4表示第3条和第4条裂缝之间的距离
4.5 裂缝位置
计算研究结果表明,位于水平井段两端的裂缝产量大于中部裂缝的产量.这是因为经过一段较长的时间后,由于裂缝的干扰,两条中部裂缝之间的流动区域压力下降很快,而端部裂缝具有更大的泄油区域,所以两条端部裂缝的贡献将会占主导地位.
表2 不同位置裂缝的日产油量统计
日产油量/m3生产时间
/月裂缝1裂缝2裂缝3裂缝4裂缝5裂缝6裂缝7
24681012
6.666.256.045.905.795.71
6.335.955.755.615.515.43
6.165.795.595.465.365.29
6.115.745.555.425.325.24
6.165.795.595.465.365.29
6.335.955.755.615.515.43
6.666.256.045.905.795.71
5 实 例
X井(具体数据见表3)是某油田的一口水平
井,于2002年8月开钻,2003年5月8日钻至井深3600m完钻,层位为山1层,裸眼段长673.5m;砂岩594.5m,在裸眼段的钻遇率88.3%,气层和差气层299.2m.根据优化结果,X井水平井段通过水力喷砂射孔形成3条人工裂缝,比较理想的位置:
第一层3402.00m、第二层3253.00m和第三层3099.94m.
采用三维压裂设计软件进行设计模拟,人工裂缝几何形态模拟结果见表4.
2008年7月进行了现场压裂施工,压裂工艺采用水力喷射加砂工艺技术.现场施工结果和设计结
43
果对比见表4.该井压裂前产量0.49×10m/d,无
4343
阻流量0.61×10m/d;压后产量3.37×10m/d,
43
无阻流量15×10m/d.
表3 X井水力喷砂压裂位置测井解释数据
层号485463
井深/m
3076.00~3123.883225.12~3258.383396.50~3409.75
视厚度
/m47.933.313.3
渗透率含气饱和度
/%/(10-3μm2)
2.069.2551.399
55.353.456.0
孔隙度
/%10.312.510.1
深电阻率
/(Ω・m)54.835.058.7
浅电阻率
/(Ω・m)31.618.932.3
泥质含量
/%6.15.07.3
解释结论气层气层气层
表4 X井压裂裂缝模拟结果
层位山1-1山1-1山1-1
射孔井段
/m
3098.94~3099.943252.00~3253.003402.00~3403.94
裂缝半长/m水力150.0151.0153.8
支撑133.0134.0136.0
下界2876.62876.02876.0
m裂缝高度/上界2809.92810.02810.0
水力66.566.066.0
支撑59.259.058.0
缝宽/cm0.540.540.54
铺砂浓度/(kg・m-2)
2.352.352.35
FCD208.45217.08227.10
表5 X井现场施工和设计对比
层次123
3设计17.1619.2819.28
实际17.418.822.8
砂比
/%24.024.528.9
3・min-1)设计1.911.911.91
实际1.91.92.0
入地净液量
/m3
215.8225.8136.4
返排液量
/m3
44.295.262.3
破裂压力
/MPa22.322.738.6
工作压力
/MPa39.9~41.540.9~41.835.2~43.4
停泵压力
MPa/15.515.716.6
6 结 论
(1)水平井的增产措施是低渗透水平井长期高
效开发的重要手段,加大水平井分段压裂措施的现场实施研究力度,是很有必要的.
(2)结合水平井压后裂缝形态和生产过程中油气在裂缝中的渗流机理,建立考虑裂缝干扰的产能预测计算模型,为优化设计提供了理论基础.
(3)压裂水平井优化设计表明裂缝的最佳条数为3~5条;压裂水平井的产量随裂缝长度的增加而增加,但增长的幅度在逐步下降,因此并不是裂缝越长越好,要根据特定的地层优化最佳的裂缝长度;裂缝导流能力与裂缝的长度优化结果相似;在最优的裂缝数范围内尽量增大中部裂缝间距和端部裂缝长度.
(4)目前的国内外压裂设计软件都不太适合水平井的压裂改造设计需要,虽然目前的软件具有多裂缝设计功能,在产量预测方面考虑的太少,如没有考虑裂缝间的干扰、裂缝间距、裂缝位置等对产量的影响,需要研发适合水平井压裂改造的软件.
参考文献:
[1] 姜洪福,隋军,庞彦明,等.特低丰度油藏水平井开发
技术研究与应用[J]石油勘探与开发,2006,33(3):
14-16.
[2] 刘振宇,刘洋,贺丽艳,等.人工压裂水平井研究综述
[J].大庆石油学院学报,2002,26(4):
27-29.[3] 曾凡辉,郭建春,徐严波,等.压裂水平井产能影响因
素[J].石油勘探与开发,2007,34(4):
36-39.[4] HorneRN.RelativeProductivitiesandPressureTransient
ModelingofHorizontalWellswithMultipleFractures[C].SPE29891,1995.[5] McdanielBW.Stimulationtechniquesforlow-permea-
bilityreservoirswithhorizontalcompletionsthatdonothavecementedcasing[C].SPE75688,2002.[6] VladimirR,CraigR.SuccessfulHydraulicFracturing
TechniquesinHorizontalWellsforSandstoneFormationsinthePermianBasin[C].SPE102370,2006.[7] MachielB,LoydE.ThePotentialofMultipleFractured
HorizontalWellsinLayeredReservoirs[C].SPE102633,2006.
责任编辑:
贺元旦
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