致密油层体积压裂排量优化方法.pdf

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2014年5月西安石油大学学报(自然科学版)May2014第29卷第3期JournalofXianShiyouUniversity(NaturalScienceEdition)V01．29No．3文章编号：1673-064X(2014)03-0079-04致密油层体积压裂排量优化方法樊凤玲，李宪文，曹宗熊，王蓓，彭娇，周德胜(1．长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西西安710021；2．西安石油大学石油工程学院，陕西西安710065)摘要：在离散化缝网模型(DFN)基础上，结合油井及地层的相关参数，利用缝网模拟软件模拟了裂缝在地层主平面上的拟三维离散化扩展和支撑剂在缝网中的分布，数值求解了不同压裂排量改造后的缝网半长、带宽、次生裂缝条数和储层改造体积(SRV)等缝网几何形态参数，给出了简单高效的排量优化方法。以鄂尔多斯一口油井为例，模拟结果表明：压裂排量不是越大越利于复杂缝网形成，模拟的离散缝网几何形态参数会随压裂排量的增大先快速增大后趋于平缓，以SRV为评价改造效果的主要参数，综合其他参数变化特征，可以优选出致密油层体积压裂的施工排量。关键词：致密油层；体积压裂；离散化缝网模型；排量优化；储层改造体积中图分类号：TE357．1l文献标识码：A致密油层覆压基质渗透率一般小于或等于0．1×进行数值模拟，求解致密油层体积压裂的最优排量。lO～m，单井通常无自然产能或自然产能低于工主要利用离散化缝网模型中的网格系统模拟裂缝在业产能下限¨。以体积压裂技术为代表的增产技3个主平面上的拟三维离散化扩展和支撑剂在缝网术是开采低渗透致密油藏的核心技术4。。体积压中的铺砂分布，通过连续性原理及网格计算方法获得压裂改造后缝网几何形态参数。裂所形成的复杂缝网可以增加储层改造体积(SRV)，实现对致密油层的三维压裂改造。而体1基本模型积压裂形成复杂裂缝缝网的主要施工工艺是大排量压裂，通常要求施工排量大于10m／min_6J。国内致1．1离散化缝网模型密油层体积压裂工艺中排量的大小常以评价同区块离散化缝网模型假定缝网为一个2a×2b×2C老井在不同压裂排量下的压后产能来确定，该方法的拟椭圆球体，如图1所示。在直角坐标系下，轴花费较高且难以获得较优的压裂排量值；国外致密平行于水平最大主应力()方向，y轴平行于水平油层体积压裂中排量的优化是通过对不同排量下改最小主应力()方向，z轴平行于垂向应力(dr)方造效果进行微地震监测，评价储层改造体积来确向。主裂缝正交于水平最小主应力，在—z平面定，该方法评价参数单一、成本高。目前模拟体中延展，并和3个主平面内的次生裂缝构成离散裂积压裂较为成熟的是基于自相似原理及Warren和缝网格。缝网长度为2口，缝网带宽为26，总缝高为Root双重介质模型的离散化缝网(DFN)模型_8J。2c，缝网构成的椭球体积为压裂后的储层改造体积。本文采用以离散化缝网模型为基础的缝网模拟软件收稿日期：2014-03—10基金项目：陕西省科技统筹创新工程计划项目“陆相页岩气储层压裂改造工艺技术攻关”(编号：2012KTZB03—03—03—02)；国家自然科学基金项目“气井气体携液的多液滴理论研究(编号：51074124)作者简介：樊凤玲(1976一)，女，硕士，工程师，主要从事低渗透储层改造研究。E—mail：fanfl_cp@petrochina．com 一8O一西安石油大学学报(自然科学版)A。=Mf／MDFN。(5)式中：。为支撑剂铺砂的分布比例；Mf是主裂缝中支撑剂的质量，kg；MDFN是注入离散裂缝缝网中支撑剂的总质量，kg。基于自相似原理将地层岩石物理特性、施工条件等参数代人以上数学模型，并确定支撑剂在缝网内分布方式后，通过缝网模拟软件可以数值求解出不同排量压裂改造后的复杂缝网的带宽、半长、储层改造体积(SRV)以及次生裂缝条数。图1离散缝网模型Fig．1Discretefracturenetworkmodel1．2储层改造体积2排量优化方法离散化缝网储层改造体积方程为在地层岩石物理特性以及油井参数给定后，体R=I()=~rabh。(1)d积压裂的缝网几何形态主要与泵入压裂液总量、排A式中：为无因次横向坐标；h为改造后裂缝平均高量以及压裂液类型等施工参数有关。当泵入液量、度，m；0为椭圆长轴，m；6为短轴，m；7r06为裂缝网压裂液确定后，改变排量不仅影响缝网长度、带宽，格的椭圆面积，m。还会得到不同次生裂缝条数和储层改造体积。现以1．3次生裂缝条数方程鄂尔多斯某致密区块A井为例，使用某级压裂泵注仅考虑次生裂缝沿垂直于主裂缝的方向(方设计参数(表1)，利用上述方法进行压裂排量的数向)延伸，y—z平面内次生裂缝条数为值模拟分析。其中目的层厚为18．2m，渗透率为0．17×10～m，垂向应力梯度为0．023MPa／m，水：—————————一+2z。o(2z)平地应力差为3．5MPa，泊松比为0．25，杨氏模量为式中：11,为y—z平面内次生裂缝条数；Ax为次生裂18881MPa。A井完钻井深为3260m，水平段长度缝在y—z平面内的间距，m。为830m，水力喷砂射孔，每段两簇压裂，某级射孔1．4模型层流动量方程垂深分别为3240m和3255m。压裂设计使用“基将压裂液在裂缝内的流动视为层流时，压裂液液+交联液”压裂液体系和864m的总泵入液量，的动量方程。。为各阶段排量均为12m／min。表1某级压裂泵注程序=一d(4n)／(n)nb。(、3)Tab．1Afracturingprocedure排量／阶段液体施工压液体支撑剂支撑剂浓度／式中：P为缝内流体压力，MPa；n为流态指数，无因(m·min)体积／m。阶段类型类型(kg·mI3)次；k为稠度系数，Pa·S“；(／7,)为积分函数，无因次。1．5质量守恒方程假定裂缝中压裂液不可压缩，考虑滤失情况时，压裂液流动的质量守恒方程为Ig(．r)d7-一(t)一(t)一(t)=0。(4)式中：q为压裂液流量，m／min；vf为裂缝体积，m；为滤失量，m；。为瞬时滤失量，m。1．6支撑剂铺砂分布控制方程支撑剂在缝网内的分布受时间、支撑剂浓度、裂缝滤失、次生裂缝延伸等因素影响，机理复杂多解，为简化模拟，支撑剂铺砂分布定义为 樊凤玲等：致密油层体积压裂排量优化方法一81一假定支撑剂在缝网内均匀分布，保持表1中压裂液体系、总泵入液量、阶段泵注液量以及支撑剂类型不变，仅改变压裂排量进行模拟分析，使各阶段压裂排量均以1m／min为步长同时从3m／min变化到19m／rain(当各阶段压裂排量变为5m／min时，模拟计算的泵注程序表第一-N均为5m／min)，得到对应压裂排量下的缝网几何形态参数，结果见表2和图2一图5。表2不同排量下的缝网几何形态参数图4不同排量下的储层改造体积Fig．4StimulatedreservoirvolumeundervolumeflowratesTab．2Geometricalparametersoffracturenetworkundervolumeflowrates图5不同排量下的缝网次生裂缝条数Fig．5Inducedfracturenumberundervolumeflowrates图2为缝网带宽与排量的关系，缝网带宽随着排量的增加先增大后趋于平稳，总体变化幅度小。当排量大于等于13m／min时，带宽稳定在62．0m，即压裂排量大于13m／min后对缝网带宽影响甚微。图3为缝网半长与排量的关系，缝网半长先随排量的增加而快速增加，当排量大于14m／rain后趋于平稳后略有减小。图4为储层改造体积与排量的关系，储层改造体积随排量的变化趋势与图3中缝网半长的变化趋势相似，当排量大于14m／min后增速减缓。图5为缝网中次生裂缝条数与排量的关系，次生裂缝条数随排量的增加呈台阶式增加，当排量较大时次生裂缝条数不再增加。排量为5—8m／min时，次生裂缝为4条；排量为9—12m／min时，次生图2不同排量下的缝网带宽裂缝为5条；排量大于13m。／rain时，次生裂缝增至Fig．2Fracturenetworkwidthundervolumeflowrates6条后不再增加。因此，排量“台阶”越高越利于形成复杂缝网。值得注意的是，在某一排量“台阶”中，次生裂缝数目保持不变，例如排量由9m／min变化到12m。／min，次生裂缝条数均为5条，而排量由12ITI／rain变至13m／min时，次生裂缝数增加一条进人高“台阶”，因此选择高“台阶”前端点的排量13m／min较为合适。综合图2至图5结果可知，A井某级的压裂排量应选为13m／min或14m／min。由于储层改造图3不同排量下的缝网半长Fig．3Fracturenetworkhalf-lengthundervolumeflowrates体积是确定致密油层压后效果的主要因素，因此该