目前,區(qū)塊整體壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件主要有3

1、壓裂軟件的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)孟慶民（中石化勝利油田分公司采油工藝研究院 ） 摘要：壓裂是目前低滲透油田主導(dǎo)的增產(chǎn)措施，壓裂相關(guān)的軟件技術(shù)發(fā)展的也非常迅速。壓裂軟技 術(shù)貫穿于從整體開發(fā) -單井設(shè)計(jì) -壓后返排優(yōu)化全過程，是技術(shù)人員的重要工具，通過軟件，可以更 加深入的認(rèn)識(shí)油藏和評(píng)價(jià)施工效果。通過對(duì)常用的壓裂優(yōu)化軟件的使用經(jīng)驗(yàn)，分析了壓裂軟件的現(xiàn) 狀及發(fā)展，探討了目前軟件存在的問題，提出了下步壓裂軟件的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)壓裂優(yōu)化軟件的發(fā) 展提出了看法。主題詞：壓裂軟件 整體壓裂 單井設(shè)計(jì) 發(fā)展趨勢(shì)1 壓裂軟件現(xiàn)狀壓裂是低滲透油藏重要增產(chǎn)措施，壓裂設(shè)計(jì)軟件是優(yōu)選油層改造措施和優(yōu)化設(shè)計(jì)措 施的基本手段。目前壓

2、裂優(yōu)化軟件已經(jīng)形成了較為完善的體系，由區(qū)塊整體壓裂設(shè)計(jì)、 單井壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析等三類組成。目前，區(qū)塊整體壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件主要有 3 種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，即優(yōu)化采收率法、凈 現(xiàn)值法和累計(jì)增產(chǎn)量法。優(yōu)化采收率法最為科學(xué)，但是由于涉及油田開發(fā)方面的許多比 較復(fù)雜的因素和問題，實(shí)際上難以做到真正的目標(biāo)優(yōu)化。凈現(xiàn)值法涉及裂縫模型因素和 油田開采經(jīng)濟(jì)分析問題，裂縫模擬的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)分析模型的可靠性均會(huì)對(duì)優(yōu)化結(jié)果產(chǎn) 生影響。累計(jì)增產(chǎn)量法著重分析油層內(nèi)有效裂縫對(duì)增產(chǎn)量的影響，避開了裂縫模型、裂 縫具體形狀 （主要指高度變化等 ）和經(jīng)濟(jì)分析因素。這類軟件主要用以確定地層是否適合 整體壓裂改造，優(yōu)選裂

3、縫規(guī)模以及預(yù)測(cè)整體壓裂效果。目前整體壓裂軟件主要是國內(nèi)的 中國石油大學(xué)和西南石油大學(xué)開發(fā)的，可以完成五點(diǎn)、反九點(diǎn)、矩形井網(wǎng)的優(yōu)化。單井壓裂設(shè)計(jì)軟件主要以國外的產(chǎn)品為主，如 FracproPT、E-StimPlan、Terrfrac、 GOHFER、Meyer，國內(nèi)有西南石油大學(xué)開發(fā)的 3D-HFODS軟件。壓裂設(shè)計(jì)軟件一般包 括壓裂設(shè)計(jì)、酸壓設(shè)計(jì)、壓裂充填設(shè)計(jì)、小型壓裂分析、產(chǎn)能預(yù)測(cè)、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、液體 / 支撐劑庫等功能。壓裂裂縫模型從二維發(fā)展到了全三維，從簡單的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)展到 了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的水平井優(yōu)化。 FracproPT 軟件系統(tǒng)是擬三維壓裂軟件工具，提供支撐劑和 酸化壓裂增產(chǎn)的設(shè)計(jì)、模擬

4、、分析、執(zhí)行和優(yōu)化功能。 FracproPT 的獨(dú)特技術(shù)是它的實(shí) 時(shí)數(shù)據(jù)管理和分析能力；其中包括靈活的，根據(jù)裂縫分析可進(jìn)行校正的裂縫模型；以及 壓裂處理后進(jìn)行生產(chǎn)分析和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的油藏模擬功能。FracproPT2007 版本（ 10.4.57）支持水平井的壓裂設(shè)計(jì)模擬，而且可以和油藏模擬軟件作接口，模擬壓裂后產(chǎn)能變化。E-StimPlan是由壓裂專家 K.G. Nolte、Mike Smith先生創(chuàng)建的NSI公司開發(fā)的全三維壓裂設(shè)計(jì)與分析軟件，它不僅繼承了壓裂酸化領(lǐng)域的最新研究成果，適合壓裂工程師進(jìn)行 壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)，尤其是Nolte、Smith創(chuàng)建的壓裂壓力診斷技術(shù)，特別適合現(xiàn)場(chǎng)工程師進(jìn) 行現(xiàn)

5、場(chǎng)壓裂分析。E-StimPlan壓裂設(shè)計(jì)分析軟件具備目前進(jìn)行壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)所需要的壓 裂設(shè)計(jì)、壓裂分析 /診斷、壓裂油藏模擬和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化評(píng)價(jià)功能，能夠完成壓前地層評(píng)估、 壓裂方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化、全三維壓裂模擬與敏感性分析、壓裂過程及壓后壓力降落實(shí)時(shí)數(shù) 據(jù)采集與分析、壓力歷史擬合和壓裂效果評(píng)價(jià)等工作。E-Stimplan從5.51H版本后，可以支持水平井的壓裂模擬。全三維壓裂與酸化設(shè)計(jì)和模擬軟件 GOHFER 由 STIM-LAB 公司開發(fā)，采用三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)算法，動(dòng)態(tài)計(jì)算和模擬三維裂縫的擴(kuò)展，計(jì)算過程中充分 考慮了地層各相異性、多相流多維流動(dòng)、支撐劑輸送、壓裂液流變性及動(dòng)濾失、酸巖反 應(yīng)等有關(guān)各種因素，

6、能夠計(jì)算和模擬多個(gè)射孔層段的非對(duì)稱裂縫擴(kuò)展?；?STIM-LAB 長期從事導(dǎo)流特性、壓裂液、支撐劑、酸化及酸液等相關(guān)研究（近 20 年之久）所獲得的第一手測(cè)試數(shù)據(jù)， GOHFER 配置了相當(dāng)豐富的壓裂液、酸液和支撐劑綜合數(shù)據(jù)庫，該 數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)存并可計(jì)算大部分壓裂液和酸液的流變特性， STIM-LAB 公司每年都對(duì)該數(shù)據(jù) 庫進(jìn)行擴(kuò)展升級(jí)。Terrfrac是由美國Cliffton教授開發(fā)，水力裂縫擴(kuò)展理論最為完善，它 采用了二維流動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)了裂縫擴(kuò)展的全三維模擬，主要應(yīng)用地?zé)衢_發(fā)、核廢料處理等 領(lǐng)域，但是它僅針對(duì)水力壓裂已知方案模擬，可以對(duì)壓裂裂縫擴(kuò)展的敏感性因素進(jìn)行分 析，在國外很少見到該軟件設(shè)

7、計(jì)的油田壓裂實(shí)例。 MEYER 是一套擬三維壓裂設(shè)計(jì)分析 軟件，其優(yōu)點(diǎn)是采用類似人工智能的技術(shù)進(jìn)行壓裂設(shè)計(jì)和分析，在壓裂充填設(shè)計(jì)方面有 一定的優(yōu)勢(shì)，在國內(nèi)外相對(duì)應(yīng)用較少。壓裂監(jiān)測(cè)和分析軟件主要包括壓裂施工監(jiān)測(cè)軟件用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工參數(shù)， 分析壓力 變化趨勢(shì)以及預(yù)測(cè)裂縫擴(kuò)展及縫內(nèi)輸砂狀態(tài)，并預(yù)報(bào)事故以指導(dǎo)施工。因此，所采用的 裂縫擴(kuò)展模型對(duì)監(jiān)測(cè)分析結(jié)果具有重要影響，目前現(xiàn)場(chǎng)解釋軟件一般采用擬三維模型。 目前的大部分壓裂設(shè)計(jì)軟件都集成了施工參數(shù)監(jiān)測(cè)功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控施工參數(shù)，如 Gohfer、FracproPT。其中FracproPT還可以實(shí)時(shí)計(jì)算裂縫參數(shù)，為施工提供指導(dǎo)。壓裂 后試井分析是通過對(duì)井

8、底的壓力和流量進(jìn)行反演分析， 得到地層的靜態(tài)參數(shù)和裂縫的形 態(tài)信息。Stimplan中集成了試井分析模塊。但是由于常規(guī)的壓力恢復(fù)測(cè)試需要時(shí)間長， 影響了該方法的應(yīng)用，而且有大量的壓力測(cè)試資料出現(xiàn)不了徑向流。采用現(xiàn)有的試井解 釋方法，一般解釋結(jié)果多解性強(qiáng)。中科大提出了早期試井理論，研究了早期井底壓力在 時(shí)間較小時(shí)的情形，采用小信號(hào)提取技術(shù)和特殊的數(shù)學(xué)變換，提出了早期試井分析技術(shù) 和分析圖版，有效地解決了上述問題，目前該軟件已經(jīng)商業(yè)化。2存在問題討論2.1 軟件整合性差，沒有形成從壓裂開發(fā)到壓后返排一體化壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)目前的整體壓裂優(yōu)化軟件、單井壓裂設(shè)計(jì)軟件都是互相獨(dú)立的軟件，無法進(jìn)行整合。 目

9、前市面上還沒有一套商業(yè)化的壓裂返排軟件，而壓裂后的關(guān)井時(shí)間、放噴制度正是現(xiàn) 場(chǎng)所關(guān)心的，不合理的返排制度會(huì)影響壓后產(chǎn)能。目前國外壓裂軟件也在進(jìn)行接口研究， FracproPT2007 版本新增了用于 Eclipse 輸出接口和其它高級(jí)數(shù)值模擬器的輸出接口 ResSim,可以與油藏模擬軟件，如 eclipse軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。ResSim接口使得現(xiàn)在當(dāng) 儲(chǔ)集層模型正確的模擬多次水力壓裂時(shí)運(yùn)算多層儲(chǔ)層多相生產(chǎn)的全三維模型成為可能， 使用FracproPT裂縫延伸模型的結(jié)果，并且將它們自動(dòng)轉(zhuǎn)化成油藏模擬軟件的適當(dāng)格式。 它使網(wǎng)格設(shè)置過程完全自動(dòng)化,并且對(duì)儲(chǔ)層和裂縫網(wǎng)格塊的網(wǎng)格塊特性進(jìn)行初始化。因 為

10、ResSim接口屬于FracproPT系統(tǒng)，所以FracproPT軟件的所有內(nèi)部結(jié)果（例如從裂 縫面到儲(chǔ)層的濾失剖面）都可以傳輸?shù)皆撚筒啬M軟件。該功能尤其對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，如 水平井的產(chǎn)能預(yù)測(cè)非常實(shí)用。雖然軟件之間的接口使得軟件之間可以數(shù)據(jù)共享，但是也 使得軟件購置費(fèi)用增加。2.2 整體壓裂軟件對(duì)于整體壓裂垂直裂縫，已在改進(jìn)的黑油模型基礎(chǔ)上，建立了三維兩相油藏-裂縫數(shù)值模擬模型，可以對(duì)五點(diǎn)井網(wǎng)、反九點(diǎn)井網(wǎng)人工裂縫與井排夾角為0o和 45。條件下，水力壓裂對(duì)區(qū)塊單元內(nèi)油水井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的影響進(jìn)行模擬研究， 形成了一套較成熟的技術(shù) 體系，對(duì)提高油藏的整體開發(fā)水平起到了很大的促進(jìn)作用。由于油藏條件的復(fù)雜性

11、，常 用的正方形井網(wǎng)模擬方法無法滿足工程需要。對(duì)于垂直裂縫，需要考慮在壓裂裂縫與井 排夾角為任意角度的條件下的整體壓裂數(shù)值模擬方法。隨著水平井單井開發(fā)效果的提 高，也急需要開發(fā)水平井開發(fā)壓裂井網(wǎng)設(shè)計(jì)方法，以確定合理的井網(wǎng)部署與壓裂改造裂 縫的匹配，目前國內(nèi)相關(guān)應(yīng)用報(bào)道較少。2.3 單井設(shè)計(jì)軟件單井壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化整體來看技術(shù)比較成熟，裂縫模型基本上是采用的全三維，可以 進(jìn)行裂縫形態(tài)模擬、產(chǎn)能預(yù)測(cè)、測(cè)試壓裂分析。單井設(shè)計(jì)存在的一些需改進(jìn)的地方，如 單井只能預(yù)測(cè)單相（油或者氣）產(chǎn)能模擬，不能模擬油水、油氣兩相的預(yù)測(cè)，產(chǎn)能預(yù)測(cè) 模型相對(duì)簡單，大部分情況下與實(shí)際產(chǎn)能相差較大；壓裂防砂功能較弱，沒有單獨(dú)的針

12、 對(duì)壓裂防砂的裂縫模型；不能完成多方案同時(shí)模擬，智能性不強(qiáng)。壓裂返排軟件壓后返排是壓裂工藝的一部分，是水力壓裂作業(yè)的重要環(huán)節(jié)，但對(duì)壓后返排并未引 起足夠的重視，適當(dāng)?shù)姆蹬懦绦蛲ǔＪ潜３至芽p導(dǎo)流能力的關(guān)鍵，壓后油氣井的生產(chǎn)能 力在很大程度上取決于該導(dǎo)流能力。壓后返排主要包括計(jì)算井口放噴壓力隨時(shí)間的變化 規(guī)律、計(jì)算裂縫閉合時(shí)間、計(jì)算支撐劑在裂縫中沉降速度、計(jì)算支撐劑的回流量、計(jì)算 井筒沉砂高度、優(yōu)選放噴油嘴尺寸，以制定科學(xué)合理的返排制度。2.4 沒有充分利用“專家”的智慧壓裂設(shè)計(jì)的好壞很大程度上不是依靠軟件的模型的先進(jìn)與否， 而是與設(shè)計(jì)人員的水 平高低緊密相關(guān)的。一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人員，會(huì)根據(jù)油藏類型

13、、儲(chǔ)層性質(zhì)、并參考同類型 井進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。壓裂設(shè)計(jì)軟件只是一個(gè)工具，工具的先進(jìn)與否并不能決定設(shè)計(jì)的合理 程度。而設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)是基于以前施工井的設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工的基礎(chǔ)上，這種從大量數(shù) 據(jù)中提取或“挖掘”知識(shí)的過程被稱作“數(shù)據(jù)挖掘” 。國內(nèi)外針對(duì)壓裂的數(shù)據(jù)挖掘也開 展了大量的工作，國內(nèi)外比較成熟的有Schlumberger的DECIDE和廊坊分院開發(fā)的低滲 難動(dòng)用儲(chǔ)量壓裂專家系統(tǒng)。Schlumberger的DECIDE是石油行業(yè)第一款具有數(shù)據(jù)挖掘的 油田管理平臺(tái)，采用 SQLServer2000 作為數(shù)據(jù)倉庫平臺(tái)， B/S 架構(gòu)，算法上主要采用了 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法。DECIDE雖然是針對(duì)油藏的管

14、理軟件，其中的算法模塊也在壓裂 設(shè)計(jì)優(yōu)化和產(chǎn)能預(yù)測(cè)中進(jìn)行了應(yīng)用。廊坊分院的壓裂專家系統(tǒng)采用壓裂網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，包 括區(qū)塊整體投入開發(fā)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模塊、井網(wǎng)與裂縫匹配的快速評(píng)價(jià)模塊、壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì) 的遺傳算法模型、壓后排液和投產(chǎn)制度的智能優(yōu)化模型。算法上采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳 算法、蒙塔卡洛法。3 發(fā)展趨勢(shì)分析3.1 壓裂開發(fā)一體化軟件研制自主研發(fā)從整體壓裂開發(fā) -單井壓裂設(shè)計(jì) -壓后返排制度的優(yōu)化一體化軟件是非常有 意義的。首先可以節(jié)約大量的資金。軟件的研發(fā)可能需要投入大量的資金，但是購買商 業(yè)化的軟件同樣價(jià)格不菲。以壓裂設(shè)計(jì)軟件為例，目前市場(chǎng)上常用的壓裂設(shè)計(jì)軟件價(jià)格 在 70萬元左右，每年的升級(jí)費(fèi)用在

15、 15%左右。各個(gè)壓裂設(shè)計(jì)軟件都有自己的特點(diǎn)，一 般來說，壓裂設(shè)計(jì)單位都配有 2-3 套壓裂設(shè)計(jì)軟件。采油院目前有 Gohfer、Stimplan、 FracproPT 三種壓裂設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)中也是以一種為主，而其他兩種作為輔助工具，這 樣大大浪費(fèi)了資源。獨(dú)立開發(fā)自主的軟件，可以將各種軟件的特點(diǎn)集于一體，可以有效 整合各種資源。再次，壓裂軟件的開發(fā)也不是不能實(shí)現(xiàn)的。壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程其實(shí)就 是求解力學(xué)模型的過程。壓裂設(shè)計(jì)中涉及到了斷裂力學(xué)、流體力學(xué)、滲流力學(xué)，壓裂設(shè)計(jì)的核心就是求解偏微分方程的過程。 壓裂理論的研究非常成熟，Gohfer軟件的所有的 模型都是開源(Open Source)的，而

16、且都已經(jīng)在SPE上發(fā)表。國內(nèi)的一些院校也開發(fā) 了三維設(shè)計(jì)軟件。最后，只有將這三部分有機(jī)的結(jié)合在一起，才能使壓裂各個(gè)環(huán)節(jié)緊緊 相扣，方便設(shè)計(jì)人員更為高效的、合理的進(jìn)行區(qū)塊、單井的設(shè)計(jì)，從區(qū)塊的角度考慮單 井問題，從壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化返排制度，完成數(shù)據(jù)流的有效連接。3.2 數(shù)據(jù)挖掘輔助決策系統(tǒng)研制常用的壓裂設(shè)計(jì)方法是基于力學(xué)模型，而模型中的很多參數(shù)是不容易獲取的，在實(shí) 際計(jì)算過程中，一般都是采用的多種假設(shè)，這就會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果和實(shí)際的相差較大?，F(xiàn) 場(chǎng)的施工數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)是最能反映儲(chǔ)層的實(shí)際狀況的，利用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，建立 基于歷史數(shù)據(jù)的分析模型，由于該模型是參考實(shí)際數(shù)據(jù)，所以可信度要高于純理論模型。 在

17、實(shí)際設(shè)計(jì)中，壓裂設(shè)計(jì)要參考數(shù)據(jù)挖掘模型，如果相差較大，需要進(jìn)行調(diào)參。常見的 數(shù)據(jù)挖掘算法有擬合預(yù)測(cè)、模糊聚類、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、支持向量機(jī)等。 通過對(duì)數(shù)據(jù)挖掘算法的研究，合理的數(shù)據(jù)挖掘輔助決策系統(tǒng)不能僅僅局限于一種方法， 而是充分利用各種決策手段，提高分析的智能性，這樣可以避免一種方法存在的局限性。 采油院在這方面開展了大量的工作，也取得了一定的成果。早在上世紀(jì) 90 年代，采油 院在國內(nèi)首次開發(fā)了“壓裂設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)” ，可同時(shí)利用多個(gè)領(lǐng)域?qū)＜以诓煌瑫r(shí)期取得 的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。因而它所做出的設(shè)計(jì)方案從理論上講是最科學(xué)合理的。同時(shí)該系統(tǒng)把設(shè) 計(jì)人對(duì)方案質(zhì)量的影響降到了最低程度， 從而避免了因設(shè)計(jì)人技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)的差異導(dǎo) 致方案水平差別大的現(xiàn)象。該水力壓裂設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)在勝利油田應(yīng)用 11 井次。施工成 功率 100% ,有效率 100%。這是數(shù)據(jù)挖掘的雛形，也為后來的研究提供了借鑒。經(jīng)過近 幾年的發(fā)展，采油院形成了輔助壓裂決策的數(shù)據(jù)挖掘流程，建立了適合于壓裂數(shù)據(jù)挖掘 的體系，在壓裂基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，采用 SQLServer2005建立了數(shù)據(jù)倉庫，形成了壓 裂效果 OLAP 多維分析模型，配套了數(shù)據(jù)展示平臺(tái)，可從不同角度對(duì)各因子進(jìn)行更深層 次的分析。開發(fā)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、支持向量機(jī)軟件，并應(yīng)用這多種算法對(duì)壓