致密油體積壓裂改造產(chǎn)能影響因素分析

致密油體積壓裂改造產(chǎn)能影響因素分析

近年來，隨著石油技術(shù)的發(fā)展，越來越多的油氣勘探和開發(fā)引起了人們的注意。致密油逐漸成為世界石油勘探的熱點(diǎn)?？碧降囊话泐愋蜑椋?）致密塊砂巖儲(chǔ)層；2）砂巖-粘土儲(chǔ)層；3）油頁巖致密儲(chǔ)層，致密儲(chǔ)層性質(zhì)差，孔端結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性強(qiáng)，天然裂縫發(fā)育，儲(chǔ)層致密，致密油的自然生產(chǎn)能力低，因此大部分采用體積壓裂重建方法，不斷擴(kuò)張，形成脆弱的巖質(zhì)裂縫，并形成復(fù)雜的裂縫體系。；增加轉(zhuǎn)換體積，提高初始產(chǎn)量和最終采收率。另一方面，由基質(zhì)裂縫網(wǎng)形成的雙重孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜缺點(diǎn)——油儲(chǔ)存層具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不均勻性強(qiáng)、儲(chǔ)量層特征的特點(diǎn)，因此很難分析儲(chǔ)層的詳細(xì)描述和滲流規(guī)律。目前，致密油儲(chǔ)層的體積壓裂井滲流理論的研究尚處于初步階段。國內(nèi)科學(xué)家采用電模擬方法對復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)水平井的水平井生產(chǎn)能力影響因素進(jìn)行了分析，但不能真正反映儲(chǔ)層的性質(zhì)。此外，國內(nèi)外科學(xué)家還采用數(shù)值色散模型法進(jìn)行了體積壓裂井的功率。。研究周期長，無法快速準(zhǔn)確地描述體積壓裂裂縫中的流流。本文根據(jù)儲(chǔ)層體積改造形成的縫網(wǎng)分布特征,利用樹狀分叉分形網(wǎng)絡(luò)模型,對縫網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行表征,推導(dǎo)出縫網(wǎng)的體積系數(shù)、有效滲透率等參數(shù)的表達(dá)式.考慮致密薄互儲(chǔ)層體積改造后的非線性滲流特征和壓敏特性［１２－１３］,根據(jù)致密油在直井周圍的不同流動(dòng)形態(tài),將流體流動(dòng)劃分為3個(gè)區(qū)域:主裂縫的達(dá)西滲流區(qū)、體積壓裂改造形成的橢圓非線性滲流區(qū)和基質(zhì)非線性滲流區(qū),建立了致密油薄互儲(chǔ)層體積壓裂直井三區(qū)耦合滲流模型,得到了致密油體積壓裂直井產(chǎn)能公式,并分析了縫網(wǎng)參數(shù)對致密油壓裂直井產(chǎn)能的影響,為合理開發(fā)致密油藏提供一定理論基礎(chǔ).1儲(chǔ)層致密油儲(chǔ)層裂縫分布及發(fā)展規(guī)律體積壓裂形成的裂縫起裂和擴(kuò)展并不像常規(guī)壓裂裂縫一樣由簡單的張性破壞所引起,體積壓裂裂縫存在剪切力、錯(cuò)斷和滑移等復(fù)雜的力學(xué)行為,在張性主裂縫存在的同時(shí)還存在大量的次生裂縫并與天然裂縫形成了錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),極大地提高儲(chǔ)層整體滲透率(見圖1).體積壓裂后形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)是致密油儲(chǔ)層的重要介質(zhì)特征.縫網(wǎng)內(nèi)水力壓裂裂縫與隨機(jī)分布、形態(tài)不規(guī)則的微裂縫,導(dǎo)致儲(chǔ)層非均質(zhì)性更強(qiáng),其分布數(shù)量及規(guī)模等對開發(fā)影響巨大.分形理論是描述儲(chǔ)層非均質(zhì)性的有力工具,并且研究發(fā)現(xiàn),地層破裂形成的裂縫系統(tǒng)具有很好的統(tǒng)計(jì)自相似性,具有分形特征［１４］.因此,采用類分形分叉樹狀網(wǎng)絡(luò)分形理論來研究致密油儲(chǔ)層體積壓裂后裂縫的分布及發(fā)展規(guī)律.2u3000裂縫網(wǎng)絡(luò)假設(shè)一個(gè)厚為h、井筒半徑為rｗ、裂縫改造區(qū)為r的直井滲流區(qū)域.由樹狀分形理論［１５－１６］可知,裂縫分叉網(wǎng)絡(luò)通常是由一系列分叉結(jié)構(gòu)組成(見圖2),考慮樹狀分形分叉結(jié)構(gòu)的不均勻性,假設(shè)初級裂縫的直徑d１分布,即井筒附近裂縫管道直井分布,滿足分形標(biāo)度率,則初級裂縫圓管中直井大于或等于d１的裂縫累積數(shù)N為式中:D為裂縫分形維數(shù);d為測量裂縫尺度,m;d１為初級裂縫的直徑,其取值范圍為dｍｉｎ≤d１≤dｍａｘ,m;dｍｉｎ,dｍａｘ分別表示初級最小、最大直徑,m.因此,初級裂縫總數(shù)為裂縫網(wǎng)絡(luò)的等效長度為各級分叉長度累加和,據(jù)分形標(biāo)度率,裂縫網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際長度為其中l(wèi)ｋ=l１αｋ,式中:Lｔ為裂縫網(wǎng)絡(luò)實(shí)際長度,m;Lｋ為第k級裂縫的實(shí)際長度,m;lｋ為第k級裂縫的直線長度,m;dｋ為第k級裂縫的半徑,m;δ是迂曲度分形維數(shù);l１為初級裂縫長度,m;α為長度比;m為分叉級數(shù).裂縫分叉網(wǎng)絡(luò)的直線距離可以通過迭代公式從井筒迭代到最大分叉級數(shù)m求的那么裂縫改造區(qū)域的直線長度為:Lｅ=L１u3000ｍ.式中:L１ｋ為從井筒到第k級裂縫的直線距離,m;Lｅ為裂縫改造區(qū)直線長度,m;θ為裂縫分叉角度,(°).根據(jù)裂縫面密度定義,井筒區(qū)域裂縫的面密度Dｆ為流體在裂縫內(nèi)的流動(dòng)滿足Hagen-Poiseuille方程和Darcy定律,那么裂縫網(wǎng)絡(luò)的有效滲透率為式中:rｗ為井筒半徑,m;β為相鄰兩級分叉裂縫直徑之比;h為儲(chǔ)層厚度,m;Kｆｅ為裂縫網(wǎng)絡(luò)有效滲透率,m２;n為裂縫分叉?zhèn)€數(shù),本文中取n=2.裂縫網(wǎng)絡(luò)的總體積為次生裂縫網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)基質(zhì)-網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng),同樣是雙重介質(zhì),所以體積壓裂改造區(qū)的有效滲透率kｅ可以表示為式中:kｅ為體積壓裂改造區(qū)有效滲透率,m２;kｍ為基質(zhì)滲透率,m２;V為體積壓裂改造區(qū)儲(chǔ)層中體積,m３.3致密儲(chǔ)層直井體積壓裂非線性滲流模型3.1方程的連續(xù)性式中:v為滲流速度,m/s;$為哈密頓算符;φ為孔隙度;ρ(p)為流體密度,kg/m３;t為生產(chǎn)時(shí)間,s.3.2不同流體速度下及滲透率變形系數(shù)p1)主裂縫內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)方程2)縫網(wǎng)和基質(zhì)區(qū)流體運(yùn)動(dòng)方程其中,式中:v為滲流速度,m/s;μ為黏度,Pa·s;$p為壓力梯度,Pa/m;G(p)為啟動(dòng)壓力梯度,Pa/m,當(dāng)流體線性流動(dòng)時(shí)G(p)=0;αｋ為滲透率變形系數(shù),1/Pa;p,pｉ分別為當(dāng)前地層壓力、原始地層壓力,Pa;k,k０分別當(dāng)前地層壓力、原始地層壓力下的滲透率,m２.3.3壓力p下的孔隙度式中:ρ０為壓力p０下的流體密度,kg/m３;φ０為壓力p０下的孔隙度;CＬ為液體的壓縮系數(shù),1/Pa;Cｆ為巖石的壓縮系數(shù),1/Pa.4致密油儲(chǔ)層直井壓裂損失模型4.1儲(chǔ)層致密油滲流場假設(shè)對直井進(jìn)行體積壓裂,儲(chǔ)層體積壓裂改造后形成橢圓形的縫網(wǎng)［１０］,橢圓形體積改造區(qū)域短半軸長為b,焦距為主裂縫半長xｆ,據(jù)實(shí)際體積直井裂縫形態(tài),考慮致密油儲(chǔ)層特性,據(jù)滲流理論和非線性滲流有效動(dòng)用理論［１７－１８］,直井體積壓裂致密油滲流場可以簡化為3個(gè)區(qū):1)水力壓裂主裂縫區(qū)域(Ⅰ區(qū));2)儲(chǔ)層體積壓裂改造橢圓縫網(wǎng)滲流區(qū),即次生裂縫及微裂縫形成的區(qū)域(Ⅱ區(qū));3)由于致密油非線性滲流特性和體積壓裂改造區(qū)的影響,形成的基質(zhì)橢圓滲流區(qū)(Ⅲ區(qū)),如圖3所示.4.2產(chǎn)量模型的構(gòu)建4.2.1儲(chǔ)層地層滲流規(guī)律考慮致密油儲(chǔ)層特征,建立直井體積壓裂模型需要作出以下幾點(diǎn)假設(shè):1)致密油儲(chǔ)層為上下封閉且無限大地層,厚度為h,地層滲透率為kｍ,地層中心一口直井;2)對直井進(jìn)行體積壓裂,儲(chǔ)層體積壓裂改造后形成橢圓形的縫網(wǎng),橢圓形體積改造區(qū)域短半軸長為b,焦距為主裂縫半長xｆ,見圖3;3)油藏和裂縫內(nèi)流體為單相流體,不可壓縮,滲流為等溫穩(wěn)定滲流,不考慮重力影響;4)滲流過程中考慮啟動(dòng)壓力梯度的影響;5)考慮致密油儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性,對滲透率進(jìn)行修正.4.2.2直接體積壓裂損失公式該區(qū)域流體流動(dòng)為沿主裂縫的線性流動(dòng),且壓裂裂縫高度即為地層厚度,則由達(dá)西定律得積分并整理得則I區(qū)滲流阻力為2儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度的確定該區(qū)域滲流將主裂縫簡化為線源,則油井生產(chǎn)時(shí)在地層中發(fā)生平面二維非線性橢圓滲流,該橢圓滲流區(qū)是以油井為中心、以主裂縫端點(diǎn)為焦點(diǎn)、體積壓裂改造區(qū)域?yàn)檫吔?通過保角變換,體積壓裂改造區(qū)橢圓泄流區(qū)域可以等效為供給半徑為,生產(chǎn)半徑為的圓形泄流區(qū),那么該區(qū)的流量為則Ⅱ區(qū)滲流阻力為該泄流區(qū)域可以等效為供給半徑為,生產(chǎn)半徑為的圓形泄流區(qū),那么該區(qū)的流量為其中b１=rｃ+Lｅ.式中rｃ為動(dòng)用半徑,m,由非線性滲流有效動(dòng)用理論［２０］確定.則Ⅲ區(qū)滲流阻力為據(jù)等值滲流阻力原理,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ區(qū)串聯(lián)供油,則q１=q２=q３=q.可以得到考慮啟動(dòng)壓力梯度的致密油儲(chǔ)層體積壓裂直井的產(chǎn)能計(jì)算公式式中:q１,q２,q３分別為主裂縫、體積壓裂改造區(qū)、基質(zhì)區(qū)流量,m３·d－１;q為體積壓裂直井產(chǎn)能,m３·d－１;R１,R２,R３分別為主裂縫、縫網(wǎng)改造區(qū)、基質(zhì)區(qū)的滲流阻力,Pa·s/(m２·m);G１,G分別為體積壓裂改造區(qū)、基質(zhì)區(qū)的啟動(dòng)壓力梯度,1/Pa;xｆ為主裂縫半長,m;wｆ為主裂縫寬度,m;kｍ為主裂縫滲透率,m２;pｅ為供給邊界壓力,Pa;pｗ為井底壓力,Pa;rｃ為動(dòng)用半徑,m.5年度績效影響因素分析5.1模擬參數(shù)參數(shù)取值見表1.5.2變形系數(shù)對直井產(chǎn)能的影響圖4表示不同生產(chǎn)壓差下,變形系數(shù)不同對體積壓裂直井產(chǎn)能的影響.從圖中可以看出,變形系數(shù)與體積壓裂直井產(chǎn)能之間呈非線性關(guān)系.相同的生產(chǎn)壓差下,隨著變形系數(shù)的增大,直井體積壓裂的產(chǎn)能降低,這是由于致密油儲(chǔ)層生產(chǎn)過程中,由于孔隙壓力下降,導(dǎo)致有效應(yīng)力增加,儲(chǔ)層巖石孔隙和裂縫發(fā)生形變,滲透率降低.變形系數(shù)對直井產(chǎn)能的影響與生產(chǎn)壓差關(guān)系密切,生產(chǎn)壓差越大,變形系數(shù)對直井體積壓裂產(chǎn)能的影響越嚴(yán)重.因此,對于壓敏性較強(qiáng)的致密油儲(chǔ)層,需要優(yōu)化生產(chǎn)壓差才能保證致密油的合理開發(fā).2儲(chǔ)層體積壓裂特征突出圖5中表示相同主裂縫長度的常規(guī)壓裂與體積壓裂產(chǎn)能對比曲線.從圖中可以看出,體積壓裂產(chǎn)能明顯比常規(guī)壓裂產(chǎn)能高,且體積壓裂具有明顯的非線性特征.致密油儲(chǔ)層致密,孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜,基質(zhì)滲透率極低,常規(guī)壓裂單井產(chǎn)能低,約為1t.而體積壓裂能夠形成裂縫網(wǎng)絡(luò),從而極大地提高儲(chǔ)層整體滲透率,減小基質(zhì)向主裂縫的滲流阻力,增大裂縫壁面與儲(chǔ)層基質(zhì)的接觸面積,縮短流體從基質(zhì)向主裂縫的滲流距離.因此,要獲得較高的產(chǎn)能,達(dá)到經(jīng)濟(jì)需求必須要進(jìn)行體積壓裂.3裂縫分形維數(shù)的影響圖6表示裂縫分形維數(shù)和迂曲度分形維數(shù)對壓裂改造區(qū)面密度、等效滲透率的影響.從圖中可以看出,裂縫分形維數(shù)越大,體積壓裂形成的裂縫條數(shù)越多,因此裂縫面密度越大,相應(yīng)的體積改造區(qū)等效滲透率越大.當(dāng)裂縫分形維數(shù)相同時(shí),體積壓裂次生裂縫總條數(shù)相同,迂曲度分形維數(shù)越大,裂縫越曲折,雖然面密度增加了,但是也延長了流體的流動(dòng)距離,基質(zhì)-裂縫的等效滲透率減小.4雙裂縫面密度圖7表示相同迂曲度分形維數(shù)條件下,裂縫面密度對體積壓裂直井產(chǎn)能的影響.從圖中可以看出,裂縫面密度越大,產(chǎn)能就越大,這是因?yàn)橄嗤挠厍确中畏中尉S數(shù)條件下,面密度越大,裂縫條數(shù)越多,體積壓裂裂縫密度越高,從而直井產(chǎn)能也越大.5體積改造區(qū)域短半軸長圖8為不同體積改造區(qū)面積致密油儲(chǔ)層壓裂產(chǎn)能對比(b表示體積改造區(qū)域短半軸長).從圖中可以看出,隨著體積改造區(qū)域短半軸長或者主裂縫長度的增加,體積改造面積也要增大,油井控制的泄油面積也在增大,油井產(chǎn)能也在增大,但是增加幅度降低.6條采不同斷面的主裂縫引流能力圖9為裂縫導(dǎo)流能力對致密油直井體積改造產(chǎn)能的影響.從圖中可以看出,次生縫導(dǎo)流能力相同時(shí),相同的改造體積下,主裂縫導(dǎo)流能力越強(qiáng),直井體積改造產(chǎn)能就越高,但是當(dāng)主裂縫的導(dǎo)流能力大于20D·cm時(shí),導(dǎo)流能力對產(chǎn)能幾乎沒有影響.主裂縫導(dǎo)流能力相同時(shí),次生裂縫導(dǎo)流能力增加,產(chǎn)能增大,同樣的增加幅度在降低.6致密油儲(chǔ)層體積壓裂直井產(chǎn)能公式1)用樹狀分叉分形網(wǎng)絡(luò)理論描述體積壓裂復(fù)雜裂縫形態(tài),得到了裂縫面密度、等效滲透率與分形參數(shù)(分形維數(shù)、迂曲度分形維數(shù))之間的函數(shù)表達(dá)式.體積壓裂形成的裂縫條數(shù)越多,裂縫分形維數(shù)越大,裂縫面密度越大,體積改造區(qū)等效滲透率越大;體積壓裂形成的裂縫條相同時(shí),迂曲度分形維數(shù)越大,體積改造區(qū)的等效滲透率越小.2)根據(jù)致密油在體積壓裂直井周圍的不同流動(dòng)形態(tài),將流體流動(dòng)劃分為3個(gè)區(qū)域:主裂縫線性滲流區(qū)、縫網(wǎng)非線性滲流區(qū)和基質(zhì)非線性滲流區(qū),建立致密油儲(chǔ)層體積壓裂直井三區(qū)耦合滲流模型,推導(dǎo)出致密油體積壓裂直井產(chǎn)能公式,為