水平井增产改造“工程-地质一体化”技术体系研究

张玉广 罗毅 张洪涛 张 浩

(1.大庆油田分公司采油工艺研究院，黑龙江 大庆 163453;2.成都理工大学能源学院，成都 610059)

水平井增产改造技术以分段压裂为主［1］。众学者曾对水平增产改造进行深入研究，发现水平井压裂过程中的裂缝启裂和延伸与井眼轨迹、岩石性质、应力分布密切相关［2-5］，对裂缝参数和压裂后产能［6-10］也进行了研究，但是结合地质情况对水平井增产改造以实现“工程-地质一体化”技术的研究还很欠缺。大庆油田茂兴地区砂体横向相变较快，储层平面和纵向上非均质性较严重，且水平段上部薄互层发育情况较难预测。目前仅依据临井或导眼段地质数据进行水平井分段压裂改造设计的方法并不能满足现场实际需要，必须针对上述问题开展理论研究工作。大庆油田茂15-1井区为水平井分段压裂的示范区，本次研究构建了纵横波关系模型，主要针对该井区“工程-地质一体化”技术体系进行探索。

1 纵横波关系模型构建

岩石力学参数是地应力分析、裂缝启裂机理及裂缝延展规律研究的重要基础数据，开展“工程 -地质一体化”技术体系研究的首要步骤就是对现有的测井数据进行精细解释，以获取岩石力学和地应力参数的原始数据。

茂15-1井区的茂15-7-1井、茂15-16-1井已实施过X-mac测井，可取得相关测井数据。由图1看到，茂15-7-1井、茂15-16-1井纵横波曲线较吻合，但泥质含量对纵横波关系曲线影响较大;由图2可发现，GR曲线比密度曲线更能代表储层的泥质含量，因而在回归纵横波关系曲线时考虑了GR曲线对纵横波关系曲线的影响。

图1 茂15-7-1井、茂15-16-1井纵横波时差关系曲线

图2 茂15-7-1井、茂15-16-1井自然伽马与纵横波时差乘积关系曲线

2 单井岩石力学参数和地应力参数解释

通过实测的X-mac曲线获得纵横波关系后，将此模型推广应用到整个茂15-1区块。利用工区的声波时差测井数据结合前面的关系模型，可以获得相应的横波数据:同时根据测井密度ρ和获得的纵横波时差Δtp、Δts解释数据，利用黄氏模型，可以获得单井的岩石弹性参数和强度参数。

利用前面获得的岩石力学参数和地应力参数解释模型，对茂15-1井区单井测井数据进行解释，并绘制解释成果图。图3所示为茂15-1井岩石力学参数和地应力参数解释图。目前常规的岩石力学测井解释成果图没有标注层位、岩性、试油结论等信息，不便于穿层压裂时设计人员参考。本次研究对上述缺陷进行了完善，使对穿层起决定性的储隔层厚度、最大最小水平应力差、储隔层应力差等参数可直观显示。在单井解释的基础上绘制出相应参数的平面分布图，可在新井和探井资料缺乏的情况下供设计人员参考。图4所示为砂岩水平主应力差平面分布图。图5所示为储层最小水平主应力差平面分布图。

图3 茂15-1井岩石力学参数和地应力参数解释图

3 三维岩石力学特性参数和地应力参数井震预测

茂15-1井区相变较快，水平井井筒上下储层性质预测较困难，且薄互层发育状况未知。仅依靠导眼段数据和邻井数据进行压裂设计，只能进行定性分析;如果要作定量研究，则必须对储层的发育状况进行准确预测。目前储层预测的方法分为地震方法和测井方法。地震方法用于平面属性研究时准确度比较高，但对纵向非均质的把握程度较差;而测井数据对纵向非均质的刻画较为准确，但又不足反映平面属性。将测井数据和地震数据结合起来实现预测储层的三维空间分布是目前的研究热点。

图4 砂岩水平主应力差平面分布图

图5 储层最小水平主应力差平面分布图

通过对茂兴地区 inline668-938、xline1858-2078三维地震数据进行提取，同时利用葡萄花组顶面、P15底面、葡萄花组底面时间域和深度域追踪数据，分别建立相应的时间域、深度域平面图，进而建立速度场模型，将时间域地震体转换为深度域地震数据体。与此同时，提取深度域地震数据体，获得工区目标层位的地震数据体，再通过反演方法获取横波、纵波、岩石密度模型数据，进而根据上述测井解释模型，建立工区的三维岩石弹性参数模型和岩石力学参数模型。图6所示为三维岩石弹性参数和力学参数地震预测流程。图7所示为岩石力学参数和地应力参数建模示意图。

图6 三维岩石弹性参数和力学参数地震预测流程

图7 岩石力学参数和地应力参数建模示意图

从获得的三维岩石弹性参数模型和岩石力学参数模型可以看出，三维地震的分辨率介于10～15 m，而压裂施工对纵向精度的要求在1 m以内，因此仅仅依靠地震方法获得的三维石弹性参数模型和岩石力学参数模型不能满足实际压裂施工优化设计的需要。

要克服上述问题必须采用井震结合的思路，即既利用三维地震平面预测的优势，又要利用测井纵向预测的优势，二者完美结合，就可以对三维石弹性参数模型和岩石力学参数进行准确刻画。图8所示为P21井地震数据与细分层对比图。图9所示为P21井地震数据与测井资料建模对比图。三维岩石弹性参数模型和岩石力学参数刻画分3步完成，即测井数据离散化处理、数据分析和模型的实现。茂15-1井区测井数据间距为0.05 m，为满足细分层和穿层压裂的需要，如果按照纵向0.05 m的精度进行网格剖分，单一参数模型的网格数将达到10亿网格级，大大超出现有计算机的处理能力，因此必须对测井曲线进行高度离散化处理。同时结合三维地震预测数据体，利用高斯序贯方法对三维岩石弹性参数模型、强度参数和岩石力学参数进行刻画，获得了较好的预测效果。预测模型完全可以用于真三维压裂裂缝模拟，解决了水平井井筒上下储层预测难度大的难点问题。

图8 P21井地震数据与细分层对比图

图9 P21井地震数据与测井资料建模对比图

4 非均质油藏水力压裂全三维模型裂缝模拟技术

在获取三维岩石弹性参数模型、强度参数和岩石力学参数模型后，沿水平井井筒方向进行剖面切取，分析水平井井筒上下段储层的发育状况、薄互层的分布规律、岩石力学参数分布规律等重要信息。结合薄互层与井筒的耦合关系制定了“压砂穿泥、压泥找砂”的压裂施工思路:“压砂穿泥”思路的重点是有效穿层，特点是高黏携砂、适当提排、井口控压、砂比优化;“压泥找砂”思路的重点是提高长期导流，特点是组合粒径、纤维固砂、适度顶替、停泵冲砂。结合薄互层发育状况进行压裂施工参数优化，对于能压穿的层段尽量实现穿层，不能压穿的层段尽量形成较长的有效人工裂缝。在此基础上利用建立的三维岩石弹性参数模型、强度参数和岩石力学参数模型，提取裂缝延伸方向上的剖面数据。图10所示为均质油藏水力压裂全三维模型裂缝模拟流程图。

图10 均质油藏水力压裂全三维模型裂缝模拟流程图

5 “工程-地质一体化研究”实践分析

古龙南平2井是茂15-1井区北部新建的一口水平井，古龙南平2井钻遇的主力油层为PI3层。沿井筒剖面进行分析，PI3层下方发育PI4油层，因此压裂施工过程中应尽量向下穿层，沟通PI4油层。通过分段优化结果，具体分段位置如表1所示，各层位采用螺旋射孔，相位角90°。

表1 古龙南平2井射孔位置

根据本次“工程-地质一体化”技术研究成果，优化压裂液排量为3.3～4.0 m3/min，液量为80～300 m3。在第二段压裂(2 310～2 305 m，液量300 m3)施工过程中，进行了井下微地震监测裂缝扩展监测，监测结果与理论模拟结果较吻合。

6 结语

致密油层砂体横向相变较快，储层非均质性强，水平段上部薄互层发育情况预测困难，仅依据临井或导眼段地质数据不能满足实际水平井穿层压裂改造设计的需要，只有实现“工程-地质一体化”才能解决上述难题。同时，水平井压裂过程中裂缝启裂和延伸与井眼轨迹、岩石性质及应力分布密切相关，致密油层储层的非均质性强，常规的三维模型已不能满足人工裂缝模拟的需要，只有实现“工程-地质一体化”才能对人工裂缝实现全三维模拟，提高设计方案的可靠性。

［1］陈汾君，汤勇，刘世铎，等.低渗致密气藏水平井分段压裂优化研究［J］.特种油气藏，2012，19(6):85-87.

［2］张烨，杨胜来，赵兵.塔中油田顺9井区超深超低渗水平井分段压裂技术［J］.特种油气藏，2013，20(4):134-137.

［3］李永平，王永辉，程兴生，等.高温深层非均质性碳酸盐岩水平井分段改造技术［J］.石油钻采工艺，2014，36(1):107-111.

［4］谢宇，袁孝春，高尊升，等 .塔里木油田碳酸盐岩超深井水平井分段改造技术［J］.油气井测试，2009，83(1):60-62.

［5］焦红岩.水平井压裂参数优化设计研究［J］.石油化工高等学校学报，2014，27(1):35-41.

［6］张广明，刘合，张劲，等.水平井水力压裂的三维有限元数值模拟研究［J］.工程力学，2011，28(2):101-106.

［7］蒋建方，朱娜，张祖国.地面交联酸酸蚀裂缝导流能力研究［J］.石油钻采工艺，2013，52(3):79-81.

［8］汪志明.裂缝参数对压裂水平井入流动态的影响［J］.中国石油大学学报(自然科学版)，2010，34(1):73-78.

［9］尹洪军，杨春城，徐子怡，等.分段压裂水平井压力动态分析［J］.东北石油大学学报，2014，38(3):75-80.

［10］唐汝众，温庆志，苏建，等.水平井分段压裂产能影响因素研究［J］.石油钻探技术，2010，38(2):80-83.