致密油水平井分簇射孔设计新方法与应用

李海涛, 刘畅, 卢宇, 蒋贝贝, 杜现飞

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室,西南石油大学, 四川 成都 610500;2.中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司油气工艺研究院, 陕西 西安 710000)

0　引　言

水平井分段多簇水力压裂作为开发非常规油气田的一种主流手段,在实际应用中取得了一定的成效,同时也暴露出一系列问题。多数油田根据储层特点,针对特定区块采用经验分段分簇方法,未考虑应力阴影等对后期裂缝扩展的负面作用,不能有效沟通天然裂缝带,难以形成复杂缝网[1]。同时在未考虑破裂压力差异的情况下,采用相同的布孔数会造成大量不生产的射孔簇。针对这些问题,前人做了一系列相关研究。Robin Slocombe等[2]提出对水平段几何分段分簇的方法。Cipolla和Weng等[3]提出射孔簇设计在最小水平主应力相差不大的位置。Askar Atanayev等[4]根据储层质量和完井质量设计压裂分段。Nagel等[5]通过分析计算应力阴影进行优化完井。卢聪和郭建春等[6]基于不连续位移法建立了多缝应力干扰模型和优化裂缝间距的判定准则。尹建等[7]建立了诱导应力场地应力分布平面应变模型并分析得到裂缝转向的判据。林然等[8]提出簇间距过大与过小均会降低压裂改造效果,合理簇间距对应最大SRV。以上研究均讨论了部分因素的影响,方法不系统全面。

本文从工程甜点井段评价出发,根据地层裂缝诱导应力场特征和后期水平井分段压裂施工的相关性,提出了一套完整的致密油水平井分簇射孔设计方法,开发出致密油水平井分簇射孔优化设计软件。该方法综合考虑了储层可压性指数和物性指数、裂缝诱导应力场和破裂压力剖面等因素,能根据物性、可压性和应力分布进行合理分段,结合段内应力干扰合理分簇,基于段内各簇裂缝均衡扩展合理布孔,同时还紧密结合油田已有数据资料对不完善部分进行预测,并充分考虑了后期分段压裂储层改造效果,易于实现程序化,对现场水平井分簇射孔设计具有指导意义。

1　设计方法与理论模型

1.1　方法总述

致密油水平井分簇射孔设计新方法功能:①可压性指数和物性指数的预测;②工程甜点评价及分段;③射孔簇间距簇位置优化;④射孔枪弹方案和布孔数设计。整个设计过程紧密结合目标区块岩石力学测试资料和测井资料。

1.2　可压性指数和物性指数预测

可压性指数和物性指数是表征工程甜点井段的2个重要参数,以目标井、邻井的测井资料和目标区块岩石力学测试资料为基础,计算目标井的岩石力学参数剖面、地应力剖面、物性参数剖面,从而进一步计算得到可压性指数剖面和物性指数剖面。

可压性指数主要包含岩石脆性、抗剪性质和断裂韧性等力学性质[9][见式(1)]。关于脆性指数的定义,诸多学者做了大量研究,本文设计方法参考了Jin等[10]提出的矿物含量脆性指数和Rickman等[11]提出的力学脆性指数,物性指数主要考虑了渗透率、孔隙度、含油饱和度和天然裂缝发育程度[见式(5)]

IF=IB/(sinφKICKIIC)

(1)

(2)

(3)

IB=(IB1+IB2)/2

(4)

(5)

式中,IF为可压性指数;IP为物性指数;KIC为I型断裂韧性值;KIIC为II型断裂韧性值;φ为内摩擦角,arc;IB1为矿物含量脆性指数;IB2为力学脆性指数;IB为综合脆性指数;WSi为硅酸盐矿物含量,%;WCa为碳酸盐矿物含量,%;Ww为总矿物含量,%;Es为静态弹性模量;νs为静态泊松比;K、Kmax、Kmin分别为渗透率及其最大、最小值,mD*非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同;φ、φmax、φmin分别为孔隙度及其最大、最小值,%;SH、SH,max、SH,min分别为含烃饱和度及其最大、最小值,%;INF、INF,max、INF,min分别为天然裂缝发育程度指数及其最大、最小值,一般天然裂缝发育程度高取0.8,低取0.2。通过对某致密油区块A井的资料进行整理分析,可得到其地应力、可压性指数和物性指数剖面(见图1)。

图1　A井地应力、可压性指数和物性指数剖面

1.3　工程甜点井段评价与分段设计

工程甜点井段指具有好的可压性和物性的井段,主要基于可压性指数和物性指数剖面,通过综合评价方法进行优选。①对2种指数分为3个标定等级:好、中、差,分别对应5分、3分、1分;②引入累积频率分布的方法,根据目标井可压性指数和物性指数数据分布特点确定相应的标定等级界限[见图2(a)];③应用九宫格综合评价法,将对应井深单位井段的可压性指数评分和物性指数评分相加评价,对于同时满足综合评分大于5和固井质量好2个条件的井段即优选为工程甜点井段[见图2(b)]。

图2　工程甜点综合评价分段法与A井评价及分段结果

1.4　簇间距、簇位置优化

单段内最优簇间距主要根据诱导应力场作用下的裂缝转向机理和最大转向区面积确定[12]。单缝诱导应力场解析模型为[6]

(6)

(7)

σi,y=ν(σi,x+σi,z)

(8)

式中,σi,x为沿井筒方向上的水平诱导应力,MPa;σi,z为垂向诱导应力,MPa;σi,y为沿裂缝水平延伸方向上的诱导应力,MPa;p为净压力,MPa;ν为泊松比;c为裂缝半高,m。

距离先压裂缝近端某一区域内,诱导应力的作用使得后起裂缝将有可能发生转向,沟通更多天然裂缝的概率较大,改造体积会增大,有利于形成复杂缝网[13],因此,簇位置将在该区域内优选。裂缝转向区范围判断标准为x方向上的原地应力与诱导应力之和大于等于y方向上的原地应力与诱导应力之和,即

(9)

式中,σh为x方向上原地应力,MPa;σi,x(k)为第k条先压裂缝产生的x方向上的诱导应力,MPa;σH为y方向上原地应力,MPa;σi,y(k)为第k条先压裂缝产生的y方向上的诱导应力,MPa;n为已压裂缝条数,n≥1。

单段内簇位置应结合最优簇间距,综合考虑最小水平主应力、套管接箍位置、施工条件进行设计。单段内第1簇确定在靠近趾端的1/3段长内最小水平主应力最小的点,后续射孔簇位置按照最优簇间距依次向跟端方向排布,最后单段内所有簇位置均以微小偏差向最小水平主应力最小的点,同时避开套管接箍位置[见图3(b)]。对于连续油管多级射孔的水平井,靠近趾端的第1段只射1簇,该簇位置设计在段内水平主应力最小处附近,并避开了套管接箍。

图3　最优簇间距和簇位置设计结果

1.5　布孔数设计

为了充分考虑破裂压力非均匀性,保证后期压裂各簇裂缝同时起裂,相比于现场常用的均匀孔密布孔,采用根据破裂压力剖面分簇限流设计每一簇的布孔数,以达到排量和压力满足下面的平衡关系[16]

(10)

pm1+pmf1=pm2+pmf2+pl12=pm3+

pmf3+pl23=…=pmn+pmfn+pl(n-1)n

(11)

式中,Qt为目标段压裂液总排量,m3/min;Qi为目标段内第i簇对应裂缝的滤失排量,m3/min;pm为破裂压力,MPa;pmf为孔眼摩阻,MPa;pl为井筒内沿程摩阻,MPa。

2　软件开发

开发出一套完整的致密油水平井分簇射孔完井优化设计软件,包括从测井数据分析、分段、分簇、布孔数设计到报告生成的一整套设计流程。图4展示了该软件涵盖的主要功能模块。

图4　软件功能模块结构图

3　应用结果评价

图5　2017年月产油量柱状图

A井和X1、X2、X3、X4井为同一目标致密油区块上的水平井,完井方式均为分段多簇射孔完井,其中X1、X2、X3、X4井采用传统的等簇间距经验方法设计,A井采用本文的分簇射孔设计方法进行施工。水平井段均为2 000 m左右,储层中部深度为1 800 m,有效厚度为15 m,平均渗透率0.205 μm2,平均孔隙度为9.8%,平均压力为14.5 MPa,地层温度120 ℃,地层Biot孔弹性系数为0.2,水平地应力平均比值为1.183 9。A井与X1、X2、X3、X4井月产油量平均值对比,采用分簇射孔设计新方法优化后的A井达到了更好的生产效果(见图5)。

4　结　论

(1) 致密油水平井分段综合考虑可压性指数剖面和物性指数剖面,结合目标区块岩石力学测试资料和测井资料,2种指数剖面涵盖了区块储层岩石力学性质、物性、压裂施工参数、天然裂缝发育情况、矿物含量、固井质量、套管接箍等因素,并通过累积频率分布的手段对工程甜点井段进行了细致的评价,完成分段。

(2) 以提高主缝沟通天然裂缝带几率、形成复杂缝网为目的,分析了裂缝诱导应力的分布特点,建立了诱导应力场和叠加应力场的解析模型,在考虑裂缝转向和裂缝干扰的基础上,通过模拟计算分析得出了最优簇间距范围,确定了簇位置优选的方法。

(3) 以段内各簇同时起裂为目的,通过分簇限流的思想优化设计了各簇的布孔数,平衡了各簇的起裂阻力。

(4) 开发了致密油水平井分簇射孔优化设计软件,功能强大,界面简洁,实用性强。