致密油压裂水平井产能影响因素研究——以辽河油田大民屯致密油水平井为例

吴林洪，郭小哲，罗　威，张子明，张文昌

(1.中国石油大学(北京)石油工程学院，北京　102249；2.中石油辽河油田钻采工艺研究院,辽宁盘锦　124000)

随着全世界能源需求的急剧增加，非常规油气资源越来越受到重视[1-2]。尤其是致密油，近年来已经成为全球油气勘探的热点领域[3]。致密油是非常规油气资源中比较重要的部分，也是未来油气资源上产的重要接替资源。因此，致密油的研究和开发受到持续广泛的关注[4-5]。

美国是目前世界致密油勘探开发的核心地区,在致密油有效开发的助推下，其勘探已取得了重大突破，彻底改变了美国能源供应的格局[6]。相比之下，中国致密油资源非常丰富[7]，但以前一般将该类油藏归为低渗透油藏，自2010年以来致密油这一术语才在国内得到广泛接受和采用[8]。

致密油藏储集层发育纳微米级孔喉，具有颗粒细小、微尺度效应明显、物性差和孔隙度、渗透率值极低等特点，这导致致密油储层基质泄油半径小、开发难度大[9]。目前水平井钻井、大规模压裂和压裂微地震实时监测诊断三大关键技术，是该类油藏开发的必要手段[10]。由于技术进步和压裂设备的不断更新，水平井压裂技术也从分段压裂、多级分段压裂发展到大规模分段多簇的体积压裂[11]。这种“长井段水平井+体积压裂”的开发模式可以充分利用天然能量，实现致密油资源的有效动用。因此，水平井设计和体积压裂成效对致密油藏的开发效果至关重要。故十分有必要开展致密油水平井产能影响因素分析和对比工作，以找出各个影响因素对致密油水平井产能的影响规律和筛选出主控因素，为油田现场部署水平井和设计水平井压裂施工提供指导。

针对这一问题，国内外相关学者开展了大量研究工作。孟展、才博、王瑞、梁涛等人[12-15]采用信息量分析、灰色关联和正交试验设计方法对致密油藏压裂水平井产能的影响参数进行了计算与检验。赵静、李根生等人[16-17]讨论了各参数变化时分别引起的压裂水平井产能的变化情况。杨俊峰等人[18]建立了致密油压裂水平井产能模型，并对初始产能的影响因素进行了分析。孙兵等人[19]研究了天然裂缝发育程度和基质孔隙度分布等地质因素对致密油水平井产能影响的特征。闵春佳等人[20]以松辽盆地致密油开发示范区扶余油层致密油储层为研究对象，研究了压裂参数对产能的影响。彭晖等人[21]分析了生产初期和后期以及产能递减的主控因素。刘雄等人[22]通过建立致密油体积压裂水平井产能评价非稳态半解析模型，研究了生产过程中裂缝间相互干扰下裂缝参数对产能的影响。魏漪等人[23]利用考虑了产能敏感性因素的产能预测模型，分析了压裂水平井在致密油储层中的开发动态。梅显旺等人[24]在不同压裂裂缝形态的基础上，建立了描述油藏与裂缝关系的物理模型和数学模型，并应用该模型研究了储层渗透率和压裂参数对压后产能的影响。

为了更好地为压裂设计、压裂效果评价以及产能预测等服务，本文从致密油压裂水平井的渗流机理和特征出发，依据致密油藏压采一体化的开发理论[25]，采用数值模拟方法，建立了致密油储层单井产能模型，较全面细致地从地质和压裂两个方面研究了各参数对致密油压裂水平井产能的影响规律，并通过定义影响因子较精确地量化和对比各参数对生产初期、生产五年和累产量的影响情况，找出各阶段的主控因素。

1　致密油压裂水平井渗流特征

对于致密油压裂水平井，由于体积压裂后储层内存在大量的分支缝，流体在储层内的渗流可分为由分支缝向主缝流动的渗流阶段和由主裂缝向井筒流动的渗流阶段[26]。在压裂井单井控制范围内，表现为在不同的生产阶段具有不同的渗流区域[27]、不同的流动介质和渗流机理。即压裂缝网内的原油首先流向井筒；然后近井筒区域的基质对压裂缝网进行补给，基质中的原油通过缝网区域流向井筒。远井筒区域的基质对近井筒区的基质进行补给，远井筒区的原油通过近井筒基质孔喉和天然裂缝流向缝网区域[28]。

2　致密油压裂水平井产能特征

2.1　地质模型建立

本文以辽河油田大民屯凹陷致密油H307井为研究对象。该水平井段长600 m，压裂分6段，每段射孔2簇，共计产生12条主裂缝，压裂示意如图1所示。运用Eclipse的E100模块建立了精细的压裂水平井单井数值模拟基本模型。模型为双重介质模型，大小为1200 m×960 m×15 m，采用块中心网格，网格数共计360×96×2=69120个。其他基本参数见表1。

表1　数值模型基本参数Table 1　Base parameters in simulation model

图1　压裂水平井模型Fig.1　Modeling grid for horizontal well by volume fracturing in tight oil reservoirs

2.2　产能特征

对该井的定压生产进行数值模拟计算，其日产油量变化如图2所示。总结其生产规律大致分为3个阶段：初期高产阶段、快速递减阶段和缓慢递减阶段。

图2　模型产能曲线Fig.2　The production curve of horizontal well by volume fracturing in tight oil reservoirs

初期高产阶段的产量维持时间较短。这是由于这个阶段渗流区主要为压裂缝网，裂缝系统的高导流能力及压裂后储层压力的升高，使得初期产量一般较高；但又由于基质渗透率很低，窜流系数较小，基质系统中的流体参与自基质向裂缝的流动很慢，往往需要在裂缝系统采出较多流体后，依靠基质和裂缝系统的较大压差来克服阻力，这便导致了基质系统供给裂缝系统的油及能量变慢，从而使高产维持时间很短，迅速进入递减阶段。

快速递减阶段继短暂的初期高产后呈现快速递减趋势。主渗区域由裂缝系统向基质系统加深转变，渗流阻力变大，压力传导变慢，流动介质主要为近井筒区内的基质。快速递减可达到50%～70%，维持时间一般为3～5年。

缓慢递减阶段表现为产量低、递减慢、稳产期较长。在这个阶段，基质系统和裂缝系统的渗流区域扩大，压降区域相应也扩大，基本达到稳定，流动介质主要为远井区内的基质，从而形成低产量的缓慢递减区特征；有时受限于边界，递减幅度会加大。

3　地质因素对产能的影响

影响致密油产能的地质因素主要有基质渗透率、裂缝渗透率和储层有效厚度。通过数值模拟方法模拟计算不同地质参数下5年(缓慢递减之前)的生产情况。保持其他参数不变，改变单一地质影响因素，分别得到此因素对产能的影响，如图3～图5所示。

图3　不同天然裂缝渗透率对产能的影响Fig.3　Effect of different natural fracture permeabilities on volume-fractured horizontal well productivity

图4　不同基质渗透率对产能的影响Fig.4　Effect of different matrix permeabilities on volume-fractured horizontal well productivity

图5　不同储层有效厚度对产能的影响Fig.5　Effect of different effective thicknesses on volume-fractured horizontal well productivity

由图3可知，在生产初期由于供油通道主要为压裂缝网中的裂缝，故天然裂缝渗透率对生产基本没有影响，但很快差别显现，呈现出天然裂缝渗透率越大，日产油量越大，产油量下降速度越慢的特征。

由图4可知，基质渗透率对生产初期的产能也基本没有影响，但随着生产的进行，裂缝渗流系统向基质渗流系统深度转变，基质渗透率的影响会逐渐加大。由此可见，储层渗透率是关系压后产能的一个重要因素，储层渗透率太低的水平井即使通过压裂改造后产量仍较低，而基质渗透率较大和天然裂缝发育程度较高的致密油储层更容易取得好的开发效果。

由图5可知，储层厚度越薄，初期产量越大，但递减也越迅速，累产油量也小。这是因为储层有效厚度越薄，则岩块越小，裂缝密度越大，从而导致形状因子越大。同时储层越薄，地层压力下降也越快，应力敏感所引起的介质变形将使裂缝渗透率与基质渗透率的比值变小[29]。这两个原因使得薄储层的窜流速度加快，地层流体能更快地由基质流入裂缝，从而短时间就有较大的渗流区域。但另一方面，储层越薄，油气层的生产能力就越小，相较厚储层而言，薄层显得后劲不足。同时还可看到油井累产量随地层厚度增加的幅度逐渐减小，这说明压裂水平井产量不是随地层厚度增大而无限增大的，进一步可以认为水平井在薄层油藏中更具优势。

4　压裂参数对产能的影响

体积压裂是致密油开采的关键，压裂参数亦至关重要，其主要包括缝网半长、主缝导流能力、段距、簇间距、缝半带宽、次裂缝渗透率、裂缝走向、裂缝含水饱和度、压裂时造成的储层压力升高等9个因素。应用数值模拟，保持其他参数不变，仍改变单一参数用以研究其变化对产能的影响，如图6～图14所示。

图6　不同缝网半长对产能的影响Fig.6　Effect of different fracture length on volume-fractured horizontal well productivity

图7　不同主缝导流能力对产能的影响Fig.7　Effect of different main fracture conductivity on volume-fractured horizontal well productivity

由图6和图7可知，缝网半长和主裂缝导流能力越大，日产油量越高，产量下降越慢。这是因为缝网半长越大，油的流动通道就越长，能够沟通到的区域就越大，也就越有利于水平井远处的油产出。而导流能力相当于裂缝运输原油的能力，导流能力越大，则运输能力越强。但缝网半长和主缝导流能力的增加并未带来产能的线性增加，相反产能增幅逐渐回落。这是因为缝网半长越长，裂缝末端到水平井筒的距离就越远，裂缝内的流动阻力就越大。此外，缝网半长越长，边界对裂缝的影响就越强，这也会阻碍地层向裂缝供液。而裂缝的导流能力对于一个特定的油藏则存在一个最优值。另外，缝网半长对产能的影响一直贯穿3个生产阶段，主裂缝导流能力只对初期的生产影响较大，后期影响逐渐减小并趋于稳定。

图8　不同段距对产能的影响Fig.8　Effect of different distance fracture sections on volume-fractured horizontal well productivity

图9　不同簇间距对产能的影响Fig.9　Effect of different distance between the main fractures on volume-fractured horizontal well productivity

图10　不同缝半带宽对产能的影响Fig.10　Effect of different half fracture bandwidth on volume-fractured horizontal well productivity

图11　不同次裂缝渗透率对产能的影响Fig.11　Effect of different subordinate fracture permeability on volume-fractured horizontal well productivity

由图8和图9可知，段距或簇间距越小，初期产量越高。因为越小的段距或簇间距意味着裂缝条数越多，初期压力的波及面积越大。也由于此，快速递减阶段的产量下降速度越快，下降幅度越大。但在生产中随着裂缝渗流区面积的扩大，裂缝间会逐渐产生相互干扰，裂缝数量越多，缝间干扰作用就越剧烈，每条裂缝产量受到的影响程度越大，导致产量的增幅逐渐减小。

由图10和图11可知，缝半带宽和次裂缝渗透率的变化对生产总体影响很小，它们不是增大产量的主要参数指标。这是因为当主缝间距较小时，缝网内任一点到裂缝的距离不能再大幅度缩短，因此虽然增加次裂缝渗透率可一定程度上提高储层渗流能力，增加缝半带宽也可增大缝网面积，但效果改善却并不明显。所以在缝网难以形成时，可通过增加压裂段数来实现相接近的开发效果。

图12　不同缝走向对产能的影响Fig.12　Effect of different main fracture directions on volume-fractured horizontal well productivity

由图12可知，裂缝走向与水平井夹角为90°时的产油量都明显高于其他。这是由于随着裂缝走向与水平井夹角的增大，裂缝之间的距离就越大，每条裂缝的泄油面积也越大，这使得裂缝间的干扰现象出现越晚，每条裂缝的产量也就越大。考虑到压裂时裂缝总是沿着最大地应力方向扩展延伸，故水平井位置平行于最小地应力方向的布井为最优。

图13　不同裂缝含水饱和度对产能的影响Fig.13　Effect of different fracture areas water saturation on volume-fractured horizontal well productivity

图14　不同压力升高对产能的影响Fig.14　Effect of different fracture areas pressure rise on volume-fractured horizontal well productivity

由图13和图14可知，压裂施工过程中压裂液的注入所引起的裂缝含水饱和度的增加和导致的压裂区域的压力升高对产量的影响迥异。裂缝含水饱和度的增加基本仅对初期产量略有影响，随着压裂液的返排其影响越来越小。而压裂区域的压力升高则使产量随压裂液的返排逐步上升，压力越高，压裂液返排时间越长，初始产油量越小，产油量上升越缓，但由于地层能量更充足，在快速和缓慢递减阶段产量则更大，累产也更高。

5　影响因素对比分析

为了量化分析产能对各地质条件和压裂参数的敏感性，定义影响因子为：

式中Ai——某一影响因素的影响因子；

ΔFi——某一影响因素下对应量的最大变化量；

Fimax——某一影响因素下对应量的最大值。

通过定义影响因子的方法，可以将各个影响因素对产能的影响进行归一化处理(图15)。

图15　各影响因素影响因子Fig.15　Comprehensive ranking of influence degree with different influential factors

由图15可知，生产初期对压裂水平井产能影响程度较大的是：主裂缝导流能力、段距和簇间距。生产第5年影响程度较大的是：储层厚度、主裂缝导流能力、段距、簇间距、天然裂缝渗透率和基质渗透率。这6个因素中有3个是储层的客观因素，无法改变，压裂因素则仍然是初期就具有较大影响的裂缝导流能力、段距、簇间距，这也进一步体现出了这3个因素的关键。对累产油量影响较大的是：储层有效厚度、主裂缝导流能力、段距、簇间距、缝网半长和天然裂缝渗透率。

在模拟计算年限内，次裂缝渗透率、缝半带宽、压力升高和裂缝含水饱和度对压裂水平井产能的影响都比较小，且随时间的变化不大，说明压裂过程中所产生的分支缝以及压裂液在裂缝中的分布对产能的影响不大，产能分析中可以弱化这些因素。

随着生产的进行，对产能影响程度越来越小的因素有：主缝导流能力、段距、簇间距、裂缝走向、次裂缝渗透率、压力升高、缝半带宽和裂缝含水饱和度。对产能影响程度越来越大的因素有：天然裂缝渗透率、基质渗透率、缝网半长和储层厚度。从这些可以看出，在致密油的开发过程中，对油藏所采取的增产措施主要在生产初期起作用，而在模拟计算后期对生产影响比较大的是油藏自身的供油能力。这种由压裂因素逐渐向储层物性的转变规律，与致密油压裂水平井不同生产阶段的供油机理相符。

6　结论

(1)致密油压裂水平井在不同的生产阶段具有不同的渗流区域、流动介质和渗流机理。

(2)致密油储层开发的生产特征可大致分为3个阶段，即初期高产阶段、快速递减阶段和缓慢递减阶段。

(3)基质渗透率越大和天然裂缝发育程度越高的致密油开发效果越好。

(4)从压裂参数对产能影响因素的分析来看，主裂缝导流能力是第一关键，无论对初期产量还是对累产量，主裂缝导流能力越大越好，而且其差异带来的产能变化最为明显，因此，在排量和加砂量方面应考虑增大效果；段距和簇间距是第二关键，这两个参数所反映的实质上是主裂缝条数，亦即主裂缝条数越多产能效果越好，但缝间干扰也越严重；缝网半长可以是第三关键，对累产量影响较大，因此，缝网半长也应适当增大；至于次裂缝为主的半带宽及其渗透率，影响程度不明显，因此，压裂或者产能分析时可弱化分析。

(5)在致密油的开发过程中，随着生产的进行，对产能的影响由压裂因素向储层物性转变。