应用物质点法实现非常规油气藏水平井压前模拟——以鄂尔多斯盆地杭锦旗区块为例

李克智,边树涛,郭晓辉

(中国石化华北油气分公司,河南郑州 450006)

由于非常规油气藏(致密油气、页岩油气、煤层气、天然气水合物等[1])渗透率低,采用常规方式开采没有工业产能,必须使用水平井+多级压裂方式进行开发[2],即通过长水平井钻井和多级水力压裂方式扩大井筒附近的渗流通道,最大化地扩大泄油面积,提高单井产量和最终可采储量,因此,对前期地质研究及压裂设计也提出更高的要求。

大量的微地震监测表明,非常规油气藏开发中的人工裂缝不是对称的[3],即受地层物性、天然裂缝及应力场非均质影响,水平段两侧人工裂缝是非对称的[4-6]。因此,在非常规油气藏大规模开发前或随着开发的进行,需要不断明确地层的物性、裂缝展布、岩石弹性参数、应力场分布等,同时,也需要采取合适的方法在压裂前模拟出人工压裂的改造范围,一方面优化压裂施工,另一方面也为充分动用非常规油气藏、合理的井网井距优化奠定基础。

本文应用物质点法对鄂尔多斯盆地北部杭锦旗区块P2井进行压裂模拟,预测的岩石应变与微地震监测结果相吻合,进一步应用该方法定量研究水平段方位和平均压裂段长的优选,为后期区块水平井部署及完井方案优化提供借鉴。

1 物质点法简介

物质点法(MPM)起源于20世纪50年代的质点网格(PIC)方法。采用质点离散材料,质点上储存材料的所有信息,表征材料的运动和变形状态;采用规则的欧拉背景网格计算空间导数和动量方程,实现质点间的相互作用与联系,同时避免网格畸变问题。因此,物质点法适合处理材料特大变形的问题,每一步都包含以下5个步骤[7]:

1)根据质点位置生成背景网格,使用插值函数把质点上储存的信息(质量、动量等)传递到背景网格结点上。

2)使用背景网格速度场计算应变,并更新应力,赋回到质点上。

3)使用质点积分计算背景网格结点的结点力、积分动量方程。

4)采用背景网格结点的速度场和加速度场更新质点的位置和速度。

5)丢弃变形的背景网格。

国内外学者也在进一步改善或扩展物质点法,Bardenhagen等(2004)提出广义插值物质点法(GIMP),有效减弱数值噪音;Nairn课题组(Nairn 2003, 2006, Guo2005)开发的MPM/CRAMP程序,基于单背景网格多速度场,快速计算断裂参数,有效模拟裂纹的动态扩展;Nairn等(2007)在CRAMP基础上模拟不连续面的变化,并使用物质点法研究动态裂纹扩展;同时,学者、专家对物质点法的边界条件、接触算法、自适应算法、并行算法及与其他算法的耦合也进行了深入的研究。

2 石油领域应用

Aimenne和Nairn于2014年应用CRAMP方法研究人工压裂和天然裂缝的交互作用,是物质点法在石油领域的较早应用之一[7],通过研究不同各向异性地层,且天然裂缝与人工裂缝以不同角度相交时,人工压裂过程中的应力场变化,分析压裂时人工裂缝与天然裂缝的交互作用。应用弹性断裂力学描述物质断裂和裂缝生长,使用CRAMP算法计算多级人工压裂和天然裂缝间的相互作用,Raymond和Nairn[8](2015)应用物质点法研究了人工压裂与天然裂缝间相互作用、以及支撑剂的分布;Ahmed Ouenes、Paryani、Nairn等[9]应用MPM方法,在北美非常规油气藏中进行多井次的压裂模拟,均与微地震监测结果有很好的可比性;McKetta等[10](2016)使用物质点法模拟Fayetteville非常规储层人工压裂后的岩石应变,与微地震监测事件分布有很好的一致性;Paryani等[11]于2016年应用物质点法研究Eagle Ford非常规储层,通过压裂模拟得到不对称裂缝半长,进一步优化了压裂设计参数。

国内石油领域也应用这一技术开展压裂模拟及优化压裂设计工作。赵爽等[12]通过反演计算获得弹性参数构建物质点,模拟龙马溪组地应力差分布情况,有利于水平井轨迹设计及后期压裂改造;冯江荣等[13]使用物质点法模拟人工压裂改造面积,为水平井井轨迹设计和施工参数优化提供技术支撑。

3 国内致密砂岩压前模拟

杭锦旗锦30井区P2井的目标储层为下石盒子组盒1段2、3小层,水平段长1 457.0 m,钻遇砂岩1 331.0 m,其中624.0 m砂岩有全烃显示。该井附近盒1段砂岩厚度20.0～35.0 m,平均孔隙度6.0%～10.0%,杨氏模量24.0～26.0 GPa。由于天然裂缝不发育,仅在水平段趾部两侧发育少量天然裂缝。从过水平段的砂泥岩、孔隙度、杨氏模量和天然裂缝面密度属性剖面可知,该井中部钻遇少量泥岩,孔隙度较低,杨氏模量也略低;水平段整体天然裂缝不发育,仅在靠近趾部和中部下方天然裂缝密度略高(图1)。

图1 过P2井水平段砂泥岩、孔隙度、杨氏模量和裂缝面密度属性剖面

该井于2021年10月按照17级35簇的方式进行水力压裂,在地面部署微地震监测,记录人工压裂过程中的微地震事件,以了解人工裂缝的几何特征(缝长、缝高)。压裂过程中,根据井区天然裂缝密度展布(图2a),使用物质点法模拟水平段附近的水平应力差(图2b),并模拟人工压裂后储层的岩石应变。该井水平段趾部应力差较小,中部及靠近跟部应力差略高,受西侧局部发育天然裂缝影响,中部部分压裂级水平应力差略低,从图2c可以看出,红色部分为岩石应变较大区域,与微地震监测事件吻合很好。使用物质点法模拟了水力压裂后的储层改造范围,确定了各级、各簇地质力学裂缝半长,结合储层属性三维展布,进行三维自适应压裂设计,达得单井压裂效果的最优化;同时,确定了单井改造范围,为后期相邻位置加密井的部署及合理压裂规模的确定提供依据。

a.彩色为目标层裂缝面密度属性,粉色为低值,浅蓝色为高值,小短线为等效裂缝;b.基于等效裂缝模型得到的差应力分布,绿色为差应力低值,桔黄色为高差应力区域;c.模拟得到的岩石应变与微地震事件叠合图,彩色平面图为模拟得到的岩石应变,红色为高值,蓝色为低值,井筒周围彩色点为各段监测的微地震事件

4 在水平段轨迹和压裂段长优选的初步应用

4.1 优选水平段方位

矿场实践及理论分析均表明,在平行于最小水平主应力方向部署水平井,压裂后能够形成与水平段垂直的水力裂缝,可大幅度提高单井改造体积(SRV),获得较高产量。实际操作时,受多种因素(如砂体展布、天然裂缝发育方向等)影响,很难选取平行于最小水平主应力方向作为水平井方向,需要定量的评价不同方向水平段压裂改造范围,明确水平段方位对压裂改造的影响,从而更好地部署水平井。

压裂前,应用物质点法模拟人工压裂改造范围,通过对比不同水平段方位压裂后的改造范围,定量评估水平段方位对压裂效果的影响。考虑到目标储层非均质性强,局部发育天然裂缝,把储层划分为天然裂缝发育区和裂缝不发育区,分别进行模拟,优选最佳的水平段方位。

P2H井目标层位为盒1段3小层,水平段周围发育天然裂缝,如图3所示,图中背景为天然裂缝面密度属性,黑色表示天然裂缝较高,白色则表示为低值,彩色为井轨迹,以该井水平段为基础,设置其他角度的水平段,即分别设置向左、向右偏转10°、20°、…、90°,图中标注角度为与正北方向的夹角,红色箭头为区域水平最大主应力角度。对P2H井压裂段划分方案,模拟不同方位水平段人工压裂改造范围,如图4所示,展示了6种角度下的压裂改造范围,彩色为模拟得到的岩石应变,红色为高剪切应变,粉色和蓝色为低剪切应变,随着水平段偏离水平最小主应力方向越远,预测改造范围减小。模拟裂缝发育区不同方位水平段压裂后改造面积,如图5所示,柱状图展示了向左、向右各偏50°模拟改造范围,当水平段与水平最小主应力夹角介于-20°～20°时,人工压裂导致天然裂缝被激活,改造面积相差不大,但超出这一角度后,面积降低较多。因此,针对裂缝发育区推荐水平段与水平最小主应力夹角介于-20°～20°,锦30井区水平段方位与正北方向的夹角介于北偏西35°到北偏东5°之间时,预测改造面积较大。

裂缝不太发育区域的水平井,只有当水平段与水平最小主应力夹角介于-10°～10°时,改造面积最大。

4.2 优选平均压裂段长

使用物质点法模拟不同段长下进行人工压裂的岩石应变,并对比岩石应变所反映的压裂改造范围,优选出最佳的段长。以P2H井为例,该井周围天然裂缝发育,分别设置平均段长为60、70、80、90、100 m,使用物质点法模拟人工压裂改造范围,如图6所示,彩色为模拟得到的岩石应变,红色为高剪切应变,粉色和蓝色是低剪切应变,根据岩石应变圈定人工压裂改造范围。最右侧是段长为100 m的岩石应变,段长大,导致段间仍存在改造不充分的现象;随着段长减小,段间改造不充分的现象逐渐得到缓解,改造面积也不断增加;如段长为100 m时,预测改造面积为0.311 km2,当段长减少到80 m时,预测改造面积为0.357 km2;段长为70 m时,预测改造面积为0.368 km2;进一步减少至60 m时,预测改造面积为0.370 km2,增加幅度变小。因此,针对裂缝发育区,推荐段长为70 m(图7)。

图7 预测天然裂缝发育区不同段长压裂改造范围与段长交汇

若井周围天然裂缝不发育,完全依靠人工压裂扩大水平井的泄油面积,需要更短的段长才能达到好的压裂效果,使用相同的方法模拟不同段长下(段长从50 m到90 m五个不同的方案)人工压裂后的岩石应变,结果表明,随着段长减小,段间改造不充分的现象大为缓解,改造面积缓慢增加;当段长小于60 m时,预测改造面积增加幅度变缓。因此,针对裂缝不发育区域,推荐段长为60 m。

5 结论

1)物质点方法可有效避免网格变形导致误差传递的现象,非常适合解决材料大规模变形及爆炸的数值模拟问题。

2)国外应用物质点法,研究了人工裂缝与天然裂缝的相互作用,及支撑剂在压裂过程中浓度的变化,并可模拟水力压裂后的岩石应变,与微地震吻合较好。

3)在杭锦旗地区P2井应用物质点法模拟压裂后岩石应变,与微地震监测事件吻合很好,可较好地描述压裂后水力裂缝形态。

4)应用物质点法模拟不同水平段方位及不同平均段长压裂改造范围。裂缝发育区域,推荐水平井轨迹与水平最大主应力夹角-20°～20°,平均段长取70 m左右;裂缝不发育区域,推荐水平井轨迹与水平最大主应力夹角-10°～10°,平均段长取60 m左右,改造面积最大。