摘 要

摘　要：頁巖水平井常采用體積壓裂技術(shù)獲得產(chǎn)能，壓裂形成的縫網(wǎng)體積、滲透率是影響壓裂效果的關(guān)鍵因素。目前頁巖體積壓裂設(shè)計(jì)借用產(chǎn)能預(yù)測模型優(yōu)化縫網(wǎng)參數(shù)，此模型較復(fù)雜，不便于

摘　要：頁巖水平井常采用體積壓裂技術(shù)獲得產(chǎn)能，壓裂形成的縫網(wǎng)體積、滲透率是影響壓裂效果的關(guān)鍵因素。目前頁巖體積壓裂設(shè)計(jì)借用產(chǎn)能預(yù)測模型優(yōu)化縫網(wǎng)參數(shù)，此模型較復(fù)雜，不便于現(xiàn)場應(yīng)用。根據(jù)等效滲流原理，將頁巖儲層壓裂后形成的縫網(wǎng)系統(tǒng)等效為一個(gè)高滲透帶，建立了體積壓裂縫網(wǎng)參數(shù)與施工規(guī)模關(guān)系模型，提出了體積壓裂設(shè)計(jì)的3個(gè)步驟：體積壓裂可行性研究、數(shù)值模擬優(yōu)化縫網(wǎng)參數(shù)和施工參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)QY2頁巖油水平井特征，進(jìn)行了體積壓裂設(shè)計(jì)和現(xiàn)場實(shí)施。結(jié)果表明：壓裂形成的高滲透帶對產(chǎn)能的貢獻(xiàn)最大；高滲透帶數(shù)量、體積和滲透率增加，壓裂后的累積產(chǎn)量和采出程度逐漸增加，存在最優(yōu)的高滲透帶參數(shù)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明這種設(shè)計(jì)方法方便實(shí)用，可以推廣。

關(guān)鍵詞：頁巖儲層；體積壓裂設(shè)計(jì)；等效滲流；高滲透帶

A Novel Design Method for Stimulated Reservoir Volume

Fracturing in Shale Horizontal Wells

GOU Bo，GUO Jian-Chun

( State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China)

Abstract：The technology of the stimulated reservoir volume( SRV) fracturing are often used in shale horizontal wells to obtain deliverability．The fracture network volume and permeability are critical to postfracture response.The design for SRV employs productivity prediction model which is complex and inconvenient in application to optimize fracture network parameters at present．The relation model between the fracture network parameters and hydraulic fracturing treatment sizes is established with the fracture network equivalent to a high permeable zone by using the principle of seepage rate equal effects．The method and steps for SRV in shale horizontal wells are put forward also，including feasibility study about SRV in shale reservoir，optimizing fracture network parameters in numerical simulation and treatment sizes．According to the characteristics of QY2 shale oil horizontal wells，the new design method is implemented.The result shows that the high permeable zones have the biggest contribution to flow potential in shale wells，and the cumulative production and degree of reserve recovery increase slowly with the augment of clustering number，volume，permeability of the high permeable zones．Thereexsit the optimal high permeable zone's parameters．Field application shows that the design method is convenient and can be generalized to other shale horizontal well fracturing design．

Key words：shale reservoir；stimulated reservoir volume fracturing design；equivalent seepage；high permeable Zone

0 引 言

隨著油氣需求的激增，中國加大了頁巖油氣藏的勘探開發(fā)^[1－2]。頁巖既是烴源巖，又是儲集層和蓋層，一般表現(xiàn)為致密物性特征，水平井套管完井與分段體積壓裂是目前頁巖儲層開發(fā)的主體技術(shù)模式^[1－5]。頁巖儲層通過體積壓裂后，多級裂縫交織在一起形成縫網(wǎng)系統(tǒng)，增大儲層基質(zhì)與裂縫壁面的接觸面積，提高儲層整體滲透率，實(shí)現(xiàn)了儲層長寬高三維方向的全面改造。目前已形成針對頁巖儲層體積壓裂現(xiàn)場應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，即：分段多簇射孔、快速可鉆式橋塞、滑溜水多級大型壓裂^[5]。Cipolla等^[6]研究表明：頁巖儲層壓裂后形成的縫網(wǎng)體積、滲透率是提高壓裂效果的關(guān)鍵，分段多簇射孔參數(shù)、多級壓裂加砂規(guī)模與這兩個(gè)參數(shù)密切相關(guān)，因此，它們是體積壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。目前，體積壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)主要借用產(chǎn)能預(yù)測模型、優(yōu)化縫網(wǎng)幾何參數(shù)和導(dǎo)流能力。模型主要包括離散裂縫模型(DFN)和雙重介質(zhì)模型。DFN模型將縫網(wǎng)系統(tǒng)簡化為多裂縫或交錯(cuò)分布的形態(tài)，包括三維的線網(wǎng)模型、二維的離散模型以及隨機(jī)分布的多裂縫模型；雙重介質(zhì)模型強(qiáng)調(diào)裂縫性油藏的雙孔隙本質(zhì)，簡化裂縫的連通性與非均質(zhì)性有關(guān)的問題^[7－8]。兩種模型主要的問題在于：一是天然裂縫分布依賴于離散地質(zhì)建模結(jié)果；二是輸入?yún)?shù)的精度要求較高；三是沒有建立縫網(wǎng)參數(shù)與加砂規(guī)模的關(guān)系模型，不便于現(xiàn)場應(yīng)用。因此，需要針對頁巖儲層壓裂形成的縫網(wǎng)特征，建立一種新的體積壓裂設(shè)計(jì)方法以實(shí)現(xiàn)分段壓裂的射孔簇?cái)?shù)、各段加砂規(guī)模的優(yōu)化。

本文根據(jù)等效滲流理論，將壓裂后的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等效為高滲透帶，以高滲透帶數(shù)量、體積和滲透率表征其縫網(wǎng)特征，建立高滲透帶特征參數(shù)與加砂規(guī)模的關(guān)系模型；采用數(shù)值模擬方法以累積產(chǎn)量、采出程度為評價(jià)指標(biāo)，優(yōu)選高滲透帶特征參數(shù)；根據(jù)所建高滲透帶特征參數(shù)與加砂規(guī)模的關(guān)系模型和數(shù)模優(yōu)化結(jié)果，結(jié)合儲層物性、應(yīng)力分布特征，優(yōu)化設(shè)計(jì)分段多簇射孔簇?cái)?shù)和各段加砂規(guī)模。QY2頁巖油水平井體積壓裂設(shè)計(jì)及應(yīng)用表明本文提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法方便實(shí)用，效果良好，可以推廣應(yīng)用。

1 體積壓裂縫網(wǎng)參數(shù)與加砂規(guī)模優(yōu)化關(guān)系模型

頁巖水平井體積壓裂后，以每簇射孔段為中心形成縫網(wǎng)系統(tǒng)(圖1)，縫網(wǎng)是油氣滲流的主要通道，縫網(wǎng)體積和滲透率是影響壓后產(chǎn)能的關(guān)鍵因素^[6，9]。根據(jù)等效滲流理論^[10－11]，將縫網(wǎng)等效為一個(gè)高滲透帶(圖2)，用高滲透帶的數(shù)量、體積和滲透率表征縫網(wǎng)特征。

高滲透帶系統(tǒng)的滲流能力無限大于儲層基質(zhì)的滲流能力^[7]，忽略儲層基質(zhì)向井筒中的滲流，取一高滲透帶單元作如下假設(shè)(圖3、圖4)：(1)縫網(wǎng)空間完全由支撐劑充填；(2)高滲透帶向井筒中的滲流等效為高滲透帶的基質(zhì)滲流和裂縫滲流；(3)高滲透帶的滲流符合達(dá)西定律，近似為線性滲流。

高滲透帶基質(zhì)流向井筒中的流量，由達(dá)西定律：

高滲透帶系統(tǒng)的流量為：

式(5)建立了單簇高滲透帶系統(tǒng)滲透率、基質(zhì)滲透率、支撐裂縫滲透率與高滲透帶體積、支撐裂縫體積(砂量)之間的關(guān)系。

2 體積壓裂設(shè)計(jì)步驟

2. 1 體積壓裂可行性研究

體積壓裂設(shè)計(jì)的首要步驟是必須明確頁巖儲層是否具備實(shí)施體積壓裂條件。研究成果表明，儲層具備實(shí)施體積壓裂需要滿足以下3個(gè)條件^{[7－8，12]}：(1)水平面主應(yīng)力差值小；(2)儲層含有大量的脆性礦物，脆性指數(shù)大于30%；(3)天然裂縫發(fā)育。

2.2 高滲透帶特征參數(shù)優(yōu)化

采用Eclipse油藏?cái)?shù)值模擬軟件，根據(jù)研究區(qū)塊的儲層地質(zhì)特征、流體參數(shù)、礦物特征、力學(xué)特征建立頁巖水平井分段壓裂地質(zhì)模型。改變高滲透帶的特征參數(shù)(高滲透帶的數(shù)量、體積、滲透率)，模擬壓裂后產(chǎn)量和采出程度變化，優(yōu)化高滲透帶的數(shù)量、體積和滲透率。此時(shí)優(yōu)化的滲透率僅考慮產(chǎn)能最大化的要求，能否實(shí)現(xiàn)還需考慮施工風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)式(5)計(jì)算加砂規(guī)模。

2.3 分段體積壓裂射孔簇?cái)?shù)與加砂規(guī)模優(yōu)化

分段多簇射孔實(shí)施應(yīng)力干擾是實(shí)現(xiàn)體積壓裂的關(guān)鍵技術(shù)^[7，13]。頁巖儲層改造后以每簇射孔段為中心形成高滲透帶，因此，優(yōu)選的高滲透帶數(shù)量即為射孔簇?cái)?shù)。

根據(jù)式(5)優(yōu)化加砂規(guī)模。其中，高滲透帶體積采用數(shù)值模擬方法優(yōu)化求得；考慮支撐裂縫傷害等因素后，取室內(nèi)導(dǎo)流實(shí)驗(yàn)測得支撐裂縫滲透率的50%作為地層支撐裂縫滲透率^[14]。根據(jù)式(5)計(jì)算單簇高滲透帶不同砂量下的高滲透帶滲透率，并數(shù)值模擬對應(yīng)的累積產(chǎn)量和采出程度，結(jié)合優(yōu)化的高滲透帶滲透率確定每個(gè)高滲透單元的加砂量，進(jìn)一步確定每段加砂規(guī)模和整個(gè)水平井的加砂規(guī)模。

3 QY2頁巖油水平井體積壓裂設(shè)計(jì)與實(shí)施

QY2井油層所在潛江組為陸相鹽湖沉積，發(fā)育了一套最厚為6000m的鹽韻律夾砂泥巖地層組合，屬于典型的湖控成因頁巖油藏^[15]。完鉆井深1850m，水平段長度264.1m，垂直厚度95.7m；考慮本井油藏條件、巖性特征、水平段應(yīng)力差異、固井質(zhì)量等因素，分3段進(jìn)行壓裂。改造目的層段1552.4～1816.5m主要特征為：(1)水平主應(yīng)力差值較小，最大、最小水平主應(yīng)力差為5.31MPa；(2)脆性礦物以石英、白云石、方解石為主，根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算的脆性指數(shù)為41.4%；(3)1690m處發(fā)育一定的天然裂縫；(4)儲層縱向上非均質(zhì)性嚴(yán)重；(5)地下原油粘度高，達(dá)88.8mPa·s，流動性差。根據(jù)目的層段特征知，QY2井可以實(shí)施體積壓裂措施。

3.1 高滲透帶特征參數(shù)對壓裂效果的影響

根據(jù)本井油藏地質(zhì)特征和井身結(jié)構(gòu)(表1)，利用Eclipse油藏?cái)?shù)模軟件建立頁巖水平井分段壓裂參數(shù)優(yōu)化的箱體模型，模型長365m，寬400m，厚度100m，單井控制面積14.6×10⁴m²。根據(jù)滲透率層間非均質(zhì)性特征(表2)，模型縱向上分層設(shè)置滲透率和孔隙度。

在建立的數(shù)值模型中嵌入高滲透帶，改變高滲透帶的特征參數(shù)，通過數(shù)值模擬分析高滲透帶對累積產(chǎn)量和采出程度的影響。

從圖5可見，當(dāng)高滲透帶數(shù)量為0，即儲層不壓裂時(shí)，此時(shí)井筒全靠儲層基質(zhì)滲流，10年時(shí)間的累積產(chǎn)量僅1t，基本無產(chǎn)能；高滲透帶數(shù)量為7簇時(shí)，累積產(chǎn)量4297t，采出程度1.72%；8簇時(shí)，累積產(chǎn)量4993.7t，采出程度2.0%；9簇時(shí)，累積產(chǎn)量5476.0t，采出程度2.19%(圖6)。

可以看出，頁巖油儲層必須通過壓裂才能獲得產(chǎn)能，高滲透帶對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)最大；隨著高滲透帶數(shù)量增加，累積產(chǎn)量和采出程度逐漸增加，當(dāng)高滲透帶數(shù)量超過8簇時(shí)，累積產(chǎn)量、采出程度增加趨勢減緩，因此，優(yōu)選本井的高滲透帶數(shù)量為8簇；頁巖油儲層采出程度低，同時(shí)受本井地下原油粘度高、流動能力差影響，生產(chǎn)10年時(shí)，最高采出程度僅2.19%。

圖7描述了高滲透帶數(shù)量為8簇時(shí)，單簇高滲透帶體積與累積產(chǎn)量的關(guān)系。單簇高滲透帶體積為8.0×10⁴m³時(shí)，累積產(chǎn)量為4790.8t，采出程度1.9%；高滲透帶體積為9.6×10⁴m³時(shí)，累積產(chǎn)量4995.8t，采出程度2.0%(圖8)?？梢?，隨著高滲透帶體積增加，累積產(chǎn)量、采出程度增加，當(dāng)單簇高滲透帶體積大于8.0×10⁴m³時(shí)，累積產(chǎn)量、采出程度增加減緩。為最大限度地提高本井采出程度，兼顧斷層影響，最終確定單簇高滲透帶體積為9.6×10⁴m³。

圖9和圖10描述了高滲透帶滲透率對累積產(chǎn)量和采出程度的影響。滲透率為30×10^－3μm²時(shí)，累積產(chǎn)量3447.6t，采出程度1.61%；滲透率為40×10^－3μm²時(shí)，累積產(chǎn)量5017.0t，采出程度2.1%；滲透率為50×10^－3μm²時(shí)，累積產(chǎn)量為5912.7.0t，采出程度2.42%?？梢?，隨著高滲透帶滲透率增加，累積產(chǎn)量和采出程度近似線性增加，當(dāng)滲透率達(dá)到40×10^－3μm²以后，累積產(chǎn)量和采出程度增加趨勢減緩，高滲透帶優(yōu)化滲透率的上限在40×10^－3μm²左右。高滲透帶滲透率的實(shí)現(xiàn)與儲層加砂量相關(guān)，因此，還需結(jié)合加砂規(guī)模優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高滲透帶要求的滲透率。

3.2 QY2 井射孔簇?cái)?shù)與施工規(guī)模優(yōu)化

本井優(yōu)化的高滲透帶數(shù)量為8簇，因此，射孔簇?cái)?shù)為8簇。綜合選擇GR(自然伽馬)低、脆性礦物含量高、應(yīng)力值相對較低的層段進(jìn)行射孔，以有利于裂縫延伸起裂，形成縫網(wǎng)(圖11)。根據(jù)應(yīng)力測試，QY2井最小主應(yīng)力在22.1～32.4MPa之間，因此，支撐劑應(yīng)滿足35MPa閉合壓力要求。

頁巖儲層改造后會形成比較復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫，裂縫寬度不足，加砂風(fēng)險(xiǎn)較大，采用20/40目陶粒20%與30/50目陶粒80%的組合支撐劑，實(shí)驗(yàn)測試閉合壓力在34.5MPa時(shí)支撐裂縫滲透率是301.624μm²，本井取150μm²為地層支撐裂縫滲透率。根據(jù)式(5)計(jì)算了單簇高滲透帶不同砂量下的滲透率，同時(shí)數(shù)值計(jì)算了相應(yīng)的10年累積產(chǎn)量(表3)。

從表3知，隨著加砂規(guī)模的增大，高滲透帶的滲透率和壓裂后的產(chǎn)量逐漸增大，當(dāng)單簇高滲透帶加砂規(guī)模大于25m³時(shí)，累積產(chǎn)量增加趨勢減緩。由圖7和圖8數(shù)值模擬結(jié)果知本井優(yōu)化的高滲透帶滲透率上限為40×10^－3μm²，對應(yīng)的砂量為20～25m³。綜合考慮施工風(fēng)險(xiǎn)，建議本井高滲透帶滲透率取30×10^－3μm²左右，每簇高滲透帶的砂量為15～20m³。

結(jié)合射孔簇?cái)?shù)和施工規(guī)模優(yōu)化，本井每段射孔簇?cái)?shù)和施工加砂規(guī)模如表4所示。

3.3 設(shè)計(jì)方法的現(xiàn)場實(shí)施

按照設(shè)計(jì)方案，對QY2井進(jìn)行了橋塞式分段體積壓裂施工，射孔8簇，施工排量9.9～10.1m³/min，入地砂量135m³，入地液量1880.4m³，施工參數(shù)與優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)完全相符。

4 結(jié)論

本文根據(jù)等效滲流原理，將頁巖儲層壓裂后形成的縫網(wǎng)等效為一個(gè)高滲透帶，建立體積壓裂縫網(wǎng)參數(shù)與施工加砂規(guī)模優(yōu)化關(guān)系的模型，提出體積壓裂設(shè)計(jì)具體實(shí)施步驟，并對QY2井進(jìn)行方法實(shí)施與驗(yàn)證，得出以下主要結(jié)論。

(1)頁巖體積壓裂設(shè)計(jì)的步驟包括：體積壓裂的可行性研究，縫網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化，射孔簇?cái)?shù)優(yōu)化和加砂規(guī)模優(yōu)化。三步驟緊密聯(lián)系，缺一不可，現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐表明本方法切實(shí)可行，可以推廣。

(2)影響頁巖儲層體積壓裂效果的主要參數(shù)為縫網(wǎng)數(shù)量、體積和滲透率。壓裂后累積產(chǎn)量和采出程度隨著縫網(wǎng)數(shù)量、體積和滲透率增加而逐漸增加，達(dá)到一定程度后增加趨勢減緩，存在最佳的縫網(wǎng)數(shù)量、體積和滲透率關(guān)系，同時(shí)頁巖油氣藏的采出程度低。

(3)頁巖油氣儲層致密，基本無自然產(chǎn)能，只有通過體積壓裂改造才能獲得產(chǎn)能，高滲透帶對產(chǎn)能的貢獻(xiàn)最大。

參考文獻(xiàn)：

[1]張金川，汪宗余，聶海寬，等．頁巖氣及其勘探研究意義[J]．現(xiàn)代地質(zhì)，2008，22(4)：640－646．

[2]Guo Jianchun，Zhao Zhihong．China vigorously promoting shale gas exploration，development [J]． Oil ＆ Gas Journal，2012，110：60 － 65．

[3]張金川，薛會，張德明，等．頁巖氣及其成藏機(jī)理[J]．現(xiàn)代地質(zhì)，2003，17(4)：466．

[4]李新景，胡素云，程克明．北美裂縫性頁巖氣勘探開發(fā)的啟示[J]．石油勘探與開發(fā)，2007，34(4)：392－400．

[5]李欣，段勝楷，孫揚(yáng)，等．美國頁巖氣勘探最新進(jìn)展[J]．天然氣工業(yè)，2011，31(8)：124－126．

[6]Cipolla C L，Lolon E P，Dzubin B．Evaluating stimulation effectiveness in unconventional gas reservoirs[J]．SPE 124843，2009．

[7]吳奇，胥云，王騰飛，等．增產(chǎn)改造理念的重大變革——體積改造技術(shù)概論[J]．天然氣工業(yè)，2011，31(4)：7－12．

[8]張士誠，牟松茹，崔勇．頁巖氣壓裂數(shù)值模型分析[J]．天然氣工業(yè)，2011，31(12)：81－84．

[9]段永剛，魏明強(qiáng)，李建秋，等．頁巖氣藏滲流機(jī)理及壓裂井產(chǎn)能評價(jià)[J]．重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34(4)：62－66．

[10]何更生．油層物理[M]．北京：石油工業(yè)出版社，1994：40－41．

[11]張志偉，劉衛(wèi)東，孫靈輝，等．等效裂縫滲流模型在天然裂縫儲層產(chǎn)能預(yù)測中的應(yīng)用[J]．科技導(dǎo)報(bào)，2010，28(14)：56－58．

[12]付永強(qiáng)，馬發(fā)明，曾立新，等．頁巖氣藏儲層壓裂實(shí)驗(yàn)評價(jià)關(guān)鍵技術(shù)[J]．天然氣工業(yè)，2011，31(4)：51－54．

[13]Cheng Y． Impacts of the number of perforation clusters and cluster spacing on production performance of horizontal shale gas wells[J]．SPE 138843，2010．

[14]溫慶志，張士誠，李林地．低滲透油藏支撐裂縫長期導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)研究[J]．油氣地質(zhì)與采收率，2006，13(2)：97－99．

[15]白云來，趙應(yīng)成，徐東，等．陜西銅川—黃陵地區(qū)油頁巖地質(zhì)特征及利用前景[J]．現(xiàn)代地質(zhì)，2010，24(1)：158－165．222現(xiàn)代地質(zhì)2013年

 

(本文作者：茍波 郭建春 西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500)