一種水平井分段壓裂簇射孔方案優化方法與流程

2023-12-10 12:22:57 1

本發明涉及石油開採技術領域，尤其涉及一種水平井分段壓裂簇射孔方案優化方法。

背景技術：

簇射孔方案設計在水平井分段壓裂設計中至關重要。它不僅關係到裂縫的起裂位置及裂縫條數的判斷，也關係到相鄰裂縫是否存在滲流幹擾和應力幹擾的判斷，最終影響到裂縫改造體積及壓後效果。

國外典型的頁巖氣水平井簇射孔長度0.3～0.6m、簇間距5～30m，3～10簇/段。隨著井工廠壓裂技術的推廣應用，井間距由500～600m降低到80～150m，每段壓裂的簇數也由2～3簇上升到5～10簇，因此可將儲層徹底「打碎」，儲層改造體積較國內目前水平大幅升高。雖然鑽井數量及壓裂段數的提高會增加成本費用，但是隨著井工廠單平臺井數的增多(國外一個平臺可達50多口井)，作業效率得以大幅提高，鑽完井及壓裂工序間無縫銜接，各種入井液可重複利用，並且單段壓裂規模逐漸減少，平均單井費用會大幅下降。同時，簇間距的降低增加了縫間的應力幹擾，多井同步壓裂或拉鏈式壓裂施工模式進一步加劇了縫間應力幹擾，形成複雜裂縫的概率也得以大幅提升。國外資料顯示，井工廠壓裂的單井產量可比常規的單井壓裂模式提高18％左右。因此，井工廠壓裂模式的投入產出比具有極大優勢。此外，隨著射孔簇數的增加，提出了在射孔眼及裂縫近井筒處進行暫堵的「寬帶」壓裂技術，以增加其它簇裂縫起裂的可能性，確保水平井裂縫有效改造體積的最大化。

國內典型的頁巖氣水平井射孔簇長為1～1.5m甚至2m以上，每段2～3簇。早期一般採取沿水平井筒均勻布簇的方法。最近隨著對儲層非均質性認識程度的提高，非均勻布簇更為常見。但是，目前國內的簇射孔存在以下問題：

1、目前的射孔位置確定方法，無效和低效的裂縫比例偏高

已有的壓後產氣剖面結果顯示，1/3的射孔簇裂縫貢獻75％的產氣量，另外1/3的簇裂縫貢獻25％的產氣量，剩下的1/3為無效射孔簇。換言之，低效或無效的簇射孔數佔據總射孔簇的2/3左右。國外也基本存在同樣的問題。究其原因在於儲層的強非均質性，依靠水平段有限的測井數據難以準確地把握儲層的雙甜點指標。如果能找到確定雙甜點的有效方法，在保證壓裂效果的同時，可以節約一半以上的壓裂費用，有利於實現頁巖氣壓裂降本增效的目標。

2、簇間距普遍偏大

簇間距一般為20-30m，與國外相比高3-4倍。雖然理論上20-30m可以產生誘導應力幹擾效應(誘導應力差高於原始水平應力差)，但是這種計算的距離是最佳簇間距的上限，實際上簇間距越小裂縫越易轉向。並且目前誘導應力的計算模型一般以線彈性力學為基礎，針對粘土含量高的碎屑巖或頁巖，所計算的誘導應力傳遞距離偏大，但是目前這種誤差無法有效消除。

3、單簇的射孔長度(簡稱簇長)普遍偏大

簇長一般為1-2m，比國外普遍增加3倍以上。增加簇長會提高簇內產生多縫的機率。國外的簇長較小，雖然開始時每個孔眼都可能進液，並且起裂的裂縫相互間平行延伸，但是因為儲層的非均質性，較長、較寬的裂縫在延伸過程中會產生較大的誘導應力，由於簇長小，這種誘導應力會迅速覆蓋簇長的橫向範圍內，這種疊加的誘導應力會增加其它相鄰小縫起裂與延伸的難度。換言之，簇內主縫延伸得越好，對其它次裂縫抑制的作用就越強，有可能早期就扼殺了次生裂縫的發育，最終導致只有一條主裂縫。而國內因簇長較長，上述所述的主裂縫的誘導應力可能不足以抑制其它距離相對較遠的次生裂縫的發育。換言之，簇長越長，簇內出現多裂縫的概率就越大，有時可能裂縫長度與井間距的匹配就會與設計預想情況相去甚遠。最終可能形成這樣的結果：每段內同樣的射孔總數，且起裂的裂縫總條數一樣，但國外的裂縫每簇一條縫，相互間分布距離相當，裂縫的改造體積大；而國內的每簇一條以上裂縫，簇內裂縫因距離太小而相互幹擾、影響產量，簇間裂縫又相距太遠，存在簇間未被裂縫滲流波及的區域。因此，裂縫改造體積大為縮小，嚴重影響壓後效果。

綜上所述，亟需建立一種水平井分段壓裂簇射孔方案優化方法，來有效地避免或減緩上述局限性，以應對目前低油價的嚴峻形勢、提高油氣田單位的經濟效益。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種適用於緻密油氣藏及頁巖油氣藏的水平井分段壓裂簇射孔方案優化方法，為減少無效和低效裂縫的形成、提高體積壓裂改造效果提供堅實的依據。

一種水平井分段壓裂簇射孔方案優化方法，包括以下步驟：

步驟s101，建立儲層的地質甜點指標模型和工程甜點指標模型；

步驟s102，通過對地質甜點指標模型和工程甜點指標模型進行權重分配，建立儲層的綜合可壓性指數模型；

步驟s103，根據實際勘探結果修正步驟s102中權重分配的權重係數，從而獲得修正後的綜合可壓性指數分布，並據此判斷儲層的甜點位置和脆塑性；

步驟s104，分析起裂延伸為主裂縫的概率，在確保一個簇內僅有一個主裂縫延伸的前提下，結合誘導應力確定簇長的上限，結合孔眼摩阻確定簇長的下限；

步驟s105，根據脆塑性確定每段簇數。

根據本發明實施例，上述步驟s101中，可以通過以下算式計算儲層的地質甜點指標，建立地質甜點指標模型：

式中，sg為地質甜點指標，無量綱；si為儲層參數的歸一化值；x為儲層參數的具體值；maxx和minx分別為該儲層參數的最小值和最大值；wi為儲層參數的權重係數；n為參數的個數。

根據本發明實施例，上述步驟s101中，可以基於每段壓裂施工的破裂壓力曲線，通過以下算式計算儲層的工程甜點指標，建立工程甜點指標模型：

式中，se為工程甜點指標，無量綱；st0tcbd和st0tccd分別為壓裂施工的破裂壓力曲線所包絡的脆性覆蓋區域的面積和塑性覆蓋區域的面積，單位為mpa·min。

根據本發明實施例，上述步驟s102中，可以通過以下算式計算儲層的綜合可壓性指數，從而建立綜合可壓性指數模型：

fi＝(sg，se)(w1，w2)t

式中，fi為綜合可壓性指數，無量綱；sg為地質甜點指標，無量綱；se為工程甜點指標，無量綱；w1和w2分別為地質甜點指標和工程甜點指標的權重係數。

根據本發明實施例，上述步驟s103中，所述實際勘探結果可以是壓後液/氣產量剖面結果。

根據本發明實施例，上述步驟s104中，可以利用隨機分布函數分析起裂延伸為主裂縫的概率，其中當隨機分布函數值大於等於0.5時，表示有裂縫起裂/延伸為主裂縫。

根據本發明實施例，上述步驟s104中：

可以根據給定的誘導應力計算圖版計算主裂縫產生的誘導應力來修正水平應力差，然後通過下式計算相應的地層破裂壓力：

pf＝2σmin-δσh-pi+t

式中，pf為地層破裂壓力，單位為mpa；σmin為最小水平主應力，單位為mpa；δσh為兩向水平應力差，單位為mpa；pi為地層壓力，單位為mpa；t為抗張強度，單位為mpa；

其中，簇長的上限要使所述地層破裂壓力大於對應此簇的水平井筒處的井底壓力，以確保簇內僅有一個主裂縫延伸。

根據本發明實施例，上述步驟s104中，簇長的下限要使受孔眼摩阻影響的施工壓力小於井口限壓，以確保壓裂施工正常作業。

根據本發明實施例，上述步驟s105中，若儲層為脆性儲層，每段簇數首先為4至6簇，然後逐漸提升到8至10簇。

根據本發明實施例，上述步驟s105中，若儲層為塑性儲層，每段簇數為1至2簇或3至4簇。

與現有技術相比，本發明的一個或多個實施例可以具有如下優點：

本發明建立的綜合可壓性指數模型同時考慮儲層地質甜點和工程甜點，並據此確定儲層的甜點位置和脆塑性，按照主裂縫隨機性延伸原則，結合誘導應力及孔眼摩阻等實際施工情況綜合地確定最優的簇長及簇數，使得設計方案更加科學合理、簡便高效，可根據儲層特徵獲得最優的簇射孔參數。而且，獲得的優化結果能夠有效地指導壓裂施工，明顯降低無效裂縫，極大地改善了施工效果，從而獲得最大的經濟效益。

本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。

附圖說明

附圖用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明的實施例共同用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1是根據本發明水平井分段壓裂簇射孔方案優化方法的流程圖；

圖2是根據本發明一示例的工程甜點指數的計算示意圖；

圖3是根據本發明一示例的誘導應力計算圖版的示意圖；

圖4是根據本發明實施例的頁巖氣井壓裂段產量貢獻率的示意圖。

具體實施方式

本發明旨在建立一種同時考慮儲層地質甜點和工程甜點的綜合可壓性指數模型，通過該模型確定儲層的甜點位置和脆塑性，按照主裂縫隨機性延伸原則，結合誘導應力及孔眼摩阻綜合確定最優的簇長及簇數。

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，以下結合實施例和附圖對本發明作進一步地詳細說明。

如圖1所示，本發明的方法在具體實施時主要包括以下步驟。

步驟s101，建立儲層的地質甜點指標模型和工程甜點指標模型。

①建立地質甜點模型

綜合考慮孔隙度、滲透率、含(油)氣性、地層壓力、天然裂縫及巖石力學性質等參數，採用歸一化方法，將每個參數取值為[0,1]之間的數值，然後採用專家評判法(當然也可不限於此)確定每個參數的權重分配係數，通過以下公式計算地質甜點指標，從而建立地質甜點模型：

式中，sg為地質甜點指標，無量綱；si為儲層參數的歸一化值；x為某一儲層參數的具體值；maxx和minx分別為該儲層參數的最小值和最大值；wi為儲層參數的權重係數；n為參數的個數。

在本發明的上下文中，所謂專利評判法是指收集本領域的專家技術人員所提供的數據，將這些具有權威性的數據中異常數據(超出指定範圍的數據)剔除，然後取其平均值的方法。

②建立工程甜點模型

在本領域中，工程甜點主要是儲層的脆性指數。國內外關於脆性指數的計算模型有很多，有的基於巖石的礦物組分，有的基於巖石力學參數，但是計算結果差別巨大，並且一口井往往只能計算一個值，對水平井分段壓裂的指導性不強。因此，本發明提出建立通過每段壓裂施工的破裂壓力曲線來求取儲層脆性指數的新模型。

圖2示出了用於計算工程甜點的破裂壓力曲線(縱坐標p為壓力)，通過下式計算儲層的工程甜點指標，建立工程甜點指標模型：

式中，se為工程甜點指標，無量綱；st0tcbd為圖2所示的破裂壓力曲線下多邊形t0tcbdt0所包絡的面積，也稱為脆性覆蓋區域的面積，st0tccd為圖2所示的破裂壓力曲線上多邊形t0tccdt0所包絡的面積，也稱為塑性覆蓋區域的面積，單位mpa·min。此外，施工時可以通過圖2中陰影標註部分直觀地判斷脆性的好壞，如果陰影面積較大則脆性差，反之則脆性好。

步驟s102，建立儲層的綜合可壓性指數模型。

該步驟通過對地質甜點指標模型和工程甜點指標模型進行權重分配(賦予權重係數)，通過以下算式計算儲層的綜合可壓性指數，從而建立綜合考慮儲層地質甜點和工程甜點綜合可壓性指數模型：

fi＝(sg，se)(w1，w2)t

式中，fi為綜合可壓性指數，無量綱；sg為地質甜點指標，無量綱；se為工程甜點指標，無量綱；w1和w2(不同於地質甜點指標計算式中的w1和w2)分別為地質甜點指標和工程甜點指標的權重係數。

步驟s103，修正綜合可壓性指數模型，並據此判斷儲層的甜點位置和脆塑性。

該步驟根據實際勘探結果，例如優選壓後(液)氣產量剖面結果，修正步驟s102中權重分配的權重係數w1和w2，以獲得修正後的綜合可壓性指數模型分布，並據此判斷儲層的甜點位置和脆塑性。通常，綜合可壓性指數模型為一曲線，通過查找該曲線的最高點來確定儲層的甜點位置，以及根據其大小來確定儲層的脆塑性。

步驟s104，分析起裂延伸為主裂縫的概率，在確保一個簇內僅有一個主裂縫延伸的前提下，結合誘導應力確定簇長的上限，結合孔眼摩阻確定簇長的下限。

①確定單段簇長的上限

由於受儲層非均質性的影響，每簇內每個射孔眼是否產生獨立裂縫具有極大的隨機性，因此每個孔眼開始時能否正常起裂也遵循隨機分布函數的約束特徵。例如，在本實施例中，當隨機分布函數數值大於0.5時，表示孔眼能夠起裂，否則不能起裂。至於起裂的孔眼能否一直延伸下去，也遵循同樣的隨機分布函數的特徵。例如，在本實施例中，當隨機分布函數數值大於0.5，表示裂縫可延伸為主裂縫，否則不能延伸為主裂縫。

按照圖3所示的誘導應力計算圖版計算大裂縫產生的誘導應力來修正水平應力差，再通過下式計算對應的地層破裂壓力：

pf＝2σmin-δσh-pi+t

式中，pf為地層破裂壓力，單位mpa；σmin為最小水平主應力，單位mpa；δσh為兩向水平應力差，單位mpa；pi為地層壓力，單位mpa；t為抗張強度，單位mpa。

在背景技術中已經提及，如果該破裂壓力大於對應此簇的水平井筒處的井底壓力，則在大裂縫的附近，小裂縫難以繼續延伸。在本發明中，最佳的簇參數的設計原則是保證一個簇內只有一個主裂縫延伸，按此標準確定最佳的簇長及簇數。總而言之，簇長的上限要使所述地層破裂壓力大於對應此簇的水平井筒處的井底壓力，以確保簇內僅有一個主裂縫延伸。一般最大簇長應小於1m為宜。

③確定單段簇長的下限

在背景技術中已經提及，一般而言，簇長越小，單一主裂縫的延伸概率越大。但是簇長也不能太小，否則高排量會導致高的孔眼摩阻，造成井底異常高壓，甚至可能超過井口限壓而無法正常進行壓裂施工作業。一般而言，每孔流量在0.2～0.3m3/min為宜，如果超過此範圍則孔眼摩阻高，如果低於此範圍則影響改造強度，並且容易導致簇內更多的縫起裂，嚴重影響最終效果。總而言之，簇長的下限要使受孔眼摩阻影響的施工壓力(也即井口壓力)小於井口限壓，以確保壓裂施工正常作業。

目前，頁巖氣水平井施工排量一般在12～16m3/min，單段射孔簇總長度為3m，孔密度為20孔/m，可使單孔流量保持在0.2～0.3m3/min。一般的最小簇長應大於0.3m為宜(在單段簇數小於10的條件下)。

步驟s104，確定單段的簇數

國外每段簇數最多為8至10簇，國內則通常為2至3簇。考慮到井工廠壓裂對裂縫改造體積最大化的迫切需求，在設備能力範圍內，逐漸提高射孔的簇數已經成為不爭的事實。但是，對於脆性儲層和塑性儲層，射孔簇數的設計還是有比較大的差別。本發明根據儲層的脆塑性確定每段簇數。具體方式如下：

①脆性儲層：

對於脆性儲層，每段射孔簇數首先為4至6簇，然後逐漸提升到8至10簇。因為脆性儲層裂縫易於起裂，所以在小排量下就有可能有新縫起裂，在高排量下會依次有新裂縫起裂。而且，即使在簇數較少的情況下，隨著排量和液量的增加，裂縫的寬度並未增加多少，相反是裂縫的長度增加了。所以，脆性儲層採用多簇射孔，並不會影響每條裂縫的寬度，一旦控制好加砂的砂液比，也不會影響正常加砂，更不會造成早期砂堵的情況出現。

②塑性儲層：

對於塑性儲層，一般要求簇數越少越好，例如1至2簇，甚至單簇射孔。塑性強的地層，雖然裂縫起裂與延伸困難，但是一旦出現裂縫，裂縫的寬度會相對較寬，可以實現更高的砂液比施工。相對脆性儲層壓裂而言，砂液比的設計可以相對高些，每簇裂縫加砂量也可以適當多些。但是由於塑性強，縫壁壓實效應可能較強，應配合壓後閉合裂縫技術，重新疏通甚至改善裂縫壁附近的儲層孔隙度，以便恢復或改善儲層基質內流體向裂縫滲流的能力。考慮到每段射孔簇數較少，為了提高裂縫條數，也可以考慮每段內多簇射孔(如每段3至4簇)，但是一定要配合寬帶壓裂技術(固體暫堵顆粒和暫堵纖維的混合物)，以提高塑性儲層的裂縫改造體積。

實施例

本發明在川東南地區某頁巖氣水平井分段壓裂簇射孔方案優化設計中得到應用，該井垂深2402m，測深4100m，水平段長1530m。通過本發明所提供的方法，優化簇射孔位置，得到最優簇射孔參數如下：設計射孔50簇，其中第1段每段兩簇，每簇1.5m；第2-17段每段三簇，每簇1m；孔徑9.5mm。經現場實施成功解決了頁巖氣儲層無效及低效裂縫所佔比例高、壓裂改造潛力有限等技術難題。對該井進行了產出剖面測井解釋，壓裂段產量貢獻率如圖4所示。圖4中，stage代表壓裂級數。由圖4可知，除了第4和11段無產量、第12段產量貢獻率低之外，有較大產氣貢獻率的壓裂段比例高達82％。通過本發明提供的優化方法，該井5個月累產氣量與同平臺另外一口井相比提高了14％，獲得了顯著的經濟效益。

以上所述，僅為本發明的具體實施案例，本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術的技術人員在本發明所述的技術規範內，對本發明的修改或替換，都應在本發明的保護範圍之內。