水平井体积改造井距和簇间距优化研究.pdf
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1、1958西南石油大学学报(自然科学版)2024 年 4 月 第 46 卷 第 2 期Journal of Southwest Petroleum University(Science&Technology Edition)Vol.46 No.2 Apr.2024DOI:10.11885/j.issn.1674 5086.2021.03.04.01文章编号:1674 5086(2024)02 0114 11中图分类号:TE349文献标志码:A水平井体积改造井距和簇间距优化研究马泽元1,2*,胥 云1,2,翁定为1,2,郭 英1,2,鄢雪梅1,21.中国石油勘探开发研究院,北京 海淀 100083
2、2.中国石油油气藏改造重点实验室,河北 廊坊 065007摘要:为研究页岩油水平井最优井距和簇间距的工程问题,针对鄂尔多斯盆地长7储层地质特征,采用地质 工程一体化工作流程,建立三维地质模型和地质力学模型,模拟不同簇间距条件下的复杂缝网扩展,依据全缝长频率分布优化井距。采用非结构化数值模型预测水平井的生产动态,确定产量最高的分段分簇方案。数值模拟分析表明,采用缝长累积频率分布中 P90 值对应的缝长作为水平井井距,有助于提高复杂缝网对储量的控制程度,簇间距缩小到35 m 时建议水平井井距为 200 m 左右;簇间距从 15 m 缩小到 3 m,支撑裂缝总表面积提高 108%,同时体积改造程度提
3、高 142%;对于目标储层,簇间距从 15 m 缩小到 3 m,投产 3 a 累产油量增加 75.91%;采用 3 m 簇间距方案无法满足经济效益的需求,建议以 5 m 作为簇间距。关键词:体积改造;长7储层;井距;簇间距;页岩油Well Spacing and Cluster Spacing Optimization for Horizontal WellVolume StimulationMA Zeyuan1,2*,XU Yun1,2,WENG Dingwei1,2,GUO Ying1,2,YAN Xuemei1,21.Research Institute of Petroleum Exp
4、loration&Development,PetroChina,Haidian,Beijing 100083,China2.Key Laboratory of Oil&Gas Reservoir Stimulation,CNPC,Langfang,Hebei 065007,ChinaAbstract:Aiming at well spacing and cluster spacing optimization for horizontal wells,Chang 7 Formation in Ordos Basin isstudied.Based on the integrated workf
5、low through geology to engineering,3D geological model and geomechanical model arebuilt firstly with its geologic characteristics.Multi-stage fracturing design is simulated with various cluster spacing,and wellspacingcouldbeoptimizedbyfrequencydistributionoffullfracturelength.Unstructuredgridisusedt
6、opredicttheperformanceof a horizontal well and the best cluster spacing case is confirmed.Results from analysis of numerical simulation show that:it is recommended to optimize well spacing according to the cumulative frequency distribution of fracture length,like P90.Itwould be helpful to improve th
7、e controlling degree of complex fracture network on reserves.With cluster spacing ranging from3 m to 5 m,its recommended to decrease lateral spacing to about 200 m;with tighter cluster spacing of 3 m instead of 15 m,the surface area of propped fractures could increase by 108%,and volume stimulation
8、degree increase by 142%for the targetformation;with tighter cluster spacing of 3 m instead of 15 m,cumulative oil production increase by 75.91%in 3 years;rate ofreturn on investment cant be realized by cluster spacing of 3 m,and the recommended plan would be 5 m.Keywords:volume fracturing;Chang 7 Fo
9、rmation;well spacing;cluster spacing;shale oil网络出版地址:http:/ 云,翁定为,等.水平井体积改造井距和簇间距优化研究J.西南石油大学学报(自然科学版),2024,46(2):114 124.MA Zeyuan,XU Yun,WENG Dingwei,et al.Well Spacing and Cluster Spacing Optimization for Horizontal Well Volume StimulationJ.Journal ofSouthwest Petroleum University(Science&Technol
10、ogy Edition),2024,46(2):114124.*收稿日期:2021 03 04网络出版时间:2024 03 27通信作者:马泽元,E-mail:基金项目:中国石油天然气股份有限公司科技专项(2023ZZ28)第 2 期马泽元,等:水平井体积改造井距和簇间距优化研究115引言水平井体积压裂和缝控压裂技术已成为实现非常规油气资源有效开发的关键技术,通过“打碎”储层,形成裂缝网络,“人造”渗透率,提高了单井产量和采收率,实现储量动用最大化1 4。合理的水平井井距是非常规油气藏高效开发的关键因素之一,通过优化井间距控制有效支撑裂缝体积是缝控改造优化的一种途径。从工程角度看,缩小井间距可
11、以降低对人工裂缝长度的要求,使得工程技术易于达到设计的裂缝长度,大幅缩短井间基质向裂缝的渗流距离,同时是提高缝控程度的内在需求。过小的井距设计将导致各簇主裂缝之间的改造区重叠,降低压裂改造效率;过大的井距则会在主裂缝之间产生未改造区,影响储层的动用程度5。美国主要页岩油气藏的水平井井距从 400 m缩小至 100200 m6,目前,中国的页岩油区块井距一般为 300800 m,有进一步优化的空间。簇间距优化是页岩油储层改造优化设计的核心之一。簇间距,也叫缝间距,是指某一压裂层段内两条相邻裂缝之间的距离,表示裂缝到无流动边界的距离,决定了多孔介质的改造体积和人工裂缝发生干扰的时间。缝间距是影响压
12、裂后储层压力变化的关键参数之一,因为通过增加压裂段的人工裂缝条数缩短缝间距,能够缩短基质内流体向裂缝的渗流距离,同时降低所需驱动压差。簇间距还与产量和经济性密切相关,而不同储层的最优簇间距可能不同,即使在同一储层内,最优簇间距也可能因非均质性而有所不同7。针对水平井簇间距和井距优化,学者们开展了多种研究。Carrizo 公司在 Eagle Ford 进行了缩小井距试验,将井距从 300 m 逐渐缩小到 100 m,单位面积上可动用储量大幅增加,采收率提高 15%25%,净现值增长 201%。北美非常规油气田加密井数量超过新区块钻井数,也反映出早期井距并非最佳,压裂裂缝没有实现对储层全覆盖,井距
13、偏大,需要加密井。Gakhar 等8采用 UFM 模型和有限元方法研究多井平台出现的子母井干扰问题,发现井距约为 240 m 时,子井与母井产量相当,而井距约 120 m时,子井比母井产量低 30%,说明母井在靠近子井一侧动用储量范围在 70 m 左右。Xiong 等9 10利用多级压裂模型和油藏数值模拟软件对比不同簇间距设计产生的复杂裂缝网络,结果表明,缩小簇间距,可以产生更大的裂缝表面积,最终能够提高油井初期产量和采收率。Jones11使用产量不稳定分析、产量历史和压力数据拟合、概率模型和敏感性模型,假设裂缝为均匀扩展的双翼缝,结果表明,Eagle Ford 凝析气藏最优簇间距为 4.36
14、.1 m,最终采收率可以提高 20%,净现值增加 50%60%。Fowler 等12对此进行了数值模拟,结果表明,压力衰竭沿着裂缝的方向分布,储层渗透率越低,裂缝加密的增产效果越明显。中国页岩油探明储量 14.5108t13,在鄂尔多斯、准噶尔、三塘湖、松辽和渤海湾等盆地陆相主力生油层系已开展了大量工业试验并初获成效,页岩油逐步成为国内原油接替的现实领域。例如,在针对鄂尔多斯盆地长7储层的压裂设计思路方面,从“大排量打碎储集体”发展到“细切割剁碎储集体”,长水平井细分切割缝控压裂技术现已成为提质增效的核心利器。20132023 年,水平井的平均水平段长度从 885 m 增加到 1 648 m,
15、平均簇间距从 41.1 m缩短至 9.2 m14。长庆和吐哈油田取芯观测结果表明,实际支撑缝长小于 100 m,远低于预期,因此,需要持续探索小井距(100200 m)、加密簇间距(35 m)的可行性,提高储量动用程度15。在当前低油价背景下,实现页岩油经济效益动用难度加大,也突出表现在优化完井设计的地质工程一体化工作流程亟需完善。水平井井距和簇间距优化是相对复杂的过程,目的是实现产能最大化,同时满足现场施工和经济效益的需要16,而当前这一问题的研究有待进一步深化。为此,结合长庆油田页岩油储层水平井实例,通过综合三维地质模型、地质力学模型、复杂缝网模拟、压裂后产能预测的一体化建模方法,结合储层
16、非均质性和现场施工得出的认识,聚焦于研究水平井井距优化,以及对于特定生产时间,簇间距对水平井产量的影响,从而提高开发效果。1 地质模型和地质力学模型在非常规储集层复杂地质、非平面裂缝网络扩展等特殊条件下,需要依托地质工程一体化研究平台,才能逐步破解工程难题,进一步提高储集层改造效果17 18。116西南石油大学学报(自然科学版)2024 年图 1 为研究所采用的地质工程一体化工作流程,首先,建立三维地质模型和三维地质力学模型,在此基础上模拟裂缝扩展;然后,通过净压力拟合对模型进行校正,根据复杂裂缝网络构建基于非结构化网格的油藏数值模型,并用井的生产历史进行模型校正。!#$!%$()*+,-
17、.#/01%/234#/5678/29:()*:(?AB$CDEFGHCIHJKLMNOC(-P3Q%RS:图 1地质工程一体化工作流程Fig.1Workflow of integrated geology and engineering1.1 地质模型鄂尔多斯盆地延长组页岩油主要发育于半深湖深湖相区,以长7段最为典型,纵向上可划分为上(长17)、中(长27)和下(长37)等 3 个甜点段,上、中甜点段为泥页岩夹多期薄层粉细砂岩的岩性组合,为 I 类、II 类储层。其中,I 类储层单砂体厚度大于 10 m,II 类储层单砂体厚度为 610 m,源储配置好、砂体大面积分布、含油饱和度高于 70%
18、、原油性质好19 21,是目前页岩油勘探开发的现实领域,但是有效动用难度大,主要表现在以下 5 个方面:1)地层压力系数低,约为 0.770.84,两向主应力差大。2)纵横向砂体变化快,储层非均质性强。3)储层岩性致密,渗透率低。4)地层原油黏度约为 0.97 mPas,流度比低。5)脆性指数较高,天然裂缝发育程度低22。以 H 平台一口水平井的地质和工程参数为基础,该井钻遇储层的油气主要分布在长17小层,根据所研究区块内获取的 11 口直井轨迹和测井数据,首先采用算术平均方法将测井数据粗化到与各井相邻的网格中,然后使用高斯随机函数模拟方法得到各物性参数的空间展布。三维非均质地质模型大小为 6
19、 375 m6 575 m416 m,网格平面尺寸采用25 m25 m,垂向网格尺寸根据不同层位厚度划分,物性参数见表 1。纵向包括 5 个小层,自上至下依次为长26、长36、长17、长27和长37。表 1长7段物性参数Tab.1Characteristics of Chang 7 Formation储层类型平均埋深/m渗透率/mD孔隙度/%含水饱和度/%密度/(gcm3)原始地层压力/MPa储层温度/C油层2 0150.210.32302.5515.858.9油井投产后的压力波在地层中传播距离可用探测半径表征23t=10204Ctd2iK(1)式中:t时间,h;黏度,mPas;孔隙度,%;C
20、t压缩系数,MPa1;di探测半径,m;K渗透率,mD。不同探测半径下渗流时间与储层流度比的关系见图 2。10410m15m30m50m100m%&(/a!#$%/()mD mPas-1110310210110010-110-310-210010-1!#$图 2渗流时间与储层流度比的关系Fig.2Relationship between detection radius and reservoir flow ratio第 2 期马泽元,等:水平井体积改造井距和簇间距优化研究117由图 2,按研究区块的地质参数计算探测半径,在流度比约为 0.2 mD/(mPas)时,压力波约需要10 a 传播
21、50 m,而波及 100 m 距离需要 40 a。因此,超致密储层中需要创造更多的裂缝通道才能加速地层压力的衰竭,实现效益开发。1.2 地质力学模型页岩油储层非均质性强,岩石力学性质有差异,因此,利用纵横波和密度参数进行弹性力学参数的评价十分重要,且需结合岩芯实验进行动态参数和静态参数的转换24 26。利用西 233 井区长7储层获取的岩芯,开展纵横波声速测定、三轴岩石力学、声发射地应力测试等岩石力学实验,基于横波实验室测试结果建立纵横波关系(图 3),并计算得到研究区块内各井地应力剖面,模型中长7储层岩石力学参数见表 2。32003600400044002000210022002300240
22、0!#$/(m s-1)%#$(?)/m s-1yx=0.32+978.55=0.91R225004800图 3纵横波关系(横波实验)Fig.3Relationship between compression wave and shear wave(shearwave experiment)表 2长7段地质力学参数Tab.2Geomechanical properties of Chang 7 Formation静态杨氏模量/MPa动态杨氏模量/MPa静态泊松比/无因次动态泊松比/无因次最小水平主应力梯度/(MPam1)最大水平主应力梯度/(MPam1)平均水平应力差/MPa上覆地层压力梯度/
23、(MPam1)延伸压力梯度/(MPam1)25 85134 5620.2350.2470.015 30.018 56.130.024 10.016 9在地质模型的基础上,增加上覆岩层、侧向岩层和下伏岩层网格,并在网格最外层添加刚性板,模型宽深比设定为 2:1,将油藏网格扩展成为地质力学网格,这样可以正确模拟储层的力学边界条件,确保边界载荷均匀施加,从而减少了应力集中的影响27。将油藏网格扩展成为地质力学网格后,进行属性建模(图 4),建立材料库,给每个网格单元分配力学属性,油藏网格的杨氏模量和泊松比等沿用地质模型数据,外加网格主要材料属性见表 3。a 地质模型 d 局部模型杨氏模量c 局部模型
24、泊松比b 地质力学模型渗透率/mD010-110-210孔隙压力/MPa160140120100806040200.300.290.280.270.260.25泊松比/无因次杨氏模量/GPa37.5035.0032.5030.0027.5025.0022.5020.0017.5015.00图 4模型示意图Fig.4Model schematic118西南石油大学学报(自然科学版)2024 年表 3主要材料参数Tab.3Main material parameters材料屈服准则杨氏模量/GPa泊松比/无因次密度/(gcm3)上覆岩层摩尔 库伦200.222.3侧向岩层无250.232.4下伏岩
25、层无300.232.5刚性板无1000.232.62 复杂裂缝扩展2.1 模拟裂缝扩展水平井体积压裂中,簇间距影响裂缝形态和油藏改造体积,是对压裂后产能影响最大的因素之一。在地质模型和地质力学模型的基础上选取单井进行水力压裂设计,以该区块 H 平台一口水平井为研究对象,使用该井实际井轨迹、测井曲线、泵注程序、压裂施工曲线等数据进行深入研究。采用非常规复杂缝网模型(UFM 模型)28 29模拟复杂裂缝网络扩展,UFM 模型可以综合考虑储层非均质性、应力各向异性、应力阴影效应、天然裂缝和人工裂缝的相互作用等因素,实现三维裂缝非平面扩展,采用位移不连续边界元求解岩石变形,基于拟三维模型计算缝高和缝长
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