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页岩气藏压裂缝网模拟及沟通效果评价_郭小哲

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页岩 气藏压 裂缝 模拟 沟通 效果 评价 郭小哲
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收稿 日 期 : 20140917; 改回日期 : 20141210基金项目 : 中国石油大学 ( 北京 ) 科研基金 “页岩气藏渗吸作用机理及应用研究 ”( 02 -06)作者简介 : 郭小哲 ( 1975 - ) , 男 , 副教授 , 1999 年毕业于大庆石油学院石油工程专业 , 2005 年毕业于中国石油大学 ( 北京 ) 油气田开发专业 , 获博士学位 , 现从事油气田开发方面的教学和科研工作 。10. 3969/j. 1006 -6535. 2015. 01. 022页岩气藏压裂缝网模拟及沟通效果评价郭小 哲 , 赵 刚( 中 国 石 油大学 , 北京 102249)摘要 : 通过缝网模拟及压裂沟通效果评价模型的建立 , 为页岩气藏压裂水平井裂缝系统描述提供了简洁优化分析方法 。在综合模型中 , 对单井控制区域内的不同类型天然裂缝组进行模拟 ,构建了天然裂缝模拟模型 ; 与分段压裂参数相结合 , 提出了裂缝网络与天然裂缝相交后延伸走向计算方法 , 建立了人工缝网模拟模型 ; 在原有压裂评价参数的基础上 , 增设了 6 个缝网沟通效果评价指标 , 用以更深入研究压裂过程中的参数影响程度 。在实例分析中 , 进行了模型缝网模拟与微地震监测 、模型压裂效果与数模产能评价 2 个方面的对比 , 结果具有较高的一致性 ,验证了模型的适用性 。关键词 : 页岩气藏 ; 天然裂缝 ; 压裂 ; 体积裂缝网络 ; 沟通效果中图分类号 : 献标识码 : A 文章编号 : 1006 -6535( 2015) 01 -0099 -04引 言目前在缝网模型研究中 , 天然裂缝的模拟多采用离散裂缝网络模型[ 1 -2], 具有较 为成熟的理论和工具 。在国内压裂缝网的模拟中对砂岩储层[ 3 -5]的研 究 方法较多 , 而关于页岩储层的压裂缝网模拟[ 6 -8]研究 较 少 。基于以上分析 , 设计了一套简便而实用的页岩气藏水平井压裂缝网效果评价系统 ,该模型可以实现 3 个方面的研究 : 模糊的天然裂缝网络理想化模拟和反演 ; 压裂缝网形态模拟和关键约束参数反演 ; 应用新设缝网沟通效果评价指标进行压裂工艺参数的优化 。经过现场试验证实了该模型的准确性与适用性 。1 天然裂缝模拟模型模型中需要把不同大小的裂缝按裂缝组的形式设置 于储层中 , 采用离散裂缝网络模型[ 9 -10]中裂缝片的方法进行天然裂缝的模拟 , 裂缝 的 高度为储层的厚度 , 裂缝位置采用 拟方法 , 裂缝长度按指数分布模拟 , 开度 、方位角和倾角按正态分布模拟[ 11]。其公 式 为 :L = l) ( 1)d = ( 2)θ =α +σ 3)式中 : L 为模拟裂缝长度 , m; l 为 裂 缝平均长度 , m;随机分布函数 ; d 为模拟裂缝开度值 ,x1、 裂缝开度的最大 、最小值 , θ为模拟裂缝方位角或倾角值 ,( °) ; α 为 裂缝 方位角或倾角平均值 ,( °) ; σ 为 方位 角或倾角标准差 ,( °) ; 正态随机分布函数 。在实际模拟过程中可通过测井和露头信息设置具有代表性 的模糊天然裂缝组或者假设理想裂缝组 , 在人工缝网模拟后与微地震结果拟合时 , 可进一步反演天然裂缝组 , 取得合理的裂缝参数 。对确定性较高的大裂缝可在裂缝系统中直接置入 , 更实际地模拟储层原始状态 。2 人工压裂缝网模拟模型页岩气藏中水平井方向一般沿着地层最小 水平主应力 , 在分段压裂过程中会形成由多簇裂缝构成的裂缝网络 , 在每簇裂缝网络中 , 人工裂缝与天然裂缝充分沟通 , 形成储层中的体积缝网 。体积缝网的压裂模拟过程包括裂缝宽度计算和裂缝走向计算 。2. 1 裂缝宽度计算裂缝宽度决定着裂缝体积的大小 , 采用 种 油 气 藏 第 22 卷模型计算压裂缝宽[ 12], 即 :ω = ( 1 - v) h ( 4)式中 : ω 为 裂 缝宽度 , m; 液压力 , 厚度 , m; σh G 为剪 切 模量 , 缝中某点压裂液的压力 降[ 13]计算 得 到 :p -Δ5)Δ. 167 ×80. 85n -1( q/Hf)n( 6)2π·槡q 7)13( )8)ω =3245ω ( 9)式 中 : p 为 井 底压裂施工压力 , Δ 液压降 , q 为排量 , m3/C 为综合滤失系数 ; t 为施工 时 间 , D 为压裂液稠度系数 , Pa·n 为压 裂液 流态指数 ; 液缝流稠度系数 , Pa· 总长 , m; ω 为平均裂缝宽度 , 裂裂缝的宽度受到裂缝内压裂液的压力控制 , 随着压裂裂缝的延伸 , 压裂液的压力逐渐减小 ,压裂裂缝宽度也相应减小 。2. 2 裂 缝 走 向计算为了减少模糊参数的应用并简化计算模型 , 设定当压裂裂缝和天然裂缝的夹角 θ 为 30° ~150°时( 图 1 中 θ1) , 裂缝会沿着天然裂缝方向向两侧延伸 , 整条 天 然裂缝都会被开启 ; 当压裂裂缝和天然裂缝的夹角 θ 小于 30°或者大于 150°时 ( 图 1 中θ2) , 裂缝只能沿着天然裂缝的一个方向延 伸 , 当 压裂液延伸到天然裂缝尽头时 , 压裂裂缝会继续沿着最大水平主应力方向延伸 。图 1 裂缝延伸形态示意图裂缝延伸的范围受裂缝总长度约束 , 而裂 缝 总长度受压裂液总量和压裂时的延伸压力控制 。根据压裂液总量守恒原理 , 总的裂缝体积应该等于总的压裂液体积减掉地层滤失的压裂液体积 ( 不考虑压裂液体积系数 ) , 根据裂缝的宽度 、高度和压裂裂缝体积即可得到压裂裂缝的总长度 , 以此来约束压裂裂缝的延伸长度 。随着压裂裂缝的延伸 , 裂缝中会存在压降 , 距井越远压力损失越大 , 当压裂液压力低于延伸压力时 , 地层不能再被压开 , 裂缝也随即停止延伸 。3 压裂缝网沟通效果评价设计压 裂裂缝沟通效果评价参数设计包括 2 个 部分 : 基 础参数指标 。主要包括预压裂储层体积效压裂体积 产储层体积 均裂缝孔隙度  缝体积 沟通 评 价指标 。为了能更深入地评价人工裂缝与天然裂缝的沟通情况 , 设计了 3 个方面的 6 个指标 。3. 1 与储层整体沟通效果指标把水平井水平段储层区域作为一个整体对象 ,用以下 2 个指标来评价压裂裂缝在储层中的压裂范围 , 评价压裂缝网在储层中的波及范围 。( 1) 裂缝网络体积百分数 , 即有效压裂体积与预压裂储层体积百分比 :00% ( 10)式 中 : 裂缝网络体积百分数 , %; 有效压裂体积 , 预压裂储层体积 , 2) 裂缝体密度增长率 , 即裂缝网络中裂缝体密度增加值与压裂前裂缝体密度比值 :00% ( 11)式 中 : 裂缝体密度增长率 , %; 所有裂缝压裂后与压裂前的单面面积 , . 2 与天然裂缝沟通效果指标人工裂缝在沟通储层的同时 , 也在沟通更多的天 然 裂 缝 , 与天然裂缝沟通得越多 , 增加储层渗透性的效果越好 。( 1) 天然裂缝沟通程度 , 即水平井段平面内人工裂缝和天然裂缝接触条数与天然裂缝原有条数第 1 期 郭 小 哲等 : 页岩气藏压裂缝网模拟及沟通效果评价 101的 比 值 :00% ( 12)式中 : 天然裂缝沟通程度 , %; 缝与天然裂缝相交条数 , 即人工裂缝沟通天然裂缝条数 ; 网络的宽度 , m; 轴的最远距离 , m; 条 / 2) 天然裂缝沟通效率 , 即该指标为开启天然裂缝的体积与压裂裂缝体积的百分比 :00% ( 13)式中 : 天然裂缝沟通效率 , %; 天然裂缝体积 , . 3 裂缝网络通道沟通效果指标裂缝网络已经形成 , 但对产能的贡献取决于通道 的 有 效性 , 借助人工压裂的效果评价 , 引入以下指标作为评价页岩气藏的有效沟通效果 。( 1) 增产储层体积百分比 , 即有效压裂体积中增产储层体积所占比例 :00% ( 14)式中 : 增产储层体积 百分比 , %; 增产储层体积 , 即有效压裂体积中具有人工裂缝或者人工裂缝沟通天然裂缝的网格块累计储层体积 , RV 为有效压裂体积 , 2) 裂缝网络的导流能力 , 即平均裂缝宽度乘以平均裂缝渗透率 , 用以描述裂缝的渗流能力 :ω15)其中 , . 33 ×104ω2f。式 中 : 裂缝网络的导流能力 , 10-3μm2·m; 10-3μ 验证 与 算例表 1 ~3 为某页岩气藏储层缝网模拟参 数 , 对其进行缝网模拟及沟通效果评价分析 。表 1 某页岩气储层缝网储层参数模拟 地 层长度 / 层宽度/比岩石 弹 性模量/ 平主应力 / 平主应力方向 /( °)2000 1500 1604 1640 0. 183 13360 30 45表 2 某页岩气储层缝网天然裂缝参数裂缝 开 度 /缝 方 位角 /( °) 裂缝 长 度 /m 线密 度 /( 条 /m) 裂缝 孔 隙度0. 1 43 1 0. 4 0. 0025表 3 某页岩气储层缝网压裂参数水平 井 走向/( °)水平 井 深/ 段长度/射孔 簇 间距/625 1295 12 30调整天然裂缝参数和压裂相关地层参数 , 进行压 裂 缝网模拟 , 得到模拟的二维结果 ( 图 2) 。图 2中与水平井相交密集连续线区域为缝网区域 , 在区图 2 水平井压裂缝网形态域外的离散线为理想天然裂缝网络 。由 图 2 可 知 ,压裂缝网区域已经实现了人工裂缝与天然裂缝的沟通 。压裂缝网模拟结果与压裂微地震监测结果进行对比 ( 表 4) 显示 , 模拟缝网得到的基本参数指标与微地震值均很相近 , 有效压裂体积误差为3. 9%, 增产储层体积误差为 9%, 总裂缝体积误差为 14%, 有较好的一致性 。由此可知 , 该压裂模型具有较高的准确性 , 由此反演的天然裂缝参数和压裂关键约束参数可以用于生产实际 。为进一步分析天然裂缝走向对压裂的影响 , 算102 特 种 油 气 藏 第 22 卷表 4 模拟计算和微地震结果对比基础 参 数指标 模型 值 微地 震 值 沟通 评 价指标 模型 值有效 压 裂体积 /9848000 裂缝网络体积百分数 /% 79. 9增产储 层体积 /9808000 裂缝体积密度增长率 /% 9. 74总 裂 缝 体积 /4804 天然裂缝沟通程度 /% 44. 96平 均 裂 缝孔隙度 /% 0. 015 0. 012 天然裂缝沟通效率 /% 25. 68平均裂 缝宽度 /m 0. 0041 0. 0063 增产储层体积百分比 /% 41. 93裂缝网络导流能力 /( 10-3μm2·m) 8. 29例 分 别模拟了天然裂缝方 位角为 15、20、30、40、 50、60、70°时的压裂效果 , 如图 3 所示 。图 3 裂缝网络沟通评价指标与裂缝方位角关系由图 3 可 知 , 不同天然裂缝方位角压裂形成 的缝网效果也不同 , 方位角为 20 ~ 30°时 , 裂缝网络体积百分数 、裂缝体积密度百分数和裂缝网络导流能力均达到最大 。5 结 论( 1) 天然裂缝的基本参数不易获取 , 通过 模 拟结果与微地震的结果对比 , 可以拟合地层的理论天然裂缝分布 , 用以研究页岩气储层基于天然裂缝的产能规律 。( 2) 缝网评价指标体系中 , 基本参数可用来评价压裂的常规特征 , 基于人工压裂与储层沟通效果的评价新指标更具体的反映了压裂效果 。( 3) 天然裂缝与人工压裂缝网的模拟可对产能预测的影响因素进行分析 , 结合压裂缝网效果评价与产能计算模型进行对比 , 验证了通过压裂效果评价可以设计利于产能优化的压裂和生产模式 。参考 文 献 :[ 1] 郑松 青 , 姚 志良 . 离散裂缝网络随机建模方法 [ J] . 石油天然气学报 , 2009, 31( 4) : 106 -110.[ 2] 郑 松青 , 张 宏方 , 刘中春 , 等 . 裂缝性油藏离散裂缝网络模型 [ J] . 大庆石油学院学报 , 2011, 35( 6) : 49 -55.[ 3] 徐建永 , 武 爱俊 . 页岩气发展现状及勘探前景 [ J] . 特种油气藏 , 2010, 17( 5) : 1 -6.[ 4] 王冕冕 , 郭 肖 , 曹鹏 , 等 . 影响页岩气开发因素及勘探开发技术展望 [ J] . 特种油气藏 , 2010, 17 ( 6) : 12 -17.[ 5] 王永辉 , 卢 拥军 , 李永平 , 等 . 非常规储层压裂改造技术进展及应用 [ J] . 石油学报 , 2012, 33( 1) : 149 -157.[ 6] 李 庆辉 , 陈 勉 , 金衍 , 等 . 新型压裂技术在页岩气开发中的应用 [ J] . 特种油气藏 , 2012, 19( 6) : 1 -7.[ 7] 杨秀夫 , 刘 希圣 , 陈勉 , 等 . 国内外水力压裂技术现状及发展趋势 [ J] . 钻采工艺 , 1998, 21( 4) : 21 -25.[ 8] 张子明 . 水平井压裂技术发展现状 [ J] . 中 外能源 ,2009, 14( 9) : 39 -44.[ 9] 叶 军 , 曾华 盛 . 川西须家河组泥页岩气成藏条件与勘探潜力 [ J] . 天然气工业 , 2008, 28( 12) : 18 -25.[ 10] 童亨茂 . 储层裂缝描述与预测研究进展 [ J] . 新 疆石油学院学报 , 2004, 16( 2) : 9 -13.[ 11] , , R S, et a to C] . 2003: 1 -8.[ 12] , , , et of in a C] . 2011: 2 -9.[ 13] 张 琪 . 采油 工程原理与设计 [ M] . 东营 : 石油大学出版社 , 2006: 267 - 巍1. 10500, . 24057, . 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