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黑油模型和压裂设计软件相结合预测水平井分段压裂产能_张汝生_图文

第 33 卷 第 6 期 2011 年 11 月

石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGY

Vol. 33 No. 6 Nov. 2011

文章编号:1000 – 7393 ( 2011 )06 – 0070 – 04

黑油模型和压裂设计软件相结合 预测水平井分段压裂产能
张汝生 孙志宇 李宗田 张祖国
(中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院, 北京 100083)

摘要:克服单纯应用黑油模型模拟水平井水力压裂裂缝计算油井产能方法繁琐的弊端, 将压裂设计软件与黑油模型相结 合进行水平井分段压裂产能预测, 首先应用压裂数据软件进行水平井分段压裂设计, 模拟水力压裂裂缝各个参数, 然后生成数 据文件输入到黑油模型中进行处理, 通过黑油模型进行油藏基质、 裂缝周围的网格细化, 准确捕捉裂缝形态及在其各个不同位 置处的流动参数, 模拟多层、 多相流流体流入裂缝和从裂缝流入井筒的流动, 分析裂缝几何形态、 导流能力、 裂缝位置、 间距、 裂 缝夹角、 基质渗透率等参数对产能的影响, 模型中考虑了压裂液返排过程, 这对低渗油气藏水平井压裂产能预测尤为重要。 关键词:低渗气藏;水平井;压裂;产能预测;黑油模型;压裂设计软件 中图分类号 : TE357.2   文献标识码 : A

Productivity prediction in segregated fracturing horizontal well using Black-oil model and fracturing design software ZHANG Rusheng, SUN Zhiyu, LI Zongtian, ZHANG Zuguo
(SINOPEC Exploration & Production Research Institute, Beijing 100083, China)

Abstract: The computational method of oil well productivity calculated by using Block-oil model to stimulate hydraulic fracturing fractures is complex, so combined Black-oil model with fracturing design software is introduced to engage in productivity prediction in segregated fracturing horizontal. Firstly, segregated fracturing has been designed by fracturing software to stimulate hydraulic fracturing and obtain related parameters; secondly, the generated data file was input into Block-oil model, and reservoir matrix and fractures were finely meshed by model itself after preprocessing, during which fractures shape and flow properties in different condition could be captured exactly; thirdly, the inflow performance relationships of multi-phrase fluid from multi-layers to fracture and from fracture to wellbore were stimulated to analyze the influence of fracture geometry, conductivity capability, location, interval, included angle and matrix permeability on productivity. Taking flow back process of fracturing fluid into account, this method has provide important reference to predict oil well productivity in segregated fracturing horizontal wells. Key words: gas reservoir with low permeability; horizontal well; fracturing; productivity prediction; Black-oil model; fracturing design software

水平井分段压裂产能预测主要包括解析法、 半 解析法和常规数值模拟产能预测方法, 解析法和半 解析法多用于压裂水平井产能的简单预测和评价, 解决单相流动问题;数值模拟可以解决油、 气、 水三 相渗流的问题, 对于压裂水平井各种生产情况下的

产能模拟有着无法替代的优势, 但是却很难对压裂 裂缝各属性参数准确描述以提高精度。笔者针对水 平井分段压裂产能预测特点, 在分析国内外相关研 究成果的基础上, 将压裂设计软件 FracPT 与油藏描 述软件 Eclipse 黑油模型结合进行水平井分段压裂

基金项目:中石化科技开发部项目“低渗气藏水平井压裂优化设计技术研究” (编号:P10086) 部分内容。 作者简介: 张汝生, 1970 年生。1995 年获四川大学应用化学专业硕士学位 , 现从事压裂酸化技术研究等工作。电话:010-82312074。      E-mail: zhangrsh.syky@sinopec.com。

张汝生等:黑油模型和压裂设计软件相结合预测水平井分段压裂产能 产能预测的研究, 克服了以上各种方法的弊端, 提高 了预测的准确性。

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1 模拟方法及模型建立
1.1 压裂设计软件与黑油模型结合方法 首先在压裂设计软件 PT2007 中进行水平井压 裂设计, 模拟水力压裂裂缝各个参数, 然后可自动生 成数据文件输入到 Eclipse 黑油模型中进行处理, 通 过裂缝及其周围的网格细化, 可以准确捕捉裂缝形 态及在其各个不同位置处网格属性, 并记录压裂过 程中压裂液的滤失过程, 便于确定生产开始时裂缝 周边的初始状态。图 1 为通过 Eclipse 地质建模与 PT 结合获得的裂缝渗透率示意图。从图中可以看 出, 通过裂缝及其周围的网格细化可以准确获得裂 缝各个不同位置处的导流能力, 比设定 1 个平均裂 缝导流能力更加符合实际情况。

kf 为实际裂缝渗透率;kft 为模拟裂缝渗透率; 式中, b 为实际裂缝宽度;Δy 为模拟网格宽度。 由 PT 产生的油藏数模文件经网格赋值后主要 包括:PVT 文件、 流体属性文件及产量初始化储层 流体饱和度文件, 其余的油藏模拟文件需人工输入。 1.2 Ecplipse 数值计算模型 对水平井分段压裂产量模拟, 主要应用 Ecplipse 中的黑油模型, 其主要计算公式中气水两相差分方 程如下。   气、 气两相的渗流方程 ? kkrg ? ??φ ? ? ? sg ? ? ??α ?pg ? ρg g ?D)?? ? qg = ? (3) ( ? ? ? ? B t B ? ? ? g ? ? ?? g 0 ?? 辅助方程 sg+sw=1 pcow=pg - pw 初始条件 pg ( x, y, z , t ) t =t0 = pg 0 边界条件 ?p =0 ?n ? 油藏模型和裂缝 Eclipse 模型采用 IMPES 方法 分别求解。所谓 IMPES 方法(The Implicit PressureExplicit Saturation Method)就是通常所说的隐式求 解压力显式求饱和度法, 它属于顺序求解的一种, 是 目前最常用、 简便的方法。 s w ( x , y , z , t ) t = t0 = s w 0

图 1 裂缝不同位置处渗透率

为了准确模拟基质向裂缝、 裂缝向井筒、 裂缝端 部聚流及开采初期高速率的瞬时流动, 通常需要对 Y 方向分别为 裂缝周围网格进行细化, 范围为在 X、 1.5、 2 倍裂缝长(图 2) 。

2 产能预测实例分析
对大牛地 DP1 水平气井进行压裂产能预测实 例分析, DP1 井 2003 年 5 月 8 日钻至井深 3600 m 完钻, 水平段进尺 612 m。最后一测点 3588.89 m, 垂 深 2849.06 m, 井 斜 91.35 ° , 方 位 206.82 ° , 位移 811.16 m。 2.1 压裂设计结果 DP1 水平气井压裂设计及产能预测基本参数见 表 1, 裂缝几何形态见表 2, 裂缝模拟图见图 3。
表 1 DP1 压裂设计及产能预测基本参数 参数名称 气层厚度 /m 气层埋深 /m 气层压力 /MPa 气层孔隙度 /% 气层渗透率 /mD 气体黏度 /mPa · s 数值 35 2850 25.79 10.8 6.55 0.015 参数名称 水平段长 /m 弹性模量 /MPa 泊松比 气体密度 /kg · m 裸眼内径 /cm 体积系数
?3

图 2 模拟裂缝的局部网格划分

Ecplise 可设定不同的裂缝条数、 缝间距、 缝与水 平段根部及趾部距离等参数进行产能计算, 模拟裂 缝过程中考虑非达西流影响, 而对裂缝宽度的设定 可用实际裂缝尺寸, 也可将其扩大或缩小, 前提是保 证裂缝导流能力不变, 式(1) (2) 、 为转化方程式 kf = kft b / ?y ff = fft b / ?y (1) (2)

数值 612 17000 0.25 1.124 15.44 0.08

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石油钻采工艺 2011 年 11 月(第 33 卷) 第6期
表 2 裂缝模拟结果 层位 山 1-1 山 1-1 山 1-1 射孔井段 /m 3098.94~3099.94 3252.00~3253.00 3402.00~3403.94 裂缝半长 /m 水力 150.0 151.0 153.8 支撑 133 134 136 下界 2876.6 2876.0 2876.0 裂缝高度 /m 上界 2809.9 2810.0 2810.0 水力 66.5 66.0 66.0 支撑 59.2 59.0 58.0 缝宽 / cm 0.54 0.54 0.54 铺砂浓度 / kg · m?2 2.35 2.35 2.35 FCD 208.45 217.08 227.10

增大裂缝间距, 裂缝间的干扰减小, 同时, 较大的裂 缝间距意味着压裂井的控制范围也变大, 但当裂缝 间距大于 100 m 后, 气井总产量的增加趋势不明显, 说明裂缝间距超过 100 m 可满足气藏生产要求, 过 大间距很容易沟通周围水层, 因此, DP1 井根据裂缝 条数的不同, 最优裂缝间距可为 100~150 m。

图 3 PT 裂缝模拟结果

根 据 FracPT 中 的 设 计 参 数 及 模 拟 结 果, 在 Eclipse 中地质建模, 进行区域网格细化后, 将 PT 裂 缝模拟结果(缝长、 缝宽、 缝高及裂缝各处的铺砂浓 度、 导流能力等) 输入 Eclipse 地质模型中, 以模拟压 裂裂缝, 进而计算不同裂缝条数下的水平井产量, 实 现低渗气藏水平井压裂设计优化。 2.2 大牛地 DP1 水平气井压裂产能预测 2.2.1 压裂水平井裂缝条数 设置 1~5 条具有相同 参数的压裂裂缝(裂缝长度、 高度、 宽度、 裂缝间距、 导流能力及与水平段根部距离) , 分别计算其累积产 量。结果表明, 以 DP1 设计参数, 累积产气量随着 裂缝条数增加而增加, 但当裂缝条数大于 3 条后, 气 井总产量的增加趋势逐渐减少, 5 条裂缝与 4 条裂缝 总产量相差不大, 因此, 综合考虑作业成本等经济因 素, DP1 井最优裂缝条数为 3~4 条(图 4) 。

图 5 压裂水平井裂缝间距与产能的关系

2.2.3 压裂裂缝导流能力 设置 4 条具有相同参数 的压裂裂缝, 令其裂缝导流能力分别为 20、 25、 30、 35 2 μm· cm, 计算其日产量。随着裂缝导流能力的增加, 压裂水平井日产气量增加。但是随着裂缝导流能力 的进一步增加, 产量增幅逐渐变小, 考虑到压裂成本 · cm 左 和费用的因素, 最佳裂缝导流能力在 30 μm2 右(图 6) 。

图 6 压裂水平井裂缝导流能力与产能的关系 图 4 压裂水平井裂缝条数与产能的关系

2.2.2 压裂水平井裂缝间距 设置 4 条具有相同参 数的压裂裂缝, 令其裂缝间距分别为 60 m、 100 m、 120 m、 160 m, 计算其累积产量。 从图 5 中可以看出, 累积气体产量随着裂缝间距增加而增加, 这是因为

2.2.4 压裂裂缝长度 设置 4 压裂裂缝长度分别为 80、 120、 160、 200 m, 计算其日产量。随着裂缝长度 的增加, 压裂水平井日产气量增加, 且产量增幅逐渐 变小, 这与裂缝导流能力的影响类似, 但裂缝长度对 产量的影响要大于裂缝导流能力对产量的影响, 最 佳裂缝长度可控制在 160 m 左右(图 7) 。

张汝生等:黑油模型和压裂设计软件相结合预测水平井分段压裂产能

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图 7 压裂水平井裂缝长度与产能的关系

2.2.5 压裂裂缝与水平井筒夹角与产能的关系 在 模拟压裂裂缝与水平井筒夹角时, 笛卡尔网格划分 存在着较大的局限性, 使得压裂水平井很难与裂缝 的方向保持一致, 不能真实地反映压裂水平井的渗 流特征, 极大地影响了计算的精度, 因此应用 PEBI (perpendicular bisection, 即垂直平分) 网格划分方法 研究压裂裂缝与水平井筒夹角对水平井产能的影 响。PEBI 网格体系中, 任意两个相邻网格块的交界 面一定垂直平分相应 PEBI 网格节点的连线。油藏 数值模拟所需特征值都被存储在每一个网格块的网 格节点中。 设 置 裂 缝 与 水 平 井 筒 夹 角 分 别 为 15、 45、 75、 90 ℃。随着裂缝与水平井筒夹角的增加, 压裂水平 井日产气量增加 , 这是因为随着夹角的增大, 各条裂 缝间垂直距离变大, 也使得各裂缝之间相互干扰减 少, 相当于增大了裂缝的有效泄油面积, 因此, 压裂 ) 。 裂缝垂直水平井筒为最佳裂缝角度(图 8

拟软件 Ecplise 结合, 可以将压裂过程中获得裂缝参 数、 储层特性及其滤失情况等信息自动生成文件输 入 Ecplise 中, 利用黑油模型进行水平井分段压裂产 能预测, 克服以往各单一产能计算方法弊端, 提高了 预测的针对性和准确性。 (2) 对于任何气藏水平井分段压裂, 其产量都有 一个最佳的裂缝参数组合, 其中裂缝长度和裂缝数 量是影响产能的主要参数, 实际压裂施工中应对两 个参数进行优化。 (3) 水平井筒不同位置处的横向裂缝对产量的贡 在其他条件相同的情况下, 位于水平 献大小也不同, 井段两端的裂缝产量大于内部裂缝产量, 因此, 实际 设计施工时可酌情加大内部裂缝的长度, 使其产量 贡献最大化。
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图 8 压裂水平井裂缝水平井筒夹角与产能的关系

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(修改稿收到日期 2011-09-10)

2.2.6 不同位置裂缝对产量的贡献 模拟压裂水平 井周围形成 4 条裂缝并同时生产, 在其他条件相同 的情况下, 位于水平井段两端的裂缝产量大于内部 裂缝产量。这是因为经过较长时间后, 由于裂缝干 扰, 裂缝之间的压力下降很快, 而两条外部裂缝具有 更大的泄油面积, 所以两条外部裂缝对产量的贡献 将占主导地位。

3 结论
(1) 通过将压裂设计软件 FracPT 与油藏数值模

〔编辑 石 艺〕


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