基于饱和度再平衡的致密油体积压裂后焖井时间优化方法.pdf
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1、 石 油 勘 探 与 开 发 2023 年 12 月 PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT Vol.50 No.6 1259 文章编号:1000-0747(2023)06-1259-09 DOI:10.11698/PED.20230129 基于饱和度再平衡的致密油体积压裂后焖井时间优化方法 许建国,刘容君,刘洪霞(中国石油吉林油田公司,吉林松原 138000)基金项目:国家科技重大专项“致密油储层高效体积改造技术”(2016ZX05046-004);中国石油天然气股份有限公司 重大科技专项“松辽盆地南部致密油气成藏及动用技术研究”(2017B-4905);
2、中国石油天然气股份有限公司 吉林油田公司科技重大专项“压裂关键技术攻关与现场试验”(JY21A2-12)摘要:以致密油焖井渗吸置换为基础,阐述压后焖井饱和度再平衡原理,建立了以缩短见油时间、快速见油为目标的水平井体积压裂焖井时间优化方法,并分析了渗透率、孔隙度、裂缝半长和压裂液用量对焖井时间的影响规律。研究表明:油井压裂后焖井过程中,基质和裂缝中的油水发生渗吸置换,如焖井时间太短,油水置换不充分,油井投产后见油周期长;焖井时间太长,油水置换虽充分,但井底附近地层能量逸散严重,油井投产后自喷周期短,产量低。合理的焖井时间可缩短见油周期,延长油井自喷期,提高油井产量。合理焖井时间受渗透率、孔隙度、
3、裂缝半长和压裂液用量等共同影响。最短和最长焖井时间与孔隙度、渗透率、裂缝半长呈负相关,与压裂液用量呈正相关。经松辽盆地致密油水平井的实际应用检验证实,该焖井时间优化方法可有效提高水平井体积压裂的开发效果。关键词:致密油;水平井;体积压裂;渗吸置换;含油饱和度平衡;焖井时间;影响因素;开发效果 中图分类号:TE348 文献标识码:A Optimization of shut-in time based on saturation rebalancing in volume-fractured tight oil reservoirs XU Jianguo,LIU Rongjun,LIU Hong
4、xia(PetroChina Jilin Oilfield Company,Songyuan 138000,China)Abstract:Based on imbibition replacement of shut-in well in tight oil reservoirs,this paper expounds the principle of saturation rebalancing during the shut-in process after fracturing,establishes an optimization method for shut-in time aft
5、er horizontal well volume fracturing with the goal of shortening oil breakthrough time and achieving rapid oil breakthrough,and analyzes the influences of permeability,porosity,fracture half-length and fracturing fluid volume on the shut-in time.The oil and water imbibition displacement in the matri
6、x and fractures occurs during the shut-in process of wells after fracturing.If the shut-in time is too short,the oil-water displacement is not sufficient,and the oil breakthrough time is long after the well is put into production.If the shut-in time is too long,the oil and water displacement is suff
7、icient,but the energy dissipation in the formation near the bottom of the well is severe,and the flowing period is short and the production is low after the well is put into production.A rational shut-in time can help shorten the oil breakthrough time,extend the flowing period and increase the produ
8、ction of the well.The rational shut-in time is influenced by factors such as permeability,porosity,fracture half-length and fracturing fluid volume.The shortest and longest shut-in times are negatively correlated with porosity,permeability,and fracture half-length,and positively correlated with frac
9、turing fluid volume.The pilot test in tight oil horizontal wells in the Songliao Basin,NE China,has confirmed that the proposed optimization method can effectively improve the development effect of horizontal well volume fracturing.Key words:tight oil;horizontal well;volume fracturing;imbibition dis
10、placement;oil saturation balance;shut-in time;influence factor;development effect 引用:许建国,刘容君,刘洪霞.基于饱和度再平衡的致密油体积压裂后焖井时间优化方法J.石油勘探与开发,2023,50(6):1259-1267.XU Jianguo,LIU Rongjun,LIU Hongxia.Optimization of shut-in time based on saturation rebalancing in volume-fractured tight oil reservoirsJ.Petroleum
11、 Exploration and Development,2023,50(6):1259-1267.0 引言 中国致密油资源丰富、开发潜力大,可采资源量达 44.8108 t,是重要的战略性接替能源,与常规储集层相比,致密油储集层低孔、低渗、孔喉细小、连通性差,依靠常规压裂技术无法高效开发1-3。近年来,国内外主要采用“水平井+体积压裂+焖井”的开发方式开发致密油,即体积压裂后立即关井,焖井一段时1260 石油勘探与开发油气田开发 Vol.50 No.6 间后再开井生产,取得了较好的增油效果,有效降低了产水量。但矿场实践也表明,如果焖井时间太短,则油井见油周期长,初期含水高;如果焖井时间太长,
12、则注入液体的能量逸散,油井自喷周期短,累计产油量低,因而以压后焖井时间为核心的焖井制度是致密油高效开发急需解决的关键问题4-7。Dutta 等通过岩心实验开展了焖井渗吸驱油机理研究,认为渗吸驱油至扩散自吸段的时间为最佳焖井时间,并建立焖井时间的理论计算公式8-10。尚世龙等建立了常规压裂单一水力裂缝模型和单一压裂段缝网模型,分析了致密油储集层焖井期间的压力变化规律,基本明确了压后焖井的蓄能作用机理11-12。Wang 等建立了水力裂缝单相流数值模型和多相流二维平面数值模型,对比分析了不同焖井时间对生产井产能的影响13-16。王飞等用压降试井解释的反演理论,基于压降特征曲线划分了焖井期间的不同流
13、动阶段,计算不同渗透率条件下的压力及压力导数曲线,建立了渗透率与边界效应时间图版17-18。Yaich 等统计了现场不同焖井时间的压裂井产能效果,据此拟合得到累计产油量与焖井时间的经验公式19-20。总体来看,国内外学者侧重于微观尺度的合理焖井时间实验与理论研究,矿场尺度相关研究相对较少,且不同区块储集层物性有一定差距,经验公式的适用性受限,采用这些方法进行矿场压后焖井制度的设计、现场施工具有一定的局限性。针对上述问题,本文建立了致密油水平井体积压裂-焖井-生产一体化的三维油水两相数值模型,以压后焖井过程中基质和裂缝间发生油水渗吸置换、含油饱和度再次达到平衡为基础,建立了以缩短见油时间、实现快
14、速见油为目标的焖井时间优化方法,探讨了储集层和压裂施工关键参数对焖井时间的影响规律。1 体积压裂-焖井-生产一体化数值模型 1.1 物理模型 致密油水平井体积压裂-焖井-生产一体化开发方式包含体积压裂、焖井渗吸置换和开井生产 3 个连续的物理过程。体积压裂过程中,压裂液在高压下通过水平井筒注入到水力裂缝,然后滤失进入储集层。体积压裂结束后关井,水力裂缝内全部为压裂液,裂缝内压力升高,此时水力裂缝内压裂液将在压差作用下继续流入基质,而基质中的油相则在毛管压力作用下进入水力裂缝,储集层中饱和度平衡被打破,裂缝中含油饱和度逐渐增加,基质中含油饱和度逐渐减小,直至二者再次达到平衡。焖井结束后开井生产,
15、地层中油和水通过水平井筒产出,可计算得到不同生产时间井口产出油水情况。因此,通过模拟计算可以得到不同焖井时间基质和裂缝中含油饱和度以及开井生产后井口的油、水生产动态,从而优化合理焖井时间。基于压裂、焖井和开井生产油水采出特征,可建立致密油水平井体积压裂-焖井-生产一体化物理模型(见图 1)。模型的基本假设条件如下:模型中压裂液假设为单一水相,即储集层内部只有互不相溶的油水两相,同时油水渗吸、渗流主要发生在水力裂缝与基质之间;压裂、焖井和开发过程中,储集层温度变化不大,因而模型中的流动过程为等温非稳态渗流,不考虑温度变化对流动的影响;建立三维物理模型时考虑致密储集层的强非均质性与重力作用;致密油
16、储集层孔隙小、孔喉复杂,考虑毛管压力作用的影响;水平井筒沿 x 轴方向,水力裂缝平行于 y 轴,垂直于水平井井筒,为垂直裂缝。图 1 体积压裂-焖井-生产一体化物理模型 1.2 数学模型 致密油储集层孔喉狭小,油水流动通道细微,渗流阻力大,呈现低速非达西渗流现象,流体为非线性渗流,水平井大规模压裂后储集层中存在复杂人工裂缝,储集层中流体渗流规律与常规油藏存在明显差异,因而一体化建模过程中,数学模型采用双重介质模型,即油藏由基质和裂缝两种孔隙介质构成,两种介质具有不同的孔隙结构和渗流特征,基于质量守恒定律和非达西定律,考虑毛管压力影响,可得基质中油、水两相的渗流基本控制方程21-23:moomm
17、romoomooomfo SK KpDGqt (1)mrwmwwmwwwK KpDG mwwmwmf Sqt(2)2023 年 12 月 许建国 等:基于饱和度再平衡的致密油体积压裂后焖井时间优化方法 1261(1)式等号左边第 1 项为基质中的油相非达西流动项,考虑了毛管压力的影响,油相压力由水相压力和毛管压力表征,(2)式等号左边第 1 项为基质中的水相非达西流动项,(1)和(2)式等号左边第 2 项表示基质与裂缝间的油相、水相交换项。裂缝具有高导流能力,因而不考虑其毛管压力的影响,裂缝中的流体流动仍遵循经典达西运动方程。基于质量守恒定律和达西定律,得到裂缝中油、水两相的渗流基本控制方程2
18、1-23:fooffrofoofoofomfo SK KpDqqt (3)fwwffrwfwwfwwfwmfw SK KpDqqt (4)(3)式等号左边第 1 项为裂缝中的油相达西流动项,不考虑毛管压力的影响,油相压力与水相压力相等,(4)式等号左边第 1 项为裂缝中的水相达西流动项,(3)和(4)式等号左边第 2 项表示裂缝内油相、水相的源汇,第 3 项表示基质与裂缝间的油相、水相交换项。为求解一体化数值模型,还需要一系列辅助方程。模型中基质、裂缝中为油、水两相渗流,饱和度方程可表示为:omwmofwf11SSSS(5)模型中基质考虑毛管压力作用,裂缝不考虑毛管压力作用,故毛管压力方程为:
19、omwmcofwfppppp(6)致密油储集层存在应力敏感特征,渗透率和孔隙度的应力敏感方程可表示为24:mom0fof0m0,mf0,feeEppEppKKKK(7)mom0fof0m0,mf0,feeCppCpp(8)模拟过程中,以压裂结束时储集层参数为焖井阶段的初始参数,焖井结束时储集层参数为生产阶段的初始参数,故数值模型中只设置压裂时储集层初始参数。致密油新井储集层尚未进行开发,故基质和裂缝都为原始油藏状态,初始压力和饱和度相同。焖井和生产阶段,基质和裂缝中的初始压力、含油饱和度由模拟计算获取。体积压裂为短时间大排量注入压裂液过程,故压裂过程模型内边界条件可设定为定流速且注入液体为水,
20、压裂结束后立即关井;焖井过程模型内边界条件设定为封闭边界条件;焖井结束后开井生产,当水平井以恒定井底流压生产时,模型内边界条件设定为定压条件,当水平井以恒定产水量生产时,模型内边界条件设定为定产条件。考虑到没有水体等能量供应,因而模型中压裂、焖井和生产过程中均将储集层外边界设置为封闭边界。1.3 模型求解 数值模型求解采用有限差分方法离散基质、裂缝油水两相渗流控制方程,结合辅助方程以及初始条件、边界条件,采用隐式压力、隐式饱和度联立求解差分方程组25。求解过程中每一时间步各个求解变量的系数和导数参加迭代,即在每一个n+1时间步的开始,先按第n时间步末求解变量的所得值,计算方程组内各系数,输入解
21、方程组进行迭代直至满足精度要求为止,逐步迭代求解,可获得不同时刻的压力、饱和度。1.4 模型验证 利用松辽盆地致密储集层A井的储集层物性、压裂施工等参数建模,通过对比模拟计算生产曲线与A井实际生产数据是否吻合,判断模型是否与实际地质体、压裂施工结果相符。A井储集层孔隙度13.5%,渗透率0.3103 m2,基质油水相对渗透率曲线和毛管压力曲线由岩心实验得到(见图2、图3)。因人工裂缝具有较高的导流能力,故裂缝中不考虑毛管压力作用,其油、水相对渗透率曲线是斜率为1和1的两条直线,且在含水饱和度为50%处相交26。A井压裂26段89簇,施工总液量40 895 m3,总砂量1 620 m3,排量61
22、0 m3/min。各段人工裂缝参数根据主压裂施工曲线反演获取,裂缝半长112127 m,裂缝导流能力(3559)103 m2m,体积压裂后焖井20 d开井生产。图 2 基质、裂缝油水相渗曲线 1262 石油勘探与开发油气田开发 Vol.50 No.6 图 3 毛管压力曲线 图4为A井模拟结果与实际生产数据的对比,可以看到模拟计算的日产油和累计产油曲线与A井现场实际日产油和累计产油数据基本一致,说明体积压裂-焖井-生产一体化数值模型与实际相符,可用于体积压裂焖井时间的优化。图 4 A 井模拟结果与实际生产数据对比 2 焖井时间优化方法 2.1 致密油压后焖井饱和度再平衡原理 致密油Y区块储集层渗
23、透率基本为(0.08 0.37)103 m2,平均0.21103 m2,孔隙度8.1%14.2%,平均12.3%。选取Y区块典型井B井,钻取目的层岩心B-1-1采用滑溜水进行自发渗吸实验,B-1-1岩心长度50 mm,直径25 mm,孔隙度12.5%,渗透率0.24103 m2,其孔渗参数与区块平均值很接近,岩心具有较好的代表性。由岩心B-1-1自发渗吸曲线(见图5)可以看出,渗吸曲线前期为毛细管自吸段,此时毛细管力为主要动力,滑溜水被吸入到主要的连通孔隙网络;因致密油储集层存在微纳米孔隙,曲线后期为扩散自吸段,主要表现为滑溜水进入基质大孔道后向基质纳米孔隙扩散。图 5 B-1-1 岩心滑溜水
24、渗吸曲线 同样在B井钻取目的层岩心B-1-2采用滑溜水进行渗吸驱替实验。B-1-2岩心长度50 mm,直径25 mm,孔隙度12.2%,渗透率0.19103 m2,B-1-2与B-1-1岩心取自同一口井同一目的层,岩心同样具有代表性。图6为该岩心渗吸驱油量与渗吸驱油平衡时间的关系,图7为利用核磁共振监测得到的渗吸微观过程。可以看出,滑溜水在渗吸驱替过程中驱油体积基本稳步提升,大约75 h后趋于稳定,岩心中油相饱和度达到平衡,此时油水置换达到最大程度。图 6 B-1-2 岩心滑溜水渗吸驱油体积与时间的关系 图 7 B-1-2 岩心渗吸微观过程核磁共振监测照片 2.2 合理焖井时间优化 致密油大规
25、模体积压裂造缝和压后焖井,增加了压裂液和裂缝基质的接触面积和接触时间,充分发挥了毛细管力的渗吸驱油作用,打破了储集层内油水饱和度平衡,压裂液进入储集层并滞留于小孔道,将原油从小孔道驱替至裂缝,使储集层内油水饱和度重新2023 年 12 月 许建国 等:基于饱和度再平衡的致密油体积压裂后焖井时间优化方法 1263 分布,当饱和度再次达到平衡时,油水置换达到最大程度,此时为最长合理焖井时间。焖井时间不同,开井生产后井口产出液油水比例不同,焖井时间过短,裂缝中含油饱和度低,井口产出液几乎全部为水;当焖井时间达到一定值时,开井生产井口产出液开始含油,此时为最短合理焖井时间,该条件下开井生产,油井见油周
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