CN105625990B - 一种体积压裂水平井开采页岩油的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种体积压裂水平井开采页岩油的方法，该体积压裂水平井开采页岩油的方法包括：步骤1，通过盒测法获得储层体积压裂后缝网的分形维数D和迂曲分形维数δ；步骤2，对试验区的水平井进行射孔和压裂，使其生成垂直井筒的孔眼和压裂缝，并对试验区进行页岩油开采；步骤3，确定出试验区压裂水平井多条裂缝共同作用时，试验区的产量；以及步骤4，确定裂缝的有效渗透率k_n和基质‑裂缝的等效渗透率k_e。该体积压裂水平井开采页岩油的方法应用过程简单、可靠，可在不同储层条件下体积压裂水平井产能进行预测，只需调整测量参数，其使用可靠性高，效果好。

Description

一种体积压裂水平井开采页岩油的方法

技术领域

本发明涉及油田开发技术领域，特别是涉及到一种体积压裂水平井开采页岩油的方法。

背景技术

近年来,随着石油技术的发展,非常规资源的开发引起了人们的关注.尤其是美国成功开采页岩气后,对页岩储层的开发产生巨大的影响,已引起全球广泛关注,成为油气供给的重要来源.

页岩油储层属于超低渗透致密储层,物性差,一般无自然产能或低产,经济开采主要采取体积压裂改造储层的方法来获得商业产量.目前，我国尚缺乏页岩油有效开采的方法，尤其是对压裂水平井产量预测的未知性，直接制约了页岩油高效合理的开发。为此我们发明了一种新的体积压裂水平井开采页岩油的方法，解决了以上技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于页岩油储层存在强非线性流动特征，利用水力压裂水平井作用，使页岩油储层有效开采的的体积压裂水平井开采页岩油的方法。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：

体积压裂水平井开采页岩油的方法，该体积压裂水平井开采页岩油的方法包括：步骤1，通过盒测法获得储层体积压裂后缝网的分形维数D和迂曲分形维数δ；步骤2，对试验区的水平井进行射孔和压裂，使其生成垂直井筒的孔眼和压裂缝，并对试验区进行页岩油开采；步骤3，确定出试验区压裂水平井多条裂缝共同作用时，试验区的产量；以及步骤4，确定裂缝的有效渗透率k_n和基质-裂缝的等效渗透率k_e。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

在步骤2中，确定试验区的压裂缝半长x_f、压裂缝间距x_d，按照所确定的压裂缝半长x_f、压裂缝间距x_d对试验区的水平井进行射孔和压裂，使其生成垂直井筒的孔眼和压裂缝；测量地层压力p_e，确定压裂水平井井底流压p_w，对试验区进行页岩油开采。

在步骤3中，确定出试验区页岩储层的单条裂缝的动用半径r_c、单条裂缝的控制区域形状和单条裂缝的控制区域面积s_f，以满足该试验区页岩油储层的有效动用；并由此确定出试验区压裂水平井多条裂缝共同作用时，试验区的产量Q_f；其中所述动用半径r_c满足如下公式：

其中r_w为井筒半径，r_e为井筒距边界距离；G为启动压力梯度，MPa/m。

在步骤3中，当水平井压裂裂缝为横向裂缝时，它的流动剖分为水平面内的地层向裂缝的椭圆流动和垂直平面内沿裂缝的线性流动，即外部流场与径向流动即内部流场组合，页岩油储层考虑启动压力梯度存在的影响，得到水平井压裂裂缝为横向裂缝时外部流场的产量：

式中：a表示压裂裂缝泄流形成椭圆长轴，m；x_f为水平井压裂裂缝半长，m；p_m1为椭圆渗流区边界处压力，MPa；k为基质渗透率，mD；μ为原油粘度，mPa.s；h油藏厚度，m；

线性流动区产量：

式中：p_m2为裂缝渗流区边界处压力，MPa；k_f为裂缝渗透率，mD；w_f为裂缝宽度，m；

径向流动区产量：

根据等值渗流阻力法，外部流场和内部流场串联供油，这时q₁＝q₂＝q₃＝q，交界面处压力相等，消去p_m1和p_m2，得到低渗透储层考虑启动压力梯度下水平井压裂为单条横向缝时产量公式：

在步骤3中，当水平井压裂为多条横向裂缝时，如果多条裂缝泄流，各条裂缝形成的泄流区域不互相干扰，此时泄流的总流量为各条裂缝泄流量之和，由等值渗流阻力法及上面的分析得到低渗透储层考虑启动压力梯度存在下水平井压裂多条横向裂缝时的产量公式为：

在步骤3中，当水平井压裂为多条横向裂缝时，如果多条裂缝泄流，各条裂缝形成的泄流区域互相干扰，由等值渗流阻力法可知，当两椭圆泄流区域相交时，相当于减少了该区域的渗流阻力，同时对启动压力损耗方面也有影响，而裂缝内流体流动的流动阻力不受影响，此时裂缝椭圆泄流区域相交的任一横向裂缝对油井产量的贡献为：

式中，

当所有横向裂缝引起的椭圆泄流区均相互干扰时，低渗透储层考虑启动压力梯度存在下水平井压裂多条横向裂缝相互干扰时的产量公式为：

在步骤3中，当水平井压裂的横向裂缝既存在相互干扰又存在不干扰的情况下，此时水平井的产量公式为上述两种情况的组合。

在步骤4中，确定裂缝的有效渗透率k_n为：

式中：η⁰为裂缝深度，m，λ_a为裂缝的最大宽度，λ_i为裂缝的最小宽度，D是裂缝宽度分形维数，δ是迂曲分维；r_w为井筒半径，r_e为井筒距边界距离；

裂缝的体积系数f_n为圆管区域的裂缝体积V_f与圆管的总体积V_r之比，即：

式中：V_f为圆管区域的裂缝体积，m³；V_r为圆管的总体积，m³；r为圆筒半径，m，为裂缝平均宽度，m；

则基质-裂缝的等效渗透率k_e为：

k_e＝k_m(1-f_n)+K_nf_n

式中：k_m为基质渗透率，mD。

本发明中的体积压裂水平井开采页岩油的方法，根据体积压裂水平井后储层裂缝分布状况，通过盒测法得到了分形参数(宽度分形维数和裂缝迂曲分形维数)，通过现场压裂数据得到了水平井压裂裂缝的条数、半长，水平井长度等参数，进行单条裂缝控制半径的求解，并求解裂缝间的干扰部分面积，最终得到体积压裂水平井的产能，对生产方案实施有着一定的指导作用。本发明应用过程简单、可靠，可在不同储层条件下体积压裂水平井产能进行预测，只需调整测量参数，本发明使用可靠性高，效果好。

附图说明

图1为本发明的体积压裂水平井开采页岩油的方法的一具体实施例的流程图；

图2为压裂水平井流场划分示意图；

图3为体积压裂裂缝扩展示意图；

图4为启动压力梯度与渗透率关系图；

图5为基质渗透率不同时油井日产量与时间关系图；

图6为基质渗透率不同时累积产量与时间关系图；

图7为裂缝半长不同时日产量与时间关系图；

图8为裂缝半长不同时累计产量与时间关系图；

图9为裂缝条数不同时日产量与时间关系图；

图10为裂缝条数不同时累计产量与时间关系图；

图11为裂缝导流能力不同时日产量与时间关系图；

图12为裂缝导流能力不同时累计产量与时间关系图。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

如图1所示，图1为本发明的体积压裂水平井开采页岩油的方法的流程图。

在步骤101，通过盒测法获得储层体积压裂后缝网的分形维数D和迂曲分形维数δ。流程进入到步骤102。

在步骤102，确定试验区的压裂缝半长x_f、压裂缝间距x_d，按照所确定的压裂缝半长x_f、压裂缝间距x_d对试验区的水平井进行射孔和压裂，使其生成垂直井筒的孔眼和压裂缝；测量地层压力p_e，确定压裂水平井井底流压p_w，对试验区进行页岩油开采。流程进入到步骤103。

在步骤103，确定出试验区页岩储层的单条裂缝的动用半径r_c、单条裂缝的控制区域形状和单条裂缝的控制区域面积s_f，以满足该试验区页岩油储层的有效动用；并由此确定出试验区压裂水平井多条裂缝共同作用时，试验区的产量Q_f；其中所述动用半径r_c满足如下公式：

其中r_w为井筒半径，r_e为井筒距边界距离；G为启动压力梯度，MPa/m；。

当水平井压裂裂缝为横向裂缝时，它的流动可剖分为水平面内的地层向裂缝的椭圆流动(外部流场)和垂直平面内沿裂缝的线性流动与径向流动组合(内部流场)，如图2所示。

页岩油储层考虑启动压力梯度存在的影响，得到水平井压裂裂缝为横向裂缝时外部流场的产量：

式中：a表示压裂裂缝泄流形成椭圆长轴，m；x_f为水平井压裂裂缝半长，m；p_m1为椭圆渗流区边界处压力，MPa；k为基质渗透率，mD；μ为原油粘度，mPa.s；h油藏厚度，m。

线性流动区产量：

式中：p_m2为裂缝渗流区边界处压力，MPa；k_f为裂缝渗透率，mD；w_f为裂缝宽度，m。

径向流动区产量：

根据等值渗流阻力法，外部流场和内部流场串联供油，这时q₁＝q₂＝q₃＝q，交界面处压力相等，消去p_m1和p_m2，得到低渗透储层考虑启动压力梯度下水平井压裂为单条横向缝时产量公式：

当水平井压裂为多条横向裂缝时，又可分为两种情况，

1)多条裂缝泄流，各条裂缝形成的泄流区域不互相干扰

此时泄流的总流量为各条裂缝泄流量之和，由等值渗流阻力法及上面的分析得到低渗透储层考虑启动压力梯度存在下水平井压裂多条横向裂缝时的产量公式为：

2)多条裂缝泄流，各条裂缝形成的泄流区域互相干扰

由等值渗流阻力法可知，当两椭圆泄流区域相交时，相当于减少了该区域的渗流阻力，同时对启动压力损耗方面也有影响。而裂缝内流体流动的流动阻力不受影响。此时裂缝椭圆泄流区域相交的任一横向裂缝对油井产量的贡献为：

式中，

当所有横向裂缝引起的椭圆泄流区均相互干扰时，低渗透储层考虑启动压力梯度存在下水平井压裂多条横向裂缝相互干扰时的产量公式为：

当水平井压裂的横向裂缝既存在相互干扰又存在不干扰的情况下，此时水平井的产量公式为上述两种情况的组合。流程进入到步骤104。

在步骤104，确定裂缝的有效渗透率k_n为：

式中：η⁰为裂缝深度，m，λ_a为裂缝的最大宽度，λ_i为裂缝的最小宽度，D是裂缝宽度分形维数，δ是迂曲分维.

裂缝的体积系数f_n为圆管区域的裂缝体积V_f与圆管的总体积V_r之比，即：

式中：V_f为圆管区域的裂缝体积，m³；V_r为圆管的总体积，m³；r为圆筒半径，m，为裂缝平均宽度，m；

则基质-裂缝的等效渗透率k_e为：

k_e＝k_m(1-f_n)+K_nf_n

式中：k_m为基质渗透率，mD。

在应用本发明的一具体实施例中，利用本发明在胜利油田页岩储层试验区进行试验，均收到显著的开发效果。下面胜利油田渤页平1井为例，结合附图进一步说明本发明。

渤页平1井小层厚度为70m，渗透率为0.0001mD，孔隙度为0.05，地面原油密度为0.9g/cm³，原油粘度为4mPa.s，地层压力为49MPa，水平井长560m，采取体积压裂改造储层方式生产，目前压裂裂缝条数为4条，裂缝半长为320m，裂缝宽度4mm。

由于页岩储层多孔介质孔隙窄小，吼道半径达到纳米级，原油与岩石界面接触面积的比例明显增加，体相中原油的比例显著降低。流体流动的阻力除了黏滞力，还有固液界面的分子作用力，使其与中高渗储层中流体流动的特点明显不同，即非达西渗流或具有启动压力梯度的流动。这就决定了一部分储量难以得到有效动用，以往的基于达西渗流理论和条件下的油藏工程计算公式已满足不了特低渗透油藏研究的需要。考虑低渗透储层液体流动为克服启动压力梯度的非达西渗流，再结合单相液体流理论公式，描述液体真实的低速非达西流动全过程的数学模型如下：

质量守恒方程：

运动方程：

状态方程：

式中：ρ为任一压力p时流体的密度，kg/m3；φ为压力p时的孔隙度；k为绝对渗透率，mD；μ为流体黏度，mPa·s；G为启动压力梯度，MPa/m；ρ₀为大气压力下流体的密度，kg/m³；C_ρ为液体的弹性压缩系数，1/MPa；p₀为大气压力；φ₀为大气压力下岩石的孔隙度；C_φ为岩石的弹性压缩系数，1/MPa；C为总压缩系数。

将式(2)、(3)代入式(1)得到总的控制方程为

假设为稳态且C_ρ＝1，转化为柱坐标系下平面径向流常微分方程为

定压边界条件为

式中：r_w为井筒半径，m；p_w为井筒压力，MPa；r_e为泄压半径，m；p_e为边界压力，MPa。

由式(5)、(6)得出解为

其中C₂＝p_w+C₁Ei(Gr_w)，E_i为数学领域公知的函数算法即幂积分函数表达式

根据生产数据可以确定体积压裂后裂缝的缝宽分形维数D和迂曲分形维数δ，

图2是压裂水平井流场划分示意图，水平井压裂裂缝的流动可剖分为水平面内的地层向裂缝的椭圆流动和垂直平面内沿裂缝流动.

图3是体积压裂页岩储层后裂缝的扩展形态示意图。

图4是利用渤页平1井岩心，进行启动压力梯度室内驱替实验，对试验区启动压力梯度进行测定，得到渤页平1井启动压力梯度与渗透率的关系曲线。渤页平1井平均的启动压力梯度为20MPa/m。

图5和图6是基质渗透率不同时，日产量、累计产量与时间关系，从图中可以看出，基质渗透率对油井的产能影响非常大，基质渗透率越小，原油在储层中流动就越困难，启动压力梯度越大，产量越低。

图7和图8为裂缝半长不同时，日产量、累计产量与时间关系，从图中可以看出，压裂裂缝半长越长，对产量的增幅也是越明显，由于储层的致密性，启动压力梯度很大，导致有效动用程度很低，因此裂缝半长越长，产量越高。

图9和图10为裂缝条数不同时，日产量、累计产量与时间关系，从图中可以看出，由于渤页平1井周围没有天然裂缝的存在，只能通过体积压裂，减少裂缝间距来增加对储层的有效改造体积，增加产量，对渤页平1井，建议50～60条裂缝，也就是裂缝间距10m左右效果较好。

图11和图12为裂缝导流能力不同时，日产量、累计产量与时间关系，从图中可以看出，对于渤页平1井来说，裂缝导流能力的增加只能对初期产量有效果，后期由于基质供油能力的下降，基本没有效果，对渤页平1井，建议裂缝导流能力5～10D.cm效果较好。

Claims (4)

1.一种体积压裂水平井开采页岩油的方法，其特征在于，该体积压裂水平井开采页岩油的方法包括：

步骤1，通过盒测法获得储层体积压裂后缝网的分形维数D和迂曲分形维数δ；

步骤2，对试验区的水平井进行射孔和压裂，使其生成垂直井筒的孔眼和压裂缝，并对试验区进行页岩油开采；

步骤3，确定出试验区压裂水平井多条裂缝共同作用时，试验区的产量；以及

步骤4，确定裂缝的有效渗透率k_n和基质-裂缝的等效渗透率k_e；

在步骤2中，确定试验区的压裂缝半长x_f、压裂缝间距x_d，按照所确定的压裂缝半长x_f、压裂缝间距x_d对试验区的水平井进行射孔和压裂，使其生成垂直井筒的孔眼和压裂缝；测量地层压力p_e，确定压裂水平井井底流压p_w，对试验区进行页岩油开采；

在步骤3中，确定出试验区页岩储层的单条裂缝的动用半径r_c、单条裂缝的控制区域形状和单条裂缝的控制区域面积s_f，以满足该试验区页岩油储层的有效动用；并由此确定出试验区压裂水平井多条裂缝共同作用时，试验区的产量Q_f；其中所述动用半径r_c满足如下公式：

其中r_w为井筒半径，r_e为井筒距边界距离；G为启动压力梯度，MPa/m；

在步骤3中，当水平井压裂裂缝为横向裂缝时，它的流动剖分为水平面内的地层向裂缝的椭圆流动和垂直平面内沿裂缝的线性流动，即外部流场与径向流动即内部流场组合，页岩油储层考虑启动压力梯度存在的影响，得到水平井压裂裂缝为横向裂缝时外部流场的产量：

式中：a表示压裂裂缝泄流形成椭圆长轴，m；x_f为水平井压裂裂缝半长，m；p_m1为椭圆渗流区边界处压力,MPa；k为基质渗透率，mD；μ为原油粘度,mPa.s；h油藏厚度，m；线性流动区产量：

式中：p_m2为裂缝渗流区边界处压力，MPa；k_f为裂缝渗透率,mD；w_f为裂缝宽度，m；径向流动区产量：

根据等值渗流阻力法，外部流场和内部流场串联供油，这时q₁＝q₂＝q₃＝q，交界面处压力相等，消去p_m1和p_m2，得到低渗透储层考虑启动压力梯度下水平井压裂为单条横向缝时产量公式：

在步骤4中，确定裂缝的有效渗透率k_n为：

式中：η⁰为裂缝深度,m，λ_a为裂缝的最大宽度，λ_i为裂缝的最小宽度，D是裂缝宽度分形维数，δ是迂曲分维；r_w为井筒半径，r_e为井筒距边界距离；

裂缝的体积系数f_n为圆管区域的裂缝体积V_f与圆管的总体积V_r之比,即：

式中：V_f为圆管区域的裂缝体积，m³；V_r为圆管的总体积，m³；r为圆筒半径，m，为裂缝平均宽度，m；

则基质-裂缝的等效渗透率k_e为：

k_e＝k_m(1-f_n)+K_nf_n

式中：k_m为基质渗透率,mD。

2.根据权利要求1所述的一种体积压裂水平井开采页岩油的方法，其特征在于，在步骤3中，当水平井压裂为多条横向裂缝时，如果多条裂缝泄流，各条裂缝形成的泄流区域不互相干扰，此时泄流的总流量为各条裂缝泄流量之和，由等值渗流阻力法及上面的分析得到低渗透储层考虑启动压力梯度存在下水平井压裂多条横向裂缝时的产量公式为：

3.根据权利要求1所述的一种体积压裂水平井开采页岩油的方法，其特征在于，在步骤3中，当水平井压裂为多条横向裂缝时，如果多条裂缝泄流，各条裂缝形成的泄流区域互相干扰，由等值渗流阻力法可知，当两椭圆泄流区域相交时，相当于减少了该区域的渗流阻力，同时对启动压力损耗方面也有影响，而裂缝内流体流动的流动阻力不受影响，此时裂缝椭圆泄流区域相交的任一横向裂缝对油井产量的贡献为：

式中，

其中y_i由椭圆方程求得，其中i＝1,2,…,n-1；

当所有横向裂缝引起的椭圆泄流区均相互干扰时，低渗透储层考虑启动压力梯度存在下水平井压裂多条横向裂缝相互干扰时的产量公式为：

4.根据权利要求2或3所述的一种体积压裂水平井开采页岩油的方法，其特征在于，在步骤3中，当水平井压裂的横向裂缝既存在相互干扰又存在不干扰的情况下，此时水平井的产量公式为上述两种情况的组合。