CN113743037B - 一种低渗透油藏注水诱导动态裂缝变导流能力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种针对低渗透油藏的注水诱导动态裂缝变导流能力计算方法。一种低渗透油藏注水诱导动态裂缝变导流能力计算方法，包括步骤1：建立物理模型；步骤2：将整个系统分为井筒、裂缝和基质3部分；裂缝‑变缝长&变导流能力模型典型曲线包括5个流动阶段：井筒储集段；过渡段；变裂缝储集段；第二过渡段；受裂缝属性参数变化影响的线性流段。本发明针对低渗透油藏注水诱导动态裂缝问题，揭示了低于破裂压力条件下注水诱导裂缝的机理，建立了考虑关井测压过程中裂缝属性参数变化的动态诱导裂缝压力分析模型，揭示了井筒存储和由于裂缝闭合导致的“裂缝存储”效应，可快速准确解释注水诱发裂缝长度及导流能力等重要参数。

Description

一种低渗透油藏注水诱导动态裂缝变导流能力计算方法

技术领域

本发明属于石油开采技术领域，具体涉及一种针对低渗透油藏的注水诱导动态裂缝变导流能力计算方法。

背景技术

裂缝普遍存在于低渗透砂岩中，国内大量低渗透砂岩油藏的共同特征是,油层致密，水动力联系差，油井无自然产能，需经压裂改造后才具有产能,油藏压力低，注水保持压力成为主要开发方式。但在注水开发过程中,低渗透砂岩油藏面临的突出问题是,局部裂缝发育区注水时,注入水沿裂缝突进、引起水窜和水淹,而裂缝不发育区储层物性差,导致注入压力高、水井欠注,水驱波及体积小,储量动用程度低，裂缝对油田注水开发的影响越来越大，控制水驱开发效果及剩余油分布规律的关键因素，通过对井网与注水井动态裂缝进行匹配优化，可以最大限度地发挥油藏潜力。因此正确认识动态裂缝特征成为这类油田科学开发的重要依据。

低渗透油藏在长期注水开发过程中，由于注水井近井地带憋压，当井底压力超过岩层破裂、延伸压力，导致岩层破裂，或原始状态下闭合、充填的天然裂缝被激动、复活，产生了新生、有效裂缝通道。这些裂缝受现今地应力场控制，随着注水量的增长和井底压力的升高，不断向油井方向延展，直至与油井压裂缝连通，这些新生、有效裂缝称之为动态裂缝，动态裂缝按成因分成3种类型：天然潜在闭合型动态裂缝、超破裂压力型动态裂缝以及人工措施诱导型动态裂缝。动态裂缝的开启是受现今水平地应力和天然裂缝双重因素控制的，注水开发中裂缝开启顺序取决于天然裂缝走向与现今最大水平主应力方向的夹角，夹角越小，天然裂缝开启压力就越小，注入水将首先沿现今最大水平主应力方向的天然裂缝推进，随着注水压力的增大，其它方向的天然裂缝将依次开启，导致油藏单方向或多方向水淹，油井产量递减幅度大，油田开发效果变差。

低渗透油藏注水开发过程中，注水井和采油井的流量变化差异大，注水井虽未压裂或只进行了小型压裂，但注水量大；采油井即使进行了大规模压裂，但产液量仍然很低，同时油井见水具有单方向性，这些现象与注水诱导微细裂缝形成水淹通道密切相关。国内目前对压力的解释模型，主要使用复合模型、均质模型来解释，不能用于注水诱导裂缝情况。

发明内容

本发明旨在针对上述问题，提出一种针对低渗透油藏的注水诱导动态裂缝变导流能力计算方法。

本发明的技术方案在于：

(一)注水诱导动态裂缝机理

(1)天然裂缝被激活

随着注水的进行，地层压力逐渐升高，当达到天然微裂缝的开启压力时，将诱导原先呈闭合状态的天然裂缝，不同走向的裂缝开启压力与裂缝产状与最大主应力方向上的夹角有关，若天然裂缝为垂直缝，缝面在现今应力条件下所受到的应力为：

式中：σ_x和σ_y为平行、垂直于裂缝面所受到的应力，MPa；σ_max和σ_min为最大、最小水平主应力,MPa；β为裂缝走向与最大主应力方向的夹角,θ；τ_xy为裂缝尖端的切应力，MPa；天然裂缝的开启主要是由垂直于裂缝面上的张应力引起的，当缝内压力超过最大张应力时，裂缝将会开启，注水诱导动态裂缝沿着最大主应力方向延伸。

(2)天然裂缝被激活

低渗油藏由于储层渗透能力差，吸水能力差，为增强注入能力，注水井采用爆炸压裂、爆燃及复合射孔投注方式，在近井地带形成多条径向、短小的裂缝。裂缝在注水过程中相互沟通和延伸，最终形成动态裂缝渗流通道。裂缝的延伸压力可由下式计算：

式中：p_tip为裂缝延伸压力，MPa；U为缝面能，J；ν为泊松比，无因次；E为弹性模量，MPa；x_f为裂缝半长，cm。

(3)地层破裂形成新缝由于注水压力超过地层破裂压力而形成的注水诱导裂缝，主要适用于天然裂缝不发育的储层，注水诱导动态裂缝的条件为：

p_tip＝3σ_min-σ_max+σ_t-p_p (5)

式中：σ_t为岩石抗张强度，MPa；p_p为地层孔隙压力；MPa；

若储层中天然微裂缝不发育，未经人工爆燃、爆炸压裂，注入水仅能依靠基质储层吸收，由于低渗透储层吸水能力弱，持续的注水使得井底附近压力不断升高，当储层压力达到岩石破裂压力时，将会破裂地层产生新缝。说明低渗油藏诱导裂缝的主要机理不是地层破裂形成新缝，而是激活了原先呈闭合状态的微细缝，然后不断延伸形成裂缝条带，因此将地层破裂压力作为注水压力的上限不足以防止诱导裂缝的产生。

(二)注水诱导动态裂缝矿场特征

注水诱导裂缝是一个动态的形成过程，它是由于长期注水过程中，由于注水井近井地带憋压，诱导了原先呈闭合状态的微裂缝、或破裂地层产生了新缝。注水诱导裂缝的形成有以下几个矿场特征；

(1)油井含水快速上升、对应的水井注入压力对注水量不敏感；

(2)注水指示曲线存在明显拐点；

(3)注水井吸水剖面呈指状/尖峰状吸水特征；

(4)注水井试井曲线表现出裂缝特征、解释的有效渗透率远大于基质渗透率；

(5)油井见效及水淹呈明显的方向性特征；

(6)示踪剂、或水驱前缘等测试结果显示方向性连通。

(三)裂缝变缝长/变导流能力模型

步骤1：建立物理模型

(1)储层均质、等厚、无限大，上下边界封闭，忽略温度的影响；

(2)仅考虑单相水的渗流，假设其满足达西规律；

(3)仅考虑一条注水诱导缝的影响，假设其贯穿整个油层，并沿井筒对称；

(4)考虑关井测压阶段由于裂缝闭合引起的裂缝导流系数及裂缝半长的变化；

(5)考虑裂缝为有限导流，由于低渗储层渗透性差，假设水体在储层中渗流满足双线性流态；忽略重力的作用；

将整个系统分为井筒、裂缝和基质3部分；

裂缝-变缝长&变导流能力模型典型曲线包括5个流动阶段：井筒储集段；过渡段；变裂缝储集段；第二过渡段；受裂缝属性参数变化影响的线性流段；

井底压力解p_FD的计算过程为：

式中：p_FD为裂缝处压力，无因次；

γ_D为渗透率变化系数，无因次；

ξ_FD为考虑裂缝导流系数变化的实空间解，无因次；(一)其中，γ_D的计算过程为：

式中：q_w为注入量，cm³/d；

μ为流体粘度，cP；B为体积系数，cm³/cm³；

k_m为基质渗透率，无因次；

h为油藏厚度，cm；

γ为渗透率变化系数，MPa^-1；

考虑关井时注水诱导裂缝渗透率的变化满足以下规律：

式中：k_F某一压力下的渗透率，mD；

p_F为裂缝处压力，MPa；

K_i为裂缝初始渗透率，mD；

P_i为原始地层压力，MPa；

P_F为某时刻地层压力，MPa；

(二)其中，ξ_FD的计算过程为：

式中：为考虑裂缝导流系数变化的拉式空间解，无因次；

s为表皮系数，无因次；

C_FD0为初始裂缝导流系数，无因次；

ε为中间变量，无因次；

其中：

式中：η_fD为裂缝导压系数，无因次；

φ为孔隙度，无因次；

c_t为综合压缩系数，atm^-1；

k为渗透率，mD；

k_f为裂缝渗透率，mD；

w为裂缝宽度，cm；

k_m为基质渗透率，mD；

L_f0裂缝与井筒距离，cm；

通过数值反演，将上述获得的拉式空间解转换成实空间解ξ_FD'；

考虑裂缝壁面的压力降，有：

ξ_wD2(t_D)＝ξ_FD'(t_D)+S_fs (11)

式中：ξ_wD2为考虑裂缝壁面压力降的拉式空间解，无因次；

S_fs为裂缝面表皮系数，无因次；

关井后注水诱导动态裂缝闭合时，会将原先存储于裂缝中的水挤入地层，形成井筒续流现象，即为“裂缝储集”，则有

式中：ξ_wD3为考虑因裂缝闭合引起变流量作用的拉式空间解，无因次；

C_fD为裂缝储集系数，无因次；

τ_D为无因次积分时间变量，无因次；

由于裂缝的储集系数不是常数，而是压力的函数，考虑裂缝-井筒间的额外压力损失，可得：

ξ_wD4(t_D)＝ξ_wD3(t_D)+S_choke (13)

式中：ξ_wD4为考虑裂缝-井筒间额外压力损失的拉式空间解，无因次；

S_choke为井筒表皮系数，无因次；

根据杜哈美原理，考虑井筒储集的影响，则有：

式中：ξ_wD5为井筒储集压力，MPa；

C_wD为井筒储集系数，无因次；

求得的ξ_wD5即为ξ_FD；

将γ_D及ξ_FD带入公式(10)计算得到井底压力解p_FD，得到裂缝-变缝长&变导流能力曲线，并从该裂缝-变缝长&变导流能力曲线解释参数。

本发明的技术效果在于：

本发明针对低渗透油藏注水诱导动态裂缝问题，揭示了低于破裂压力条件下注水诱导裂缝的机理，建立了考虑关井测压过程中裂缝属性参数变化的动态诱导裂缝压力分析模型，揭示了井筒存储和由于裂缝闭合导致的“裂缝存储”效应，可快速准确解释注水诱发裂缝长度及导流能力等重要参数，为精细水驱实时调控提供科学依据。

附图说明

图1为裂缝-变缝长&变导流能力模型典型曲线。

图2为本模型与Spivey&Lee模型计算结果对比图。

图3为本模型与Saphir(Ecrin 2011)数值模型计算结果对比图。

图4为X1井双对数拟合对比图。

图5为X2井Saphir与新模型拟合对比图。

具体实施方式

实施例1-模型验证Spivey&Lee

输入参数如下表1所示

表1解析/数值验证的输入参数

(1)解析法验证：本专利提出的“裂缝变缝长/变导流能力模型”与Spivey&Lee模型作对比，忽略了由于裂缝长度变化引起的“变裂缝储集”效应的影响，并假设裂缝导流系数为定值。利用表1中的基础数据，通过本发明提供的“裂缝变缝长/变导流能力模型”计算得到井底压力解，形成裂缝-变缝长&变导流能力曲线；与Spivey&Lee模型进行结果对比，如图2所示；从图上可知，两种方法的结果表现出较好的一致性，验证了“裂缝变缝长/变导流能力模型”的准确性。

(2)数值法验证：Saphir(Ecrin 2011)

利用Saphir软件作试井设计，采用非结构化网格，模拟压裂井的井底压力响应特征，裂缝半长取300m，为了满足无限大油藏的特征，油藏大小取3000×2000m，采用局部网格加密，裂缝两端为长方形网格来模拟地层线性流。由于Saphir无法模拟动态裂缝的影响，因此将新模型中的裂缝设置为静态的，忽略裂缝闭合的影响，即不考虑裂缝长度和导流系数的变化，利用表1中的基础数据，通过本发明提供的“裂缝变缝长/变导流能力模型”计算得到井底压力解，形成裂缝-变缝长&变导流能力曲线；与Saphir模型进行结果对比，如图3所示；从图上可知，两种方法的结果表现出较好的一致性，验证了“裂缝变缝长/变导流能力模型”的准确性。

本专利建立了“裂缝-变缝长&变导流能力”数学模型，通过对模型数值求解得到井底压力解，绘制出不同时刻的压力随时间的变化关系曲线，得到了裂缝-变缝长&变导流能力模型典型曲线，该典型曲线包括5个流动阶段：井筒储集段、过渡段、变裂缝储集段、第二过渡段、受裂缝属性参数变化影响的线性流段。

由图3中可以看出，典型曲线具有两个储集阶段：一是真实的井筒储集，二是由于裂缝的闭合导致的裂缝储集效应，两者可用井筒-裂缝间表皮Schoke表征。当Schoke＝0时，前三段(井筒储集、过渡段、裂缝储集段)将合并为一段，由于裂缝半长的逐渐减小，使得裂缝的储集系数减小，因此第三段会出现变裂缝储集的典型特征，表现为压力导数斜率大于1，同时动态裂缝的闭合会导致导流系数的减小，第五线性段则表现为压力导数斜率大于1/2的特征。该典型曲线创新的解释了注水动态裂缝的变化引起的裂缝储集效应，有效地获取动态裂缝参数，为精细注水调控提供依据。

具体应用例1

X1井是延长西部油田长6层位的一口注水井，日注水量30m³/d，采取井口关井压力降落测试，测得的井底压力解的裂缝-变缝长&变导流能力曲线如图4所示；与图1裂缝-变缝长&变导流能力模型典型曲线相比，X1井只测到了前四个流动阶段：井筒储集阶段、过渡流阶段、裂缝储集阶段和第二过渡流阶段。且与压力历史曲线拟合程度较好；可以明显地看到压力导数有两个斜率为1的线，这是注水井典型的“双储集”特征。即：井筒储集和裂缝储集；

通过拟合出的裂缝储集系数，得到动态裂缝的裂缝半长，为后续精细注水调控提供重要的依据。本应用例中，解释出裂缝储集系数为8.94m³/MPa，动态裂缝的裂缝半长为49.8m，解释结果与该井的生产动态比较符合，认为拟合分析结果是可靠的，正确的。

具体应用例2

X2井该井关井前的日注水量为25m³/d，同样采取井口关井压力降落的测试方式。其压力特征表现为，初期压力和压力导数相互重合呈斜率为1的线，随后压力导数上翘，超过了对应的压力曲线，然后压力导数下降，紧接着又发生明显的上翘。

首先利用Saphir软件，选择变井储、一条封闭边界模型进行解释，拟合结果如下图5(a)所示，可以明显看出，理论曲线与实测压力数据的拟合度较低，变储集现象和后期的压力导数上翘并没拟合上；同时解释出的储集系数大，为9.3m³/MPa，表皮系数为-9.74，表明注水井附近可能诱导了动态裂缝。

同时利用“裂缝-变缝长&变导流能力”模型解释该井，如下图5(b)所示，与Saphir软件结果对比可以看出，新模型能较好拟合变井储效应和后期受裂缝闭合影响的线性流，解释出裂缝储集系数29.17m³/MPa，得到裂缝半长约为100m，试井拟合分析法得到的裂缝半长约为110m，两者结果基本一致，验证了新模型结果的可靠性、正确性。说明了注水井由于诱导裂缝闭合的“变井储效应”和后期的压力导数上翘，这个变储集效应是由于关井测压过程中裂缝半长的“缩短”而导致裂缝储集系数减小，而后期压力导数上翘是因为裂缝闭合引起其导流系数减小。

Claims (1)

1.一种低渗透油藏注水诱导动态裂缝变导流能力计算方法，其特征在于：

步骤1：建立物理模型

(1)储层均质、等厚、无限大，上下边界封闭，忽略温度的影响；

(2)仅考虑单相水的渗流，假设其满足达西规律；

(3)仅考虑一条注水诱导缝的影响，假设其贯穿整个油层，并沿井筒对称；

(4)考虑关井测压阶段由于裂缝闭合引起的裂缝导流系数及裂缝半长的变化；

(5)考虑裂缝为有限导流，由于低渗储层渗透性差，假设水体在储层中渗流满足双线性流态；忽略重力的作用；

步骤2：

将整个系统分为井筒、裂缝和基质3部分；

裂缝-变缝长&变导流能力模型典型曲线包括5个流动阶段：井筒储集段；过渡段；变裂缝储集段；第二过渡段；受裂缝属性参数变化影响的线性流段；

井底压力解p_FD的计算过程为：

式中：p_FD为裂缝处压力，无因次；

γ_D为渗透率变化系数，无因次；

ξ_FD为考虑裂缝导流系数变化的实空间解，无因次；

(一)其中，γ_D的计算过程为：

式中：q_w为注入量，cm³/d；

μ为流体粘度，cP；B为体积系数，cm³/cm³；

k_m为基质渗透率，无因次；

h为油藏厚度，cm；

γ为渗透率变化系数，MPa^-1；

考虑关井时注水诱导裂缝渗透率的变化满足以下规律：

式中：k_F为某一压力下的渗透率，mD；

p_F为裂缝处压力，MPa；

K_i为裂缝初始渗透率，mD；

P_i为原始地层压力，MPa；

(二)其中，ξ_FD的计算过程为：

式中：为考虑裂缝导流系数变化的拉式空间解，无因次；

s为表皮系数，无因次；

C_FD0为初始裂缝导流系数，无因次；

ε为中间变量，无因次；

其中：

式中：η_fD为裂缝导压系数，无因次；

φ为孔隙度，无因次；

c_t为综合压缩系数，atm^-1；

k为渗透率，mD；

k_f为裂缝渗透率，mD；

w为裂缝宽度，cm；

k_m为基质渗透率，mD；

L_f0裂缝与井筒距离，cm；

通过数值反演，将上述获得的拉式空间解转换成实空间解ξ_FD'；考虑裂缝壁面的压力降，有：

ξ_wD2(t_D)＝ξ_FD'(t_D)+S_fs (11)

式中：ξ_wD2为考虑裂缝壁面压力降的拉式空间解，无因次；

S_fs为裂缝面表皮系数，无因次；

关井后注水诱导动态裂缝闭合时，会将原先存储于裂缝中的水挤入地层，形成井筒续流现象，即为“裂缝储集”，则有

式中：ξ_wD3为考虑因裂缝闭合引起变流量作用的拉式空间解，无因次；

C_fD为裂缝储集系数，无因次；

τ_D为无因次积分时间变量，无因次；

由于裂缝的储集系数不是常数，而是压力的函数，考虑裂缝-井筒间的额外压力损失，可得：

ξ_wD4(t_D)＝ξ_wD3(t_D)+S_choke (13)

式中：ξ_wD4为考虑裂缝-井筒间额外压力损失的拉式空间解，无因次；

S_choke为井筒表皮系数，无因次；

根据杜哈美原理，考虑井筒储集的影响，则有：

式中：ξ_wD5为井筒储集压力，MPa；

C_wD为井筒储集系数，无因次；

求得的ξ_wD5即为ξ_FD；

将γ_D及ξ_FD带入公式(10)计算得到井底压力解p_FD，得到裂缝-变缝长&变导流能力曲线，并从该裂缝-变缝长&变导流能力曲线解释参数。