水平井体积改造井距和簇间距优化研究

为研究页岩油水平井最优井距和簇间距的工程问题,针对鄂尔多斯盆地长7储层地质特征,采用地质工程一体化工作流程,建立三维地质模型和地质力学模型,模拟不同簇间距条件下的复杂缝网扩展,依据全缝长频率分布优化井距。采用非结构化数值模型预测水平井的生产动态,确定产量最高的分段分簇方案。数值模拟分析表明,采用缝长累积频率分布中P90值对应的缝长作为水平井井距,有助于提高复杂缝网对储量的控制程度,簇间距缩小到3∼5 m时建议水平井井距为200 m左右;簇间距从15 m缩小到3 m,支撑裂缝总表面积提高108%,同时体积改造程度提高142%;对于目标储层,簇间距从15 m缩小到3 m,投产3 a累产油量增加75.91%;采用3 m簇间距方案无法满足经济效益的需求,建议以5 m作为簇间距。

储层分段体积改造下套管接头强度损失预测方法

非常规油气开发的主体技术是水平井+储层分段体积改造,井下服役套管因承受周期性的循环内压、轴向载荷及地层压力,多井段、长时间改造作业加剧了套管接头的失效风险及安全隐患。针对储层分段体积改造过程套管接头滑脱掉井等失效问题,考虑动态载荷工况下材料的低周疲劳损伤特性,通过有限元数值模拟研究体积改造工况下套管接头的强度损失。结果表明:体积改造过程直井段套管接头的最大等效应力843.0 MPa超过了材料的屈服强度825.6 MPa,接头螺纹发生塑性变形。经6级、9级、15级、20级、30级改造后,接头强度降低了7.5%、10.0%、14.6%、18.4%及25.9%。室内全尺寸实物实验验证了接头强度损失预测方法的准确性。据此提出了现场压裂施工井下套管柱安全服役的极限内压及允许的井口压力范围,并成功应用在新疆油田玛湖作业区。

体积改造油藏注水吞吐有效补充地层能量开发的新方式

通过选取体积改造技术,有助于提高超低渗透和致密油油藏初期生产量,但处于衰竭期的产油量整体递减速度快、经济效益不佳,且注入水导致短周期内油井被水淹没,应及时探索和确定补充地层实际能量开发的新模式。体积改造油藏注水吞吐开发,作为补充地层实际能量的新方法,通过具体实践应用结果显示,选取该方法可促使超低渗透和致密油油藏高效化开发,由于其经济性优良,获取投资效益较高,成为当下及未来发展最具应用潜力的补充能量开发方式。

体积改造技术理论研究进展与发展方向

基于水平井体积改造理论研究和10年现场应用情况,进一步诠释体积改造的核心内涵,分析体积改造的实现方法、设计模型与关键问题,提出了未来发展方向。研究表明:分簇限流技术能实现多簇均衡扩展,应用"冻胶破岩+滑溜水携砂"复合压裂模式及小粒径支撑剂可降低近井裂缝复杂度,提高远井改造体积;剪切自支撑裂缝与滑溜水输砂能够满足非常规储集层对导流的需求,子井与母井的最优井距应根据压裂模式、规模和压降范围确定,重构渗流场、应力场和改造对象是提高水平井重复压裂效果的关键。缩小井距与簇间距的密切割技术是未来建立"缝控"可采储量开发模式的基础,结合立体式体积改造与地质工程一体化压裂优化设计决策系统,是体积改造技术发展与应用的重要方向。

非常规油气藏体积改造技术核心理论与优化设计关键

北美页岩气藏在储层渗透率低至纳达西的情况下仍能实现有效开发,其核心是增大储层改造体积,用技术体系来表征即为“体积改造技术”.“体积改造技术”强调“打碎”储层,使裂缝壁面与储层基质的接触面积最大,在三维方向实现对储层的“立体”改造.针对页岩和致密油气储层的不同特点,界定了“狭义”和“广义”体积改造技术的异同：“狭义”体积改造技术源于对象、技术和验证3个要素（页岩、“水平井钻井＋水平井分段压裂”、微地震裂缝诊断）;“广义”体积改造技术是针对致密油气储层提出的水平井多段和直井多层压裂技术方法.两种技术针对的储层对象有所不同,但最终目标是一致的.体积改造技术的核心理论为：①“打碎”储层,形成复杂缝网,“人造”渗透率;②基质中的流体沿裂缝“最短距离”渗流;③大幅度降低基质中油气流动所需驱动压差.进一步提出了满足体积改造技术理论的核心条件为：储层具有明显脆性,天然裂缝与层理发育,最大最小应力差较小.其中脆性指数是岩石发生破裂前的瞬态变化快慢（难易）程度的表征,而体积改造技术优化设计的关键是“逆向设计”方法,以及分簇射孔模式、最优孔数及裂缝间距优化.现场实际研究表明：分簇射孔确保各簇有效开启的最优孔数为40～50个,并可获得最优孔数与排量的关系,以及最优缝间距越小越易实现裂缝转向;同时还给出了孔眼优化、实现应力干扰的最佳裂缝间距、细分切割基质的理论模型与计算结果.体积改造技术对提高非常规油气藏的改造效果有着重要的指导作用.

水平井体积改造应力干扰计算模型及其应用

基于位移不连续边界元法,引入应力校正因子,建立裂缝介质应力场计算模型。模型计算精度与三维位移不连续模型接近,并显著减小了计算复杂度。在此基础上,基于断裂准则和扩展速度模型,建立了多裂缝扩展形态算法,对多裂缝应力干扰及应力干扰下裂缝扩展形态进行了计算研究。结果表明：应力干扰作用范围由缝高或缝长的最小尺寸决定,对缝长大于缝高的裂缝,应力干扰作用范围为1.2～1.5倍缝高,对缝长小于缝高的裂缝其范围为1.2～1.5倍缝长;缝间距相对缝高越大或净压力相对原场主应力差越小,裂缝偏转位置距离井筒越远,裂缝偏转角度越小。3簇等间距布缝时,中间裂缝沿直线路径扩展,而非等间距布缝时,中间裂缝会向间距远的裂缝一侧偏转,且存在单一主扩展裂缝。

非常规油气藏储层体积改造模拟技术研究进展

目前非常规油气藏的开发已成为国内外能源开发的热点,如致密气、致密油、页岩气和页岩油的开发,此类油气藏的典型特征就是储层渗透率极低,需要采取一定的改造措施才能投产,储层体积改造技术是有效开发非常规油气藏的重要技术之一。通过调研和分析国内外非常规油气藏储层体积改造模拟技术,详细地介绍了储层体积改造的广义和狭义概念,以及直井和水平井储层体积改造措施方法;系统总结了储层体积改造压裂裂缝描述及模拟方法,主要有基于单孔介质模型的模拟方法,基于双孔介质模型的模拟方法以及基于离散裂缝模型的模拟方法;同时分析了储层体积改造后的渗流规律、井模型及产能特征。该研究可以为今后中国非常规油气藏的开发提供相应的理论参考和技术支持。

体积改造油藏注水吞吐有效补充地层能量开发的新方式

体积改造技术能够提高超低渗透和致密油油藏的初期产油量,但衰竭开采期的产油量递减快、累积产油量低、经济效益差,且注水开发会导致油井快速水淹,需探索有效补充地层能量的开发方式。体积改造油藏注水吞吐开发是有效补充地层能量的一种新方式,首先建立体积改造油藏注水吞吐的3个阶段模型,研究渗吸产油和不稳定驱替双重开发机理,并推导相应的产能公式,理论研究注水吞吐的开发效果,进一步通过油藏工程方法和室内实验研究注水吞吐的主控因素,并结合现场开发实践论证了注水吞吐的可行性。研究结果表明,体积改造油藏产生的裂缝网络系统使得裂缝与基质之间的流体交换速度和数量均发生质变,注水吞吐已经从注水开发中的辅助作用上升为一种新的有效开发方式,从而为超低渗透和致密油油藏的有效开发提供新的开发思路,由于其附加开发成本低、投资效益高,有望成为超低渗透和致密油油藏有潜力的补充能量开发方式。

考虑渗吸和驱替的致密油藏体积改造实验及多尺度模拟

矿场试验表明,压裂后不立即放喷,依靠焖井过程的驱替和渗吸可置换小孔隙内的原油,提高原油采出程度。为探索该过程机理,进行了实验和模拟研究。首先,带压渗吸实验,模拟裂缝壁面在驱替压差和毛管力共同作用下的渗吸行为,无因次时间中加入驱替项（Δp）,对实验结果进行归一化处理;其次,建立基于CT扫描的孔隙尺度模型,通过致密岩心采收率拟合,获得驱替、渗吸的相渗和毛管压力;最后,在油藏尺度,分别赋予基质和裂缝不同的相渗和毛管压力,模拟矿场实际油水流动。结果表明：带压渗吸采收率明显高于自发渗吸采收率,提高幅度10%-15%;无因次时间中加入驱替项,可对实验结果进行较好的归一化;调整微观孔隙结构如孔道/喉道半径、孔喉比、配位数等参数可以实现渗吸采收率的拟合;油藏尺度对基质/裂缝以及渗吸/驱替的划分,可准确反映开采初期含水率变化。

致密储层体积改造润湿反转实验及模拟研究

针对目前致密储层在改造后依然存在的递减速度快、采收率低等问题,采用在压裂液中添加表面活性剂的方法,增强地层能力,降低界面张力,改变裂缝壁面附近润湿性,实现致密储层润湿反转并发挥渗吸作用,从而进一步提高原油采出程度。首先进行了致密储层润湿反转的实验研究,在实验基础上,通过无因次俘获数计算润湿反转前后的相渗曲线和毛管压力曲线,并进行润湿反转的模拟研究。实验结果表明：加入表面活性剂可使渗吸采收率由原来的4.9%提高至22.3%;采用不同的相渗曲线和毛管压力曲线,并经过内插法处理的数值计算结果与实验数据吻合;现场试验表明,在体积压裂形成复杂裂缝的同时,考虑压裂液的润湿反转功能,单井产量可提高3~6 t/d。压裂液中加入表面活性剂,在压裂过程中可改变储层润湿性,提高开井产量,对于致密储层的有效开发和提高采收率具有现实意义。

致密储层体积改造润湿反转提高采收率的研究

以致密油气体积改造注入的压裂液为切入口,将表面活性剂复配至压裂液中,探索在压裂过程中改变储层基质润湿性,提高采收率的方法.基于接触角和界面张力测量,在压裂液中分别添加阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂,在不同润湿状态下对致密岩心进行渗吸物模实验.通过改变润湿反转前后的相渗曲线和毛管压力曲线,对该过程进行模拟研究.结果显示:仅依靠压裂液不能引起润湿反转,渗吸采收率仅为4.95%.添加表面活性剂后润湿性发生变化,渗吸采收率有大幅提高,其中阳离子表面活性剂改变润湿性的能力要好于非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂;考虑润湿反转的模型可对表面活性剂润湿反转过程进行较好描述,模拟结果与实验数据拟合较好;现场一平台井压裂液中加入润湿反转剂DL-15后,体积压裂形成复杂裂缝,产量比邻井提高2~4 t/d.建议体积改造形成复杂缝网的前提下,在压裂液中添加表面活性剂,延长焖井时间,依靠停泵后的压差驱替和渗吸置换作用,提高开井后产量.

水平井体积改造多裂缝扩展形态算法——不同布缝模式的研究

为了探索不同布缝模式的水平井体积改造多裂缝扩展形态,基于位移不连续边界元法,建立了三维非平面裂缝应力干扰计算模型,并根据亚临界裂缝扩展模型和最大周向应力准则,提出了多裂缝扩展形态算法。根据该算法,编程求解了不同布缝模式的裂缝扩展形态,研究发现：（1）多簇压裂模式外侧裂缝为主扩展裂缝,内侧裂缝扩展变短且发生非平面扩展,有利于产生复杂裂缝,单簇压裂有利于单簇缝长的有效延伸;（2）应力干扰只作用于发生交叠的裂缝,并不作用于对称分布的未交叠裂缝;（3）在交错布缝模式下,后续压裂缝与邻近裂缝发生交叠时会向邻近裂缝靠近,偏转角度为5°-6°;交错布缝同步压裂时,井间裂缝以9°-10°的偏转角相互靠近,不利于远井的储层改造,而交错布缝拉链式压裂可提高裂缝延伸长度,增大远井改造体积;（4）多井间隔布缝模式增大了施工缝间距,可减小裂缝偏转幅度,而采用先压裂一段中间井,后在邻井围绕该段压裂的布缝顺序,能够增大裂缝复杂度,提高改造体积。

苏里格气田致密砂岩气藏储层体积改造关键问题及展望

2012年,中国石油天然气股份有限公司提出了"体积改造"的技术理念,促使压裂理论从经典走向现代。随着鄂尔多斯盆地苏里格气田致密砂岩气藏勘探开发工作的持续推进,储层条件更加复杂,压裂改造技术在理念、材料和工艺等多方面都面临着新的难题和挑战。为了将体积改造技术原理的普遍性和苏里格气田致密砂岩气藏储层的特殊性相结合,建立有效的体积改造技术模式,借鉴近年来美国非常规天然气成功开发的经验,从地质特征入手,探讨了苏里格气田致密砂岩气藏储层体积改造面临的关键问题,并提出了技术发展的方向。研究结果表明:(1)控制裂缝纵向延伸,适度提高排量、大幅增加液量的滑溜水压裂设计是提高单层产量的关键;(2)通过直井多层、水平井多段压裂,实现致密砂岩气多层系立体式开发,是提高单井产量和采收率的基础;(3)小井眼、小油管完井实现高排量压裂设计、长期生产,是实现提产降本的前提。

干热岩热储体积改造技术研究与试验

干热岩的岩性、力学特性和开发利用方式与常规油气资源相比差异较大,其储层改造不能直接采用页岩油气与致密砂岩油气压裂技术,需要研究适用于干热岩的改造技术。为此,利用井下花岗岩岩心和大尺寸露头岩样,采用高温测试和真三轴物理模拟系统,测试分析了高温岩石力学特性,模拟研究了裂缝起裂与扩展形态特征,分析了高温下花岗岩的脆塑性、岩石破坏特性以及天然裂缝对裂缝破裂压力、扩展路径和形态的影响特征,提出了“低排量热破裂+胶液扩缝+变排量循环注入”体积改造技术,并进行了现场试验,验证了室内研究结果。研究表明,花岗岩在高温下塑性强、脆性差、水平应力差大,岩石以张性和剪切混合破坏为主,天然裂缝和温差效应可显著降低破裂压力、提高裂缝复杂性与改造体积。研究结果对于干热岩热储高效开发具有较好的指导作用。

非常规储层体积改造中岩石脆性特征的判别方法

水平井钻井+体积改造技术是非常规领域实现突破的关键。研究储层的脆弹性特征是储层是否适合体积改造的核心问题,通过岩石力学分析、全岩分析及核磁扫描等方法,建立岩心剪切破坏观察、脆性指数计算、断裂韧性计算和岩心CT与岩石力学结合的一套用于评价储层脆性特征的综合研究方法。

苏德尔特油田裂缝型油藏体积改造技术应用与分析

苏德尔特油田布达特群裂缝型油藏是海拉尔盆地的主力产油层之一,采用常规规模压裂工艺,油井措施有效期短,增产效果不理想.通过分析储层天然裂缝发育特征和变质岩岩石力学特性,确定了体积改造压裂方式,现场应用了滑溜水混合缝网压裂、大规模冻胶体积压裂等2种压裂工艺,效果显著.分析结果证明,扩大改造规模并提供有效支撑是裂缝型油藏增产改造的发展方向.

页岩储层水力压裂体积改造实现方法研究

大型水力压裂技术是页岩气开发的核心技术之一,该技术使页岩储层形成复杂的网状裂缝,达到改造体积的目的。从我国页岩储层特征出发,在对国内页岩气压裂井施工技术等方面进行调研的基础上,结合现场施工实践经验,提出页岩气压裂施工中需要解决的关键难点。从断裂动力学角度对页岩气压裂缝网形成机理进行分析,并在此基础上,提出解决压裂施工过程中问题的方法,即适合于我国页岩气压裂施工设计的一般性原则。根据国内某口页岩气压裂井相关资料,结合研究内容,设计合理施工泵序,并利用专业页岩气压裂设计软件进行验证。

考虑渗吸效应的致密油藏体积改造可行性分析

为探究致密储集层在毛管力、重力作用下的渗吸机理,考虑致密储集层特征(相渗、毛管力等),推导出了一维两相逆向渗吸模型,利用Mattax和Kyte方法对时间无因次处理后,采用差分方法进行求解,给出了3种边界条件下方程的解,并对常规砂岩和致密岩心渗吸结果进行了对比。结果表明:(1)体积改造后形成复杂缝网,储集层渗吸作用可分为重力辅助渗吸、重力抑制渗吸和零重力渗吸;(2)尽管致密储集层孔喉半径小,毛管压力高,渗吸动力强,但由于其孔渗条件差,流体流动受限,综合来说其饱和度前缘慢于常规高渗储集层;(3)毛管力在常规砂岩和致密储集层的渗吸中均起主导作用,重力在高渗砂岩渗吸中表现明显,而在致密储集层渗吸中表现不明显;(4)对于致密储集层,通过水平井分段多簇、细分切割,甚至"体积改造"的压裂模式,增加润湿相与裂缝壁面的接触面积和接触体积,则可充分发挥渗吸作用,置换出更多的油气,提高原油产量。新疆油田玛18区块现场试验表明,致密储集层发挥渗吸作用可提高原油产量2~4t/d。

大庆致密油储层体积改造核磁共振实验

为了促进大庆致密油藏的有效开发,探索致密油储层体积改造对可动流体的影响规律,将致密储层的岩样进行了简单劈分、多次劈分、彻底破碎3种不同程度的压裂改造,并对不同状态下的样品进行了核磁共振测试。研究表明:简单压裂对流体的可动用性无明显影响,仅仅改善了流体的流动能力;彻底破碎状态的储层,形成人工油藏后,流体可动用性显著增强,微裂缝更加发育,渗流能力更强;体积改造对渗透率低的储层,效果更明显。

致密砂岩气藏体积改造增产效果数值模拟

随着勘探开发工作深入,致密砂岩气藏储量所占比例不断提高,体积改造是实现该类气藏突破的重要技术手段。为研究体积改造在致密砂岩气藏中的增产效果,采用Eclipse油藏数值模拟软件,以苏里格致密砂岩气藏为基础,基于数值模拟方法对体积改造与常规压裂的开发效果进行对比,研究了不同基质渗透率和裂缝网络间距对体积改造增产效果的影响。结果表明,基质渗透率和裂缝网络间距对体积改造的有效性起关键作用;基质渗透率越低,裂缝网络间距越小,体积改造的增产效果越好;当基质渗透率达到一定界限时,体积改造的增产效果有限,不适合大规模体积改造;降低裂缝网络间距,可提高体积改造有效性的基质渗透率界限。该研究对致密砂岩气藏进行体积改造,提高单井产量和气田开发效果具有指导意义。