1、断块油气田第3 0 卷第4 期FAULT-BLOCKOIL&GAS FIELDdoi:10.6056/dkyqt2023040122023年7 月致密储层聚簇孔定向开采方法及渗流分析刘航铭1,胡鑫雨2,易先中1,万继方3,贺育贤1,陈霖14,周元华1(1.长江大学机械工程学院,湖北荆州4 3 4 0 2 3;2.中国石化石油机械股份有限公司三机分公司,湖北武汉4 3 4 0 0 0;3.中国石油集团工程技术研究院有限公司,北京10 2 2 0 6;4.中国石油川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司,陕西西安7 10 0 2 1)基金项目:国家自然科学基金项目“地面旋转导向钻井新方法及其控制机理(5
2、 19 7 4 0 3 5);长江大学非常规油气省部共建协同创新中心开放基金项目“页岩气井筒振动固井技术的应用基础研究”(UOGBX2022-05)、“含油钻屑聚束光热快速分离特性研究(UOG2022-26)”“页岩气套管钻井钻头及配套技术研究”(UOGBX2022-04)摘要为了实现对致密储层的高效开采,文中提出了致密储层聚孔定向开采方法。该方法在深部储层范围内用机械钻孔破岩方式,沿并眼的轴向长度方向钻出一系列孔簇,并且1个截面内可同时钻出3 个深度和方向可调控的孔簇。基于致密储层渗流机理和油水两相渗流理论,建立数值计算模型,对致密储层聚簇孔进行渗流模拟。研究对比发现:1)致密储层聚簇孔定向
3、开采方法周围泄油面积呈T形,致密储层泄油面积达到最大,产油量均高于4 种不同展布(对称分支6 0 非对称分支6 0 对称分支9 0 非对称分支9 0)的鱼骨形分支水平井;2)渗透率、孔隙度与致密储层聚簇孔产能都呈正相关,而启动压力梯度与致密储层聚簇孔产能呈负相关;3)在相同条件下,渗透率对储层产能的影响比孔隙度的影响大;4)启动压力梯度对致密储层聚簇孔产能有着不可忽视的影响,启动压力梯度越大,流体渗流所要克服的阻力就越大,致密储层产油量越低。研究结果可为致密储层聚簇孔的结构优化与改进提供技术指导。关键词致密储层;聚孔;油水两相渗流;数值模拟;产能预测中图分类号:TE822Directional
4、 mining method and seepage analysis of clustered pores in tight reservoirsLIU Hangming,HU Xinyu,YI Xianzhong,WAN Jifang,HE Yuxian,CHEN Lin4,ZHOU Yuanhua(1.School of Mechanical Engineering,Yangtze University,Jingzhou 434023,China;2.Compressor Company,Sinopec OilfieldEquipment Corporation,Wuhan 434000
5、,China;3.CNPC Engineering Technology R&D Co.,Ltd.,Beijing 102206,China;4.Changqing Drilling Corporation,CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.,Ltd.,Xian 710021,China)Abstract:In order to realize efficient exploitation of tight reservoirs,this paper proposes a directional mining method for clustered
6、 poresin tight reservoirs.In this method mechanical drilling is used to break rock in the deep reservoir,and a series of pore clusters are drilledalong the axial length of the wellbore,and three pore clusters with adjustable depth and direction can be simultaneously drilled in onesection.Based on th
7、e seepage mechanism oftight reservoirs and the oil-water two-phase seepage theory,a numerical calculation model wasestablished to simulate the seepage of clustered pores in tight reservoirs.The research by comparison show that:(l)the oil drainage areaaround the clustered pores in tight reservoirs is
8、 in a T-shaped form,which maximizes the oil drainage area in tight reservoirs,and the oilproduction is higherthan that of the four different distributions(symmetric branch 60,asymmetric branch 60,symmetrical branch 90asymmetric branch 909)offishbonetype branched horizontal well;permeability and poro
9、sity are positively correlated with productivityof the clustered pores in tight reservoirs,while the threshold pressure gradient is negatively correlated with productivity of the clusteredpores in tightreservoirs()under the same conditions permeability has a significant effect on reservoir productiv
10、ity rather than that ofporosity,(4)the starting pressure gradient has a non-negligible effect on the productivity of clustered pores in tight reservoirs.The greaterthe starting pressure gradient,the greater the resistance to beovercome by fluid seepage,and the lower the oil production intight reserv
11、oirs.The research results can provide technicalguidance for structural optimization and improvement ofclusteredpores intightreservoirs.Key words:tight reservoir,clustered pores;oil-water two-phase引用格式:刘航铭,胡鑫雨,易先中,等.致密储层聚簇孔定向开采方法及渗流分析 J.断块油气田,2 0 2 3 3 0(4):6 0 9-6 15.LIU Hangming,HU Xinyu,YI Xianzho
12、ng,et al.Directional mining method and seepage analysis of clustered pores in tight reservoirsJ.Fault-Block Oil&Gas Field,2023,30(4):609-615.文献标志码:A收稿日期:2 0 2 3-0 1-2 6;改回日期:2 0 2 3-0 4-15。第一作者:刘航铭,男,19 9 1年生,在读博士研究生,从事非常规油气钻采方法及理论方面的研究。E-mail:。通信作者:易先中,男,19 6 3 年生,教授,博士生导师,从事深部钻采技术及其智能装备研究工作。E-mail
13、:。610seepage;numerical simulation;productivity prediction0引言致密储层开发的持续推进,打开了石油与天然气发展的新格局,维持了我国经济高速发展以及保障了国家能源安全。与其他的一些传统储层比较而言,致密储层的埋藏深度大、油水分布复杂、含油气饱和度低,同时也有着孔隙度和渗透率低、喉道狭窄且连通性差等一系列缺点,导致致密储层开采难度很大 1-6 。目前,国内外针对致密储层增产的核心研究方向聚集于压裂方式以及井型改进等,应用较为广泛的是压裂技术和以水平井为基础的多分支水平井钻完井技术。如玛湖凹陷油气区块内主要采用“水平井+体积压裂”的开发方式,并
14、取得了较好的经济效益 7-8 。大庆油田创建了以直井缝网和水平井体积压裂为核心的致密油有效动用模式,在致密油I类储层中取得重大成功。大庆油田,类致密储层中应用了复合压裂技术,相比常规缝网压裂措施,单井增产2.5 倍以上 9 。但压裂改造存在裂缝形状与延伸方向不可控制,易造成地下水和地表水污染的问题。致密储层施工时间较长,作业成本较高10-12 。鱼骨形分支水平井虽在提高泄油面积和减少开发井数量上有着明显的优势,但是在进行钻井作业时,通常需采用裸眼悬空侧钻技术在主井眼上进行侧钻作业,在后续作业中,钻具在通过悬空侧钻井段时易遇阻,影响储层产能的同时,增加作业风险;并且复杂的井轨迹使施工工艺特殊化,
15、进而增加了作业成本,对配套作业以及相关生产技术设备也提出了更高的要求 13-17 。为了实现致密储层高效增产,提出了以鱼骨形分支水平井为基础的致密储层聚簇孔定向开采方法。该方法在深部储层范围内用机械钻孔破岩方式,沿井眼的轴向以一定的角度和曲率钻出一系列孔簇。致密储层聚簇孔定向开采方法不仅可以增加储层的泄漏面积,提高油气井的导流能力,其机械破岩钻进的方式也极大地减少了对储层的污染,同时在钻进过程中可在孔眼周围形成大量微裂纹,提高了近孔眼处的渗流能力,增加了油气井产能及采收率。因此,实施以鱼骨形分支水平井钻井技术为基础,在钻探的水平井内实施聚簇孔定向开采的改造技术和产能预测分析,对实现致密储层的有
16、效开发具有十分重要的意义。1致密储层聚簇孔定向开采原理该方法在深部储层范围内用机械钻孔破岩方式,断块油气田沿井眼的轴向钻出一系列10.012.7mm的孔簇,一个截面内可同时钻出3 个深度和方向可调控的孔簇,并且聚簇孔沿井眼的轴向长度方向的疏密程度可根据需要调整(见图1)。鱼骨形分支井筒聚簇孔钻井工具聚簇孔图1致密储层聚簇孔井下示意Fig.1 Downhole schematic of cluster hole in tight reservoir聚簇孔定向开采方法作为一种新型增产技术,具有以下特点:1)对地层岩石强度损伤小,不会大面积影响上部(上覆)地层应力的变化或重新分布,不会成为开采区域地
17、震的诱因;2)物理方式连通储层或油气藏,原环境增产开发,零化学物质,安全环保;3)新老井眼(裸眼、套管井)均适用,孔簇的深度、方向、密度、孔眼直径等几何参数三维可控;4)微钻头可直接钻穿套管,在储层形成一系列聚簇孔,替代射孔、压裂等常规作业工序,减少作业时间和施工成本,降低作业风险;5)根据储层挖潜需要,可重复多次进行聚簇孔深穿透改造,随时加密、加深、调整方向等。2至致密储层聚簇孔油水两相渗流理论2.1渗流机理启动压力梯度现象和应力敏感效应主要存在于低渗透、超低渗透的油藏中,是区别低渗透、超低渗透与中高渗透油藏的主要特征。致密储层多指低渗、超低渗的油藏,故了解启动压力梯度和渗透率应力敏感性必不
18、可少 18-19 2.1.1启动压力梯度致密油储层以纳米级孔喉为主,多为低渗或超低渗油藏。其复杂的微观孔喉结构,使得储层孔隙度低、渗透性差、油水渗流阻力大,并且渗流通道内固液界面的相互作用力显著,而在流体流动时,不仅要克服黏度差异带来的流动阻力,还要克服固液界面的相互作用力,渗流才会发生;所以,只有当驱替压力大于某一定值时,储层流体才能形成流动,这一驱替压力值被称为启动压力梯度,对应的启动压力梯度渗流方程为2023年7 月第3 0 卷第4 期式中:为流体渗流速度,m/s;K为渗透率,10-m;为流体黏度,mPas;入为启动压力梯度,MPa/m;Ap为压差,MPa。由式(1)可知,当p小于压力梯
19、度的数值时,压力梯度过小,无法驱动流体克服流动阻力,则流体无法流动;只有当p大于压力梯度的数值时,流体才能开始流动。2.1.2渗透率应力敏感性在致密储层的开发中,渗透率是决定其渗透强度的主要因素,而发育的裂隙和微裂缝则是影响其渗透性的主要因素。随着储层流体的开采,储层中的有效应力将会增加,从而造成大孔隙或微裂缝的封闭,增加了储层的渗流阻力,降低了油藏的渗透性。渗透率变化与有效应力的关系为-(Pi-P)K=K;e式中:K,为原始渗透率,10 m;为渗透率模量,MPa;P,为原始地层压力,MPa;p为地层压力,MPa。2.2油水两相渗流数学模型在一个给定几何形状的油藏中,生产时,要确定2个互不相溶
20、流体的分布方式,以及流体1和流体2 的7个因变量:两相流体的压力P1,P2;毛细管力p。;饱和度St,S2;渗流速度,2;密度p,P2;黏度z;油藏中岩石的孔隙度。为求解这些因变量,就必须有相应的基本方程。2.2.1运动方程油相:K.(S.)。dx水相:K.(Swap+pWXwgsinx式中:U。为油相在方向上的渗流速度,m/s;K为油相的相对渗透率;S。为含油饱和度;P。为油相流体压力,MPa;P。为油相密度,kg/m;u。为油相流体黏度,mPas;,为流动方向与水平面夹角,();uw为水相在x方向上的渗流速度,m/s;Kr为水相的相对渗透率;Pw为水相流体压力,MPa;Sw为含水饱和度;P
21、w为水相密度kg/m;为水相流体黏度,mPaS。2.2.2连续性方程在dt时间内,根据质量守恒定律得刘航铭,等.致密储层聚簇孔定向开采方法及渗流分析K入V=ApaP。+p.gsin x611油相:(1)(P.Ux水相:(PwUWWX当流体饱和度为1时,即S.+Sw=1将运动方程与连续性方程结合,即分别把式(3)、(4)代人式(5)、(6)得油相:K,(S.)px。K.(S.)p=中zt(2)水相:(K.(S.)p十xxdyK.(S)pS.zot式中:y,y,分别为油相、水相在,z方向上的流体渗流速度,m/s;K。,K w 分别为油相、水相的有效渗透率,10 m。3致密储层聚簇孔油水两相渗流模拟
22、3.1油藏地质参数我国致密油藏储层以砂岩为主,沉积特征以陆相沉积为主。储层渗透率低,孔隙度范围一般为3%(3)12%,原油密度为0.7 4 0.9 6 g/cm,原油黏度高于1mPas,储层流体可动性差,厚度一般在3 8 0 m,压力系数为0.7 0 1.8 0,以低压为主,埋深大多在10 0 0(4)4.500 m3。为了研究致密储层聚簇孔的渗流特征,选取某区块致密储层地质参数,油藏具体参数见表1,原油物性参数见表2,油水两相相对渗透率曲线如图2 所示。表1模拟油藏参数Table1Simulated parameters of reservoir地层压力/油层深度/油藏厚度/平均渗透率/平均
23、孔隙度/MPam13.61 5001 600注:x方向的渗透率为2.7 5 10 m,y 方向的渗透率为2.7 5 10-3m,z方向的渗透率为0.6 0 x10m。(p.o)ayoyPVwydyW(P.z0WzWzK。(S。p+ay。dyK.(Say+m10-m13.662.03(p.dS。)at(5)Sw)at(6)(7)(8)(9)%11.78612Table 2Physical parameters of crude oil in simulated reservoirs原油黏度/原油密度/含油饱和度/体积系数(mPas)(gcm)1.990.9221.00.80.60.40.200.
24、40.50.60.70.80.9 1.0S.图2油水相对渗透率曲线Fig.2 Oil-water relative permeability curve3.2致密储层聚簇孔渗流计算模型的建立我国致密储层成岩作用和构造运动强烈,导致储层横向非均质性非常突出。本文所建立的地质模型充分考虑了储层的非均质性,在模型中主要表现在空间渗流能力的不同,一般方向与方向的渗透率相差不大,但在z方向上,随着储层深度增加,地层压力变大,渗流能力变差,故z方向上的渗透率通常为x方向渗透率的0.2 0.3 倍,本文取z方向渗透率为x方向的0.2 倍。采用油藏数值模拟软件tNavigator的ModelDesigner模
25、块进行油水两相渗流模拟,建立致密储层聚簇孔渗流计算模型,模型参数如表3 所示。表3 聚簇孔井模型参数Table3Parameters of the clustered borehole model主井筒长度/主井筒半径/聚簇孔长度/聚簇孔半径/mmm100107.954纟结果分析4.1不同井型对储层渗流的影响为研究致密储层聚簇孔的泄油面积及产油量,根据常见的鱼骨形分支井的井身结构,综合考虑分支角度、位置和间距等因素,在tNavigator中建立了4 种不同的鱼骨形分支水平井计算模型。其中,鱼骨形分支井的井型类似于鱼骨,只有2 个方向,在模型中为x方向和y方向,分别取对称分支6 0、非对称分支6
26、 0 对称分支9 0、非对称分支9 0。研究其泄油面积与产油量,并将结果与致密储层聚簇孔的泄油面积及日产油量结断块油气田表2 模拟油藏原油物性参数果进行对比分析。通过数值模拟可以得到致密储层聚簇孔和4 种鱼压缩系数/骨形分支水平井在相同生产时间、相同油藏环境下的%10-MPa-1551.206KKmmm86.352023年7 月压力分布,即泄油面积(见图3。Z,L分别为深度和水10.6平长度)。由于聚簇孔是三维分布,无法用单一的二维视角反映其特征,故将从多角度讨论聚簇孔的泄油面积(见图4)。10001 5001520三15 4 015601580160001500152015401560158
27、01600015001520158016000150015201540156015801600聚簇孔角度/()35L/m20003000a对称分支6 0 L/m10002.000b非对称分支6 0 L/m10002000对称分支9 0 L/m1 0002000d非对称分支9 0 图3 4 种鱼骨形分支水平井压力分布Fig.3 Pressure distribution of 4 kinds of herringbone branch horizontalwells以上为致密储层聚簇孔和4 种鱼骨形分支水平井的压力分布图,由此图可以看出:无论是哪一种形态的压力分布,距离主井筒越近,地层压力越小,
28、则泄油面积越大;距离主井筒越远,地层压力越大,其泄油能力越弱。其中,致密储层聚簇孔的泄油面积最广,压力变化最小,致密储层聚簇孔周围的泄油面积呈T形,泄油量和泄油面积均大于其他4 种常见的鱼骨形分支水平井。致密储层聚簇孔和4 种鱼骨形分支水平井在相同生产时间和相同生产环境下的日产油量对比如图5 所示。40003.0004.00030004000300040005000压力/MPa16.4114.2312.059.877.695000压力/MPa16.4114.3012.1910.087.975.000压力/MPa16.4114.4212.4310.448.455000压力/MPa16.4115.
29、8215.2314.6414.05第3 0 卷第4 期刘航铭,等.致密储层聚簇孔定向开采方法及渗流分析6130150015201540156015801 600三2.0003.0004.0005000图4 致密储层聚簇孔井型压力分布Fig.4 Pressure distribution of cluster hole well type in tight reservoirs600500(r-Pu)/鲁甲4003002001000图5 致密储层聚簇孔和4 种鱼骨形分支水平井日产油量对比Fig.5 Comparison of cluster holes with 4 kinds of herri
30、ngbone branchhorizontal wells in daily oil production in tight reservoir由图5 可知,在相同条件下,致密储层聚簇孔的日产油量是最高的,而在4 种鱼骨形分支水平井不同的形态分布中,非对称分支9 0 鱼骨形分支水平井的日产油量最低,故在鱼骨形分支水平井中实施多段聚簇孔定向开采技术,可有效提高致密储层原油产量。4.2储层参数变化对聚簇孔井渗流的影响本文选择储层渗透率、储层孔隙度和启动压力梯度作为研究变量,通过渗流计算模型,计算出不同参数下储层原油日产量和累产量。4.2.1储层渗透率图6 为各向同性,其余条件相同时,储层渗透率对致
31、密储层聚簇孔日产油量和累计产油量的影响。从图6a可以看出:对于不同的储层渗透率,在相同的生产时间和环境下,储层渗透率越高,致密储层聚簇孔的日产油量就越大;在同一生产时间内,在不同梯度的渗透率下,致密储层聚簇孔日产油量一开始都会快速增加到某一顶点,而后随着生产时间的增加,日产油量逐渐100001 000 2 0003 0004 0005 0001000b聚簇孔z方向20402.000Lm3.000a聚簇孔y方向x/m60生产时间/d4000压力/MPa16.4115.8215.2414.6514.07聚簇孔对称分支6 0 非对称分支6 0 对称分支9 0 非对称分支9 0 801005000压力
32、/MPa16.4115.8215.2414.6514.07120下降最后趋于平稳,整体曲线呈类似对数型曲线。由图6b可以看出:在相同的条件下,储层渗透率越高,致密储层聚簇孔的累计产油量曲线斜率越大,其累计产油量也越多;在储层渗透率为0.5 x10-m时,致密储层聚簇孔的累计产油量曲线斜率最小,趋近于0;储层渗透率分别为2 10-3,4 10-3 m时,致密储层聚簇孔的累计产油量之间的变化最大。2.2502.0001750(Pu)/鲁15001250100075050025003.51063.01062.5 10%2.01061.51061.0 10%5.01050图6 不同渗透率的致密储层聚簇
33、孔产油量Fig.6 Oil production of cluster pores in tight reservoirs with differentpermeability4.2.2储层孔隙度图7 为在相同条件下,储层孔隙度对致密储层聚簇孔日产油量和累计产油量的影响。由图7 a可以看出:对于不同的储层孔隙度,在相同的生产时间和环境下,储层孔隙度越大,致密储层聚簇孔的日产油量就越高;与图6 一样,2 0 d内日产油量下降速率较快,但是随后,日产油量逐渐下降。由图7 b可以看出,在相同的条件下储层孔隙度越高,致密储层聚簇孔的累计产油量曲线斜率越大,其累计产油量也越多;油层孔隙度小于12%,致密
34、储层聚簇孔的累计产油量曲线斜率变化较大,其累计产油量差异也较大;孔隙度达到2 4%后,0.510m2.010um-6.010-m,8.010-m10.0 10-m2040a日产油量0.5 10-3 m2 1.010-m2.010-3m4.0 10-m6.010-m8.010-m10.0 10-m2040生产时间/db累计产油量1.0 10-m4.0 10-m6080生产时间/d6010080100120120100614致密储层聚簇孔的累计积产油量曲线斜率变化较小,其累计产油量差异也较小,故增加储层孔隙度对储层增产有效果,但是孔隙度增加到一定值后,储层产能的增效变差。700600500(tP)
35、/吾40030020010001.41061.2 1061.0 1068.01056.0 1054.01052.01050图7 不同孔隙度的致密储层聚簇孔产油量Fig.7 Oil production of cluster pores in tight reservoirs with differentporosity相比不同储层渗透率的情况下,在不同的储层孔隙度下,致密储层聚簇孔日产油量顶点值差距较小,而在储层渗透率的影响下,致密储层聚簇孔日产油量顶点值变化较大。由此可知,在相同条件的致密储层中,从单一变量的角度出发,渗透率对储层产能的影响比孔隙度的影响大。4.2.3启动压力梯度在致密储层中
36、,启动压力梯度与储层渗透率有关,故针对上文设置不同的渗透率,计算出对应的启动压力梯度值。图8 为在相同条件下,不同的启动压力梯度对致密储层聚簇孔日产油量和累计产油量的影响。由图8 a可以看出,在考虑不同启动压力梯度的情况下,日产油量也不同,启动压力梯度越大,日产油量反而越低。这是因为启动压力梯度越大,流体渗流所要克断块油气田服的阻力就越大。由图8 b可知:在同一时间,不考虑启动压力梯度情况下,即符合达西定律条件下,聚簇孔鱼骨形分支井累计产油量最高;随着启动压力梯度的增加,累积产油量增幅逐渐降低。这说明启动压力梯度对致密储层聚簇孔产能有着不可忽视的影响。3%6%12%24%36%48%2040a
37、日产油量3%6%12%24%36%48%20b累计产油量2023年7 月600一不考虑启动压力梯度0.004 MPa/m 0.006 MPa/m5000.008 MPa/m0.012MPa/m0.061MPa/m0.135MPa/m(rPul)/鲁4003002006080生产时间/d4060生产时间/d1008010012012001 10681056105410521050图8 不同启动压力梯度下致密储层聚簇孔产油量Fig.8 Oil production of cluster pores in tight reservoirs under differentinitiation pres
38、sure gradient5结论1)5种井型分布均是距离主井筒越近,压力越小,泄油面积越大。相较于其他4 种鱼骨形分支水平井周围的直筒型泄油面积,致密储层聚簇孔周围泄油面积最广,采油更多更快,呈T形。这说明,对鱼骨形分支水平井钻完井技术实施多段聚簇孔定向开采能有效实现致密储层的增产。2)启动压力梯度越大,流体渗流的阻力就越大,致密储层产油量越低。3)在相同的生产时间和环境下,储层的渗透率和孔隙度越高,聚簇孔井型的日产油量越多;在储层渗202040a日产油量不考虑启动压力梯度0.004 MPa/m0.006 MPa/m0.008 MPa/m0.012 MPa/m0.061 MPa/m0.135M
39、Pa/m工4060生产时间/db累计产油量60生产时间/d8080100100120120第3 0 卷第4 期透率为0.5 1 0-m时,聚簇孔井型的累计产油量曲线斜率最小,趋近于0;当储层孔隙度大于2 4%后,其对储层产能的增益效果变差。从单一变量的角度看,渗透率对储层产能的影响更大。参考文献1刘博峰,张庆九,陈鑫,等.致密油储层压裂液渗吸特征及水锁损害评价 J.断块油气田,2 0 2 1,2 8(3):3 1 8-3 2 2.LIU Bofeng,ZHANG Qingjiu,CHEN Xin,et al.Imbibition characteristicsof fracturing flu
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