摘 要

摘　要：頁巖水平井常采用體積壓裂技術獲得產能，壓裂形成的縫網體積、滲透率是影響壓裂效果的關鍵因素。目前頁巖體積壓裂設計借用產能預測模型優化縫網參數，此模型較復雜，不便于

摘　要：頁巖水平井常采用體積壓裂技術獲得產能，壓裂形成的縫網體積、滲透率是影響壓裂效果的關鍵因素。目前頁巖體積壓裂設計借用產能預測模型優化縫網參數，此模型較復雜，不便于現場應用。根據等效滲流原理，將頁巖儲層壓裂后形成的縫網系統等效為一個高滲透帶，建立了體積壓裂縫網參數與施工規模關系模型，提出了體積壓裂設計的3個步驟：體積壓裂可行性研究、數值模擬優化縫網參數和施工參數優化。根據QY2頁巖油水平井特征，進行了體積壓裂設計和現場實施。結果表明：壓裂形成的高滲透帶對產能的貢獻最大；高滲透帶數量、體積和滲透率增加，壓裂后的累積產量和采出程度逐漸增加，存在最優的高滲透帶參數。現場應用表明這種設計方法方便實用，可以推廣。

關鍵詞：頁巖儲層；體積壓裂設計；等效滲流；高滲透帶

A Novel Design Method for Stimulated Reservoir Volume

Fracturing in Shale Horizontal Wells

GOU Bo，GUO Jian-Chun

( State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China)

Abstract：The technology of the stimulated reservoir volume( SRV) fracturing are often used in shale horizontal wells to obtain deliverability．The fracture network volume and permeability are critical to postfracture response.The design for SRV employs productivity prediction model which is complex and inconvenient in application to optimize fracture network parameters at present．The relation model between the fracture network parameters and hydraulic fracturing treatment sizes is established with the fracture network equivalent to a high permeable zone by using the principle of seepage rate equal effects．The method and steps for SRV in shale horizontal wells are put forward also，including feasibility study about SRV in shale reservoir，optimizing fracture network parameters in numerical simulation and treatment sizes．According to the characteristics of QY2 shale oil horizontal wells，the new design method is implemented.The result shows that the high permeable zones have the biggest contribution to flow potential in shale wells，and the cumulative production and degree of reserve recovery increase slowly with the augment of clustering number，volume，permeability of the high permeable zones．Thereexsit the optimal high permeable zone's parameters．Field application shows that the design method is convenient and can be generalized to other shale horizontal well fracturing design．

Key words：shale reservoir；stimulated reservoir volume fracturing design；equivalent seepage；high permeable Zone

0 引 言

隨著油氣需求的激增，中國加大了頁巖油氣藏的勘探開發^[1－2]。頁巖既是烴源巖，又是儲集層和蓋層，一般表現為致密物性特征，水平井套管完井與分段體積壓裂是目前頁巖儲層開發的主體技術模式^[1－5]。頁巖儲層通過體積壓裂后，多級裂縫交織在一起形成縫網系統，增大儲層基質與裂縫壁面的接觸面積，提高儲層整體滲透率，實現了儲層長寬高三維方向的全面改造。目前已形成針對頁巖儲層體積壓裂現場應用的關鍵技術，即：分段多簇射孔、快速可鉆式橋塞、滑溜水多級大型壓裂^[5]。Cipolla等^[6]研究表明：頁巖儲層壓裂后形成的縫網體積、滲透率是提高壓裂效果的關鍵，分段多簇射孔參數、多級壓裂加砂規模與這兩個參數密切相關，因此，它們是體積壓裂優化設計的關鍵參數。目前，體積壓裂優化設計主要借用產能預測模型、優化縫網幾何參數和導流能力。模型主要包括離散裂縫模型(DFN)和雙重介質模型。DFN模型將縫網系統簡化為多裂縫或交錯分布的形態，包括三維的線網模型、二維的離散模型以及隨機分布的多裂縫模型；雙重介質模型強調裂縫性油藏的雙孔隙本質，簡化裂縫的連通性與非均質性有關的問題^[7－8]。兩種模型主要的問題在于：一是天然裂縫分布依賴于離散地質建模結果；二是輸入參數的精度要求較高；三是沒有建立縫網參數與加砂規模的關系模型，不便于現場應用。因此，需要針對頁巖儲層壓裂形成的縫網特征，建立一種新的體積壓裂設計方法以實現分段壓裂的射孔簇數、各段加砂規模的優化。

本文根據等效滲流理論，將壓裂后的復雜裂縫網絡系統等效為高滲透帶，以高滲透帶數量、體積和滲透率表征其縫網特征，建立高滲透帶特征參數與加砂規模的關系模型；采用數值模擬方法以累積產量、采出程度為評價指標，優選高滲透帶特征參數；根據所建高滲透帶特征參數與加砂規模的關系模型和數模優化結果，結合儲層物性、應力分布特征，優化設計分段多簇射孔簇數和各段加砂規模。QY2頁巖油水平井體積壓裂設計及應用表明本文提出的優化設計方法方便實用，效果良好，可以推廣應用。

1 體積壓裂縫網參數與加砂規模優化關系模型

頁巖水平井體積壓裂后，以每簇射孔段為中心形成縫網系統(圖1)，縫網是油氣滲流的主要通道，縫網體積和滲透率是影響壓后產能的關鍵因素^[6，9]。根據等效滲流理論^[10－11]，將縫網等效為一個高滲透帶(圖2)，用高滲透帶的數量、體積和滲透率表征縫網特征。

高滲透帶系統的滲流能力無限大于儲層基質的滲流能力^[7]，忽略儲層基質向井筒中的滲流，取一高滲透帶單元作如下假設(圖3、圖4)：(1)縫網空間完全由支撐劑充填；(2)高滲透帶向井筒中的滲流等效為高滲透帶的基質滲流和裂縫滲流；(3)高滲透帶的滲流符合達西定律，近似為線性滲流。

高滲透帶基質流向井筒中的流量，由達西定律：

高滲透帶系統的流量為：

式(5)建立了單簇高滲透帶系統滲透率、基質滲透率、支撐裂縫滲透率與高滲透帶體積、支撐裂縫體積(砂量)之間的關系。

2 體積壓裂設計步驟

2. 1 體積壓裂可行性研究

體積壓裂設計的首要步驟是必須明確頁巖儲層是否具備實施體積壓裂條件。研究成果表明，儲層具備實施體積壓裂需要滿足以下3個條件^[7－8，12]：(1)水平面主應力差值小；(2)儲層含有大量的脆性礦物，脆性指數大于30%；(3)天然裂縫發育。

2.2 高滲透帶特征參數優化

采用Eclipse油藏數值模擬軟件，根據研究區塊的儲層地質特征、流體參數、礦物特征、力學特征建立頁巖水平井分段壓裂地質模型。改變高滲透帶的特征參數(高滲透帶的數量、體積、滲透率)，模擬壓裂后產量和采出程度變化，優化高滲透帶的數量、體積和滲透率。此時優化的滲透率僅考慮產能最大化的要求，能否實現還需考慮施工風險，根據式(5)計算加砂規模。

2.3 分段體積壓裂射孔簇數與加砂規模優化

分段多簇射孔實施應力干擾是實現體積壓裂的關鍵技術^[7，13]。頁巖儲層改造后以每簇射孔段為中心形成高滲透帶，因此，優選的高滲透帶數量即為射孔簇數。

根據式(5)優化加砂規模。其中，高滲透帶體積采用數值模擬方法優化求得；考慮支撐裂縫傷害等因素后，取室內導流實驗測得支撐裂縫滲透率的50%作為地層支撐裂縫滲透率^[14]。根據式(5)計算單簇高滲透帶不同砂量下的高滲透帶滲透率，并數值模擬對應的累積產量和采出程度，結合優化的高滲透帶滲透率確定每個高滲透單元的加砂量，進一步確定每段加砂規模和整個水平井的加砂規模。

3 QY2頁巖油水平井體積壓裂設計與實施

QY2井油層所在潛江組為陸相鹽湖沉積，發育了一套最厚為6000m的鹽韻律夾砂泥巖地層組合，屬于典型的湖控成因頁巖油藏^[15]。完鉆井深1850m，水平段長度264.1m，垂直厚度95.7m；考慮本井油藏條件、巖性特征、水平段應力差異、固井質量等因素，分3段進行壓裂。改造目的層段1552.4～1816.5m主要特征為：(1)水平主應力差值較小，最大、最小水平主應力差為5.31MPa；(2)脆性礦物以石英、白云石、方解石為主，根據巖石力學參數計算的脆性指數為41.4%；(3)1690m處發育一定的天然裂縫；(4)儲層縱向上非均質性嚴重；(5)地下原油粘度高，達88.8mPa·s，流動性差。根據目的層段特征知，QY2井可以實施體積壓裂措施。

3.1 高滲透帶特征參數對壓裂效果的影響

根據本井油藏地質特征和井身結構(表1)，利用Eclipse油藏數模軟件建立頁巖水平井分段壓裂參數優化的箱體模型，模型長365m，寬400m，厚度100m，單井控制面積14.6×10⁴m²。根據滲透率層間非均質性特征(表2)，模型縱向上分層設置滲透率和孔隙度。

在建立的數值模型中嵌入高滲透帶，改變高滲透帶的特征參數，通過數值模擬分析高滲透帶對累積產量和采出程度的影響。

從圖5可見，當高滲透帶數量為0，即儲層不壓裂時，此時井筒全靠儲層基質滲流，10年時間的累積產量僅1t，基本無產能；高滲透帶數量為7簇時，累積產量4297t，采出程度1.72%；8簇時，累積產量4993.7t，采出程度2.0%；9簇時，累積產量5476.0t，采出程度2.19%(圖6)。

可以看出，頁巖油儲層必須通過壓裂才能獲得產能，高滲透帶對產量的貢獻最大；隨著高滲透帶數量增加，累積產量和采出程度逐漸增加，當高滲透帶數量超過8簇時，累積產量、采出程度增加趨勢減緩，因此，優選本井的高滲透帶數量為8簇；頁巖油儲層采出程度低，同時受本井地下原油粘度高、流動能力差影響，生產10年時，最高采出程度僅2.19%。

圖7描述了高滲透帶數量為8簇時，單簇高滲透帶體積與累積產量的關系。單簇高滲透帶體積為8.0×10⁴m³時，累積產量為4790.8t，采出程度1.9%；高滲透帶體積為9.6×10⁴m³時，累積產量4995.8t，采出程度2.0%(圖8)。可見，隨著高滲透帶體積增加，累積產量、采出程度增加，當單簇高滲透帶體積大于8.0×10⁴m³時，累積產量、采出程度增加減緩。為最大限度地提高本井采出程度，兼顧斷層影響，最終確定單簇高滲透帶體積為9.6×10⁴m³。

圖9和圖10描述了高滲透帶滲透率對累積產量和采出程度的影響。滲透率為30×10^－3μm²時，累積產量3447.6t，采出程度1.61%；滲透率為40×10^－3μm²時，累積產量5017.0t，采出程度2.1%；滲透率為50×10^－3μm²時，累積產量為5912.7.0t，采出程度2.42%。可見，隨著高滲透帶滲透率增加，累積產量和采出程度近似線性增加，當滲透率達到40×10^－3μm²以后，累積產量和采出程度增加趨勢減緩，高滲透帶優化滲透率的上限在40×10^－3μm²左右。高滲透帶滲透率的實現與儲層加砂量相關，因此，還需結合加砂規模優化，實現高滲透帶要求的滲透率。

3.2 QY2 井射孔簇數與施工規模優化

本井優化的高滲透帶數量為8簇，因此，射孔簇數為8簇。綜合選擇GR(自然伽馬)低、脆性礦物含量高、應力值相對較低的層段進行射孔，以有利于裂縫延伸起裂，形成縫網(圖11)。根據應力測試，QY2井最小主應力在22.1～32.4MPa之間，因此，支撐劑應滿足35MPa閉合壓力要求。

頁巖儲層改造后會形成比較復雜的網狀裂縫，裂縫寬度不足，加砂風險較大，采用20/40目陶粒20%與30/50目陶粒80%的組合支撐劑，實驗測試閉合壓力在34.5MPa時支撐裂縫滲透率是301.624μm²，本井取150μm²為地層支撐裂縫滲透率。根據式(5)計算了單簇高滲透帶不同砂量下的滲透率，同時數值計算了相應的10年累積產量(表3)。

從表3知，隨著加砂規模的增大，高滲透帶的滲透率和壓裂后的產量逐漸增大，當單簇高滲透帶加砂規模大于25m³時，累積產量增加趨勢減緩。由圖7和圖8數值模擬結果知本井優化的高滲透帶滲透率上限為40×10^－3μm²，對應的砂量為20～25m³。綜合考慮施工風險，建議本井高滲透帶滲透率取30×10^－3μm²左右，每簇高滲透帶的砂量為15～20m³。

結合射孔簇數和施工規模優化，本井每段射孔簇數和施工加砂規模如表4所示。

3.3 設計方法的現場實施

按照設計方案，對QY2井進行了橋塞式分段體積壓裂施工，射孔8簇，施工排量9.9～10.1m³/min，入地砂量135m³，入地液量1880.4m³，施工參數與優化設計參數完全相符。

4 結論

本文根據等效滲流原理，將頁巖儲層壓裂后形成的縫網等效為一個高滲透帶，建立體積壓裂縫網參數與施工加砂規模優化關系的模型，提出體積壓裂設計具體實施步驟，并對QY2井進行方法實施與驗證，得出以下主要結論。

(1)頁巖體積壓裂設計的步驟包括：體積壓裂的可行性研究，縫網參數優化，射孔簇數優化和加砂規模優化。三步驟緊密聯系，缺一不可，現場應用實踐表明本方法切實可行，可以推廣。

(2)影響頁巖儲層體積壓裂效果的主要參數為縫網數量、體積和滲透率。壓裂后累積產量和采出程度隨著縫網數量、體積和滲透率增加而逐漸增加，達到一定程度后增加趨勢減緩，存在最佳的縫網數量、體積和滲透率關系，同時頁巖油氣藏的采出程度低。

(3)頁巖油氣儲層致密，基本無自然產能，只有通過體積壓裂改造才能獲得產能，高滲透帶對產能的貢獻最大。

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(本文作者：茍波 郭建春 西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500)