应力干扰对致密油体积压裂水平井产能的影响

刘立峰,冉启全,王　欣

(1.中国石油勘探开发研究院 油气开发计算机软件工程研究中心,北京　100083;2.中国石化石油勘探开发研究院 提高采收率技术研究所,北京　100083)



应力干扰对致密油体积压裂水平井产能的影响

刘立峰1,冉启全1,王欣2

(1.中国石油勘探开发研究院 油气开发计算机软件工程研究中心,北京100083;2.中国石化石油勘探开发研究院 提高采收率技术研究所,北京100083)

致密油储层的孔喉细小,渗透率低,油井没有自然产能,开发难度大。水平井体积压裂是致密油开发的主要手段。目前关于水平井体积压裂下的致密油产能预测模型研究，均没有考虑到裂缝之间应力干扰的影响,计算结果往往偏大。该文研究了裂缝之间应力干扰对水力裂缝宽度变化的影响,分析了应力干扰对于致密油体积压裂水平井产能的影响。研究结果表明，裂缝之间的应力干扰会降低水平井的产能,在考虑应力干扰的时候,水力压裂的最优裂缝数目会减小,而且裂缝的高度对水平井产能的影响较大。

应力干扰;致密油;水平井;体积压裂;产能

随着常规油气的日趋衰竭,非常规油气越来越引起人们的重视,致密油作为非常规油气的重要组成部分，资源量大,分布范围广,具有非常大的开发潜力。水平井和体积压裂是致密油开发的关键技术。目前，针对致密油体积压裂水平井的预测模型研究比较多[1-8],但这些研究大部分都是从常规油藏的开发方式出发，以渗流力学为基础进行的,均没有考虑到裂缝之间应力干扰的影响。而室内试验和现场生产数据都表明,在致密储层中，由于压裂段数目较多,裂缝间距较小,在进行水平井体积压裂的时候,裂缝之间的应力干扰对于裂缝的形态具有比较明显的影响[9-13]。该文进行了裂缝之间应力干扰的研究,并通过案例计算分析了应力干扰对于致密油体积压裂水平井产能的影响。

1　致密油水平井压裂缝间的应力干扰

当沿着水平井筒的水力压裂缝间距很小的时候,由于裂缝的存在会产生诱导应力,裂缝之间的原始地应力场就会受到诱导应力的干扰。从裂缝中心开始,在沿着水平井井筒方向产生的诱导应力为

(1)

其中：x是水平井水平段的方向；ΔσI=pf-σh是裂缝i内的净压力；pf是裂缝内压力；σh为最小水平主应力；h为裂缝高度；dij是裂缝i和裂缝j之间的距离。

沿着水平井筒方向的诱导应力变化如图1所示。从图1中可以发现，沿着水平井井筒方向的诱导应力衰减非常快,并且在距裂缝1.5倍缝高长度的地方诱导应力就变的很小了。

在不考虑应力干扰的情况下,水力裂缝中间位置的裂缝宽度为[14]

(2)

图1　沿着水平井筒方向的诱导应力变化Fig.1　The induced stress changes along the horizontal wellbore direction

考虑应力干扰的时候,近裂缝的诱导应力会附加在原始地应力场上,因此这个时候的缝内净压力有

p=pξ-Δσxx。

(3)

其中：pξ是水力裂缝ξ在没有考虑应力干扰时候的原始净压力。将公式(3)带入公式(2)中得到在应力干扰条件下水力裂缝ξ中间位置的缝宽公式

(4)

由公式(4)可以计算由于应力干扰造成的水力裂缝宽度的变化

(5)

由于在距离裂缝一段距离以后,诱导应力会变得非常小,在只考虑相邻裂缝之间的干扰作用的时候,水平井两端最外侧的水力裂缝就只受到旁边一条裂缝的影响,而内部的裂缝会受到左右两边裂缝的影响。利用公式(5)可以计算等间距裂缝外侧裂缝和内部裂缝在应力干扰下的缝宽

(6)

wo=

(7)

其中：wi是内部裂缝的缝宽；wo是外部端点裂缝的缝宽。

2　应力干扰对体积压裂水平井产能的影响

在椭圆坐标下，致密油藏压裂水平井单条裂缝的产能公式为[15]

(8)

根据压降叠加原理可以得到多条裂缝之间压力降落的叠加关系

(9)

不考虑水平井筒的压降影响,有

pw1=pw2=pw3=…=pwn。

(10)

压裂水平井的产量为

(11)

当考虑应力干扰的时候, 每条水力裂缝的宽度不再相等, 水平井的产量也会发生变化。 以新疆油田J井为例进行产能计算。 J井的具体参数如下: 初始地层压力pi=38 MPa, 储层渗透率Ki=0.01×10-3μm2,孔隙度φ=8.9%,地层综合压缩系数Ct=2.3×10-3MPa-1,地层原油的黏度μ=0.776 mPa·s,储层有效厚度h=10 m,井筒半径rw=0.1 m,生产压差Δp=10 MPa,水平井长800 m,水力压裂形成15条裂缝。

计算结果如图2所示。由图2可以发现,在考虑应力干扰情况下的产量计算结果和实际生产曲线基本吻合。如果不考虑应力干扰的影响,计算的产量会大于实际产量。而且，由于应力的干扰作用,生产初期产量减少的较多,后期减小较少。这说明应力干扰对递减期产量的影响较大,对后期稳产阶段的影响较小。

图2　应力干扰对水平井产能的影响Fig.2　The stress effect on the productivity of horizontal wells

当水平井长度一定的条件下,水力裂缝的数目越多,裂缝之间的间距就越小,应力干扰的影响也就越大。因此，裂缝之间的应力干扰对于压裂裂缝条数的优化也有很大影响。分别对考虑应力干扰和不考虑应力干扰两种情况下的裂缝数目进行优化,计算结果如图3和图4所示。

图3　不考虑应力干扰条件下不同裂缝条数的水平井产能Fig.3　The productivity of horizontal wells in different crack numbers without the consideration of stress interference

图4　考虑应力干扰条件下不同裂缝条数的水平井产能Fig.4　The productivity of horizontal wells in different crack numbers with the consideration of stress interference

从计算结果中可以发现，当不考虑应力干扰的时候,水力裂缝数目在大于16条的时候,产量的变化就不大了,因此最佳的裂缝条数为16条。考虑应力干扰的时候,裂缝数目大于14条,产量的增长就开始减小了,因此最优的裂缝条数为14条。这说明由于应力干扰的影响,水力压裂最优的裂缝数目会有所减小。

从公式(1)可以看出,裂缝的高度对于诱导应力的大小具有影响,从而会影响裂缝的宽度,并最终影响油井产能。分别针对考虑应力干扰和不考虑应力干扰的两种情况下计算不同的裂缝高度对产能的影响,结果如图5和图6所示。

图5　不考虑应力干扰条件下不同裂缝高度的水平井产能Fig.5　The productivity of horizontal wells in different crack heights without the consideration of stress interference

图6　考虑应力干扰条件下不同裂缝高度的水平井产能Fig.6　The productivity of horizontal wells in different crack heights with the consideration of stress interference

从图5，6中可以看出,在不考虑应力干扰的情况下,随着裂缝高度的增加,水平井的产油量增加,但增加的幅度越来越慢;考虑应力干扰的时候,随着裂缝高度的增加，水平井的产量反而开始下降,这是由于裂缝高度的增加而导致诱导应力的增加,从而减小了裂缝的宽度而引起的。从计算结果可以发现,水平井的产量对于裂缝高度的变化比较敏感。

3　结　论

1)裂缝间的应力干扰对致密油体积压裂水平井的产能具有明显影响,由于应力干扰,水平井的产能会有所降低。

2)在进行水力裂缝数目优化设计的时候,由于应力干扰的影响,实际最优的裂缝数目会有所减少。

3)因为应力干扰的作用,水力裂缝的高度对水平井产能的影响较大：随着裂缝高度的增加,水平井产能下降。

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(编辑雷雁林)

Effects of stress interaction on the productivity of fractured horizontal wells in tight oil reservoirs

LIU Li-feng1， RAN Qi-quan1， WANG Xin2

(1.Software Research Center of Oil & Gas Development, PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China; 2.Enhanced oil Recovery Research Department， Sinopec, Petroleum Exploration & Production Research Institute, Beijing 100083, China)

Pore and throat in tight reservoirs are very tiny, and the reservoirs′ permeability is very low, tight oil wells have no natural productivity, and the development is difficult. Horizontal wells and network fracturing are two key elements in the development of tight oil. But these studies of productivity models of network fracturing tight oil horizontal wells did not take the influence of stress interference into account, the results are often too large. This paper studied the stress interference between fractures and analysed effects of stress interaction on the productivity of fractured horizontal wells in tight oil reservoirs. Results show that the stress interaction reduce the productivity of horizontal wells. The optimum fracture number of hydraulic fracturing will be reduced considering the stress interaction, and the crack height has a large influence on the productivity of horizontal wells.

stress interference; tight oil; horizontal wells; network fracturing; productivity

2014-12-25

国家863基金资助项目(2013AA064902);中国石油天然气股份公司科技基金资助项目(2014-40223-000007)

刘立峰，男，河北廊坊人，博士，从事致密油气开发产能评价与预测方法研究。

TE349

ADOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-01-019