基于離散裂縫模型的復(fù)雜裂縫系統(tǒng)水平井動態(tài)分析

孫致學(xué)，姚 軍，樊冬艷，王月英，張礦生

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島266580;2.長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安710021)

水平井結(jié)合水力壓裂技術(shù)已成為油田增儲上產(chǎn)的必要措施，特別是對于低滲透以及非常規(guī)油氣藏的開采［1-3］。國內(nèi)外大量學(xué)者對壓裂水平井的流動形態(tài)及非穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能進行了研究，其中解析解主要以實空間及Laplace空間點源解為出發(fā)點［4-9］，假定裂縫面流量均勻分布，再用附加壓降的方式建立有限導(dǎo)流壓裂水平井模型，該方法并非把基巖和裂縫真正耦合求解，僅對均質(zhì)地層的橫向或縱向人工裂縫解析方法較為實用;由于地層構(gòu)造及壓裂工藝的復(fù)雜多樣，人工裂縫并非規(guī)則延伸，而是在周圍存在分支、傾斜和不對稱等復(fù)雜分布的情況［10-12］，此時解析方法往往較難，求解過程繁瑣。其次，對于常用的有限差分數(shù)值方法［13-15］，需要對人工裂縫進行局部網(wǎng)格加密處理，導(dǎo)致計算量巨大，且結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格無法準確刻畫人工裂縫的復(fù)雜分支結(jié)構(gòu)，因此筆者針對裂縫網(wǎng)絡(luò)采用有限元非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行剖分，且利用離散裂縫模型的思想［16-20］對人工裂縫進行降維處理，減小數(shù)值計算量;考慮人工裂縫內(nèi)流動，對基巖和裂縫的壓力值進行同時耦合求解，驗證算法的正確性并分析復(fù)雜裂縫系統(tǒng)下壓裂水平井的非穩(wěn)態(tài)流動。

1 復(fù)雜裂縫系統(tǒng)水平井模型的建立

1.1 物理模型

由于實際地質(zhì)構(gòu)造及壓裂工藝的多樣性，水平井進行多段壓裂改造，周圍往往出現(xiàn)復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)。為了更準確地模擬水平井壓裂改造后的流動形態(tài)及產(chǎn)量變化，模擬三維盒狀封閉油藏內(nèi)一口壓裂水平井，其中裂縫存在分支、交錯、傾斜等復(fù)雜形態(tài);油藏在x、y和z方向的長度分別為Xe、Ye和h，水平井長度為L。

假設(shè):對水平井段進行人工壓裂，裂縫條數(shù)為Nf，在裂縫擴展過程中可能產(chǎn)生復(fù)雜的分支小裂縫;巖石和流體均微可壓縮，且壓縮系數(shù)為常數(shù)Ct;裂縫為有限導(dǎo)流，假定地層和裂縫內(nèi)流體均服從達西滲流規(guī)律;水平井裸眼或射孔完井，若定井底流量生產(chǎn)時可分析水平井的不穩(wěn)定壓力動態(tài)，或者定井底流壓生產(chǎn)可得到水平井的動態(tài)產(chǎn)能;油藏等溫滲流，油層較薄不考慮重力的影響。

1.2 數(shù)學(xué)模型

基于離散裂縫模型的思想，分別建立流體在基巖和裂縫系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，由于均服從達西滲流規(guī)律，故基巖和裂縫系統(tǒng)的控制方程可統(tǒng)一寫為

其中

式中，l=m，f分別代表基巖系統(tǒng)和裂縫系統(tǒng);φl為基巖或裂縫系統(tǒng)的孔隙度，當裂縫系統(tǒng)無填充時φf=1，否則0＜φf＜1，因此該模型可以考慮人工裂縫被支撐劑充填的影響;Ct為綜合壓縮系數(shù)，10 MPa－1;pl為基巖或裂縫系統(tǒng)的壓力值，10-1MPa;Kl為基巖系統(tǒng)或人工裂縫系統(tǒng)滲透率張量，μm2;ql為點源單位體積流量，s－1;δ(M-M′)為 Delta函數(shù)，M=M′時等于1，其他情況等于0。

定義無因次參數(shù)為

式中，kc為參考滲透率值，本文取 kc=kxx，m，即基巖在x方向的主滲透率值。

定井底流量生產(chǎn)時，無因次壓力和流量的定義為

定水平井井底流壓生產(chǎn)時，無因次流量和壓力的定義為

化簡得到基巖系統(tǒng)的無因次數(shù)學(xué)模型為

人工裂縫系統(tǒng)的無因次數(shù)學(xué)模型為

式中，KfD為人工裂縫內(nèi)的無因次滲透率值;φfD=φf/φm為無因次裂縫孔隙度，即裂縫和基巖孔隙度比值;qfD為人工裂縫流入水平井筒的流量值。

2 復(fù)雜裂縫系統(tǒng)水平井模型的求解

在巖石力學(xué)中通常把裂縫描述為光滑平行板模型，裂縫中流體符合Navier-Stokes方程，當流動為層流時，可把其流量寫成等效的達西定律形式，即著名的立方定律［21］，由此得到裂縫的等效滲透率以及沿裂縫開度的滲流速度，此時沿壓裂縫開度方向流動參數(shù)及相關(guān)的物理量為常數(shù)，因此可對裂縫進行降維處理，建立離散裂縫模型。在三維問題中，裂縫簡化為二維的面單元，如圖1所示。為了保證積分值相等，須在面積分前乘以裂縫開度，該方法大大減少了網(wǎng)格剖分數(shù)目，提高了數(shù)值計算效率。

圖1 離散裂縫模型示意圖Fig.1 Schematic of discrete-fracture model

此時，油藏Ω分為基巖Ωm和裂縫Ωf兩部分，用F代表油藏的流動方程，則其積分形式可表示為

對于離散裂縫模型，其相應(yīng)的積分形式簡化為

式中，af為無因次裂縫開度值。

首先，對基巖系統(tǒng)進行單元特性分析，采用三維四面體單元進行剖分，并選取一次單元形函數(shù)，則基巖系統(tǒng)任一點的壓力值可近似為

其中

式中，Ne，m為單元的形函數(shù);Pe，m為該單元節(jié)點處的壓力值。

對方程(2)中的控制方程單元積分，并利用高斯分部積分公式可得到四面體單元的特性矩陣為

其中

同理，對復(fù)雜裂縫系統(tǒng)采用二維三角形單元進行剖分，可得裂縫的單元特性矩陣為

其中

把基巖和人工裂縫單元矩陣和列陣進行組合得到油藏的整體矩陣和列陣，如圖2所示。油藏結(jié)點總數(shù)為 Np，P= ［p1，p2，……，pNp］T，為了方便起見，油藏的整體方程組記為

圖2 基巖和裂縫單元組合示意圖Fig.2 Schematic of implementation for matrix and fracture element

系數(shù)矩陣包括基巖和裂縫兩部分，即

在時間上對方程(9)采用隱式向后差分格式，則得到相應(yīng)的有限元法支配方程為

若水平井定產(chǎn)量生產(chǎn)，則方程組(10)右邊項已知，直接求解方程組得到水平井井底的壓力值。若定井底流壓生產(chǎn)，則在井點處采用Peaceman方程［22］對產(chǎn)量進行處理，首先得到各點的壓力值，再代入方程求解得到井底對應(yīng)各節(jié)點處的流量值。

3 模型的驗證及動態(tài)分析

3.1 模型的正確性驗證

為了驗證新模型有限元求解的正確性，對常規(guī)的壓裂水平井模型進行求解，如圖3所示。在此分別計算了水平井壓裂前和壓裂后的流動形態(tài)，其中盒狀封閉油藏水平井和人工裂縫的無因次參數(shù)為:油藏XeD=12，YeD=12，hD=0.1，水平井長度LD=1，三條裂縫在x方向無因次坐標(-0.4，0，0.4)，無因次裂縫半長xfD=0.05，裂縫滲透率kf/km=1000，無因次裂縫開度af=10-5。

圖3 常規(guī)壓裂水平井示意圖Fig.3 Schematic of conventional fractured horizontal well

首先，水平井壓裂前無需考慮人工裂縫，此時與經(jīng)典的Odeh水平井模型［23］解析解進行對比，設(shè)置新模型中人工裂縫滲透率為0，計算結(jié)果如圖4所示，可見新模型的有限元數(shù)值解與解析解結(jié)果一致，一方面說明了編制的有限元數(shù)值算法正確，同時新模型也適用于未壓裂水平井的模擬計算。

其次，對水平井進行人工壓裂，假設(shè)只有裂縫向水平井井筒供液，與Zerzar［5］利用Laplace空間點源得到裂縫流量均勻分布時壓裂水平井解析解進行對比，其中新模型假定裂縫內(nèi)流體服從達西滲流規(guī)律，此時得到的壓裂水平井流動形態(tài)對比如圖5所示，由圖5可見兩模型的流動形態(tài)基本一致，都存在裂縫線性流、裂縫徑向流、地層線性流及地層徑向流4個流動階段，但由于新模型中裂縫內(nèi)部為達西滲流，所以存在裂縫內(nèi)部的徑向流動階段，因此在新模型下壓裂水平井的流動過程包括邊界影響為6個流動階段:A——裂縫內(nèi)徑向流、B——裂縫線性流、C——裂縫徑向流、D——地層線性流、E——地層徑向流、F——到達邊界的擬穩(wěn)態(tài)。

圖4 本文模型與Odeh模型對比Fig.4 Comparison of presented model and Odeh model

圖5 本文模型與Zerzar模型的壓裂水平井流動形態(tài)對比Fig.5 Comparison of presented model and Zerzar model for fractued horizontal well flowing performance

3.2 復(fù)雜裂縫系統(tǒng)下水平井動態(tài)分析

依據(jù)實際地質(zhì)構(gòu)造及分支裂縫延伸情況，本文中構(gòu)造了一口水平井周圍存在復(fù)雜的分支裂縫，該模型更符合實際油藏中水平井壓裂后的裂縫展布，其剖面如圖6所示，各分支裂縫由2階貝塞爾曲線在z方向上延伸得到，由于在z方向裂縫全部穿透地層，故只給出各節(jié)點平面上的無因次坐標值(表1)。若能通過微地震等現(xiàn)代檢測技術(shù)得到水平井周圍實際的裂縫分布，也可以構(gòu)造相應(yīng)的水平井裂縫系統(tǒng)，并對其進行壓力及產(chǎn)能動態(tài)分析。

圖6 復(fù)雜裂縫系統(tǒng)下水平井剖面圖Fig.6 Profile map of horizontal well with complex fracture system

表1 各裂縫分支的無因次平面坐標Table 1 Dimensionless plane coordinates of fractures

3.2.1 壓力動態(tài)分析

若假定水平井定產(chǎn)量生產(chǎn)，水平井射孔完井，流體只能通過裂縫流入水平井井筒，且裂縫和地層均服從達西滲流規(guī)律。盒狀封閉油藏水平井和人工裂縫的無因次參數(shù)為:油藏 XeD=12，YeD=12，hD=0.1，水平井長度LD=1，3條裂縫在x方向無因次坐標(－0.4，0，0.4)，無因次裂縫半長 xfD=0.05，裂縫滲透率kf/km=1000，無因次裂縫開度af=10－5?；陔x散裂縫模型把裂縫簡化為面單元，水平井為線單元，利用四面體單元和三角形單元對模型進行剖分，且為了在較小的時間步長下結(jié)果更準確，對裂縫周圍進行加密處理，得到壓裂水平井周圍的網(wǎng)格剖分圖，如圖7所示。

為了方便對比，把復(fù)雜裂縫系統(tǒng)下水平井和常規(guī)壓裂水平井的無因次流量及壓力動態(tài)進行對比得到圖8、9。由圖8可見，隨裂縫分支的增加，外部裂縫所占流量的比例增大，內(nèi)部裂縫的流量比例相對減小，總體來說相對流量的變化并不是很大;但由圖9可見復(fù)雜裂縫壓力值一直小于常規(guī)壓裂水平井，由于裂縫分支增加了地層的改造體積，減少了滲流阻力，因此復(fù)雜裂縫條件下壓裂水平井總產(chǎn)量增大;其次相對于常規(guī)壓裂水平井的流動形態(tài)，復(fù)雜裂縫情況下裂縫內(nèi)的徑向流動和裂縫線性流不再出現(xiàn)，而是很快過渡到裂縫周圍的徑向流動，到達地層線性流后，與常規(guī)壓裂水平井壓力及壓力導(dǎo)數(shù)曲線逐漸靠近，且同時達到地層徑向流動階段，說明壓裂水平井裂縫擴展的復(fù)雜性，對壓裂水平井晚期的流動影響不大，早期影響比較明顯。

圖7 復(fù)雜裂縫系統(tǒng)下水平井網(wǎng)格剖分Fig.7 Meshing diagram of horizontal well with complex fracture system

圖8 水平井各裂縫無因次流量對比Fig.8 Dimensionless flux distribution of horizontal well fractures

圖9 復(fù)雜與常規(guī)壓裂水平井流動形態(tài)對比Fig.9 Inflow performance comparison of complex and conventional fractured horizontal well

3.2.2 不穩(wěn)定產(chǎn)能

為了說明分支裂縫對水平井壓裂產(chǎn)量的影響，假定復(fù)雜裂縫系統(tǒng)下水平井定井底流壓生產(chǎn)，水平井射孔完井，流體只能通過裂縫流入水平井井筒，且裂縫和地層均服從達西滲流規(guī)律，得到復(fù)雜和常規(guī)壓裂水平井的產(chǎn)量(圖10);此時油藏及裂縫的基本參數(shù)為:油藏尺寸600 m×600 m×5 m，水平井長300 m，利用無因次定義可得到分支裂縫參數(shù)，人工裂縫開度3 mm，地層初始壓力14.6 MPa，井底流壓10 MPa，地層平均滲透率 0.1 ×10－3μm2，人工裂縫內(nèi)的滲透率為10 μm2。

圖10 復(fù)雜與常規(guī)壓裂水平井日產(chǎn)量和累積產(chǎn)量對比Fig.10 Productivity and cumulative yield comparison of complex and conventional fractured horizontal well

由圖10可見，壓裂水平井日產(chǎn)量隨生產(chǎn)時間逐漸減小，同時復(fù)雜裂縫系統(tǒng)下產(chǎn)量明顯高于常規(guī)壓裂水平井的產(chǎn)量，主要由于裂縫分支擴大了儲層改造體積(SRV)，減小了流體流入井筒的滲流阻力，大大增加了壓裂水平井的產(chǎn)量值;常規(guī)壓裂水平井生產(chǎn)三個月后的產(chǎn)量大約有4 m3/d，而復(fù)雜裂縫系統(tǒng)下水平井產(chǎn)量為8 m3/d，可見分支裂縫不但增加了油井產(chǎn)量也延緩了水平井產(chǎn)量遞減的速度，水平井壓裂過程中對裂縫分支的研究非常必要。

4 結(jié)論

(1)與常規(guī)壓裂水平井Zerzar模型解析解對比結(jié)果說明了數(shù)值算法的正確性，同時指出壓裂水平井到達邊界前，除了裂縫周圍線性流、裂縫周圍徑向流、地層線性流和地層徑向流動之外，還可能在最早期出現(xiàn)裂縫內(nèi)的徑向流動。

(2)定井底流量生產(chǎn)時，裂縫分支對壓裂水平井晚期的流動影響不大，早期影響比較明顯，外部裂縫產(chǎn)能所占比重相對增加;定井底流壓生產(chǎn)時，復(fù)雜裂縫大大增加了儲層改造體積，減小了滲流阻力，提高了水平井產(chǎn)量，同時延緩了產(chǎn)量遞減速度。

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