壓裂充填防砂完井增產規律的數值模擬研究

梁 丹，康曉東，曾 楊，王旭東

（海洋石油高效開發國家重點實驗室，中海油研究總院有限責任公司，北京100028）

疏松砂巖油藏埋藏淺，儲層膠結疏松，油井出砂是開發過程中的主要問題之一［1-2］。采用常規防砂完井方式，在防止地層出砂的同時也限制了油井產能，對高效開發油田十分不利。 因此，針對疏松砂巖油藏出砂限產的問題， 上世紀末，Grubert提出了壓裂充填防砂技術［3］，用以控制地層出砂并有效提高油井產能。 雖然該技術已應用十多年，但研究領域主要集中在壓裂充填工藝、施工參數設計、裂縫展布和藥劑優選等方面［4-7］，對該技術的適應性研究涉及有限。 本文基于數值模擬方法，以油井產能為目標函數，對比分析了不同儲層物性、流體參數及井距等條件下壓裂充填防砂的增產效果，為該技術在現場應用中篩選出合適的油藏提供借鑒。

1 壓裂充填防砂完井技術概述

壓裂充填防砂完井技術是利用非常規壓裂技術，結合機械防砂工藝，達到控制地層出砂及提高油井產量的儲層改造工藝［8-9］。 其主要工藝流程是通過水力壓裂產生裂縫，然后用與地層砂粒度相匹配的礫石充填裂縫以及篩管與套管的環空 （見圖1）。

圖1 壓裂充填防砂完井示意圖

與低滲透儲層壓裂需要造長縫不同，壓裂充填通過控制攜砂液的砂比，促使儲層產生短而寬的裂縫，裂縫形成后，有效提升了近井地帶的滲流能力，達到增產的目的［10］。 裂縫及篩套環空充填的礫石形成了濾砂屏障，結合機械防砂，有效提高了防砂效果，同時，壓裂過程中對地層的擠壓也具有一定減緩地層出砂的作用。

2 壓裂充填井的產能影響因素分析

2.1 建立壓裂充填井典型數學模型

基于渤海疏松砂巖S油藏的地質特征，建立了一注一采的典型模型進行數值模擬研究， 采用的基礎參數見表1所示。 模型應用直角坐標系，網格劃分為：NxNyNz=15×27×32= 12 960個網格，網格大小為均質網格，Dx、Dy和Dz分別為50 m、50 m 和1 m。注采井都為定向井。 軟件為Petrel 的Reservoir Engineering模塊。 生產井按照定液量的工作制度設置。

表1 典型模型基礎參數

在Petrel軟件中，壓裂充填防砂完井和常規防砂完井的井身結構如圖2所示。 其中裂縫的位置、寬度、滲透率、角度等相關參數的設置見圖3所示。

圖2 Petrel軟件中的井身結構

圖3 裂縫參數的設置

2.2 不同因素對壓裂充填井產能的影響

基于建立的典型數學模型，研究了不同儲層物性、原油黏度及井距等因素對壓裂充填防砂井產能的影響。

為了定量評價壓裂充填防砂對油井產能的影響，定義了增產倍數：即壓裂充填與不壓裂充填情況下的米采油指數比值。 增產倍數一般大于1，數值越大，增產效果越好。 其計算公式如下：

式中：RH為增產倍數， 無因次；JH為壓裂充填井的米產油指數，m3/（d·MPa·m）；JO為不壓裂充填井的米產油指數，m3/（d·MPa·m）。

2.2.1 儲層平均滲透率

針對不同平均滲透率的儲層，對壓裂充填防砂后對產能的影響進行了敏感性分析，計算結果如圖4所示。

圖4 增產倍數與平均滲透率的關系曲線

從圖中可以看出，平均滲透率越高，壓裂充填后對產能提高的幅度越小，其原因是原始平均滲透率越高，產能原本相對較高，與原始平均滲透率較低的油藏相比，壓裂充填后，增產幅度自然有限。

2.2.2 滲透率級差

針對相同平均滲透率，但不同滲透率級差的儲層，對壓裂充填防砂后對產能的影響進行了敏感性分析，計算結果如圖5所示。

圖5 增產倍數與滲透率級差的關系曲線

從圖中可以看出， 在平均滲透率相同的情況下，隨著滲透率級差的變大，增產倍數有所提高，但是變化不明顯。

2.2.3 儲層厚度

針對不同厚度的儲層， 對壓裂充填防砂后對產能的影響進行了敏感性分析，計算結果如圖6所示。

圖6 增產倍數與儲層厚度的關系曲線

從圖中可以看出，儲層厚度越大，壓裂充填后產能提高的幅度越小，原因是儲層厚度大本身產能就相對較高，壓裂充填后，增產的效果自然不如薄儲層明顯。

2.2.4 低滲與高滲儲層厚度比

針對相同儲層厚度，但低滲與高滲厚度比不同的儲層，對壓裂充填防砂后對產能的影響進行了敏感性分析，計算結果如圖7所示。

圖7 增產倍數與低/高滲儲層厚度比的關系曲線

從圖中可以看出， 在儲層厚度相同的情況下，隨著低滲與高滲厚度比的增加，增產倍數變化不明顯。

2.2.5 原油黏度

針對不同原油黏度，對壓裂充填防砂后對產能的影響進行了敏感性分析，計算結果如圖8所示。

圖8 增產倍數與原油黏度的關系曲線

從圖中可以看出，原油黏度越小，壓裂充填后對產能提高的幅度越小， 原因是低黏原油流動性好，即使在不壓裂充填的情況下，產能都相對較高，壓裂充填后，增產的效果不如高黏原油明顯。

2.2.6 壓裂層位

對于非均質儲層，在壓裂充填過程中，不同滲透率層位的裂縫發育情況不一樣， 一般情況下，高滲層位的縫長比低滲層位的縫長發育短。 針對在高滲、低滲儲層中裂縫的縫長比，對產能的影響進行了敏感性分析，計算結果如圖9所示。

從圖中可以看出，高滲層如果不壓裂（縫長比為零），增產倍數最小。 壓裂后高滲、低滲層增產效果都很好，即使高滲的縫長相對較短。

圖9 增產倍數與壓裂層位的關系曲線

2.2.7 井距

針對不同注采井距， 對壓裂充填防砂后對產能的影響進行了敏感性分析（見圖10）。 可以看出，注采井距越小，增產倍數越大。 分析原因，主要是因為井距小，注水開發后含水快速上升，產油量下降快，壓裂充填后，相比于大井距，增產效果更加明顯。

圖10 增產倍數與注采井距的關系曲線

3 現場應用

S油田是渤海海域典型的疏松砂巖油田， 儲層含有大量的砂巖和粉砂巖， 膠結疏松， 成巖性差。2014年， 該油田N區塊新鉆4口調整井N1、N2、N3和N4（見圖11），各井之間相距約330～350 m，所開發的層位儲層物性相近（見表2）。

圖11 注采井位

表2 4口調整井的儲層物性參數

N1、N2和N3 井采用壓裂充填防砂完井方式，N4采用高速水礫石充填防砂完井方式。 4口井投產后， 產油量在一年左右達到高峰值并開始逐漸遞減， 但采用壓裂充填防砂完井的3口井的日產油量明顯高于采用高速水礫石充填的N4井，N1、N2和N3投產一年的平均日產油量是N4井的2.2～3.4倍，平均2.6倍，截止到目前累產油量是N4井的1.5～2.4倍，平均2.0倍，說明壓裂充填防砂完井增產效果明顯（見圖12）。

圖12 4口調整井的日產油量曲線

4 結語

（1）壓裂充填防砂完井技術不同于應用于低滲透儲層的常規壓裂技術， 將壓裂與機械防砂相結合， 通過壓裂產生短而寬的高導流能力滲流通道，礫石充填后又形成有效的防砂屏障，從而實現疏松砂巖油藏控制地層出砂及提高油井產量的目的。

（2）基于數值模擬方法對不同儲層、流體及井距等條件下的壓裂充填防砂增產效果進行了分析計算，其中增產效果對滲透率級差、低/高滲儲層厚度比、原油黏度的變化不敏感，與儲層滲透率、厚度及井距近似呈線性負相關的關系，因此對于滲透率相對較低、厚度較薄及井距較小的油井，應用壓裂充填防砂技術后，增產效果會更加明顯。

（3）渤海S油田的現場應用表明，壓裂充填防砂技術有效提高了單井產能，該技術對疏松砂巖油藏的長期穩產具有重要意義。