采用数值模拟方法优化水平气井压裂参数

采用数值模拟方法优化水平气井压裂参数

谭海嵘

杨德冰

唐直平

①②

③

③

（长江大学研究生部

②川庆钻探长庆工程技术研究院③吐哈油田井下技术作业公司）

①摘要关键词本文通过数值模拟方法，以实际气藏为基础进行模拟，对裂缝长度与方位、裂缝导流能力和压裂级数进行了优化设计。结果表明，当水平井水平段的延伸方向垂直于最大水平地应力方向时，随着垂直缝长度的增加和导流能力的提高，水平井累积产气量也呈上升趋势，但上升速度逐渐变缓。压裂后，裂缝数目越多的气井，日产量越大，但随着生产时间的延续，日产量之间的差距越来越小。这为低渗气藏压裂方案设计提供一些理论依据。

水平井压裂数值模拟裂缝级数裂缝导流能力近年来，随着勘探开发实力的提升，水平井钻井技术的进步和钻井成本的降低，一些低渗透的油气藏被陆续发现和开发利用起来。水平井所具有的泄油面积大、单井产量高、穿透度大、储量动用程度高的优点被广泛地应用于各种气藏开发中。但是由于气藏的储量有限，在开发一段时间后，产量往往达不到经济开发要求，通常需要对气井进行增产改造。而水平井压裂改造的基础在于压裂参数的优化设计。因此，本文通过数值模拟方法，对这些压裂参数包括裂缝长度、裂缝方位、裂缝导流能力和压裂级数（即裂缝条数）进行了初步的预测，

这些数据可以为水平井压裂方案设计提供相应的参考。（１）裂缝长度的优化。为了研究水平井压裂裂缝长度对水平井产能的影响，本文以国内某气藏基本储层参数为基础，建立数值模拟机理模型，模型所选用的网格为：ｘ×ｙ×ｚ＝６０×６０×９，在缝长与缝宽所在的平面上所选用的网格步长相等，即ＤＸ＝ＤＹ＝２０ｍ，而缝高选择的是ＤＺ＝２ｍ，模型能代表的实际区域大小为１２００ｍ×１２００×１８ｍ。

根据该区块气藏工程关于井网井距的研究成果，水平井单井控制面积可认为是１２００ｍ×６００ｍ，如果在该区域中部署２口水平井，水平段长度设为８００ｍ，水平井间距设为６００ｍ，水平井压裂投产后，采取定产气量衰竭式开采，设定初期产能水平为６００００ｍ／ｄ，模拟时间１５年，而且每口井有４条压裂缝，裂缝导流能力取为３０×１０・ｃｍ。考虑到地应力的方向问题，一般部署水平段垂直于最大主应力方向的水平井。因此，水平井的最优方位是水平段垂直于最大主应力方向的水平井，且裂缝方位平行于最大主应力方向。

所建立的机理模型如图１所示。

模拟方案设计：设计２０ｍ、１００ｍ、２００ｍ、３００ｍ、４００ｍ、５００ｍ共计６个不同裂缝长度的模拟方案，以研究在不同裂缝长度条件下，采用不同的方案对应累积产气量的变化情况，对比各方案，确定合理的裂缝长度。

经模拟计算得到的裂缝长度与累积产气量的关系如图２所示。由图２可以看出，随着裂缝长度的增加，水平井累积产气量也呈上升趋势，但上升速度逐渐变缓，在裂缝长度超过３００ｍ之后再增加裂缝长度累积产气量增长速度明显变缓。这是因为在压裂气井中，气体渗流速度快，气体流入井的流动由达西流转变为非达西流。由于非达西流动的影响，使得裂缝内和地层内气体流人井筒的流量相对减少，因此气井的产量增加幅度有所减小。因此，合理的裂缝长度应该在２００～３００ｍ之间，即裂缝半长应该在１００～１５０ｍ之间。

（２）裂缝方位的优化。裂缝方位是指裂缝与水平井筒之间的夹角。为研究裂缝方位对水平井产能的影响，选取同样的模型进行数值模拟，并将裂缝半长设为１００ｍ，选择裂缝与水平段垂直和裂缝与水平段呈一定的夹角２个不同裂缝方向的模拟方案，以研究裂缝方向与水平段延伸方位夹角对累积产气量的影响。

所建立的机理模型如图３和４所示。

经模拟计算得到的各方案累积产气量的关系如图５所示。

由图５可以看出，当裂缝方向与水平段垂直的时候，水平气井累积产气量要高于裂缝方向与水平段成４５°时的累积产气量。这是因为当缝的长度和缝的条数一定、裂缝与井筒角度较大时，缝间干扰小，产能较大，因此，在进行压裂设计时，裂缝的方位与水平段延伸方向垂直或接近于垂直，以提高压裂水平井产能。

（３）裂缝导流能力优化。裂缝导流能力对压裂水平井产能影响较大，当储层渗透率、裂缝长度和裂缝条数和裂缝的方位确定时，可能存在一个最佳裂缝导流能力值。本文选取同样的模型进行数值模拟，将裂缝半长设为１００ｍ，裂缝方向与水平段垂直，不考虑水平井多条垂直裂缝相互干扰，设计不同的导流能力，以研究与之相对应的产量。

方案所设的计裂缝导流能力分别为０、５、１０、１５、２０、３０、４０、５０、６０×１０・ｃｍ共９个模拟方案，以便于对比。随着裂缝导流能力的增加，累积产气量也会随之发生变化。方案最终通过累积产气量来优选比较合适的裂缝导流能力。

裂缝导流能力与方案累积产气量之间的关系曲线如图６所示。

从图６可以看出，随着裂缝导流能力的提高，水平井压后产能增加，但增加幅度逐渐变缓，这与裂缝长度对产量的影响结果很相似。当裂缝导流能力达到３０×１０・ｃｍ以后累积产气量上升趋势变缓，因此在理论上，合理的裂缝导流能力应在２０～３０×１０・ｃｍ之间。但是，最佳的裂缝导流能力与气藏基质渗透率相关。对于非均质气藏来说，还要参考其他的因素才能确定最佳导流能力。同时，在一定裂缝长度和裂缝的条数下，裂缝导流能力的增加，势必使压裂的加砂量增加，导致施工成本增加。在设计时应合理选取合适的

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压裂参数的优化设计

图２裂缝长度与累积产气量的关系图

图５裂缝方位与水平段垂直和成４５°时对应累积产气量

图６裂缝导流能力与累积产气量关系图

图１不同裂缝长度方案模型示意图图３裂缝与水平段垂直图４裂缝与水平段有夹角

导流能力，使得压裂井的潜能得到较好地发挥，又获得好的经济效益。

（４）压裂级数的确定。对于实际油气田生产来说，裂缝条数是影响产能的一个重要参数。合理的裂缝间距应综合考虑储量动用程度并能保证水平井具有较高的产能。如果裂缝间距过大，会造成裂缝间

储量的损失；间距过小，裂缝之间存在相互干扰现象。

方案采用与裂缝长度和方位优化方案相同的模型，设计裂缝条数为０、１、２、３、４、５、６共７个模拟方案，裂缝沿水平段均匀分布，对应水平井压裂级数为１、２、３、４、５、６、７段，对比随着裂缝条数的增加，各方案累积产气量变化情况，并优选合适的裂缝条数。

不同裂缝条数的方案机理模型如图７～图８所示。

裂缝条数与方案累计产气量之间的关系曲线如图９所示。

由图９可以看出，在压裂后气井投产初期，裂缝数目越多，生产气井的累积产气量越大，但随着生产时间的延续，不同裂缝条数下的井日产量之间的差距越来越小，但当裂缝条数超过４条之后上升趋势明显变缓，因此可取４条作为合理的裂缝条数。（１）对于低渗透气藏，裂缝越长产量越高，但增加幅度逐渐减小，而随裂缝长度增加，其施工难度和投资都随之增加，长度的最优值应综合考虑，对特定的地层存在一个最佳值。

（２）对于水平气井而言，裂缝方位与水平井垂直时最优。考虑压裂缝方向往往平行于最大水平地应力方向，因此在水平井压裂设计时，水平井水平段的延伸方向应垂直于最大水平地应力方向。（３）合理裂缝导流能力在理论上应在２０～３０×１０・ｃｍ之间，但还应考虑储层的非均质性影响及施工成本等。

（４）裂缝数目越多，生产气井的累积产气量越大，但当裂缝条数超过一定条数之后上升趋势明显变缓，该水平井将４条裂缝作为合理的条数。

［２］

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图９裂缝条数与累积产气量关系曲线图

２

结论

参考文献

作者简介［１］刘振宇，刘洋，等．人工压裂水平井研究综述［Ｊ］．大庆石油学院学报，２００２，１２（４）：６９－７１

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［３］ＪｏｓｈｉＳＤ．ＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＷｅｌｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｍ］．ＵＳＡ：ＰｅｎｎｗｅｌｌＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏｒｐ，１９９１

［４］牛祥玉．低渗透油藏压裂水平井地质优化设计技术［Ｊ］．石油天然气学报，２００９，３１（２）：１２０－１２２

谭海嵘（１９７９－），钻井工程师，毕业于江汉石油学院自

动化专业，现为长江大学在读工程硕士，目前从事油气油气井工程方向研究工作。（收稿日期：２０１０－１１－１７）

图７两条裂缝的机理模型图８四条裂缝的机理模型

（接８５页）象一样，应该持有一种更开放和更宽容的态度来接受它。教师应有意识地让学生阅读一些中国出版的中国英语刊物如ＣｈｉｎａＤａｉｌｙ，２１ｓｔＣｅｎｔｕｒｙ，ＥｎｇｌｉｓｈＷｏｒｌｄ，ＣｈｉｎａＴｏｄａｙ；一些翻译成英文的中国小说、散文及诗歌；收看中国中央电视台国际频道的一些英语节目如：ＣＣＴＶＮｅｗｓ；收听有声媒体如：ＣｈｉｎａＲａｄｉｏＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ等。大学英语教学必须面对中国国情，结合中国的社会生活，只有这样，才能使中国英语更好地描述中华文化和社会中那些独特的事物，以促进东西方世界的沟通，理解与合作。

中国的英语教学呼唤着中国文化的声音。引入“中国英语”教学是一个全新的理念，是深化英语教学改革中值得探索的新课题。这一理念的有效实施，在很大程度上取决于英语教师的中国文化能力和“中国英语”能力。因此，大学外语教师应重新审视原有的语言及文化观念，尽快提高自身的汉语文化修养及英语表达能力。

参考文献．

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王若水（１９８１－），女，任教于新乡学院公外部，助教。研究方向：英语教学法及英美文学。

（收稿日期：２０１０－１２－１７）

椝（接８４页）斯宾塞曾经说过“教育要尽量使学生在快乐中掌握知识。学生欲望的正当满足能导致精神的愉快。而反过来，又能成为求知的动力”。根据教育部启动的新一轮大学英语教学改革所确立的大学英语教学目标就是培养学生英语综合应用能力，特别是听说能力，同时增强学生的自主学习能力，提高其综合文化素养，以适应国内经济发展和国际交流的需要。大学英语教学改革的根本目标就是实施素质教育。而素质教育的核心是不断优化教育教学过程，把课堂教学和素质教育有机结合起来，才能实现素质教育的最终目标。为了达到这一目标，应在课堂教学过程中采用“愉快教育”。

“愉快教育”是一个古老而常新的课题。它的推行，既是时代发展的要求，也是教育内在规律演进的趋势。然而“愉快教育”的理论体系和教学模式还有待于进一步完善和发展，其理论体系和教学模式的构建必须有坚实的科学基础，如教育学、心理学、教育心理学、语言学、语言教育学、教学法等。期望更多的同行能对“愉快教育”开展广泛的研究。

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鲍仁国（１９７５－），湖州师范学院外国语学院，助教。研究方向：英语教学和文化研究。

（收稿日期：２０１０－１２－２３）