压裂水平井裂缝参数优化研究
吴晓东，安永生
（中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京 昌平102249）
摘要：结合我国实际低渗透油田，在单井和井网两种条件下，对影响压裂水平井产能的几个裂缝参数进行了分析。结果表明：在单井情况下，裂缝井的产量随着裂缝条数、裂缝长度、裂缝高度的增加而增加；裂缝与水平井最优夹角应为75～90度，裂缝高度应至少达到油层厚度的70%；在裂缝总长度一定的情况下，为了避免缝间干扰造成产量损失，压裂时应尽可能使两侧缝长大于中间缝长。在五点法井网条件下，采用压裂水平井作为生产井时，压裂缝应尽量与水平井筒保持垂直，裂缝的半缝长应在100～200m之间；最优的裂缝条数应控制在3～5条；裂缝的导流能力应选择在30μm2·cm为宜，在条件允许的情况下，为了获得较高的累积产油量可以适当增加裂缝的导流能力；由于裂缝间距对压裂水平井累积产油量的影响较大，所以，应在充分考虑水平井长度以及水平井在井网中位置的基础上确定裂缝间的距离。
关键词：压裂水平井，半解析模型，产能，低渗透油藏
中图分类号：TE348 文献标识码：A
Study on Fracture Parameter Optimization of Fractured Horizontal Well
WU Xiao-dong, An Yong Sheng
MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering in China University of Petroleum, Beijing 102249
Abstract: The semi-analytic productivity model of fractured horizontal is used to study on fracture parameter Optimization of fractured horizontal well in China. In addition, some fracture parameters that influence the productivity of the fractured horizontal well are studied under the condition of single well and well pattern, and some useful conclusions are drawn from the study. The result shows that, in the condition of single well, as the number, length and height of fractures increase, the production increase; when the angle between the fracture and horizontal well is 90 degree, the increase of the production with the length of the fracture is linear, with the decrease of the degree, the tendency of production increase also flatten out. In order to obtain higher yields, the angle between the fracture and horizontal well should be between 75 to 90 degree, and the height of the fracture should be 70 percent of the reservoir thickness. When the total length of the fracture is certain, for the purpose of reducing the interference among the fracture, the length of the outer fractures should bigger than that among the inner fractures. And under the condition of well pattern, when using fractured horizontal well as producing well in five-spot pattern, fracture should be Perpendicular to horizontal hole. fracture half-length should be between 100 and 200 meters. The optimal fracture number is from 3 to 5, and flow conductivity of fracture should be 30μm2﹒cm. It can increase that values if the condition is allowable in order to get more cumulative oil production. Because the effect of fracture interval on cumulative oil production is great, we shoule take the length of horizontal well and the position of horizontal well in well pattern in consideration to fix the fracture interval.
Key words: fractured horizontal well；productivity；low permeability oil reservoirs
1.前言 平井技术来提高油层产能。压裂水平井增产的机理是
国内外油田生产实践证明，压裂水平井是开发低将原来水平井的径向渗流模式改变为线性渗流模式，渗透油气藏的重要途径，由于水平井本身对油层具有径向流的特点是流线向井高度集中，井底渗流阻力大，很大的穿透度，再加上压裂后形成的裂缝作为油流通而线性流的特点是流线平行于裂缝壁面，其渗流阻力道，可以大大提高油井的产能，扩大单井泄油面积，相对小得多[1-2]。在开发过程中，压裂水平井通过改变因此，对于低渗透、特低渗透油田，往往采用压裂水近井地带流体的渗流方式和增加泄油面积，最终提高
了油井单井产量和采收率。深入研究压裂水平井具有重要的意义，压裂水平井的裂缝参数优化研究就是其中一个非常关键的问题[3-7]。
压裂水平井的裂缝参数优化研究是压裂后水平井经济评价的重要因素，也为水平井的压裂设计和施工参数的优化奠定基础。因此，如何对压裂水平井的裂缝参数进行优化设计，使其安全、高效的发挥最大产能是目前需要迫切解决的问题。
2．单井条件下压裂水平井裂缝参数优化研究
以西部某油田实际区块数据为基础（见表1），对压裂水平井产能的影响因素进行研究。
表1 模拟主要参数表
参数名称 油层厚度，m 地层深度，m 地层压力，MPa 井底流压，MPa 地层孔隙度，% 储层渗透率，μm2 水平井长度，m 井筒半径，m 数值 18.0 1898 25.0 6.5 10.3 0.0018 398.3 0.07 参数名称 裂缝条数 裂缝与水平井夹角，度 裂缝半长，m 裂缝高度，m 裂缝渗透率，μm 原油体积系数 原油密度，Kg/ m3 原油粘度，mPa·s 2逐渐变成“麻花型”曲线，如裂缝夹角15度的情况，裂
缝半长在25m～75m以及150m～200m之间变化时，产量迅速增加(升高段)，而在中间段75m～150m变化时，产量增加幅度较小(平稳升高段)。
3530裂缝角度15度裂缝角度30度裂缝角度60度裂缝角度90度产量(m3/d)252015105升高段 平稳升高段 升高段 数值 4 90 100.0 18.0 30 1.08 862.8 1.17 0050100裂缝半长(m)150200
图2裂缝与水平井不同夹角时缝长对产量的影响
产量(m3/d)2.1 压裂水平井缝长优化研究
2.1.1不同生产时间下裂缝长度优化研究
如图1所示，当水平井长度固定不变时，压裂水平井产量随裂缝半长的增加而增加，但是随着生产时间增加，地层压力不断被消耗，产量增加的幅度不断减小。因此，压裂水平井的裂缝长度和水平井筒长度总是存在一个最佳匹配关系，在水平井钻井和压裂方案设计时要充分考虑这一因素。
353025生产30天生产90天生产180天生产360天2.2 裂缝条数
2.2.1不同裂缝半长下裂缝条数对产量的影响
如图3所示，当水平井长度一定时，随着裂缝条数的增加，压裂水平井产量增加；裂缝半长越小，最优裂缝条数越多。在裂缝半长相等的情况下，随着裂缝条数的增加，日产量增加的幅度随着裂缝条数的进一步增加而逐渐减小。这是因为随着裂缝条数的增加，裂缝间距不断变小，相互间的干扰加重，导致每条缝的产量减小，从而使得压裂水平井的产量降低[12]。
353025201510502345裂缝条数(条)67裂缝半长50m裂缝半长100m裂缝半长150m裂缝半长200m产量(m3/d)20151050050100裂缝半长(m)150200
图3 裂缝与水平井不同夹角时缝长对产量的影响
2.2.2不同基质渗透率时裂缝条数优化研究
如图4所示，基质渗透率越小，最优裂缝条数越多。当基质渗透率小于0.3mD时，最优裂缝条数为5～6条，基质渗透率大于0.3mD小于1mD时，最优裂缝条数为3～4条。
图1 不同生产时间产量随裂缝长度变化
2.1.2 裂缝与水平井不同夹角时缝长对产量的影响
如图2所示，当裂缝与水平井夹角成90度时，裂缝井产量随裂缝半长增加而线性增加。随着夹角的减小，
30基质渗透率0.1mD基质渗透率0.5mD25基质渗透率1mD)d20/3m(量15产1050234567裂缝条数(条)
图4 不同基质渗透率时裂缝条数对产量的影响
2.3 压裂水平井裂缝角度优化研究
如图5所示，当水平井长度一定时，随着裂缝与井筒夹角的增大，水平井的初期产量整体趋势是逐渐增大的。并且在夹角较小时，其变化幅度不大(15.9%)，当夹角大于30度时，随着角度的变大，水平井产量的增大幅度明显变大(77.8%)，夹角从75度变化到90度，产量逐渐过渡到最大值，但增加幅度不大(6.3%)。因此，裂缝与水平井最优夹角应为75～90度。
35裂缝半长50m裂缝半长100m30裂缝半长150m裂缝半长200m77.86.3% )% d/32515.9m(量产201510153045607590裂缝角度(度)
图5 裂缝与水平井夹角对产量的影响
2.4压裂水平井裂缝长度分布优化研究
以水平井压裂4条裂缝为例，总缝长保持320m，四条缝均匀分布，假设水平井两端裂缝长度相等，中间两条裂缝长度相等，使水平井井筒两端的两条裂缝由短逐渐变长至最大（内侧缝长最短为0时），研究裂缝长度分布对压裂水平井初期产量的影响。不同裂缝长度分布时压裂井的产能变化见图6，产量曲线中对应点的裂缝分布见图7。
3025b d）/320m（15a d 量c 产1050020406080100120140160两端裂缝长度（m）
图6 不同裂缝长度分布时压裂井的产量变化
图7 产量曲线图7中对应点的裂缝分布
由图6可知，当裂缝总长固定时，两侧缝长由0逐渐增大，水平井的产能量先减小后增大，在两侧缝长达到最大值时（即内侧两条裂缝长度减小到0时），水平井的产量也达到最大值。因此，对于低渗透油藏，在裂缝总长度一定的情况下，压裂时应尽可能使两侧缝长远大于中间缝长，这样可以有效的避免缝间干扰，给水平井带来较大的初期产量。
2.5压裂水平井裂缝高度分布优化研究
假设油层厚度30m，裂缝高度从3m变化到30m。随着裂缝高度的增加，压裂水平井产量逐渐增加，但是增加幅度逐渐减小，从图8中可以看出，为了获得较高的产量，裂缝高度应至少达到油层厚度的70%。 3530）25d/3m20（量15产10500.10.20.30.40.50.60.70.80.91裂缝高度/油藏厚度
图8 裂缝高度对压裂井的产量影响
3. 井网条件下压裂水平井裂缝参数优化研究
在开发低渗透油藏过程中往往需要注水保持地层压力，因此本节将围绕五点法注采井网对井网中的压裂水平井裂缝参数的优化研究。假设油藏中不存在自由气，只有油水两相渗流；油水两相在渗流过程中无质量交换；油藏中流体渗流符合达西定律；考虑毛管力、忽略重力的影响。
3.1压裂水平井缝长优化研究
假设水平生产井压裂4条垂直裂缝，裂缝间距150m，不同裂缝半长对累产油量及含水率的影响分别如图9、图10所示。
80半缝长50m）半缝长100m3m半缝长150m40160半缝长200m（油产40积累200048121620生产时间（year）
图9 不同半缝长对累积产油量的影响
80半缝长50m）半缝长100m%半缝长150m（60半缝长200m率水含4020005101520生产时间（year）
图10 不同半缝长对含水率的影响
从图9可以看出，随着裂缝长度的增加，累积产油量增加，当半缝长大于100m时，随着裂缝长度的进一步增加，产量的增幅变小。由图10可以看出，裂缝长度越长，见水时间越早，并且较长的裂缝意味着离注水井的距离越短，不易于控制生产井的含水上升。综合考虑累积产油和含水率两方面的因素，裂缝的半缝长应在100m～200m之间。 3.2压裂水平井裂缝条数优化研究 3.2.1固定半缝长时裂缝条数优化研究
对于压裂水平井来说，裂缝条数是影响产能的一
个重要参数。固定水平井长度800m以及裂缝半长150m不变，改变裂缝条数，不同裂缝条数对应的累积产油量和含水率的变化如图11、图12所示。
）80压裂2条缝3压裂3条缝m压裂4条缝40160压裂5条缝（压裂6条缝油压裂7条缝产40积累20005生产时间（10year）1520
图11 裂缝条数对累产油量的影响
80压裂2条缝）70压裂3条缝%（60压裂4条缝率压裂5条缝水50压裂6条缝含40压裂7条缝302010005101520生产时间（year）
图12 裂缝条数对含水率的影响
从图11可以看出，沿水平井井筒分布多条裂缝时，随着裂缝条数的增加，累积产油量也提高，但是当裂缝数超过5条时，由于缝间干扰的加强，累产油量增加的趋势变平缓。从图12可以看出，随着裂缝数的增加，压裂水平井的见水时间依次提前，当裂缝条数达到7条时，生产井在第2年就见水，与压裂2条缝相比，见水时间提前了6年左右，见水后，在同一生产时间下，裂缝数越多，对应的含水率越高。由此可见，当水平井长度一定时，裂缝并不是越多越好，最优的裂缝条数应控制在3～5条。
3.2.2固定裂缝总长度时裂缝条数优化研究
保持裂缝总长900米和水平井长度不变，每条裂缝长度相等，变换裂缝条数为2、3、4、5、6条时累积产油量和含水率的变化分别见图13、图14。
