Multicriteria Hydraulic Fracturing Optimization for Reservoir Stimulation

Abstract

A complete model is presented in this article for design optimization of hydraulic fracturing to enhance reservoir production. The model integrates reservoir properties, various design constraints to avoid induced formation damage, a hydraulically driven fracture geometry model, a hydrocarbon production model, and an economic model in deciding on the optimum values of various treatment parameters. The design constraints are intended to ensure that an optimum design obtained from the model can be executed in the field using the specified surface equipment and without causing uncontrolled fracture growth and/or initiation of multiple secondary fractures. A pseudo-3D fracture model is improved to establish better compatibility relationships between reservoir properties, treatment parameters, and fracture growth. Features of Genetic Algorithm and Evolutionary Operation are combined to develop a robust optimization algorithm that executes complex interactions between the above-mentioned modules to achieve an optimum design. The capability and robustness of the proposed model is demonstrated by applications to a tight-gas reservoir. By trade-off analysis between production/NPV and treatment cost, it is shown that only a 13% sacrifice of the maximum possible production/net present value (NPV) over ten years can save up to 52% of the fracturing treatment cost. Various other design issues are also investigated by sensitivity analyses.     

低渗气藏压裂水平井裂缝参数优化研究与应用

压裂井的裂缝参数是决定压裂效果好坏的关键因素.文中针对低渗气藏压裂水平井裂缝参数优化问题,建立了气藏模型和裂缝模型,并依据该模型编制了裂缝参数优化设计软件,通过对现场实例进行了模拟优化计算,研究了裂缝条数、裂缝间距、裂缝长度、裂缝宽度、裂缝导流能力,以及裂缝与水平井筒的夹角对压裂水平井产能的影响.利用正交试验优选的主要裂缝参数为：裂缝间距100m,裂缝条数5,缝长比0.8,裂缝导流能力10 μm2· cm.按照优化的裂缝参数压裂施工后,平均单井产气量由裂缝参数优化前的7.48×104 m3/d上升到15.32×104 m3/d,增产效果显著.     

水平井体积压裂技术研究与应用

水平井体积压裂技术是有效开发低渗致密油气藏的关键技术。在深层及超深层碳酸盐岩油藏、致密砂岩油气藏和页岩气等领域,持续开展了裂缝与起裂扩展规律描述方法、裂缝参数优化方法、射孔工艺参数优化、多尺度压裂工艺参数优化方法、分段压裂工具、低伤害压裂酸化工作液体系、压后同步破胶及返排优化、体积裂缝诊断及效果评估方法等研究工作。在调研水平井体积压裂技术研究与现场应用最新进展的基础上,形成了以压前储层综合评价、油藏数值模拟、体积压裂优化设计方法、高效压裂液酸液体系、分段压裂工具/裂缝监测与诊断、压后返排优化控制等为主要内容的储层改造技术链,经华北鄂尔多斯致密砂岩气藏、新疆塔河超深层油藏及四川盆地深层页岩气等试验及推广,效果显著,极大地提高了裂缝的有效改造体积和勘探开发效果。对国内类似油气藏的压裂改造和增储上产均具有重要的借鉴和指导意义。     

整体压裂优化方案设计的理论模式

以胜利大芦湖油田樊128块油藏为例,以整个油藏(包括含在其中的水力裂缝)为研究单元,以整个油藏未来的开发、调整和压裂效果评价为着眼点,以地质与生产动静态资料为参数覆盖依据,并用模糊多因素决策方法为优选最佳缝长的评价方法,最终提出了一套新的整体压裂优化设计的概念和方法。该研究模式能综合考虑储层有效渗透率、有效厚度、目前地层压力以及油井含水率等多种因素的影响,因而能精细提供油藏在不同开发生产阶段进行水力压裂时的最佳缝长设置,从而改变了过去整体压裂方案过于笼统、抽象的缺点,以及在指导单井压裂设计时的针对性和有效性不强的局限性。经其他可靠手段验证,此研究结果可靠,且简单易行,便于现场应用。     

二氧化碳无水蓄能压裂参数优化

二氧化碳无水蓄能压裂技术在形成地层高导流裂缝的同时,通过与原油相互作用表现出了一系列有别于常规压裂的增产特性,包括降黏、体积膨胀和混相等。因此其优化设计过程也不同于常规压裂优化设计。首先利用地层原油取样进行室内二氧化碳与原油相互作用实验,获取最小混相压力;利用液态二氧化碳压裂时裂缝长度与储层物性参数关系模板,确定裂缝参数;以最小混相压力为条件,以裂缝参数和井底注入压力为基础,利用三维油藏数值模拟方法预测二氧化碳波及范围、混相带范围,最后确定最优的二氧化碳用液量。利用FracProPT拟三维压裂裂缝模拟软件,结合沿程摩阻损失,以保证井口和井下管柱结构安全稳定为设计前提,从水马力效率和经济效益角度优化施工排量;建立压后地层温度压力计算模型,模拟关井后混相带面积,确定最优关井时间为混相带面积最大时即压后井底压力大于最小混相压力的时间。吉林油田二氧化碳无水蓄能压裂技术已成功应用于致密油井,二氧化碳无水蓄能压裂后产油量均较压前有显著提高,6口井压后平均日产油是同区块常规重复压裂的2.7倍。研究结果表明,该二氧化碳无水蓄能压裂参数优化设计方法是合理可行的。      

低渗致密油藏水平井缝网压裂裂缝参数优化

水平井缝网压裂在提高低渗致密油藏水平井产能、延长稳产时间方面发挥了重要作用。目前,针对低渗致密油藏缝网压裂裂缝参数优化的研究还很少,且普遍没有考虑储层的低渗特点。为此,文中考虑了启动压力梯度和井筒摩阻的影响,采用Eclipse数值模拟工具,建立了缝网压裂的模型;并运用正交试验设计优化思路,以黄陵长6浅层低渗透致密储层为基础,开展了水平井缝网压裂裂缝参数优化研究;分析了缝网特征对缝网压裂改造效果的影响,为缝网压裂裂缝参数优化提供了一套完整思路。黄陵地区现场应用了11口井,均取得了良好效果,为低渗致密油藏水平井缝网压裂设计提供了有效指导。     

水力压裂设计的新模型和新方法

压裂设计是水力压裂技术的核心,由于非常规储层的特殊性,使得压裂设计面临一系列的挑战。为此,梳理了国内外压裂设计各环节的新模型和新方法,并分析了其发展方向。压裂设计的新模型和方法主要分布在储层描述、水力裂缝刻画、水力裂缝优化以及水力裂缝模拟等4个方面,其中储层描述主要是在创新参数获取基础上建立新的地质力学模型;水力裂缝刻画主要体现在开发新方法,并结合物理模拟实验认识,提高现有监测手段的准确性;水力裂缝优化方面主要进展是挖掘储层与流体的相互作用,并通过规律性描述,形成新型的油气藏数值模拟软件;水力裂缝模拟主要通过方法创新,研发新型的适用于水平井分段多簇压裂的裂缝数值模拟器。因此,建议国内同行在坚持工具、设备等硬件投入的基础上,加强基础研究,力争在各种评价模型和软件方面取得突破,从而提高压裂设计的科学性,进而实现非常规油气藏的高效经济开发。     

油藏数值模拟在双河油田压裂设计中的应用

在双河油田压裂方案优化中,综合应用了油田地质、油藏工程、经济评价、压裂施工参数及压裂施工方式选择,以及国内外低渗透油田开发的成功经验。尤其是油藏数值模拟,为优化设计提供了技术依据和评价压裂改造的可实施性。应用油藏数据模拟,模拟不同缝长下的压后累积产量,确定最佳支撑缝长,然后裂缝模拟软件设计实现最佳支撑缝长所需的施工规模及裂缝尺寸。经现场实施,监测的裂缝尺寸和历史拟合的裂缝尺寸与设计的裂缝尺寸基本符合,取得了较好的压裂效果。     

致密砂岩气藏水平井分段压裂优化设计与应用

针对川西沙溪庙组致密砂岩气藏水平井开展了分段压裂优化设计及现场应用研究。采用水平井分段压裂诱导应力场模型,以提高储层整体渗流能力为目标,优选了裂缝起裂次序、裂缝间距和射孔参数,通过优化压裂施工净压力和排量沟通了主裂缝周围的天然裂缝。现场实施结果表明:优化后的水平井压裂8~13段,每段内射孔2~3簇,每簇长度为0.5 m,相同压裂段内簇间距为30~60 m;采用中间为12~16孔/m、两端为16~20孔/m的变密度射孔,优化排量为3.5~6.5 m³/min;采用优化设计技术实施的5口井平均稳定产量为5.3×10⁴m³/d,较优化前有明显提高,取得了显著的经济效益,为同类型致密砂岩气藏的水平井分段压裂优化设计提供了借鉴。     

页岩气体积压裂缝网模型分析及应用

对低渗透页岩储层进行体积压裂改造以形成复杂裂缝网络是获得页岩气经济产能的关键,压裂改造体积和缝网导流能力是评价体积压裂施工效果的关键指标,同时对压裂优化设计、压后产能预测及经济评价也具有重要意义。为此,在分析页岩气体积压裂特点的基础上,对两种主要页岩气体积压裂缝网模型的假设、数学方程及参数优化方法进行了比较分析,并结合美国Marcellus页岩区块现场参数对页岩储层压裂方案进行了优选。结果表明：离散化缝网模型及线网模型均能有效表征复杂缝网几何特征,模拟缝网的扩展规律和缝网中压裂液流动及支撑剂运移,获得缝网几何形态参数,可优选压裂施工方案;天然裂缝发育的页岩层是体积压裂改造的重点,水平地应力差越小则越易形成复杂缝网,施工排量越大,压裂液泵入总量越大,则储层改造体积范围越大,缝网导流能力越高,页岩气产能就越高。     

致密火山岩储层水平井压裂参数优化与现场试验

致密火山岩储层天然裂缝发育差,低孔、低渗、致密、非均质性强,需要应用水平井大规模分段压裂工艺实现有效开发。随着储层物性变差,可缩小压裂裂缝间距保持单井产量;为明确最优改造裂缝间距与施工规模,基于储层孔渗特征、相渗特征、流动特征的认识以及不同裂缝间距压裂产生的干扰,确定致密火山岩储层最优改造裂缝间距。应用压裂后分段产气监测,认识分段产量与改造规模关系,明确致密火山岩储层最优改造规模,有效指导压裂方案优化,提高设计针对性与开发效益。     

支撑剂指数设计方法在压裂充填施工中的应用研究

支撑剂指数设计方法是在给定的支撑剂量条件下，从油藏的角度出发，以产量最大化为目标，得到最优裂缝参数的一种设计方法，目前已在国内外得到了广泛的应用。疏松砂岩储层压裂充填施工中，受设备能力、岩石物性参数等因素制约，实际裂缝宽度难以达到优化值，导致支撑剂指数优化设计方法与现场应用脱节。通过将施工净压力、岩石物性参数等力学因素引入支撑剂指数压裂设计方法中，在施工能力范围内，以解除储层污染、获得最高产能为目的进行压裂充填裂缝参数优化。优化结果可很好地指导现场作业且与现场贴合程度高，目前已在现场获得了良好的应用。     

爆燃压裂油井产能计算模型与增产效果分析

为了进一步提高爆燃压裂工艺设计与效果预测水平及工程应用效果,基于爆燃压裂原理和油藏渗流理论,利用保角变换方法,建立了爆燃压裂油井产能计算模型(包括流体从油藏边界渗流到爆燃裂缝的渗流外阻模型,和流体在裂缝中渗流入井的渗流内阻模型)并编制了计算软件。以低渗油藏油井F31-10井为例,计算、分析了油藏参数和爆燃裂缝参数对爆燃压裂油井增产效果的影响规律。研究结果表明:爆燃裂缝长度、裂缝数量和爆燃裂缝导流能力对油井增产效果有影响,影响程度由大到小依次是爆燃裂缝长度、裂缝数量和爆燃裂缝导流能力;在爆燃裂缝长度和裂缝数量一定的条件下,存在一个最佳的爆燃裂缝导流能力;爆燃压裂后油井增产倍数为1.365~2.115,且增加爆燃裂缝长度和爆燃裂缝数量比增加爆燃裂缝无因次导流能力对增产更有利。      

压裂液优化设计与应用技术

压裂开发和区块整体压裂要求压裂液在低成本投入下,既能满足油藏特点和工艺技术要求,又能最大限度地减少压裂液对支撑裂缝导流能力的影响。介绍了压裂液优化设计技术,即压裂液及其添加剂优选、压裂过程的温度场计算、压裂液植物胶分散水合及充分增粘、压裂液变组分配方性能优化等。该技术是将同一口井的压裂液根据需要设计成不同阶段、不同组分,精确控制各种添加剂的加入使压裂液性能达到优化。室内实验结果表明,相同条件的压裂液,常规使用和按压裂液优化设计变化组分使用岩心的动态滤失伤害可由40％降到14％。该项技术在吐哈鄯善油田整体重复压裂中应用成功,效益显著。     

页岩气藏加密井压裂时机优化——以四川盆地涪陵页岩气田X1井组为例

加密井的压裂时机直接影响着页岩气藏最终的开发效果。为了有效地指导页岩气藏加密井部署与压裂施工,基于离散裂缝网络模型、有限差分模型及有限元模型,提出了一套页岩气藏加密井压裂时机优化方法：根据页岩气田开发现状及井网加密需求,系统考虑储层非均质性和天然裂缝发育特征,建立渗流—地质力学耦合条件下四维地应力演化及复杂裂缝扩展的多物理场模型,进而模拟加密井水力裂缝扩展形态、加密井及井组开发效果,最终优选出加密井最佳的压裂时机。以四川盆地涪陵页岩气田X1井组为例,利用该优化方法研究了加密井压裂时机和施工参数对其复杂裂缝扩展形态、单井及井组产能的影响规律。结论认为：①该优化方法能够有效模拟老井生产过程中储层物性及力学状态变化,预测压后产量变化,优选加密井压裂参数及压裂时机;②当加密井射孔簇间距减小、每簇施工液量增大时,水力压裂改造体积、裂缝密度增大,压裂后产量提高,但射孔簇间距过小、每簇施工液量过大时,则有可能会导致分支裂缝串通和重叠,降低压裂液效率、影响压裂后产能;③压裂时机越晚,加密井井筒附近分支裂缝越密集,但改造体积越小、初期产量越低;④当目标井组生产36个月进行加密井压裂时,井组累计页岩气产量最高、开发效果最优。     

F142区块大型压裂技术研究与应用

为了提高F142区块油藏开发效益,研究并应用了大型压裂开发技术。在充分考虑大型压裂造长缝基础上,综合利用极限井距、经济极限井距和经济合理井距原理,同时结合区块地应力方向,优化了井网井距;在深穿透、造长缝、饱填砂、低伤害和低风险的设计原则上,利用三维压裂优化设计软件,以产量最优为目标,优化了加砂量、排量、砂比和前置液量等参数;根据大型压裂储层、施工时间和施工规模对压裂液性能的要求,优选了压裂液,确定了F142区块低渗透油藏大型压裂开发模式。根据优化结果,F142区块应采用反九点法井网开发,同时采用大砂量、大排量、高前置液量、中等砂比的大型压裂工艺。完成了22井次大型压裂现场试验,平均单井加砂量75m3;压前平均单井产油量0.8t/d,压后初期平均单井产油量22t/d,取得了显著的增产效果。这表明,大型压裂开发技术能够大幅提高F142区块开发效率,为类似储层的高效开发提供了技术借鉴。     

四川盆地龙马溪组页岩储层缝网导流能力优化

水平井分段压裂技术是页岩气开发的关键技术,其方案设计需要对缝网几何参数及导流能力进行优化。目前,借用产能预测模型优化缝网参数的过程较为复杂且忽略了自支撑裂缝对缝网导流能力的影响。根据水电相似原理,将压裂后的复杂缝网细分为支撑裂缝以及自支撑裂缝,提出了等效裂缝的概念,并得出了基于不同裂缝形态的复杂缝网导流能力优化模型,确定了支撑裂缝与自支撑裂缝导流能力之间的关系。结合四川盆地龙马溪组Y1井储层及流体参数,进行水平井分段压裂设计,优化出30/50目与40/70目陶粒的最佳铺砂浓度分别为3kg/m²和5kg/m²,70/140目支撑剂无法满足导流能力需求,自支撑裂缝能够满足导流能力需求。结合Meyer模拟得出Y1井30/50目的砂比为2.5%~3%,40/70目砂比为3.5%~4%,有效地减少了支撑剂量,并取得良好的经济产能,值得推广应用。     

苏里格气田水平井压裂裂缝参数优化

近年来水平井压裂作为提高低渗气藏产量及采收率的重要手段在苏里格气田得到推广应用,利用建立的压裂水平井产能数值模型计算分析了裂缝条数、裂缝长度、裂缝导流能力、裂缝间距、裂缝平面与水平井筒夹角对压裂水平井产量的影响,并绘制了各因素与产量的关系图版,依据多因素正交试验分析方法得出影响压裂水平井产能的主要因素依次是裂缝条数、裂缝间距、裂缝长度、夹角以及裂缝导流能力,最后依据提出的综合优化思路优化了苏里格气田水平井压裂合理的裂缝参数。     

识别水力裂缝参数的自动拟合模型和方法

为认识和了解地层、分析和评估压裂施工质量,分别考虑裂缝导流能力随生产过程变化和不变化的情形,提出了以生产过程中实测的产量或井底压力为拟合目标,识别水力裂缝参数的生产历史自动拟合模型和方法,用逐步二次规划法进行了数值求解。最后通过文献对比和实例计算说明模型和方法的可靠性和适用性     

鄂尔多斯盆地致密油水平井体积压裂优化设计

鄂尔多斯盆地长7致密油储层致密、油藏低压。储层天然微裂缝发育程度和岩石脆性评价表明,盆地致密油储层物性对水平井分段体积压裂具有良好的适应性。以提高水平井多段压裂井网形式和布缝的匹配性为目的,优化了与注采井网相适配的施工参数,结果表明,实现体积压裂的排量为4~8 m3/min,单段砂量40~80 m3,入地液量300~700 m3,并形成了"低黏液体造缝、高黏液体携砂、组合粒径支撑剂、不同排量注入"的混合压裂设计模式。矿场井下微地震监测对比了体积压裂与常规压裂对裂缝扩展形态的影响,结果显示致密储层采用体积压裂的改造体积和复杂指数是常规压裂的2倍左右,且与井网适配性良好。通过开展致密油开发矿场先导性试验,水平井单井初期产量达到8~10 t/d,第1年累计产油量达2 000 t左右,且无裂缝性见水井,证明对于鄂尔多斯盆地的致密油开发,采用水平井五点井网+混合水体积压裂可以获得较高的单井产量和良好的开发效益。该项技术对其他油田的非常规储层开发有一定的借鉴意义。