logo
专注油气领域
与独立思考者同行

新型压裂模拟技术 页岩开采下一个最佳拍档

建模技术或成页岩开采下一个最佳拍档

地质力学、应力影、3D地震勘探,这些都是在常规油气藏数值模拟中很少出现的术语,但却是非常规油气藏裂缝建模技术的关键点。如今的低油价背景下,粗放、流水线式的传统完井方式已然不再是最佳的选择,而代表着精细化、定制化、靶点式的非常规裂缝模拟完井技术开始悄然成熟。但大浪淘沙,在这一场没有硝烟的战争中,哪家公司的技术能抢得先机?谁的技术又将被市场淘汰?就让我们拭目以待吧。

最新一代的非常规压裂模型开发人员表示,希望目前低迷的油价可以让更多的从业人员对他们的软件技术产生兴趣。

反复修改老程序,努力编写新程序,经过多年的辛苦努力,模型开发人员终于有所斩获,他们表示已经大大提高了整个行业页岩油气藏压裂数值模拟技术的水平。一旦这些技术得到了认可,那么终于有可能打破自北美页岩气革命以来一直阻碍着裂缝建模技术应用的壁垒。

油服巨头,如斯伦贝谢,是一直奋战在这片前沿领域的公司。斯伦贝谢在近年研发和收购了一大批的建模、模型、3D地震技术公司,希望能够占领这片朝阳市场。当然,参加这场角逐的还有许多规模相对较小,也更为年轻的新兴企业,如成立于2014年夏天的Sigma3和FracGeo公司,他们瞄准的就是非常规油气藏建模这块市场。

尽管还有一些其他的公司也在不断开发自己的新方法,但所有人都认同的一点是,如果页岩生产商能够根据地下储层性质预测优选出最佳的完井位置,那么他们就可以有的放矢,实现在地质条件、地质力学条件都良好的地区钻井、开采,将压裂施工的钱花在最可能产油的井段上,从而有效提高经济效益。建模技术的最终目标自然是降低成本,为目前面临衰退压力的页岩产业提供可持续发展的动力,从更少的井、更少的压裂级数中获得更多的油和气。

一款数值模拟软件是否能够称得上“成功”,有一个重要的衡量标准,那就是软件能否模拟非常规油气藏中流体在主要运移通道——人工裂缝和天然裂缝之间的流动。相比于裂缝模拟背后无比复杂的科学机理,这个标准实在是太容易理解了。

Oilfield Geomechanics公司的首席工程师Neal Nagel表示:“我们现有的物理原理数量没有超过三位数,不过也非常接近了。目前我们面临的主要问题是缺乏数据支持,而数据的积累是需要时间和金钱的。”

一些数据的来源是相对简单、便宜的,许多公司有堆积如山的地质和生产数据,也有一些数据需要采用费用高达几百万美元的精密测井、地震勘探等技术才能得到。现在实地案例的数量仍太少,不足以说服页岩生产商们相信裂缝建模是解决他们所有问题的良方。

斯伦贝谢表示他们与Niobrara页岩某生产商合作采用裂缝建模对完井过程进行优化,相比于传统的均匀几何布缝完井方法,产量可以达到原来的200%到300%。同时,利用软件技术还帮助Seneca能源公司在马塞勒斯的页岩气井提高了35%的初始产量。

FracGeo公司的CEO兼创始人Ahmed Quenes表示:“其实我们所做的整个工作,就是想要弄明白当我们压裂的时候,地层岩石到底会有什么反应,一旦弄明白了这个问题,我们就可以据此做出许多相关的决定,如是否需要跳过某一级的压裂,改变施工方式,改变裂缝间距、压裂顺序等等。”

定制完井方式

Quenes所说到的这些施工决定,其实已经是一定程度上的完井定制服务了,目前这项服务在页岩行业仍较为少见。在一段长达数千英尺长的水平井段周围,通常存在着严重的储层非均质性,但是目前标准的作法还是每隔50英尺或100英尺进行射孔,并采用相同的压裂方式进行多级压裂。大量的研究表明,如果采用这种均匀分布的压裂方式,其中有40%~60%的压裂级几乎没有产量,而30%的压裂级贡献了一口井80%的总产量。据贝克休斯估计,每年花费在这种无效压裂段上的金额高达400亿美元。

现在模型开发人员所提供的正是一条截然不同的道路,他们称之为地质完井,或工程完井。这种完井方式是根据数据,找到既存在碳氢化合物又能够进行有效压裂的区域,对其进行密集射孔压裂。

Sigma3公司方案整合和业务发展副主席Peter O Conor解释道:“在非常规油气藏的开发中,人们一直进行着流水线式的钻井,过去油价高,所以就算高达40%的压裂段都对产量没有贡献,也仍然有利可图。”

“所以最终我们的井,有些效果特别差,有些还行,有些非常好。”但是自从2014年底开始,许多页岩生产商越来越清楚地认识到不能再单靠好井来弥补差井的损失,拉高平均产量了。

应力是关键

市场压力迫使生产商不得不尽力、零失误地瞄准地质甜点,或者最有可能产油、产气的储层区域。“许多井你是没有办法完全拿地质甜点这套理论来解释,”Quenes表示:“但是如果地质条件比较好,那么很有可能地质力学条件也比较好。”

Quenes说,一个地质力学甜点的首要标志是差应力较小。FracGeo公司研发了一个程序,通过快速绘制井筒周围的差应力图,从而识别差应力较小的区域,而差应力较小的区域更容易产生复杂的裂缝网络。通过仔细对比微地震结果和应力图,FracGeo公司发现,微地震事件最多的区域通常集中在差应力最小的地方。

测井也可以检测这些应力区域,但是仅局限在近井筒周围,无法探测油藏内部情况。而如果在钻井前就对整个应力场进行建模,那么就能更好地设计钻井方案,通过改变井的钻井方位增加获得复杂裂缝网络的机会。就算工程师们不打算改变计划井位,那么他们至少可以大概地知道在高差异应力地区,可能需要更大的泵入速度或更大的排量、不同的支撑剂,或者就该直接避免在这些区域压裂。

这种应力建模还可以应用在重复压裂中。一旦油藏的某个区域经过多年的开发已经衰竭,那么油藏内部的应力场方向会发生改变,这种现象称为应力旋转。“最大应力方向现在是最小应力方向了,所以当我们重新进行压裂时,我们打开的是新的岩石,产量也随之恢复到原来的水平。”Sigma3公司的O’Conor说。

应力模型的另一个潜在应用是模拟应力影的影响。应力阴影是指每级水力压裂后近井地带的应力场被改变,应力影对同一口井或邻近井后续压裂裂缝形态有着极大的影响。

在过去的几年内,开发商一直在对“拉链式压裂、平行压裂和顺序压裂”的技术进行实验,有时也能够从应力阴影这一效应中获得更好的产量。但是,这种反复试错的方法却很难解释为什么某一种压裂顺序会比较好。

由于这个问题没有明确的答案,所以目前采用顺序压裂的首要目的是提高操作效率,对多口井按顺序进行快速完井。研发人员希望通过模拟应力影,帮助开发商有针对性地选择压裂顺序,提高产量,降低单井费用。

大展身手的3D地震技术

微地震技术是由页岩气发展带动的最有用、应用最广泛的技术之一,可以帮助行业更深刻地理解应力影、重复压力等机理,揭示压裂级数产量差异的原因。但就如斯伦贝谢Sayer所说的那样:“要得到微地震数据,你就必须钻一口井。”

现在有一种更好的方法不需要钻井就能得到宝贵的地质力学信息,这就是3D地震勘探。对于斯伦贝谢和其他公司来说,3D地震数据已经成为了决定预测模型精度的主要因素。

建模技术想要得到真正的腾飞,3D数据库的扩大非常关键,因为它们提供了两个关键的油藏参数——原地应力状态和天然裂缝形态。

但是,3D地震在非均质砂岩储层中的应用难度远远高于在常规油藏中的应用,泥质、矿物结晶、天然裂缝、碳氢化合物都会造成地震波的波动。这也促使斯伦贝谢对新的地震波解释方法进行了研发,形成了正交反演技术。

该技术可以帮助公司对天然裂缝和应力场的数量和方向进行量化识别,地震反演与地质力学建模协同合作,可以更准确地预测应力在空间上的变化,以及裂缝的开裂和扩展情况。

寻求市场认可

尽管这些先进的模型看起来非常有价值,但是它们能否成为开发商必须要用的技术还存在着很大疑问。

第一代商业化的非常规裂缝模型,由于其代码是基于80、90年代开发的常规油藏双翼对称裂缝模型,所以并没有获得很好的效果。

Oil Gemmechanice 公司Nagel是研究应力影的专家,他预测只有一两个建模新方法能够脱颖而出,实现商业化。他相信一旦有一个主流生产商采用了裂缝建模,并发布其在一两年内取得的良好效果,其他人自然会效仿。

Nagel认为目前最大的挑战在于数据的搜集花费太高,而模型校正又费时费力,页岩生产商可能没有这个耐性,继而还是选择投入老办法的怀抱。你必须能够明确地说明这个技术可以提高产量、节省开支,否则这就只是一种试验而已。

同时,就算建模技术真的非常有效,但是鉴于油气行业一向有因循守旧、厌恶改变的“传统作风”,建模技术的商业化道路也将是非常艰难的。为此,服务公司还需要对开发商的管理结构进行研究,寻找出能够让他们更容易接受新的方法和技术的途径。

另一种思路

除了地质力学和数值建模方法外还有其他的建模方法。其中一个代表是Intelligent Solutions公司CEO Mohaghegh于2011年发明的数据模型,该数据模型在阿纳达科的鹰福特、尼奥博拉拉页岩区块,壳牌的马塞勒斯页岩区块以及道达尔的尤蒂卡页岩区块都有应用。其主要基于数据来预测井产量和完井效果,而不需要考虑压裂裂缝的大小和复杂程度。

如果采用地质力学模型,就需要明白压裂背后的机理,否者就只能依靠数据。但是行业里面很多人认为,我们确实不怎么了解水力压裂的物理原理,所以Mohaghegh发明的数据模型与其他模型相比也就不相上下了。

Mohaghegh模型主要是基于流体类型、泵入速度、支撑剂类型和压裂所用量等一系列数据进行模拟。Mohaghegh表示,该模型最美妙的地方是这些数据每个公司都有,Intelligent Solutions 公司基于已有的数据,建立了能够预测30天、90天、6个月和12个月产量的模型。

Mohaghegh表示30天预测模型的精度约为70%,而12个月模型的预测精度达到了85%至90%,他认为该结果远远优于其他建模技术的结果。一旦人们建立了适应性良好的产量预测模型,就可以通过调整参数,优化同一区块的完井方案。

Mohaghegh用制药工业来比喻这种建模:“如果制药行业想要制作新药品,他们会有一些测试方法和一些想法,但是在医药学中没有什么是精确无比,或者可以进行数学建模的,但是我们了解人体及其机能。我们在处理页岩水力裂缝和产量优化时也跟这种思路差不多。”

综合看来,非常规裂缝数值模拟技术的应用之路充满着各种未知和挑战。我们相信,市场是最好的考官,金子总会发光,优秀的技术经过市场的考验一定会脱颖而出。但无论结果如何,我们也应该明白正是这些层出不穷的新技术和新发明在不断深化着人们的认知,为石油行业带来新的气象。

英文原文请点击 (展开/收缩)

未经允许,不得转载本站任何文章: