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新型壓裂模擬技術 頁巖開采下一個最佳拍檔

建模技術或成頁巖開采下一個最佳拍檔

地質力學、應力影、3D地震勘探,這些都是在常規油氣藏數值模擬中很少出現的術語,但卻是非常規油氣藏裂縫建模技術的關鍵點。如今的低油價背景下,粗放、流水線式的傳統完井方式已然不再是最佳的選擇,而代表著精細化、定制化、靶點式的非常規裂縫模擬完井技術開始悄然成熟。但大浪淘沙,在這一場沒有硝煙的戰爭中,哪家公司的技術能搶得先機?誰的技術又將被市場淘汰?就讓我們拭目以待吧。

最新一代的非常規壓裂模型開發人員表示,希望目前低迷的油價可以讓更多的從業人員對他們的軟件技術產生興趣。

反復修改老程序,努力編寫新程序,經過多年的辛苦努力,模型開發人員終于有所斬獲,他們表示已經大大提高了整個行業頁巖油氣藏壓裂數值模擬技術的水平。一旦這些技術得到了認可,那么終于有可能打破自北美頁巖氣革命以來一直阻礙著裂縫建模技術應用的壁壘。

油服巨頭,如斯倫貝謝,是一直奮戰在這片前沿領域的公司。斯倫貝謝在近年研發和收購了一大批的建模、模型、3D地震技術公司,希望能夠占領這片朝陽市場。當然,參加這場角逐的還有許多規模相對較小,也更為年輕的新興企業,如成立于2014年夏天的Sigma3和FracGeo公司,他們瞄準的就是非常規油氣藏建模這塊市場。

盡管還有一些其他的公司也在不斷開發自己的新方法,但所有人都認同的一點是,如果頁巖生產商能夠根據地下儲層性質預測優選出最佳的完井位置,那么他們就可以有的放矢,實現在地質條件、地質力學條件都良好的地區鉆井、開采,將壓裂施工的錢花在最可能產油的井段上,從而有效提高經濟效益。建模技術的最終目標自然是降低成本,為目前面臨衰退壓力的頁巖產業提供可持續發展的動力,從更少的井、更少的壓裂級數中獲得更多的油和氣。

一款數值模擬軟件是否能夠稱得上“成功”,有一個重要的衡量標準,那就是軟件能否模擬非常規油氣藏中流體在主要運移通道——人工裂縫和天然裂縫之間的流動。相比于裂縫模擬背后無比復雜的科學機理,這個標準實在是太容易理解了。

Oilfield Geomechanics公司的首席工程師Neal Nagel表示:“我們現有的物理原理數量沒有超過三位數,不過也非常接近了。目前我們面臨的主要問題是缺乏數據支持,而數據的積累是需要時間和金錢的?!?/span>

一些數據的來源是相對簡單、便宜的,許多公司有堆積如山的地質和生產數據,也有一些數據需要采用費用高達幾百萬美元的精密測井、地震勘探等技術才能得到?,F在實地案例的數量仍太少,不足以說服頁巖生產商們相信裂縫建模是解決他們所有問題的良方。

斯倫貝謝表示他們與Niobrara頁巖某生產商合作采用裂縫建模對完井過程進行優化,相比于傳統的均勻幾何布縫完井方法,產量可以達到原來的200%到300%。同時,利用軟件技術還幫助Seneca能源公司在馬塞勒斯的頁巖氣井提高了35%的初始產量。

FracGeo公司的CEO兼創始人Ahmed Quenes表示:“其實我們所做的整個工作,就是想要弄明白當我們壓裂的時候,地層巖石到底會有什么反應,一旦弄明白了這個問題,我們就可以據此做出許多相關的決定,如是否需要跳過某一級的壓裂,改變施工方式,改變裂縫間距、壓裂順序等等?!?/span>

定制完井方式

Quenes所說到的這些施工決定,其實已經是一定程度上的完井定制服務了,目前這項服務在頁巖行業仍較為少見。在一段長達數千英尺長的水平井段周圍,通常存在著嚴重的儲層非均質性,但是目前標準的作法還是每隔50英尺或100英尺進行射孔,并采用相同的壓裂方式進行多級壓裂。大量的研究表明,如果采用這種均勻分布的壓裂方式,其中有40%~60%的壓裂級幾乎沒有產量,而30%的壓裂級貢獻了一口井80%的總產量。據貝克休斯估計,每年花費在這種無效壓裂段上的金額高達400億美元。

現在模型開發人員所提供的正是一條截然不同的道路,他們稱之為地質完井,或工程完井。這種完井方式是根據數據,找到既存在碳氫化合物又能夠進行有效壓裂的區域,對其進行密集射孔壓裂。

Sigma3公司方案整合和業務發展副主席Peter O Conor解釋道:“在非常規油氣藏的開發中,人們一直進行著流水線式的鉆井,過去油價高,所以就算高達40%的壓裂段都對產量沒有貢獻,也仍然有利可圖?!?/span>

“所以最終我們的井,有些效果特別差,有些還行,有些非常好?!钡亲詮?014年底開始,許多頁巖生產商越來越清楚地認識到不能再單靠好井來彌補差井的損失,拉高平均產量了。

應力是關鍵

市場壓力迫使生產商不得不盡力、零失誤地瞄準地質甜點,或者最有可能產油、產氣的儲層區域?!霸S多井你是沒有辦法完全拿地質甜點這套理論來解釋,”Quenes表示:“但是如果地質條件比較好,那么很有可能地質力學條件也比較好?!?/span>

Quenes說,一個地質力學甜點的首要標志是差應力較小。FracGeo公司研發了一個程序,通過快速繪制井筒周圍的差應力圖,從而識別差應力較小的區域,而差應力較小的區域更容易產生復雜的裂縫網絡。通過仔細對比微地震結果和應力圖,FracGeo公司發現,微地震事件最多的區域通常集中在差應力最小的地方。

測井也可以檢測這些應力區域,但是僅局限在近井筒周圍,無法探測油藏內部情況。而如果在鉆井前就對整個應力場進行建模,那么就能更好地設計鉆井方案,通過改變井的鉆井方位增加獲得復雜裂縫網絡的機會。就算工程師們不打算改變計劃井位,那么他們至少可以大概地知道在高差異應力地區,可能需要更大的泵入速度或更大的排量、不同的支撐劑,或者就該直接避免在這些區域壓裂。

這種應力建模還可以應用在重復壓裂中。一旦油藏的某個區域經過多年的開發已經衰竭,那么油藏內部的應力場方向會發生改變,這種現象稱為應力旋轉?!白畲髴Ψ较颥F在是最小應力方向了,所以當我們重新進行壓裂時,我們打開的是新的巖石,產量也隨之恢復到原來的水平?!盨igma3公司的O’Conor說。

應力模型的另一個潛在應用是模擬應力影的影響。應力陰影是指每級水力壓裂后近井地帶的應力場被改變,應力影對同一口井或鄰近井后續壓裂裂縫形態有著極大的影響。

在過去的幾年內,開發商一直在對“拉鏈式壓裂、平行壓裂和順序壓裂”的技術進行實驗,有時也能夠從應力陰影這一效應中獲得更好的產量。但是,這種反復試錯的方法卻很難解釋為什么某一種壓裂順序會比較好。

由于這個問題沒有明確的答案,所以目前采用順序壓裂的首要目的是提高操作效率,對多口井按順序進行快速完井。研發人員希望通過模擬應力影,幫助開發商有針對性地選擇壓裂順序,提高產量,降低單井費用。

大展身手的3D地震技術

微地震技術是由頁巖氣發展帶動的最有用、應用最廣泛的技術之一,可以幫助行業更深刻地理解應力影、重復壓力等機理,揭示壓裂級數產量差異的原因。但就如斯倫貝謝Sayer所說的那樣:“要得到微地震數據,你就必須鉆一口井?!?/span>

現在有一種更好的方法不需要鉆井就能得到寶貴的地質力學信息,這就是3D地震勘探。對于斯倫貝謝和其他公司來說,3D地震數據已經成為了決定預測模型精度的主要因素。

建模技術想要得到真正的騰飛,3D數據庫的擴大非常關鍵,因為它們提供了兩個關鍵的油藏參數——原地應力狀態和天然裂縫形態。

但是,3D地震在非均質砂巖儲層中的應用難度遠遠高于在常規油藏中的應用,泥質、礦物結晶、天然裂縫、碳氫化合物都會造成地震波的波動。這也促使斯倫貝謝對新的地震波解釋方法進行了研發,形成了正交反演技術。

該技術可以幫助公司對天然裂縫和應力場的數量和方向進行量化識別,地震反演與地質力學建模協同合作,可以更準確地預測應力在空間上的變化,以及裂縫的開裂和擴展情況。

尋求市場認可

盡管這些先進的模型看起來非常有價值,但是它們能否成為開發商必須要用的技術還存在著很大疑問。

第一代商業化的非常規裂縫模型,由于其代碼是基于80、90年代開發的常規油藏雙翼對稱裂縫模型,所以并沒有獲得很好的效果。

Oil Gemmechanice 公司Nagel是研究應力影的專家,他預測只有一兩個建模新方法能夠脫穎而出,實現商業化。他相信一旦有一個主流生產商采用了裂縫建模,并發布其在一兩年內取得的良好效果,其他人自然會效仿。

Nagel認為目前最大的挑戰在于數據的搜集花費太高,而模型校正又費時費力,頁巖生產商可能沒有這個耐性,繼而還是選擇投入老辦法的懷抱。你必須能夠明確地說明這個技術可以提高產量、節省開支,否則這就只是一種試驗而已。

同時,就算建模技術真的非常有效,但是鑒于油氣行業一向有因循守舊、厭惡改變的“傳統作風”,建模技術的商業化道路也將是非常艱難的。為此,服務公司還需要對開發商的管理結構進行研究,尋找出能夠讓他們更容易接受新的方法和技術的途徑。

另一種思路

除了地質力學和數值建模方法外還有其他的建模方法。其中一個代表是Intelligent Solutions公司CEO Mohaghegh于2011年發明的數據模型,該數據模型在阿納達科的鷹福特、尼奧博拉拉頁巖區塊,殼牌的馬塞勒斯頁巖區塊以及道達爾的尤蒂卡頁巖區塊都有應用。其主要基于數據來預測井產量和完井效果,而不需要考慮壓裂裂縫的大小和復雜程度。

如果采用地質力學模型,就需要明白壓裂背后的機理,否者就只能依靠數據。但是行業里面很多人認為,我們確實不怎么了解水力壓裂的物理原理,所以Mohaghegh發明的數據模型與其他模型相比也就不相上下了。

Mohaghegh模型主要是基于流體類型、泵入速度、支撐劑類型和壓裂所用量等一系列數據進行模擬。Mohaghegh表示,該模型最美妙的地方是這些數據每個公司都有,Intelligent Solutions 公司基于已有的數據,建立了能夠預測30天、90天、6個月和12個月產量的模型。

Mohaghegh表示30天預測模型的精度約為70%,而12個月模型的預測精度達到了85%至90%,他認為該結果遠遠優于其他建模技術的結果。一旦人們建立了適應性良好的產量預測模型,就可以通過調整參數,優化同一區塊的完井方案。

Mohaghegh用制藥工業來比喻這種建模:“如果制藥行業想要制作新藥品,他們會有一些測試方法和一些想法,但是在醫藥學中沒有什么是精確無比,或者可以進行數學建模的,但是我們了解人體及其機能。我們在處理頁巖水力裂縫和產量優化時也跟這種思路差不多?!?/span>

綜合看來,非常規裂縫數值模擬技術的應用之路充滿著各種未知和挑戰。我們相信,市場是最好的考官,金子總會發光,優秀的技術經過市場的考驗一定會脫穎而出。但無論結果如何,我們也應該明白正是這些層出不窮的新技術和新發明在不斷深化著人們的認知,為石油行業帶來新的氣象。

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