压裂软件的现状及发展趋势

压裂软件的现状及发展趋势

孟庆民

(中石化胜利油田分公司采油工艺研究院)

摘要：压裂是目前低渗透油田主导的增产措施，压裂相关的软件技术发展的也非常迅速。压裂软技术贯穿于从整体开发-单井设计-压后返排优化全过程，是技术人员的重要工具，通过软件，可以更加深入的认识油藏和评价施工效果。通过对常用的压裂优化软件的使用经验，分析了压裂软件的现状及发展，探讨了目前软件存在的问题，提出了下步压裂软件的发展趋势，并对压裂优化软件的发展提出了看法。

主题词：压裂软件 整体压裂 单井设计 发展趋势

1 压裂软件现状

压裂是低渗透油藏重要增产措施，压裂设计软件是优选油层改造措施和优化设计措施的基本手段。目前压裂优化软件已经形成了较为完善的体系，由区块整体压裂设计、单井压裂优化设计、施工实时监测和分析等三类组成。

目前，区块整体压裂优化设计软件主要有3种优化设计方法，即优化采收率法、净现值法和累计增产量法。优化采收率法最为科学，但是由于涉及油田开发方面的许多比较复杂的因素和问题，实际上难以做到真正的目标优化。净现值法涉及裂缝模型因素和油田开采经济分析问题，裂缝模拟的准确性和经济分析模型的可靠性均会对优化结果产生影响。累计增产量法着重分析油层内有效裂缝对增产量的影响，避开了裂缝模型、裂缝具体形状(主要指高度变化等)和经济分析因素。这类软件主要用以确定地层是否适合整体压裂改造，优选裂缝规模以及预测整体压裂效果。目前整体压裂软件主要是国内的中国石油大学和西南石油大学开发的，可以完成五点、反九点、矩形井网的优化。

单井压裂设计软件主要以国外的产品为主，如FracproPT、E-StimPlan、Terrfrac、GOHFER、Meyer，国内有西南石油大学开发的3D-HFODS软件。压裂设计软件一般包括压裂设计、酸压设计、压裂充填设计、小型压裂分析、产能预测、经济评价、液体/支撑剂库等功能。压裂裂缝模型从二维发展到了全三维，从简单的井身结构优化发展到了复杂结构的水平井优化。FracproPT软件系统是拟三维压裂软件工具，提供支撑剂和酸化压裂增产的设计、模拟、分析、执行和优化功能。FracproPT的独特技术是它的实时数据管理和分析能力；其中包括灵活的，根据裂缝分析可进行校正的裂缝模型；以及压裂处理后进行生产分析和经济优化的油藏模拟功能。FracproPT2007版本（10.4.57）支持水平井的压裂设计模拟，而且可以和油藏模拟软件作接口，模拟压裂后产能变化。E-StimPlan是由压裂专家K.G. Nolte、Mike Smith先生创建的NSI公司开发的全三维压

裂设计与分析软件，它不仅继承了压裂酸化领域的最新研究成果，适合压裂工程师进行压裂优化设计，尤其是Nolte、Smith创建的压裂压力诊断技术，特别适合现场工程师进行现场压裂分析。E-StimPlan压裂设计分析软件具备目前进行压裂优化设计所需要的压裂设计、压裂分析/诊断、压裂油藏模拟和经济优化评价功能，能够完成压前地层评估、压裂方案设计与优化、全三维压裂模拟与敏感性分析、压裂过程及压后压力降落实时数据采集与分析、压力历史拟合和压裂效果评价等工作。E-Stimplan从5.51H版本后，可以支持水平井的压裂模拟。全三维压裂与酸化设计和模拟软件GOHFER由STIM-LAB 公司开发，采用三维网格结构算法，动态计算和模拟三维裂缝的扩展，计算过程中充分考虑了地层各相异性、多相流多维流动、支撑剂输送、压裂液流变性及动滤失、酸岩反应等有关各种因素，能够计算和模拟多个射孔层段的非对称裂缝扩展。基于STIM-LAB 长期从事导流特性、压裂液、支撑剂、酸化及酸液等相关研究(近20 年之久)所获得的第一手测试数据，GOHFER 配置了相当丰富的压裂液、酸液和支撑剂综合数据库，该数据库储存并可计算大部分压裂液和酸液的流变特性，STIM-LAB 公司每年都对该数据库进行扩展升级。Terrfrac是由美国Cliffton教授开发，水力裂缝扩展理论最为完善，它采用了二维流动方式实现了裂缝扩展的全三维模拟，主要应用地热开发、核废料处理等领域，但是它仅针对水力压裂已知方案模拟，可以对压裂裂缝扩展的敏感性因素进行分析，在国外很少见到该软件设计的油田压裂实例。 MEYER是一套拟三维压裂设计分析软件，其优点是采用类似人工智能的技术进行压裂设计和分析，在压裂充填设计方面有一定的优势，在国内外相对应用较少。

压裂监测和分析软件主要包括压裂施工监测软件用于实时监测施工参数，分析压力变化趋势以及预测裂缝扩展及缝内输砂状态，并预报事故以指导施工。因此，所采用的裂缝扩展模型对监测分析结果具有重要影响，目前现场解释软件一般采用拟三维模型。目前的大部分压裂设计软件都集成了施工参数监测功能，可以实时监控施工参数，如Gohfer、FracproPT。其中FracproPT还可以实时计算裂缝参数，为施工提供指导。压裂后试井分析是通过对井底的压力和流量进行反演分析，得到地层的静态参数和裂缝的形态信息。Stimplan中集成了试井分析模块。但是由于常规的压力恢复测试需要时间长，影响了该方法的应用，而且有大量的压力测试资料出现不了径向流。采用现有的试井解释方法，一般解释结果多解性强。中科大提出了早期试井理论，研究了早期井底压力在时间较小时的情形，采用小信号提取技术和特殊的数学变换，提出了早期试井分析技术和分析图版，有效地解决了上述问题，目前该软件已经商业化。

2 存在问题讨论

2.1 软件整合性差，没有形成从压裂开发到压后返排一体化压裂设计优化技术

目前的整体压裂优化软件、单井压裂设计软件都是互相独立的软件，无法进行整合。目前市面上还没有一套商业化的压裂返排软件，而压裂后的关井时间、放喷制度正是现场所关心的，不合理的返排制度会影响压后产能。目前国外压裂软件也在进行接口研究，FracproPT2007版本新增了用于Eclipse输出接口和其它高级数值模拟器的输出接口ResSim，可以与油藏模拟软件，如eclipse软件进行数据共享。ResSim接口使得现在当储集层模型正确的模拟多次水力压裂时运算多层储层多相生产的全三维模型成为可能，使用FracproPT裂缝延伸模型的结果，并且将它们自动转化成油藏模拟软件的适当格式。它使网格设置过程完全自动化，并且对储层和裂缝网格块的网格块特性进行初始化。因为ResSim接口属于FracproPT 系统，所以FracproPT软件的所有内部结果（例如从裂缝面到储层的滤失剖面）都可以传输到该油藏模拟软件。该功能尤其对复杂结构井，如水平井的产能预测非常实用。虽然软件之间的接口使得软件之间可以数据共享，但是也使得软件购置费用增加。

2.2 整体压裂软件

对于整体压裂垂直裂缝，已在改进的黑油模型基础上，建立了三维两相油藏-裂缝数值模拟模型，可以对五点井网、反九点井网人工裂缝与井排夹角为0o和45o条件下，水力压裂对区块单元内油水井生产动态的影响进行模拟研究，形成了一套较成熟的技术体系，对提高油藏的整体开发水平起到了很大的促进作用。由于油藏条件的复杂性，常用的正方形井网模拟方法无法满足工程需要。对于垂直裂缝，需要考虑在压裂裂缝与井排夹角为任意角度的条件下的整体压裂数值模拟方法。随着水平井单井开发效果的提高，也急需要开发水平井开发压裂井网设计方法，以确定合理的井网部署与压裂改造裂缝的匹配，目前国内相关应用报道较少。

2.3 单井设计软件

单井压裂设计优化整体来看技术比较成熟，裂缝模型基本上是采用的全三维，可以进行裂缝形态模拟、产能预测、测试压裂分析。单井设计存在的一些需改进的地方，如单井只能预测单相（油或者气）产能模拟，不能模拟油水、油气两相的预测，产能预测模型相对简单，大部分情况下与实际产能相差较大；压裂防砂功能较弱，没有单独的针对压裂防砂的裂缝模型；不能完成多方案同时模拟，智能性不强。

2.4 压裂返排软件

压后返排是压裂工艺的一部分，是水力压裂作业的重要环节，但对压后返排并未引起足够的重视，适当的返排程序通常是保持裂缝导流能力的关键，压后油气井的生产能力在很大程度上取决于该导流能力。压后返排主要包括计算井口放喷压力随时间的变化规律、计算裂缝闭合时间、计算支撑剂在裂缝中沉降速度、计算支撑剂的回流量、计算井筒沉砂高度、优选放喷油嘴尺寸，以制定科学合理的返排制度。

2.5 没有充分利用“专家”的智慧

压裂设计的好坏很大程度上不是依靠软件的模型的先进与否，而是与设计人员的水平高低紧密相关的。一个优秀的设计人员，会根据油藏类型、储层性质、并参考同类型井进行优化设计。压裂设计软件只是一个工具，工具的先进与否并不能决定设计的合理程度。而设计人员的经验是基于以前施工井的设计、现场施工的基础上，这种从大量数据中提取或“挖掘”知识的过程被称作“数据挖掘”。国内外针对压裂的数据挖掘也开展了大量的工作，国内外比较成熟的有Schlumberger的DECIDE!和廊坊分院开发的低渗难动用储量压裂专家系统。Schlumberger的DECIDE!是石油行业第一款具有数据挖掘的油田管理平台，采用SQL Server2000作为数据仓库平台，B/S架构，算法上主要采用了神经网络和遗传算法。DECIDE！虽然是针对油藏的管理软件，其中的算法模块也在压裂设计优化和产能预测中进行了应用。廊坊分院的压裂专家系统采用压裂网络数据库，包括区块整体投入开发的经济评价模块、井网与裂缝匹配的快速评价模块、压裂优化设计的遗传算法模型、压后排液和投产制度的智能优化模型。算法上采用了神经网络、遗传算法、蒙塔卡洛法。

3 发展趋势分析

3.1 压裂开发一体化软件研制

自主研发从整体压裂开发-单井压裂设计-压后返排制度的优化一体化软件是非常有意义的。首先可以节约大量的资金。软件的研发可能需要投入大量的资金，但是购买商业化的软件同样价格不菲。以压裂设计软件为例，目前市场上常用的压裂设计软件价格在70万元左右，每年的升级费用在15%左右。各个压裂设计软件都有自己的特点，一般来说，压裂设计单位都配有2-3套压裂设计软件。采油院目前有Gohfer、Stimplan、FracproPT三种压裂设计软件，设计中也是以一种为主，而其他两种作为辅助工具，这样大大浪费了资源。独立开发自主的软件，可以将各种软件的特点集于一体，可以有效整合各种资源。再次，压裂软件的开发也不是不能实现的。压裂优化设计的过程其实就是求解力学模型的过程。压裂设计中涉及到了断裂力学、流体力学、渗流力学，压裂设

计的核心就是求解偏微分方程的过程。压裂理论的研究非常成熟，Gohfer软件的所有的模型都是开源（Open Source）的，而且都已经在SPE上发表。国内的一些院校也开发了三维设计软件。最后，只有将这三部分有机的结合在一起，才能使压裂各个环节紧紧相扣，方便设计人员更为高效的、合理的进行区块、单井的设计，从区块的角度考虑单井问题，从压裂设计优化返排制度，完成数据流的有效连接。

3.2 数据挖掘辅助决策系统研制

常用的压裂设计方法是基于力学模型，而模型中的很多参数是不容易获取的，在实际计算过程中，一般都是采用的多种假设，这就会导致设计结果和实际的相差较大。现场的施工数据、测试数据是最能反映储层的实际状况的，利用现场数据作为基准，建立基于历史数据的分析模型，由于该模型是参考实际数据，所以可信度要高于纯理论模型。在实际设计中，压裂设计要参考数据挖掘模型，如果相差较大，需要进行调参。常见的数据挖掘算法有拟合预测、模糊聚类、专家系统、神经网络、遗传算法、支持向量机等。通过对数据挖掘算法的研究，合理的数据挖掘辅助决策系统不能仅仅局限于一种方法，而是充分利用各种决策手段，提高分析的智能性，这样可以避免一种方法存在的局限性。采油院在这方面开展了大量的工作，也取得了一定的成果。早在上世纪90年代，采油院在国内首次开发了“压裂设计专家系统”，可同时利用多个领域专家在不同时期取得的经验和知识。因而它所做出的设计方案从理论上讲是最科学合理的。同时该系统把设计人对方案质量的影响降到了最低程度，从而避免了因设计人技术水平和经验的差异导致方案水平差别大的现象。该水力压裂设计专家系统在胜利油田应用11 井次。施工成功率100% ,有效率100%。这是数据挖掘的雏形，也为后来的研究提供了借鉴。经过近几年的发展，采油院形成了辅助压裂决策的数据挖掘流程，建立了适合于压裂数据挖掘的体系，在压裂基础数据库的基础上，采用SQLServer2005建立了数据仓库，形成了压裂效果OLAP多维分析模型，配套了数据展示平台，可从不同角度对各因子进行更深层次的分析。开发了神经网络、遗传算法、支持向量机软件，并应用这多种算法对压裂效果进行了分析和预测。现场应用表明，综合考虑各算法的结果，并结合各影响因子的工程意义，全面的进行分析，可以得出适合的决策模型。

参考文献:

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