1、壓裂軟件的現狀及發展趨勢孟慶民（中石化勝利油田分公司采油工藝研究院 ） 摘要：壓裂是目前低滲透油田主導的增產措施，壓裂相關的軟件技術發展的也非常迅速。壓裂軟技 術貫穿于從整體開發 -單井設計 -壓后返排優化全過程，是技術人員的重要工具，通過軟件，可以更 加深入的認識油藏和評價施工效果。通過對常用的壓裂優化軟件的使用經驗，分析了壓裂軟件的現 狀及發展，探討了目前軟件存在的問題，提出了下步壓裂軟件的發展趨勢，并對壓裂優化軟件的發 展提出了看法。主題詞：壓裂軟件 整體壓裂 單井設計 發展趨勢1 壓裂軟件現狀壓裂是低滲透油藏重要增產措施，壓裂設計軟件是優選油層改造措施和優化設計措 施的基本手段。目前壓

2、裂優化軟件已經形成了較為完善的體系，由區塊整體壓裂設計、 單井壓裂優化設計、施工實時監測和分析等三類組成。目前，區塊整體壓裂優化設計軟件主要有 3 種優化設計方法，即優化采收率法、凈 現值法和累計增產量法。優化采收率法最為科學，但是由于涉及油田開發方面的許多比 較復雜的因素和問題，實際上難以做到真正的目標優化。凈現值法涉及裂縫模型因素和 油田開采經濟分析問題，裂縫模擬的準確性和經濟分析模型的可靠性均會對優化結果產 生影響。累計增產量法著重分析油層內有效裂縫對增產量的影響，避開了裂縫模型、裂 縫具體形狀 （主要指高度變化等 ）和經濟分析因素。這類軟件主要用以確定地層是否適合 整體壓裂改造，優選裂

3、縫規模以及預測整體壓裂效果。目前整體壓裂軟件主要是國內的 中國石油大學和西南石油大學開發的，可以完成五點、反九點、矩形井網的優化。單井壓裂設計軟件主要以國外的產品為主，如 FracproPT、E-StimPlan、Terrfrac、 GOHFER、Meyer，國內有西南石油大學開發的 3D-HFODS軟件。壓裂設計軟件一般包 括壓裂設計、酸壓設計、壓裂充填設計、小型壓裂分析、產能預測、經濟評價、液體 / 支撐劑庫等功能。壓裂裂縫模型從二維發展到了全三維，從簡單的井身結構優化發展到 了復雜結構的水平井優化。 FracproPT 軟件系統是擬三維壓裂軟件工具，提供支撐劑和 酸化壓裂增產的設計、模擬

4、、分析、執行和優化功能。 FracproPT 的獨特技術是它的實 時數據管理和分析能力；其中包括靈活的，根據裂縫分析可進行校正的裂縫模型；以及 壓裂處理后進行生產分析和經濟優化的油藏模擬功能。FracproPT2007 版本（ 10.4.57）支持水平井的壓裂設計模擬，而且可以和油藏模擬軟件作接口，模擬壓裂后產能變化。E-StimPlan是由壓裂專家 K.G. Nolte、Mike Smith先生創建的NSI公司開發的全三維壓裂設計與分析軟件，它不僅繼承了壓裂酸化領域的最新研究成果，適合壓裂工程師進行 壓裂優化設計，尤其是Nolte、Smith創建的壓裂壓力診斷技術，特別適合現場工程師進 行現

5、場壓裂分析。E-StimPlan壓裂設計分析軟件具備目前進行壓裂優化設計所需要的壓 裂設計、壓裂分析 /診斷、壓裂油藏模擬和經濟優化評價功能，能夠完成壓前地層評估、 壓裂方案設計與優化、全三維壓裂模擬與敏感性分析、壓裂過程及壓后壓力降落實時數 據采集與分析、壓力歷史擬合和壓裂效果評價等工作。E-Stimplan從5.51H版本后，可以支持水平井的壓裂模擬。全三維壓裂與酸化設計和模擬軟件 GOHFER 由 STIM-LAB 公司開發，采用三維網格結構算法，動態計算和模擬三維裂縫的擴展，計算過程中充分 考慮了地層各相異性、多相流多維流動、支撐劑輸送、壓裂液流變性及動濾失、酸巖反 應等有關各種因素，

6、能夠計算和模擬多個射孔層段的非對稱裂縫擴展。基于 STIM-LAB 長期從事導流特性、壓裂液、支撐劑、酸化及酸液等相關研究（近 20 年之久）所獲得的第一手測試數據， GOHFER 配置了相當豐富的壓裂液、酸液和支撐劑綜合數據庫，該 數據庫儲存并可計算大部分壓裂液和酸液的流變特性， STIM-LAB 公司每年都對該數據 庫進行擴展升級。Terrfrac是由美國Cliffton教授開發，水力裂縫擴展理論最為完善，它 采用了二維流動方式實現了裂縫擴展的全三維模擬，主要應用地熱開發、核廢料處理等 領域，但是它僅針對水力壓裂已知方案模擬，可以對壓裂裂縫擴展的敏感性因素進行分 析，在國外很少見到該軟件設

7、計的油田壓裂實例。 MEYER 是一套擬三維壓裂設計分析 軟件，其優點是采用類似人工智能的技術進行壓裂設計和分析，在壓裂充填設計方面有 一定的優勢，在國內外相對應用較少。壓裂監測和分析軟件主要包括壓裂施工監測軟件用于實時監測施工參數， 分析壓力 變化趨勢以及預測裂縫擴展及縫內輸砂狀態，并預報事故以指導施工。因此，所采用的 裂縫擴展模型對監測分析結果具有重要影響，目前現場解釋軟件一般采用擬三維模型。 目前的大部分壓裂設計軟件都集成了施工參數監測功能，可以實時監控施工參數，如 Gohfer、FracproPT。其中FracproPT還可以實時計算裂縫參數，為施工提供指導。壓裂 后試井分析是通過對井

8、底的壓力和流量進行反演分析， 得到地層的靜態參數和裂縫的形 態信息。Stimplan中集成了試井分析模塊。但是由于常規的壓力恢復測試需要時間長， 影響了該方法的應用，而且有大量的壓力測試資料出現不了徑向流。采用現有的試井解 釋方法，一般解釋結果多解性強。中科大提出了早期試井理論，研究了早期井底壓力在 時間較小時的情形，采用小信號提取技術和特殊的數學變換，提出了早期試井分析技術 和分析圖版，有效地解決了上述問題，目前該軟件已經商業化。2存在問題討論2.1 軟件整合性差，沒有形成從壓裂開發到壓后返排一體化壓裂設計優化技術目前的整體壓裂優化軟件、單井壓裂設計軟件都是互相獨立的軟件，無法進行整合。 目

9、前市面上還沒有一套商業化的壓裂返排軟件，而壓裂后的關井時間、放噴制度正是現 場所關心的，不合理的返排制度會影響壓后產能。目前國外壓裂軟件也在進行接口研究， FracproPT2007 版本新增了用于 Eclipse 輸出接口和其它高級數值模擬器的輸出接口 ResSim,可以與油藏模擬軟件，如 eclipse軟件進行數據共享。ResSim接口使得現在當 儲集層模型正確的模擬多次水力壓裂時運算多層儲層多相生產的全三維模型成為可能， 使用FracproPT裂縫延伸模型的結果，并且將它們自動轉化成油藏模擬軟件的適當格式。 它使網格設置過程完全自動化,并且對儲層和裂縫網格塊的網格塊特性進行初始化。因 為

10、ResSim接口屬于FracproPT系統，所以FracproPT軟件的所有內部結果（例如從裂 縫面到儲層的濾失剖面）都可以傳輸到該油藏模擬軟件。該功能尤其對復雜結構井，如 水平井的產能預測非常實用。雖然軟件之間的接口使得軟件之間可以數據共享，但是也 使得軟件購置費用增加。2.2 整體壓裂軟件對于整體壓裂垂直裂縫，已在改進的黑油模型基礎上，建立了三維兩相油藏-裂縫數值模擬模型，可以對五點井網、反九點井網人工裂縫與井排夾角為0o和 45。條件下，水力壓裂對區塊單元內油水井生產動態的影響進行模擬研究， 形成了一套較成熟的技術 體系，對提高油藏的整體開發水平起到了很大的促進作用。由于油藏條件的復雜性

11、，常 用的正方形井網模擬方法無法滿足工程需要。對于垂直裂縫，需要考慮在壓裂裂縫與井 排夾角為任意角度的條件下的整體壓裂數值模擬方法。隨著水平井單井開發效果的提 高，也急需要開發水平井開發壓裂井網設計方法，以確定合理的井網部署與壓裂改造裂 縫的匹配，目前國內相關應用報道較少。2.3 單井設計軟件單井壓裂設計優化整體來看技術比較成熟，裂縫模型基本上是采用的全三維，可以 進行裂縫形態模擬、產能預測、測試壓裂分析。單井設計存在的一些需改進的地方，如 單井只能預測單相（油或者氣）產能模擬，不能模擬油水、油氣兩相的預測，產能預測 模型相對簡單，大部分情況下與實際產能相差較大；壓裂防砂功能較弱，沒有單獨的針

12、 對壓裂防砂的裂縫模型；不能完成多方案同時模擬，智能性不強。壓裂返排軟件壓后返排是壓裂工藝的一部分，是水力壓裂作業的重要環節，但對壓后返排并未引 起足夠的重視，適當的返排程序通常是保持裂縫導流能力的關鍵，壓后油氣井的生產能 力在很大程度上取決于該導流能力。壓后返排主要包括計算井口放噴壓力隨時間的變化 規律、計算裂縫閉合時間、計算支撐劑在裂縫中沉降速度、計算支撐劑的回流量、計算 井筒沉砂高度、優選放噴油嘴尺寸，以制定科學合理的返排制度。2.4 沒有充分利用“專家”的智慧壓裂設計的好壞很大程度上不是依靠軟件的模型的先進與否， 而是與設計人員的水 平高低緊密相關的。一個優秀的設計人員，會根據油藏類型

13、、儲層性質、并參考同類型 井進行優化設計。壓裂設計軟件只是一個工具，工具的先進與否并不能決定設計的合理 程度。而設計人員的經驗是基于以前施工井的設計、現場施工的基礎上，這種從大量數 據中提取或“挖掘”知識的過程被稱作“數據挖掘” 。國內外針對壓裂的數據挖掘也開 展了大量的工作，國內外比較成熟的有Schlumberger的DECIDE和廊坊分院開發的低滲 難動用儲量壓裂專家系統。Schlumberger的DECIDE是石油行業第一款具有數據挖掘的 油田管理平臺，采用 SQLServer2000 作為數據倉庫平臺， B/S 架構，算法上主要采用了 神經網絡和遺傳算法。DECIDE雖然是針對油藏的管

14、理軟件，其中的算法模塊也在壓裂 設計優化和產能預測中進行了應用。廊坊分院的壓裂專家系統采用壓裂網絡數據庫，包 括區塊整體投入開發的經濟評價模塊、井網與裂縫匹配的快速評價模塊、壓裂優化設計 的遺傳算法模型、壓后排液和投產制度的智能優化模型。算法上采用了神經網絡、遺傳 算法、蒙塔卡洛法。3 發展趨勢分析3.1 壓裂開發一體化軟件研制自主研發從整體壓裂開發 -單井壓裂設計 -壓后返排制度的優化一體化軟件是非常有 意義的。首先可以節約大量的資金。軟件的研發可能需要投入大量的資金，但是購買商 業化的軟件同樣價格不菲。以壓裂設計軟件為例，目前市場上常用的壓裂設計軟件價格 在 70萬元左右，每年的升級費用在

15、 15%左右。各個壓裂設計軟件都有自己的特點，一 般來說，壓裂設計單位都配有 2-3 套壓裂設計軟件。采油院目前有 Gohfer、Stimplan、 FracproPT 三種壓裂設計軟件，設計中也是以一種為主，而其他兩種作為輔助工具，這 樣大大浪費了資源。獨立開發自主的軟件，可以將各種軟件的特點集于一體，可以有效 整合各種資源。再次，壓裂軟件的開發也不是不能實現的。壓裂優化設計的過程其實就 是求解力學模型的過程。壓裂設計中涉及到了斷裂力學、流體力學、滲流力學，壓裂設計的核心就是求解偏微分方程的過程。 壓裂理論的研究非常成熟，Gohfer軟件的所有的 模型都是開源(Open Source)的，而

16、且都已經在SPE上發表。國內的一些院校也開發 了三維設計軟件。最后，只有將這三部分有機的結合在一起，才能使壓裂各個環節緊緊 相扣，方便設計人員更為高效的、合理的進行區塊、單井的設計，從區塊的角度考慮單 井問題，從壓裂設計優化返排制度，完成數據流的有效連接。3.2 數據挖掘輔助決策系統研制常用的壓裂設計方法是基于力學模型，而模型中的很多參數是不容易獲取的，在實 際計算過程中，一般都是采用的多種假設，這就會導致設計結果和實際的相差較大。現 場的施工數據、測試數據是最能反映儲層的實際狀況的，利用現場數據作為基準，建立 基于歷史數據的分析模型，由于該模型是參考實際數據，所以可信度要高于純理論模型。 在

17、實際設計中，壓裂設計要參考數據挖掘模型，如果相差較大，需要進行調參。常見的 數據挖掘算法有擬合預測、模糊聚類、專家系統、神經網絡、遺傳算法、支持向量機等。 通過對數據挖掘算法的研究，合理的數據挖掘輔助決策系統不能僅僅局限于一種方法， 而是充分利用各種決策手段，提高分析的智能性，這樣可以避免一種方法存在的局限性。 采油院在這方面開展了大量的工作，也取得了一定的成果。早在上世紀 90 年代，采油 院在國內首次開發了“壓裂設計專家系統” ，可同時利用多個領域專家在不同時期取得 的經驗和知識。因而它所做出的設計方案從理論上講是最科學合理的。同時該系統把設 計人對方案質量的影響降到了最低程度， 從而避免了因設計人技術水平和經驗的差異導 致方案水平差別大的現象。該水力壓裂設計專家系統在勝利油田應用 11 井次。施工成 功率 100% ,有效率 100%。這是數據挖掘的雛形，也為后來的研究提供了借鑒。經過近 幾年的發展，采油院形成了輔助壓裂決策的數據挖掘流程，建立了適合于壓裂數據挖掘 的體系，在壓裂基礎數據庫的基礎上，采用 SQLServer2005建立了數據倉庫，形成了壓 裂效果 OLAP 多維分析模型，配套了數據展示平臺，可從不同角度對各因子進行更深層 次的分析。開發了神經網絡、遺傳算法、支持向量機軟件，并應用這多種算法對壓