CN106285598B - 一种页岩缝网压裂射孔簇间距优化方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种页岩缝网压裂射孔簇间距优化方法和系统。该方法和系统应用有限元数值模拟方法，分析求解多个射孔簇情况下多条裂缝全三维扩展时诱导应力的变化情况，通过调整射孔簇间距，利用裂缝间应力干扰，消除裂缝周围局部最大、最小水平主应力差，使地层局部水平主应力近似各项同性，形成局部最优应力场，促进主裂缝转向及天然裂缝的开启，进而达到形成网络裂缝的目的。

Description

一种页岩缝网压裂射孔簇间距优化方法和系统

技术领域

本发明涉及油气田开发领域中的页岩气、致密砂岩气等非常规油气藏储层改造技术，尤其涉及一种页岩缝网压裂射孔簇间距优化方法和系统。

背景技术

与常规油气藏不同，页岩等非常规油气藏在进行分段压裂改造时往往需要形成缝网，实施网络压裂工艺。为达到这一目的，在每一个压裂段内往往采用多簇射孔的形式，形成复杂裂缝扩展。由于裂缝开启和缝内流体压力的变化会对地层力学特性产生影响，并在裂缝周围一定区域内产生诱导应力，因此使得多条主裂缝之间存在应力干扰现象。合理的射孔簇间距可以消除裂缝周围局部水平主应力差，形成局部最优应力场，有利于主裂缝转向和天然裂缝开启，促进网状裂缝的形成，实现增产的有益效果。因此，在实施分段压裂过程中需对复杂多裂缝扩展地应力变化规律进行研究，并且对射孔簇间距进行优化。由现有技术可知，诱导应力对于网状裂缝扩展的影响主要体现在两个方面：(1)在进行缝内压力和裂缝宽度迭代的时候，每一个裂缝单元处的原始地应力需要附加上应力影响诱导形成的正应力，进而又会影响裂缝内压力及缝宽，导致裂缝扩展形态的变化；(2)在考虑诱导应力时，裂缝扩展前缘的原地应力会发生变化，局部主应力发生反转，造成裂缝转向，进而影响裂缝网形态。目前关于这一方面的机理研究大多是：(1)事先设定裂缝形态，假设裂缝几何尺寸(长、宽、高)，通过建立应力干扰解析方程进行求解，不能真实地模拟裂缝全三维扩展过程中岩石变形及孔隙压力变化对应力场的影响；(2)以均质、各向同性的二维平面应变模型为基础，假定岩石完全弹性变形，没有考虑岩石塑性，并且用缝高修正因子代替缝高项。这些传统的分析方法，对于多裂缝扩展地应力变化规律的描述能力有限，而且没有对射孔簇间距进行优化，因此实际应用的效果不是很理想。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种页岩缝网压裂射孔簇间距优化方法和系统。

其中，一种页岩缝网压裂射孔簇间距优化方法，包括以下步骤：

S100，根据实际页岩地层建立多裂缝扩展地质几何模型；

S200，建立岩石渗流-应力耦合模型；

S300，求解多个射孔簇情况下多条裂缝全三维扩展时裂缝周围局部主诱导应力的变化规律；

S400，通过调整射孔簇间距，消除局部最大、最小水平主应力差，从而确定局部最优应力场；其中局部最优应力场所对应的射孔簇间距为最佳的射孔簇间距。

根据本发明的实施例，在上述步骤S100中，分析页岩地层的初始状态，所述初始状态包括初始地应力场、初始渗流场，初始孔隙度和裂缝面滤失系数，在此基础上建立多裂缝扩展地质几何模型。

根据本发明的实施例，在上述步骤S200中，所述岩石渗流-应力耦合模型为水力压裂流体渗流连续性方程和岩石变形应力平衡耦合数值方程，并且确定裂缝起裂、扩展准则和裂缝面内流体流动模型。

优选地，根据本发明的实施例，上述裂缝起裂准则可以是二次正应力裂纹起裂准则。

优选地，根据本发明的实施例，上述裂缝扩展准则可以是临界能量释放率裂缝延伸准则。

此外，根据本发明的实施例，上述裂缝面内流体流动模型包括切向流动方程和法向流动方程，用于描述流体在裂缝面的横向流动和纵向流动。

进一步地，可以根据牛顿流体压力传导公式建立上述切向流动方程。

根据本发明的实施例，在上述步骤S300中，基于有限元数字模拟计算方法，求解多个射孔簇情况下多条裂缝全三维扩展时裂缝周围局部主诱导应力的变化规律。

根据本发明的实施例，在上述步骤S400中，对所有裂缝产生的诱导应力进行叠加，当裂缝周围局部最大、最小水平主应力差最小，并且地层局部近似应力各项同性时，确定形成局部最优应力场。

此外，本发明还提供一种页岩缝网压裂射孔簇间距优化系统，其特征在于，包括：

建立地质模型单元，其根据实际页岩地层建立多裂缝扩展地质几何模型；

建立耦合模型单元，其建立岩石渗流-应力耦合模型；

求解应力变化单元，其求解多个射孔簇情况下多条裂缝全三维扩展时裂缝周围局部主诱导应力的变化规律；

确定最优解单元，其通过调整射孔簇间距，消除局部最大、最小水平主应力差，确定局部最优应力场；其中局部最优应力场所对应的射孔簇间距为最佳的射孔簇间距。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

本发明应用有限元数值模拟方法，分析求解多个射孔簇情况下多条裂缝全三维扩展时诱导应力的变化情况，通过调整射孔簇间距，利用裂缝间应力干扰，消除裂缝周围局部最大、最小水平主应力差，使地层局部水平主应力近似各项同性，形成局部最优应力场，促进主裂缝转向及天然裂缝的开启，进而达到形成网络裂缝的目的。

通过本发明提出的方法使中间裂缝周围的两个水平主应力大小相近，甚至发生翻转，局部改变水平主应力，从而形成局部最优应力场，促进主裂缝转向及天然裂缝的开启，从而有利于网状裂缝的形成，提高页岩等致密储层改造体积，在工程勘探中具有具有良好的应用前景。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例中多条裂缝全三维扩展时诱导应力的变化情况的示意图；

图2是根据本发明实施例中的优化方法的工作流程图；

图3是根据本发明的优化方法获得的最优应力场的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

实施例

页岩油气藏进行分段压裂改造时往往进行段内多簇射孔，合理的簇间距有利于网状裂缝的形成。图1通过计算机软件展示了本实施例中多条裂缝全三维扩展时诱导应力的变化情况。假定每个射孔簇处产生一条主裂缝，三个射孔簇产生了3条平行主裂缝，它们的进液能力相同，在同一时间起裂并向前扩展，形成复杂多裂缝扩展模式。本发明提出根据实际页岩地层确定多裂缝模拟地质几何模型，建立水力压裂流体渗流连续性方程与岩石变形应力平衡耦合数值方程，引入二次正应力裂纹起裂及临界能量释放率裂缝延伸准则，考虑流体在裂缝面横向、纵向流动，并根据实际地层确定初始地应力场、渗流场，地层孔隙度及裂缝面滤失系数，应用有限元数值模拟方法，模拟多个射孔簇存在条件下多条主裂缝全三维扩展时裂缝周围周围一定区域内局部诱导应力变化情况，分析多条裂缝间应力干扰及地应力变化规律，进而寻求最优解。

下面结合图2详细地说明该方法的主要步骤。

①建立多裂缝模拟地质模型

根据实际页岩储层建立多裂缝扩展地质几何模型，在页岩目标储集层上下方存在遮挡层，隔层与目的层具有不同的初始地应力场、渗流场；岩石孔隙度以及裂缝面滤失系数。此外在计算过程中，输入参数还包括不同层位岩石的弹性模量、泊松比、临界应力、临界能量释放率，压裂液流体粘度前置液排量及前置液泵入时间。此外，本实施例中的目的层存在多个射孔簇，起裂多条平行裂缝，优选地利用Cohesive单元预设裂缝扩展方向与最大水平主应力方向平行。

②建立岩石渗流-应力耦合模型

在水力压裂过程中，随着排量的增加泵压不断增大，相应的作用于裂缝面上流体渗流压力也不断增加，使得流体向地层的滤失增加，导致岩石孔隙中的应力状态的改变，造成岩石变形，而岩石中应力的变化必然引起储层孔隙度、流体渗流速度等参数的改变，反过来又会影响到裂缝面上渗流场孔隙压力的变化，储层岩石中这种流体渗流与岩石变形的相互制约。这种相互作用的的关系即为渗流-应力耦合。在本实施例中，假定储层岩石多孔介质符合Drucker-prager硬化准则，岩石孔隙中完全饱和不可压缩流体。

③确定裂缝起裂、扩展准则

水力压裂裂缝扩展过程一般都伴随着剪切滑移效应，因此其裂纹模式为复合型裂纹。在本实施例中，优选采用Colesive单元内聚力模型研究这种裂纹形式的起裂及扩展准则。它的主要内容为界面拉伸应力-界面相对位移(Traction-Separation)之间的函数响应关系及断裂过程界面能量之间的关系。在现有技术中，对于初始断裂的判断中的应力-应变关系，ABAQUS中提供了好几种标准。在本实施例中，优选采用目前应用广泛的二次应力失效准则，即当三个方向的应力比平方和达到1时初始断裂发生。而对复合型裂缝起裂后的扩展，本实施例则优选地采用B-K准则，即由Benzeggagh和Kenane提出的裂缝扩展临界能量释放率准则，当裂缝尖端节点处计算的能量释放率大于B-K临界能量释放率时，Colesive单元当前裂尖节点对绑定部分将解开，裂缝向前扩展。

④确定裂缝面内流体流动模型

作用于裂缝面上压裂液流体压力是裂缝扩展的驱动力，假定流体是连续的且不可压缩，那么流体在Colesive单元裂缝内的流动包括沿裂缝面的切向流动以及垂直裂缝面的法向流动。在本实施例中，可以将压裂液视为牛顿流体，在任意时刻的排量为q，则其在裂缝面上的切向流动可以根据牛顿流压力传导公式给出。而压裂流体在裂缝面法线方向的流动即为流体向地层的渗流滤失，可以通过设定滤失系数的方式在裂缝表面形成一个渗透层。

⑤分析缝间诱导应力(应力干扰)现象

当页岩缝网压裂复杂裂缝扩展时，由于裂缝开启和缝内流体压力的变化，会对地层力学特性产生影响，并在裂缝周围一定区域内产生多裂缝诱导应力叠加，使得多条主裂缝间存在应力干扰现象。基于这点，本发明提出优化和调整射孔簇间距，利用裂缝间的应力干扰，通过对所有裂缝产生的诱导应力的叠加，消除裂缝周围局部最大、最小水平主应力差，使地层局部近似应力各项同性，形成局部最优应力场(参见附图3)，从而促进主裂缝转向及天然裂缝的开启，进而有利于网状裂缝的形成，提高页岩等致密储层改造体积，高效地实现网络压裂的目的。

以中石化涪陵页岩HF1水平井段为例，该水平井分15段压裂，每段3簇，杨氏模量,36GPa，泊松比，0.23，水平主应力差12MPa，地质模型中页岩段厚度为35m，长宽分别为800m和400米，排量为12m³/min，泊松比隔层三个方向临界应力都为10MPa，页岩储层三个方面临界应力都取为6MPa，临界能量释放率为26N/mm，为28N/mm，材料常数η为2.25，压裂液流体粘度μ为1×10-3Pa.s,压裂液滤失系数为5.879×10-7Pa.s，前置液泵入时间为20分钟。根据本发明提出的方法，求解多个射孔簇情况下多条裂缝全三维扩展时诱导应力的变化情况。可以采用目前现有技术中的有限元计算软件ABAQUS中的Soil模块模拟岩石水力压裂的三维复合裂缝起裂与扩展，应用粘结单元设定裂缝延伸方向，进行分析。在簇间距取值分别为15m、20m、25m、30m、35m、40m的情况下，焦页1HF20-，25m簇间距为最优簇间距。在此最优簇间距下，中间簇裂缝周围最大、最小水平主应力差异很小，形成了局部最优应力场，有利于主裂缝转向和天然裂缝开启，促进网状裂缝的产生。

相应地，本发明还提供一种页岩缝网压裂射孔簇间距优化系统，其包括：

建立地质模型单元，其根据实际页岩地层建立多裂缝扩展地质几何模型；

建立耦合模型单元，其建立岩石渗流-应力耦合模型；

求解应力变化单元，其求解多个射孔簇情况下多条裂缝全三维扩展时裂缝周围局部主诱导应力的变化规律；

确定最优解单元，其通过调整射孔簇间距，消除局部最大、最小水平主应力差，确定局部最优应力场；其中局部最优应力场所对应的射孔簇间距为最佳的射孔簇间距。

以上所述，仅为本发明的具体实施案例，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术的技术人员在本发明所述的技术规范内，对本发明的修改或替换，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种页岩缝网压裂射孔簇间距优化方法，包括以下步骤：

S100，根据实际页岩地层建立多裂缝扩展地质几何模型；

S200，建立岩石渗流-应力耦合模型；所述岩石渗流-应力耦合模型为水力压裂流体渗流连续性方程和岩石变形应力平衡耦合数值方程，并且确定裂缝起裂、扩展准则和裂缝面内流体流动模型；

S300，求解多个射孔簇情况下多条裂缝全三维扩展时裂缝周围局部主诱导应力的变化规律；

S400，通过调整射孔簇间距，对所有裂缝产生的诱导应力进行叠加，当裂缝周围局部最大、最小水平主应力差最小，并且地层局部近似应力各项同性时，确定形成局部最优应力场；其中局部最优应力场所对应的射孔簇间距为最佳的射孔簇间距。

2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于：在步骤S100中，分析页岩地层的初始状态，所述初始状态包括初始地应力场、初始渗流场，初始孔隙度和裂缝面滤失系数，在此基础上建立多裂缝扩展地质几何模型。

3.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于：所述裂缝起裂准则为二次正应力裂纹起裂准则。

4.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于：所述裂缝扩展准则为临界能量释放率裂缝延伸准则。

5.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于：所述裂缝面内流体流动模型包括切向流动方程和法向流动方程，用于描述流体在裂缝面的横向流动和纵向流动。

6.根据权利要求5所述的优化方法，其特征在于：根据牛顿流体压力传导公式建立所述切向流动方程。

7.根据权利要求1至4中任意一项所述的优化方法，其特征在于：在步骤S300中，基于有限元数字模拟计算方法，求解多个射孔簇情况下多条裂缝全三维扩展时裂缝周围局部主诱导应力的变化规律。

8.一种页岩缝网压裂射孔簇间距优化系统，其特征在于，包括：

建立地质模型单元，其根据实际页岩地层建立多裂缝扩展地质几何模型；

建立耦合模型单元，其建立岩石渗流-应力耦合模型；所述岩石渗流-应力耦合模型为水力压裂流体渗流连续性方程和岩石变形应力平衡耦合数值方程，并且确定裂缝起裂、扩展准则和裂缝面内流体流动模型；

求解应力变化单元，其求解多个射孔簇情况下多条裂缝全三维扩展时裂缝周围局部主诱导应力的变化规律；

确定最优解单元，其通过调整射孔簇间距，对所有裂缝产生的诱导应力进行叠加，当裂缝周围局部最大、最小水平主应力差最小，并且地层局部近似应力各项同性时，确定形成局部最优应力场；其中局部最优应力场所对应的射孔簇间距为最佳的射孔簇间距。