CN107237616A - 一种水平井体积压裂簇间距优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水平井体积压裂簇间距优化方法，采用有限元数值模拟的方法，基于ABAQUS有限元软件，从降低应力影效应的不利影响和利用应力影效应的有利影响两个方面分别建立了最小簇间距优化模型和最大改造体积簇间距优化模型，并对压裂过程中应力转向角度和改造体积进行了计算，最终结合最小簇间距和最大改造体积簇间距的优化结果确定出最优簇间距。一方面使主裂缝成功扩展出去，水平井分段压裂在地层中形成多条主裂缝；另一方面使裂缝间的诱导应力尽可能大，从而让分支裂缝发生转向，增强和主裂缝天然裂缝的连通性，改善油气向主裂缝流动的通道结构，最终实现提高油气井产能的目的。

Description

一种水平井体积压裂簇间距优化方法

技术领域

本发明属于石油开采技术领域，具体涉及一种水平井体积压裂簇间距优化方法。

背景技术

非常规油气储层，特别是致密砂岩储层通常具有低孔隙度和低渗透率的特点，为了达到良好的经济开发目的，往往需要进行大型水力压裂。大部分致密砂岩储层具有较高的弹性模量，在复杂地质构造运动、生烃以及化学作用下，储层内部会形成大量的、不同尺度的天然裂缝和非连续结构面。这些非连续结构面相对于基质具有较高的渗透率，是致密储层成功开发的关键。水力压裂过程中压裂液会向主裂缝两侧滤失，使天然裂缝内孔隙压力升高，天然裂缝面法向有效应力降低，发生剪切破坏甚至是拉伸破坏。水力压裂激活天然裂缝并使之进一步的扩展，从而在储层岩石中形成复杂的裂缝网络，增加裂缝与储层岩石基质的接触面积，提高油气井的产量。

研究结果表明水力裂缝与天然裂缝相交，交叉点的缝宽受很多因素的影响，其中主要因素为水平地应力差，较小的水平地应力差情况下交叉点的裂缝宽度会更大，从而使更多的支撑材料进入天然裂缝。水平地应力差较小时，水力裂缝附近的水平主应力更容易发生转向，有利于激活更多的天然裂缝，从而形成复杂的裂缝网络。

致密砂岩储层水平井分段多簇压裂过程中会存在应力影效应，使两簇之间岩石的地应力方向和大小发生改变，有利于形成复杂裂缝网络。但同时应力干扰也会影响主裂缝的扩展方向，当裂缝偏转过于严重时，水力裂缝扩展很短的距离就已经与前续裂缝相交，降低了储层的改造体积，也有可能影响接下来裂缝的施工。

因此，水平井分段压裂施工在利用应力影效应促使储层形成更加复杂缝网的同时要避免应力影效应过于强烈。这其中簇间距的选择至关重要，当簇间距过大时，裂缝之间相互干扰较弱，达不到使储层形成复杂裂缝网络的条件；当簇间距过小时，主裂缝之间相互干扰过于强烈，导致裂缝偏转严重。因此，簇间距是水平井分段多簇压裂设计过程中的一个重要优化参数。

为了利用应力影响效应增大储层的改造体积，近年来不少研究对簇间距进行了优选，采用的主要的研究方法大致可以分为两类：一类是基于2维平直裂缝受内压平面应变或椭圆单裂缝受内压情况下的3维应力场Green解析解的分析方法；另一类则是基于有限元或有限差分的数值计算方法。

采用解析的方法对簇间距进行优化比较简洁明了，但是公式在使用上存在一定误差。因为不管是2维平面应变裂缝附近应力场还是3维椭圆裂缝附近应力场的解析解均只能得到一条裂缝周围应力场的精确解，对于两条或者两条以上的裂缝时，该解析解所依赖的参数净压力会受到相邻裂缝的影响，是一个变化的量，在实际应用过程中难以确定。因此，在处理多条裂缝相互干扰的问题时直接将解析解计算结果线性叠加是不准确的，所得到的计算结果应力干扰会比真实情况强烈。

利用有限元或有限差分等数值计算方法对簇间距进行研究，可以回避采用解析解直接进行线性叠加所带来的误差。但是这种方法主要以页岩气储层为对象进行了簇间距优化，研究储层厚度均较厚，裂缝缝高和半缝长相差不多，对于致密砂岩这类储层厚度与缝长相对较小的情况以上分析结果并不适用，而且以上研究主要偏向于定性分析，不能定量确定簇间距。

发明内容

本发明的目的是针对目前水平井分段多簇压裂设计过程中簇间距优化的问题。

本发明提供的技术方案如下：

一种水平井体积压裂簇间距优化方法，包括以下步骤：

步骤1)最小簇间距优化：在裂缝流体压力为定值时，在每条水力压裂孔的裂缝允许偏转角度范围内，得到两簇裂缝之间的最小簇间距；

步骤2)最大改造体积簇间距优化：在裂缝流体压力为定值时，计算每一个簇间距下相应的两簇裂缝之间的储层改造体积，最大储层改造体积对应的簇间距为最大改造体积簇间距；

步骤3)比较同一裂缝流体压力下，最小簇间距和最大改造体积簇间距的大小，两者中较大的为最优簇间距。

所述储层改造体积是通过计算压裂过程中两簇裂缝之间中间主应力的转向角度，当两簇裂缝之间中间主应力的转向角度超过某一定值，则该区域为被改造区域，其对应的体积为储层改造体积。

所述中间主应力的转向角度计算过程如下：

将两簇裂缝之间的体积均分成m等分，每一等分上的应力张量分别求取每一等分上的应力张量S的特征值与特征向量，中间特征值对应的特征向量n即为中间主应力的方向，则中间主应力的转向角度α为向量n与y轴之间的夹角，表示为：

所述允许转向角度范围为5°-15°。

当两簇裂缝之间中间主应力的转向角度超过60°时，该区域为被改造区域。

所述两簇裂缝之间的储层改造体积为将所有处于两簇裂缝之间的被改造区域对应的体积相加得到最终总的改造体积。

本发明的有益效果是：本发明从降低应力影效应的不利影响和利用应力影效应的有利影响两个方面分别对最小簇间距和最大改造体积簇间距进行，比较后得到最优簇间距，最大化的利用应力诱导增大储层改造体积，同时可以避免裂缝偏转过于严重，为低渗透油气藏水平井分段多簇压裂设计过程中簇间距优化提供了参考。

下面将结合附图做进一步详细说明。

附图说明

图1是裂缝流体压力为64MPa时最小簇间距计算结果示意图；

图2是不同裂缝流体压力和允许偏转角度下的最小簇间距；

图3是压裂后地层中间主应力转向区域随簇间距的变化；

图4是不同簇间距及裂缝流体压力下改造体积变化曲线图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例提供了一种水平井体积压裂簇间距优化方法，包括以下步骤：

步骤1)最小簇间距优化：在裂缝流体压力为定值时，在每条水力压裂孔的裂缝允许偏转角度范围内，得到两簇裂缝之间的最小簇间距；

步骤2)最大改造体积簇间距优化：在裂缝流体压力为定值时，计算每一个簇间距下相应的两簇裂缝之间的储层改造体积，最大储层改造体积对应的簇间距为最大改造体积簇间距；

步骤3)比较同一裂缝流体压力下，最小簇间距和最大改造体积簇间距的大小，两者中较大的为最优簇间距。

本发明原理：水平井分段多簇压裂过程中，不同的裂缝流体压力对主应力的转向情况会有较大影响，因此，簇间距优化设计应针对特定的裂缝流体压力进行，即不同的裂缝流体压力情况下最大改造体积簇间距不一样。当簇间距过小时，水平井筒附近水平主应力发生转向，导致相邻两簇水力裂缝难以起裂扩展形成横切裂缝，或形成沿井筒轴向的纵向裂缝，降低了水平井段的利用率；如果主裂缝转向过大，可能会和已有裂缝相交或影响后续裂缝扩展，降低了裂缝的有效泄流区域，因此需要确定在允许转向角度范围内簇间距的最小值。由于两簇裂缝之间应力发生转向的区域改造体积最大，因此，每一个簇间距下可以计算出相应的两簇裂缝之间的储层改造体积，簇间距由小变大的过程中，储层改造体积是先增大后减小的过程，此时，使改造体积最大的簇间距即为簇间距的最大改造体积值。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种水平井体积压裂簇间距优化方法，所述储层改造体积是通过计算压裂过程中两簇裂缝之间中间主应力的转向角度，当两簇裂缝之间中间主应力的转向角度超过某一定值，则该区域为被改造区域，其对应的体积为储层改造体积。

所述中间主应力的转向角度计算过程如下：

将两簇裂缝之间的体积均分成m等分，每一等分上的应力张量分别求取每一等分上的应力张量S的特征值与特征向量，中间特征值对应的特征向量n即为中间主应力的方向，则中间主应力的转向角度α为向量n与y轴之间的夹角，表示为：

在本实施例中，最小簇间距优化实现方法为：根据最大拉应力准则，裂缝的扩展方向总是平行于中间主应力方向，因此根据地应力计算出当前储层岩石中间主应力方向后就可以判断出裂缝扩展路径。由于线弹性条件下应力场可以叠加，因此可以建立一条裂缝的模型，并使用ABAQUS有限元软件对其周围应力场偏转角度进行分析，得出最小簇间距。裂缝的模型采用C3D8(3维8节点)实体单元，单元尺寸为2m，由于几何模型和边界条件的对称性，可以只取1/4进行分析，水力裂缝半缝高为10m，半缝长为120m，模型尺寸为200m×200m×20m；上边界和近井筒边界为对称边界条件，其它边界为固定法相位移边界条件。计算出中间主应力偏转角度，当下一簇裂缝起裂并扩展时不会发生严重偏转时，从而确定出最小簇间距。

本发明采用有限元数值模拟的方法，基于ABAQUS有限元软件，通过建立均质各向同性储层内三维水力裂缝的诱导应力差模型。

其中，在本实施例中，将两簇裂缝之间的体积均分成8等分，即8个积分点，一个积分点上中间主应力转向角度大于一定的值(本实施例中为60°)时则认为该1/8体积是被改造区域，然后将所有处于两簇裂缝之间单元的被改造区域对应体积相加得到最终总的储层改造体积。每一积分点处的转向角度α计算同上。

实施例4：

在实施例3的基础上，本实施例以长庆油田致密砂岩储层的地应力参数和岩石力学参数进行最小簇间距优化和最大改造体积簇间距优化，以得到合理的最优簇间距，在以下算例中针对58MPa、61MPa和64MPa三种不同裂缝流体情况进行了计算分析。地应力参数和岩石力学参数见表1所示。

表1地应力参数和岩石力学参数

1)最小簇间距优化：

裂缝偏转角度允许值不一样，最小簇间距结果也会有变化。图1给出了裂缝流体压力为64MPa时裂缝附近偏转情况，中间灰色区域代表中间主应力的偏转角度超过了相应的允许值(5°和15°)，最小簇间距应该保证其它裂缝在该区域之外，如图中白色直线所示。图2给出了不同裂缝流体压力和允许转向角度下的最小簇间距变化情况，随着裂缝流体压力的增加，最小簇间距随之增加。裂缝偏转角度要求越小，最小簇间距增大，不同的临界值标准所要求的最小簇间距相差可达10m以上。

2)最大改造体积簇间距优化

图3给出了最大改造体积簇间距优化模型在裂缝流体压力为61MPa时不同簇间距情况下中间主应力的方向变化情况。当簇间距为40m时可以观察到两簇之间有部分区域的中间主应力方向没有发生偏转，表明该区域的岩石在压裂过程中不容易形成裂缝网络，40m的簇间距设置虽然避免了应力影效应的不利影响，但是却对井段有一定程度的浪费，并且也没能够利用应力的有利影响来增大储层的改造体积。为了准确的确定最大改造体积簇间距，簇间距由10m变化到40m，每隔1m进行一次计算，得出不同簇间距情况下的改造体积。

图4给出了不同裂缝流体压力情况下的改造体积(中间主应力转向角度大于60°)随簇间距的增大的变化。可以看出，在相同裂缝流体压力情况下，储层改造体积随着簇间距的增加是先增大后减小的过程，改造体积的极大值所对应的簇间距即为最大改造体积簇间距。同时，不同裂缝流体压力情况下的最大改造体积簇间距也不相同，随着裂缝流体压力的增大，最大改造体积簇间距也随之增大，裂缝流体压力为58MPa、61MPa和64MPa情况下的最大改造体积簇间距分别为19m、27m和32m。

3)确定最优簇间距

结合最小簇间距优化和最大改造体积簇间距优化的结果，最优簇间距应该取上述两者中的较大值。在该储层条件下，最终簇间距确定结果如表2所示，当裂缝允许偏转角度为5°时，裂缝流体压力为58MPa、61MPa和64MPa情况下的最终簇间距优选结果分别为24.5m、29m和33m，当裂缝允许偏转角度为15°时，裂缝流体压力为58MPa、61MPa和64MPa情况下的最终簇间距优选结果分别为19m、27m和32m。

表2最优簇间距优选结果

以上各实施例没有详细叙述的方法、裂缝模型建立属本行业的公知常识，这里不一一叙述。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水平井体积压裂簇间距优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1)最小簇间距优化：裂缝流体压力为定值时，在每条水力压裂孔的裂缝允许偏转角度范围内，得到两簇裂缝之间的最小簇间距；

步骤2)最大改造体积簇间距优化：在裂缝流体压力为定值时，计算每一个簇间距下相应的两簇裂缝之间的储层改造体积，其中最大储层改造体积对应的簇间距为最大改造体积簇间距；

步骤3)比较同一裂缝流体压力下，最小簇间距和最大改造体积簇间距的大小，两者中较大的为最优簇间距。

2.根据权利要求1所述的一种水平井体积压裂簇间距优化方法，其特征在于：所述储层改造体积是通过计算压裂过程中两簇裂缝之间中间主应力的转向角度，当两簇裂缝之间中间主应力的转向角度超过某一定值，则该区域为被改造区域，其对应的体积为储层改造体积。

3.根据权利要求2所述的一种水平井体积压裂簇间距优化方法，其特征在于，所述中间主应力的转向角度计算过程如下：

将两簇裂缝之间的体积均分成m等分，每一等分上的应力张量分别求取每一等分上的应力张量S的特征值与特征向量，中间特征值对应的特征向量n即为中间主应力的方向，则中间主应力的转向角度α为向量n与y轴之间的夹角，表示为：

<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>=</mo> <mi>arccos</mi> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>n</mi> <mi>y</mi> <mi>T</mi> </msubsup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>n</mi> </mrow> <mrow> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mi>n</mi> <mo>|</mo> <mo>|</mo> </mrow> </mfrac> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mi>T</mi> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>.</mo> </mrow>

4.根据权利要求1所述的一种水平井体积压裂簇间距优化方法，其特征在于：所述允许偏转角度范围为5°-15°。

5.根据权利要求2所述的一种水平井体积压裂簇间距优化方法，其特征在于：当两簇裂缝之间中间主应力的转向角度超过60°时，该区域为被改造区域。

6.根据权利要求3所述的一种水平井体积压裂簇间距优化方法，其特征在于：所述两簇裂缝之间的储层改造体积为将所有处于两簇裂缝之间的被改造区域对应的体积相加得到最终总的改造体积。