CN107992690A - 一种诱导应力干扰下多裂缝扩展形态均衡程度的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及非常规油气藏水力压裂改造工艺技术，具体是涉及一种诱导应力干扰下多裂缝扩展形态均衡程度的评价方法。针对目前尚缺少一种定量、准确地表征多裂缝扩展形态的均衡程度的方法的问题，本发明的技术方案是，包括如下步骤：[1]输入工况参数，利用PKN模型模拟多裂缝扩展的形态；[2]将每一条裂缝分割为多个单元体，计算每个单元的缝长、缝宽和偏转角参数；[3]选取计算参数，包括体积最大的裂缝的单元体个数nmax、每个单元体的宽度wi，max、每个单元体的长度ai，max和每个单元体的偏转角θi，max，体积最小的裂缝的单元体个数nmin、每个单元体的宽度wi，min、每个单元体的长度ai，min和每个单元体的偏转角θi，min；[4]计算参数计算裂缝均衡系数ξ，并评价裂缝的均衡程度。本发明适用于水平井分段压裂技术。
Description
技术领域
本发明涉及非常规油气藏水力压裂改造工艺技术，具体是涉及一种诱导应力干扰下多裂缝扩展形态均衡程度的评价方法。
背景技术
随着油气资源勘探开发的深入，非常规油气藏已成为油气资源的重要接替，然而非常规油气藏低渗致密，很难实现经济开发，目前主要采用水平井分段压裂技术来实现高效开发。在水平井分段压裂时存在多条裂缝同时起裂扩展，由于多裂缝在地层中受到的应力干扰不同而导致了每条裂缝的扩展形态也各不相同，进而严重影响着非常规油气藏的压后产量。普遍的观点认为多裂缝扩展形态越均衡，越有利于提高非常规油气藏压裂后的油气产量。
然而目前国内外并没有提出定量表征多裂缝扩展形态均衡程度的方法，仅从定性的角度上提出了一些认识。其中一种观点认为多裂缝扩展的裂缝长度之间差异越小，则多裂缝扩展形态越均衡。显然这种定性的判断方法比较粗糙，仅考虑到裂缝形态在裂缝长度上的非均衡性，而没有考虑到裂缝宽度和裂缝偏转角对裂缝均衡程度的影响。另一种观点从各裂缝进液量的角度出发提出了一种简单的表示方法，该方法认为进入各裂缝进液量之间的差异越小时，多裂缝扩展形态越均衡，该方法可用公式表示为：
其中，ξ为裂缝均衡系数；Qmin和Qmax分别是各裂缝进液量的最小值和最大值。
但是，公式(1)中定义的裂缝均衡系数并没有考虑到压裂液滤失到地层中的一部分对裂缝均衡系数计算结果的影响，也没有揭示出裂缝长度、裂缝宽度和裂缝偏转角与裂缝均衡程度的本质关系，所以该方法也不能够准确表征多裂缝扩展形态均衡程度。因此，目前尚缺少一种定量、准确地表征多裂缝扩展形态的均衡程度的方法。
发明内容
针对上述目前的评价多裂缝扩展形态的方法不能够准确表征多裂缝扩展均衡程度的问题，本发明提供一种诱导应力干扰下多裂缝扩展形态均衡程度的评价方法，其目的在于：综合考虑裂缝长度、裂缝宽度和裂缝偏转角等因素，定量评价多裂缝扩展形态均衡程度，为压裂优化设计提供指导，从而提高非常规油气藏多裂缝扩展的均衡程度，达到较好的增产效果。
本发明采用的技术方案如下：
一种诱导应力干扰下多裂缝扩展形态均衡程度的评价方法，包括如下步骤：
[1]输入工况参数，利用PKN模型模拟多裂缝扩展的形态；
[2]根据步骤[1]中PKN模型的模拟结果，将每一条裂缝分割为多个单元体，计算每个单元体的缝长、缝宽和偏转角参数；
[3]根据步骤[2]中的计算结果选取计算参数，所述计算参数包括体积最大的裂缝的单元体个数nmax、最大的裂缝的每个单元体的宽度wi，max、最大的裂缝的每个单元体的长度ai，max和最大的裂缝的每个单元体的偏转角θi，max，所述计算参数还包括体积最小的裂缝的单元体个数nmin、最小的裂缝的每个单元体的宽度wi，min、最小的裂缝的每个单元体的长度ai，min和最小的裂缝的每个单元体的偏转角θi，min；
[4]根据步骤[3]选取的计算参数计算裂缝均衡系数ξ，并将ξ用于评价裂缝的均衡程度。
用于计算裂缝均衡系数ξ的公式的推导过程为：
1.在公式(1)基础上考虑压裂液滤失，得到裂缝均衡系数为裂缝进液量减去压裂液在裂缝内的滤失量的最小值与最大值之比，具体计算方式如下：
其中，和分别为各裂缝最小和最大滤失液量，单位为m3。
2.裂缝进液量减去压裂液在裂缝内的滤失量即为裂缝体积，而裂缝体积可用裂缝长度、裂缝宽度和裂缝高度计算，即可得到用裂缝长度、裂缝宽度和裂缝高度表示裂缝均衡系数，具体计算方式如下：
其中，lmin和lmax分别为各裂缝最小和最大裂缝长度，单位为m；wmin和wmax分别为裂缝最小和最大宽度，单位为m；h为裂缝高度，单位为m。
3.对公式(3)进行差分离散，可得到裂缝均衡系数表达式为：
该公式中，裂缝被分割为多个单元体，nmin和nmax分别为最小和最大裂缝的单元体个数；wi，min和wi，max分别为最小和最大裂缝的第i个单元体的裂缝宽度，单位为m；ai，min和ai，max分别为最小和最大裂缝的第i个单元体的裂缝长度，单位为m。在PKN模型中，裂缝的高度h近似为相同的，因此式中的h可以约去。
4.多裂缝在扩展过程中会发生一定的偏转，进一步考虑裂缝偏转程度对裂缝均衡系数的影响，在公式(4)的基础上，得到裂缝均衡系数最终的公式如下：
其中，θi，min和θi，max分别为在最小和最大裂缝中第i个单元裂缝偏转角。
采用该技术方案后，可用裂缝均衡系数表示横纵坐标与裂缝宽度曲线所围成面积的最小值与最大值之比。在裂缝的高度近似为相同的条件下，裂缝均衡系数表示最小裂缝的体积与最大裂缝的体积之比。裂缝均衡系数的取值范围在0到1之间，当该值越接近0时，说明多裂缝扩展形态差异越大，裂缝扩展得越不均衡；当该值越接近1时，说明多裂缝扩展形态差异越小，多裂缝扩展得越均衡。该方法考虑了压裂液滤失、裂缝偏转程度对裂缝均衡程度的影响，利用裂缝形态参数能够更加准确地定量表征多裂缝扩展形态的均衡程度，进而评价水平井分段压裂的施工效果，为油田现场施工提供一定的理论指导。
步骤[4]所述均衡程度的判定标准是：当ξ≥0.75时，多裂缝扩展形态均衡程度较好；当0.5＜ξ＜0.75时，多裂缝扩展形态均衡程度一般；当ξ≤0.5：多裂缝扩展形态均衡程度较差。通过裂缝均衡系数ξ的数值大小可直接判断相关工况条件下，多裂缝扩展形态的均衡程度，非常直观。
优选的，步骤[1]所述工况参数包括弹性模量E、压裂液粘度μ、裂缝高度h、泊松比u、注入排量q、裂缝簇间距L、最大水平主应力σH、泵注液量Q、滤失系数c、最小水平主应力σh和断裂韧性K。由于裂缝位于地下，因此裂缝体积难以在现场进行测量，而上述建模所用的参数都是现场可测的工况参数或常数，因而克服了现场测量裂缝体积的困难。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.利用裂缝形态参数能够更加准确地定量表征多裂缝扩展形态的均衡程度，进而评价水平井分段压裂的施工效果，为油田现场施工提供一定的理论指导。
2.相比于现有技术，本发明的评价方法中的裂缝均衡系数考虑了压裂液滤失，更加符合实际情况，因此最终判断结果也更准确。
3.本方法的计算过程揭示裂缝长度、裂缝宽度和裂缝偏转角与裂缝均衡程度的之间的关系，具有科学研究的意义。
4.通过裂缝均衡系数ξ的数值大小可直接判断相关工况条件下，多裂缝扩展形态的均衡程度，非常直观。
5.由于裂缝位于地下，因此裂缝体积难以在现场进行测量，而建模所用的参数都是现场可测的工况参数或常数，因而克服了现场测量裂缝体积的困难。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明实施例1中模拟结果中裂缝的几何参数图；
图2是本发明实施例2中模拟结果中裂缝的几何参数图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1对本发明作详细说明。
本发明的实施方法如下：
[1]输入工况参数，包括弹性模量E、压裂液粘度μ、裂缝高度h、泊松比u、注入排量q、裂缝簇间距L、最大水平主应力σH、泵注液量Q、滤失系数c、最小水平主应力σh和断裂韧性K。利用PKN模型模拟多裂缝扩展的形态；
[2]根据步骤[1]中PKN模型的模拟结果，将每一条裂缝分割为多个单元体，计算每个单元的缝长、缝宽和偏转角参数；
[3]根据步骤[2]中的计算结果选取计算参数，所述计算参数包括体积最大的裂缝的单元体个数nmax、每个单元体的宽度wi，max、每个单元体的长度ai，max和每个单元体的偏转角θi，max，所述计算参数还包括体积最小的裂缝的单元体个数nmin、每个单元体的宽度wi，min、每个单元体的长度ai，min和每个单元体的偏转角θi，min；
[4]根据步骤[3]选取的计算参数计算裂缝均衡系数ξ，并将ξ用于评价裂缝的均衡程度，ξ的计算公式是：
裂缝均衡系数可表示为横纵坐标与裂缝宽度曲线所围成面积的最小值与最大值之比。裂缝均衡系数的取值范围在0到1之间，当该值越接近0时，说明多裂缝扩展形态差异越大，裂缝扩展得越不均衡；当该值越接近1时，说明多裂缝扩展形态差异越小，多裂缝扩展得越均衡。
定量的判断标准为：
ξ≥0.75：多裂缝扩展形态均衡程度较好；
0.5＜ξ＜0.75：多裂缝扩展形态均衡程度一般；
ξ≤0.5：多裂缝扩展形态均衡程度较差。
实施例1
本算例采用的初始工况参数为：弹性模量E＝30000MPa、压裂液粘度μ＝10mPa·s、裂缝高度h＝30m、泊松比U＝0.2、注入排量q＝12m3/min、裂缝簇间距L＝25m、最大水平主应力σH＝42MPa、泵注液量Q＝100m3、滤失系数c＝5×10-4m/min0.5、最小水平主应力σh＝40MPa、断裂韧性K＝4MPa·m0.5。
通过PKN模型计算，得到的裂缝的几何参数如图1所示，给出的最大和最小裂缝的各个单元体参数如表1和表2所示。其中nmax＝10，nmin＝7。
表1体积最大裂缝的各个单元体参数
| i | wmax(m) | amax(m) | θmax(°) |
| 1 | 0.00356 | 12 | 1 |
| 2 | 0.0035 | 12 | 1.5 |
| 3 | 0.0033 | 12 | 2.4 |
| 4 | 0.0031 | 12 | 3.3 |
| 5 | 0.003 | 12 | 4 |
| 6 | 0.0025 | 12 | 3.5 |
| 7 | 0.0019 | 12 | 2.8 |
| 8 | 0.0012 | 12 | 2 |
| 9 | 0.0004 | 12 | 1.4 |
| 10 | 0 | 12 | 1 |
表2体积最小裂缝的各个单元体参数
| i | wmin(m) | amin(m) | θmin(°) |
| 1 | 0.00292 | 12 | 0 |
| 2 | 0.00286 | 12 | 0 |
| 3 | 0.00272 | 12 | 0 |
| 4 | 0.00258 | 12 | 0 |
| 5 | 0.0021 | 12 | 0 |
| 6 | 0.0014 | 12 | 0 |
| 7 | 0.0005 | 12 | 0 |
通过以上参数，利用公式(5)即可求得该多裂缝扩展形态下的裂缝均衡系数，计算得到本算例的裂缝均衡系数为0.672。说明在本算例基本参数条件下，多裂缝扩展形态均衡程度一般。
实施例2
本算例采用的初始工况参数为：弹性模量E＝25000MPa、压裂液粘度μ＝15mPa·s、裂缝高度H＝40m、泊松比U＝0.25、注入排量q＝16m3/min、裂缝簇间距L＝30m、最大水平主应力σH＝44MPa、泵注液量Q＝150m3、滤失系数c＝5.5×10-4m/min0.5、最小水平主应力σh＝42MPa、初始裂缝方位角α＝90°、断裂韧性K＝4.5MPa·m0.5。
通过PKN模型计算，得到的裂缝的几何参数如图2所示，给出的最大和最小裂缝的各个单元体参数如表3和表4所示。其中nmax＝10，nmin＝9。
表3体积最大裂缝的各个单元体参数
| i | wmax(m) | amax(m) | θmax(°) |
| 1 | 0.00347 | 11 | 1 |
| 2 | 0.00341 | 11 | 1.5 |
| 3 | 0.00326 | 11 | 2.4 |
| 4 | 0.00311 | 11 | 3.3 |
| 5 | 0.00295 | 11 | 4.2 |
| 6 | 0.00275 | 11 | 4.4 |
| 7 | 0.00252 | 11 | 3.5 |
| 8 | 0.00225 | 11 | 2.4 |
| 9 | 0.0019 | 11 | 1.6 |
| 10 | 0.0014 | 11 | 1 |
表4体积最小裂缝的各个单元体参数
通过以上参数，利用公式(5)即可求得该多裂缝扩展形态下的裂缝均衡系数，计算得到本算例的裂缝均衡系数为0.847。说明在本算例基本参数条件下，多裂缝扩展形态均衡程度较好，建议可采用水平井分段压裂技术进行油气资源开采。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (2)
1.一种诱导应力干扰下多裂缝扩展形态均衡程度的评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
[1]输入工况参数，利用PKN模型模拟多裂缝扩展的形态；
[2]根据步骤[1]中PKN模型的模拟结果，将每一条裂缝分割为多个单元体，计算每个单元体的缝长、缝宽和偏转角参数；
[3]根据步骤[2]中的计算结果选取计算参数，所述计算参数包括体积最大的裂缝的单元体个数nmax、每个单元体的宽度wi，max、每个单元体的长度ai，max和每个单元体的偏转角θi，max，所述计算参数还包括体积最小的裂缝的单元体个数nmin、每个单元体的宽度wi，min、每个单元体的长度ai，min和每个单元体的偏转角θi，min；
[4]根据步骤[3]选取的计算参数计算裂缝均衡系数ξ，并将ξ用于评价裂缝的均衡程度，ξ的计算公式是：
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<mo>,</mo>
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<mi>i</mi>
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<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
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<mo>,</mo>
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<mi>a</mi>
<mrow>
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<mo>,</mo>
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</msub>
<msub>
<mi>cos&theta;</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>,</mo>
<mi>max</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>.</mo>
</mrow>
2.按照权利要求1所述的一种诱导应力干扰下多裂缝扩展形态均衡程度的评价方法，其特征在于：步骤[1]所述工况参数包括弹性模量E、压裂液粘度μ、裂缝高度h、泊松比U、注入排量q、裂缝簇间距L、最大水平主应力σH、泵注液量Q、滤失系数c、最小水平主应力σh和断裂韧性K。
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